海军桅杆上装有现代作战所需的各类传感器,但桅杆本身却是舰船一个最容易被人忽视的组成部分。
萨博轻型集成桅杆将安装在芬兰海军正在建造的四艘 Pohjanmaa 级多功能护卫舰上
几个世纪以来,即使不再需要桅杆来支撑船帆,但桅杆的功能始终未变。水手坐在桅杆上,可以获得最远的视野,这一原理依然有效,当然,这一作用已被先进的传感器所取代。然而,传感器位置越高,其探测范围就越大,这一理论依然适用。
舰船的桅杆总是一个折衷方案。传感器需要安装在高处,以最大限度地提高探测距离和性能,但造船师又不希望传感器安装得太高,因为这会影响船只的稳定性和雷达信号。此外,多个传感器和天线不能相互干扰,也不能受到船上所有钢材的过度影响。因此,桅杆设计是一门获得最佳折衷方案的艺术。
多年来,造船师们研制出各种类型的桅杆,但最新流行的是集成桅杆。除了美观之外,集成桅杆还能减少杂乱,因为它消除了数十个独立的天线,并集成了雷达、通信、导航、敌我识别(IFF)、火控和电子战系统等海军常用系统。
集成桅杆中的传感器具有更高的可用性,因为敏感元件可免受恶劣海洋环境的影响,维护工作也可在海上进行。其他显著优势还包括节省甲板下空间、减轻顶部重量以提高船舶稳定性,以及更大的灵活性/可升级性。
例如,虽然封闭式桅杆可能比格构式桅杆更重,但它的雷达截面更小,受到的振动更小,可以承载更重的负荷。对敌方雷达来说,无数的突起物和天线是便于探测,但封闭式桅杆的平面可以减少反射回波。
当然,桅杆必须在结构上与舰艇融为一体,以承受舰艇在大海上航行时的静态和动态载荷。海军设计师还必须考虑桅杆的位置,因为它会影响稳定性、空气阻力和顶部电磁环境,而且桅杆传感器可能会受到来自烟囱的热羽流的影响。然而,传感器必须能够穿透桅杆的面板结构。例如,美国海军 “圣安东尼奥 ”号 LPD 先进封闭式桅杆/传感器(AEM/S)的下半部由轻木芯包裹,上半部则是泡沫芯和结构层压板夹层。
新加坡海军拥有 8 艘 1200 吨级的独立级濒海任务舰,这些舰艇都采用了萨博公司的 SLIM 系统
集成桅杆有助于消除电磁和视线障碍。分层的传感器和天线放置在桅杆的高处,视野清晰,减少了电磁干扰,运行效率更高。集群式全向和定向天线可同时在不同波长上发射和接收信号,这就对传感器和天线的性能提出了要求,但目标是使每个传感器和天线的性能下降降至最低。
例如,泰雷兹荷兰公司设计的集成桅杆(I-Mast)系列有四层甲板--顶甲板、上下天线甲板和设备甲板,屏蔽管道将电缆和冷却回路穿过气密桅杆的中心。例如,荷兰皇家海军荷兰级 OPV 就安装了 I-Mast。
法国海军集团也提供集成桅杆,如全景传感器和情报模块(PSIM)。PSIM 安装在法国海军 FDI 护卫舰和 Gowind 2500 轻型护卫舰上,重量从 80 吨到 150 吨不等,高度为 25-45 米。它可以有三到七层的操作室和技术室,可以安装固定天线或旋转天线。
海军集团发言人解释说:“PSIM 为舰艇提供 360° 的传感器和通信覆盖范围。在传感器、控制台和电子设备的数量方面,它可以满足客户最广泛的要求。由于它是为在岸上独立操作而设计的,因此在安装到船上之前,即在首次出海前一年多,就可以对设备和功能链进行早期测试,以便在出海前发现任何技术困难、确定其特征并加以解决。
为了从 PSIM 的提前建造中获得真正的好处,海军集团指出,'PSIM 必须尽早建造,因此必须在项目的早期阶段进行物理和功能集成研究。因此,设备(雷达、通信等)和海军集团作战系统软件必须尽快到位,以确保舰艇的总体进度'。
此外,并行建造意味着集成桅杆可以与舰艇建造分开进行通电和全面测试。船舶组装完成后,桅杆可以作为一个即插即用的整体单元进行简单连接,之后只需进行有限的测试,以确保成功集成。这种独立的建造方式节省了造船成本和时间。由于传感器在受保护的环境中寿命更长、更易于维护,因此还能节省更多资金。
目前最新的桅杆之一来自日本。日本三菱重工公司正在建造的重达 3900 吨的 最上级护卫舰采用了 UNICORN 集成桅杆。从外观上看,UNICORN 类似一个喇叭,装满天线的 UNICORN 位于装有 OPY-2 有源电子扫描阵列雷达的基座上方。
日本采购、技术和后勤局(ATLA)形象地解释道:“这是一种前所未有的天线,具有极其先进的全新隐形能力。与传统的天线或桅杆相比,雷达截面大大减小,就像把一件和服缩小到一把折扇的大小'。
日本海上自卫队第二艘最上级护卫舰 JS Kumano,集成了八种不同天线类型的 UNICORN 桅杆
为了避免干扰,在 UNICORN 的纤维增强塑料天线罩内,从上到下依次排列着八种天线:雷达波段全向探测天线、通信波段方向搜索天线、Wi-Fi 波段天线、Link 16 天线、UHF 波段发射/接收天线、IFF 响应天线和 UHF/VHF 波段发射/接收天线。在 UNICORN 的底座上有一个战术空中导航(TACAN)天线。
有趣的是,ATLA 将战术空中导航(TACAN)圆形天线移到了最底部,将电子支援措施(ESM)天线安装在顶部,用于探测来袭导弹等。
与以前日本军舰上的桅杆相比,“UNICORN ”号的高度从 9 米降至 8 米。舰艇停泊时,雷达罩会被起重机吊走,整个过程需要几个小时,然后用插入式连接器将舰艇电缆连接到 UNICORN 的底板上。安装在雷达罩表面的防雷带可防止电流浪涌。
日本提出向印度出口 UNICORN,但印度海军正在探索在未来的驱逐舰上安装本土集成桅杆。印度将分两个阶段实施该项目,第一阶段在一根桅杆上集成 ESM、通信情报、VHF/UHF 和数据链天线。第二阶段将集成雷达罩。
供应商可以定制集成桅杆的尺寸和配置,但萨博轻型集成桅杆 (SLIM) 是适合小型战舰的产品之一。新加坡的濒海任务舰和瑞典海军的维斯比级轻型护卫舰都采用了这种集成桅杆。芬兰海军也将在 Pohjanmaa 级轻型护卫舰上使用这种桅杆。此外,它们还被改装到现有的水面舰艇上,如斯德哥尔摩级和耶夫勒级轻型护卫舰。
萨伯-科库姆斯公司几十年来一直在设计复合材料桅杆。萨博轻型集成桅杆产品经理 Magnus Dannemyr 表示,“SLIM是一种轻型设计,与相同设计的钢制桅杆相比,重量减轻了约50%甚至更多,同时由于材料的原因,它还不会腐蚀......这种设计还意味着它是简化船舶安装的交钥匙解决方案(完整的解决方案)。
在进一步讨论其优点时,Dannemyr 补充说:'SLIM 重量轻,这反过来又减轻了上层建筑的重量,从而提高了舰船稳定性,桅杆更高,有利于扩大传感器探测范围,并为更多的传感器、武器和未来的发展留出了重量余量。由于其模块化和可扩展性,我们可以根据客户和传感器的选择对其进行定制,以提高性能。'
Dannemyr 承认,复合材料桅杆最初可能比钢制桅杆昂贵,但 “与钢制解决方案相比,材料选择和设计意味着更低的生命周期成本和更少的维护”。
澳大利亚 BAE 系统公司为澳大利亚皇家海军升级了八艘 “安扎克 ”级护卫舰。一位发言人说,作为这项工作的一部分,BAE 系统公司在西澳大利亚亨德森开发了专业的桅杆制造能力。在那里,集成桅杆模块在安装到护卫舰之前要进行制造和装配。该过程包括喷砂和喷漆、绝缘、管道、电气布线和设备安装。发言人解释说:这最大限度地减少了桅杆模块安装到船上后的工作量。
发言人详细介绍说,“安扎克 ”号护卫舰桅杆使用高强度、船用铝合金制造桅杆模块,桅杆形状复杂,尺寸公差要求严格,这在很大程度上是受 CEA Technologies 集成的相控阵雷达技术要求决定的。在最近一次升级后,护卫舰配备了 CEAFAR2-L 相控阵雷达。
澳大利亚八艘 “安扎克 ”级护卫舰的铝制封闭式桅杆由澳大利亚 BAE 系统公司制造
BAE 系统澳大利亚公司正在借鉴这一经验,为九艘猎人级护卫舰建造一个概念验证桅杆,相关工作已经开始。铝材重量轻,因此可以减轻总重量,将其用于舰艇的其他部位,从而有助于未来的发展。发言人说:'通过减轻结构重量(而不影响强度或性能),该舰船增加了将重量转化为作战能力的余地。不过,平衡也是关键所在。
发言人继续说:'通过减轻舰艇顶部的重量,舰艇的重心会降低,从而使舰艇更加稳定。桅杆的建造和装配可以在车间进行,不受船上其他工作的影响,也不受船只可用性的影响。人员可以随时进入车间环境,而不必在船上环境中开展工作,这为执行如此大的工作范围提供了更安全的途径。
不过,一体化桅杆也存在自身的挑战。BAE 系统澳大利亚公司指出,桅杆与船舶之间的接口控制至关重要。与船舶的机械接口需要非常严格的公差,在使用铝材时,这是一个挑战。在确定哪些电缆应该从桅杆连接到船舶,反之亦然时,需要仔细考虑电气接口,以最大限度地提高效率。
在规划和设计阶段,还需要仔细考虑干燥空气、冷却液和供热通风与空气调节(HVAC)支持系统的接口,以确保已考虑到互连性。在处理长交货期设备时,提前规划材料和设备的可用性以最大限度地提高车间环境中的装备水平始终是一个挑战。
海军桅杆并非事后才想到的,也不是将真正的能力安装在其上的简单框架,而是设计之初就注重的集成解决方案。
成功地将传感器集成到一个可行的结构中似乎是当前和未来海军战舰的一个关键因素,与那些不能或不愿适应变化步伐的军种相比,它具有显著的优势。