خاموش‌سازی بدنه: چگونه کاشی‌های پژواک‌شکن، پایه‌های عایق و پمپ‌جت‌ها صدای منتشرشده از زیردریایی را سرکوب می‌کنند

ردپای صوتی یک زیردریایی در مرزی تعیین می‌شود که فولاد بیرونی شناور با آب‌های اطراف تلاقی پیدا می‌کند. اگر انرژی مکانیکی حاصل از راکتور، توربین‌ها یا سیستم انتقال قدرت به این مرز برسد، به شکل یک موج فشاری در اقیانوس منتشر می‌شود که آرایه‌های سونار غیرفعال می‌توانند آن را در فواصل بیش از ۵۰ مایل دریایی شناسایی کنند. در نتیجه، مهندسان دریایی زیردریایی را نه به عنوان یک وسیله نقلیه واحد، بلکه به عنوان مجموعه‌ای از مناطق تو در تو و از نظر صوتی عایق‌بندی‌شده در نظر می‌گیرند که برای به دام انداختن انرژی جنبشی پیش از انتشار آن به بیرون طراحی شده‌اند.[4]

این استراتژی مهار بر سه مداخله فیزیکی مجزا استوار است: عایق‌بندی ارتعاشات داخلی، جذب صوتی خارجی و مدیریت هیدرودینامیک جریان آب. هر یک از این موارد بخش متفاوتی از طیف صوتی را هدف قرار داده و منبع متفاوتی از نویز منتشرشده را مدیریت می‌کند. همان‌طور که در تحلیل سال ۲۰۱۸ نشریه Navy Matters به تفصیل بیان شده است، ادغام این سیستم‌ها جنگ ضدزیردریایی را اساساً دگرگون کرده و تلاش‌های شناسایی را مجبور ساخته تا به ناهنجاری‌های صوتی به مراتب ظریف‌تری متکی باشند.[2]

اولین خط دفاعی کاملاً در داخل بدنه تحت فشار عمل می‌کند. زیردریایی‌ها ارتعاشات داخلی عظیمی را از طریق پمپ‌های خنک‌کننده، چرخ‌دنده‌های کاهنده و ژنراتورهای الکتریکی تولید می‌کنند. اگر این قطعات مستقیماً به چارچوب‌های ساختاری پیچ شوند، بدنه به عنوان یک تقویت‌کننده عظیم عمل می‌کند. برای جلوگیری از این امر، مهندسان از پایه‌های عایق استفاده می‌کنند؛ کمک‌فنرهای پیچیده الاستومری یا پنوماتیک فعال که ماشین‌آلات را از اسکلت فولادی جدا می‌کنند.[3]

سیستم‌های عایق‌بندی مدرن از تکنیک نصب دومرحله‌ای یا «قایقی» بهره می‌برند. ماشین‌آلات روی یک پلتفرم داخلی عظیم محکم می‌شوند، که خود این پلتفرم روی مجموعه ثانویه‌ای از پایه‌های متصل به بدنه معلق است. بر اساس تحقیقات منتشرشده در کنفرانس علوم، فناوری و مهندسی زیردریایی، این رویکرد دولایه به طور موثری مسیر انتقال مکانیکی ارتعاشات با فرکانس پایین را قطع می‌کند؛ ارتعاشاتی که خطرناک‌ترین نوع هستند زیرا بیشترین مسافت را در آب دریا طی می‌کنند.[3]

در حالی که پایه‌های عایق نویز داخلی را مهار می‌کنند، زیردریایی باید در برابر انرژی صوتی خارجی نیز دفاع کند؛ به طور خاص، پالس‌های سونار فعال که توسط ناوشکن‌ها و بالگردهای شکارچی ساطع می‌شوند. این حوزه عملکرد کاشی‌های پژواک‌شکن است. این پوشش‌های ضخیم لاستیکی که روی سطح خارجی بدنه بیرونی اعمال می‌شوند، به گونه‌ای مهندسی شده‌اند که امواج صوتی ورودی را به جای بازتاب دادن به سمت فرستنده، جذب کنند.[1]

فیزیک جذب پژواک‌شکن بر تغییر شکل ریزساختاری متکی است. همان‌طور که در بررسی علم مواد MDPI تشریح شده است، ماتریس الاستومری کاشی حاوی هزاران حفره میکروسکوپی است. هنگامی که یک موج فشار صوتی به زیردریایی برخورد می‌کند، این حفره‌ها را فشرده می‌سازد. تلاش مکانیکی مورد نیاز برای تغییر شکل لاستیک، انرژی صوتی را به مقدار ناچیزی انرژی حرارتی تبدیل می‌کند که به شکلی بی‌خطر در اقیانوس پراکنده می‌شود.[1]

اثربخشی این پوشش‌ها به شدت وابسته به فرکانس است. یک فرمولاسیون استاندارد کاشی پژواک‌شکن برای جذب فرکانس‌های بین ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ هرتز بهینه‌سازی شده است؛ باندی که بیشترین استفاده را در سیستم‌های سونار فعال تاکتیکی دارد. در این محدوده، کاشی‌های باکیفیت می‌توانند قدرت هدف بازتاب‌یافته را بین ۱۰ تا ۱۵ دسی‌بل کاهش دهند و عملاً شعاع تشخیص سونار دشمن را به کمتر از نصف تقلیل دهند.[4]

با این حال، کاشی‌های پژواک‌شکن چالش‌های عملیاتی قابل‌توجهی را به همراه دارند. پیوندهای چسبنده‌ای که کاشی‌ها را به بدنه متصل می‌کنند، در معرض چرخه‌های حرارتی شدید، فشار هیدرواستاتیک عظیم در اعماق و نیروی برشی آب در حال حرکت روی بدنه با سرعت ۲۰ گره دریایی قرار دارند. همان‌طور که نشریه Professional Mariner در بررسی مهندسی صوتی دریایی خود اشاره کرده است، حفظ یکپارچگی این پوشش‌ها نیازمند چسب‌های تخصصی و نگهداری مداوم است، زیرا کنده شدن حتی یک کاشی یک «نقطه روشن» صوتی ایجاد می‌کند که پنهان‌کاری کل شناور را به خطر می‌اندازد.[5]

سومین رکن خاموش‌سازی زیردریایی به برجسته‌ترین منبع نویز پهن‌باند می‌پردازد: سیستم پیشرانه. پروانه‌های باز سنتی با ایجاد اختلاف فشار در دو سوی پره‌های خود نیروی رانش تولید می‌کنند. در سرعت‌های بالا، این افت فشار باعث به جوش آمدن آب و تشکیل حباب‌های بخار می‌شود که به شدت فرو می‌پاشند؛ پدیده‌ای که به عنوان کاویتاسیون (حفره‌زایی) شناخته می‌شود. حباب‌های در حال فروپاشی یک ردپای صوتی متمایز و با حجم بالا تولید می‌کنند که به راحتی قابل شناسایی است.[6]

برای به تاخیر انداختن شروع کاویتاسیون، زیردریایی‌های پیشرفته به طور فزاینده‌ای از پیشران‌های پمپ‌جت استفاده می‌کنند. یک پمپ‌جت، روتور چندپره‌ای را درون یک پوشش یا مجرای هیدرودینامیک محصور می‌کند که با مجموعه‌ای از پره‌های ثابت استاتور جفت شده است. پره‌های استاتور آب ورودی به پیشران را پیش از رسیدن به روتور به چرخش درمی‌آورند و اطمینان حاصل می‌کنند که آب با زاویه حمله بهینه به روتور برخورد می‌کند، که این امر توزیع فشار را در سطوح پره متعادل می‌سازد.[8]

پمپ‌جت با مدیریت جریان آب از طریق مجرا، آستانه سرعتی را که در آن کاویتاسیون رخ می‌دهد، به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. در حالی که یک پروانه باز ممکن است در سرعت ۱۵ گره دریایی شروع به کاویتاسیون کند، یک پمپ‌جت با طراحی خوب اغلب می‌تواند در سرعت‌های بیش از ۲۰ تا ۲۵ گره دریایی بی‌صدا عمل کند. علاوه بر این، خود پوشش به عنوان یک مانع صوتی فیزیکی عمل کرده و نویز جریان فرکانس بالای باقی‌مانده را مستقیماً به سمت عقب هدایت می‌کند، به جای آنکه اجازه دهد به صورت جانبی در اقیانوس اطراف منتشر شود.[6]

علی‌رغم مزایای صوتی، استفاده از پمپ‌جت‌ها شامل بده‌بستان‌های مهندسی پیچیده‌ای است. آن‌ها به طور قابل‌توجهی سنگین‌تر از پروانه‌های سنتی هستند و جرم زیادی را به منتهی‌الیه عقب زیردریایی اضافه می‌کنند، که توزیع وزن و کنترل گام را پیچیده می‌سازد. علاوه بر این، همان‌طور که مجله دفاعی استرالیا (Australian Defence Magazine) در خصوص تدارکات زیردریایی‌های آینده تاکید کرده است، به دلیل ماهیت بسیار حساس طراحی روتور-استاتور، بازدهی هیدرودینامیکی خاص و «انتخاب فناوری پیشرانه پمپ‌جت هنوز به خوبی در ادبیات غیرطبقه‌بندی‌شده توضیح داده نشده است».[7]

ادغام پایه‌های عایق، کاشی‌های پژواک‌شکن و پمپ‌جت‌ها یک اثر ترکیبی ایجاد می‌کند، جایی که سرکوب یک منبع نویز، منبع بعدی را آشکار می‌سازد. با کاهش نویز پهن‌باند پیشرانه توسط پمپ‌جت، فرکانس‌های تونال گسسته پمپ‌های داخلی به ردپای صوتی غالب تبدیل می‌شوند. هنگامی که آن‌ها نیز توسط پایه‌های عایق سرکوب می‌شوند، نویز جریان آب در حال حرکت روی بدنه اولویت پیدا می‌کند.[4]

شواهد نشان می‌دهد که برتری صوتی از طریق یک پیشرفت واحد به دست نمی‌آید، بلکه حاصل مدیریت دقیق هزاران منبع نویز منفرد است. پژوهشگرانی که در کنگره بین‌المللی آکوستیک سخنرانی کرده‌اند، تاکید می‌کنند که پیش‌بینی نویز پهن‌باند اکنون نیازمند مدل‌سازی طیف فشار دیواره در سراسر سطح بدنه است، و زیردریایی را باید به عنوان یک سیستم صوتی یکپارچه در نظر گرفت، نه مجموعه‌ای از قطعات.[8]

با بهبود الگوریتم‌های تشخیص و گسترش شبکه‌های حسگر خودمختار، حاشیه‌های خطای صوتی همچنان در حال کاهش است. محدودیت‌های فیزیکی جذب الاستومری و مدیریت جریان هیدرودینامیک به خوبی درک شده‌اند، به این معنی که کاهش بیشتر در نویز منتشرشده احتمالاً به جای بهبودهای تدریجی در مواد موجود، نیازمند فناوری‌های لغو فعال یا پارادایم‌های کاملاً جدید در پیشرانه خواهد بود.[1][3]