除了推进系统,核潜艇的另一个噪音来源是壳体。
海水冲击壳体,会产生流噪声。解决方法是贴消声瓦——一种特殊的橡胶材料,可以吸收声波,减少反射。
但消声瓦的技术,国外严格封锁。别说买,连看一眼都不行。
2011年,张海洋接手了这个任务。他已经从量子通信材料转向了舰船材料,在“星火”研究院材料所带了一个团队。
张海洋找到秦念的时候,带来了一块样品。
那是一块灰色的橡胶板,厚度大约五厘米,表面有密密麻麻的锥形结构。
“秦老师,这是我们从一艘报废的外军潜艇上拆下来的消声瓦残片。分析了一下成分,大概是丁腈橡胶加空心微珠。”
“逆向工程能做吗?”
张海洋摇头。
“很难。橡胶的配方只是基础。关键是结构。消声瓦的原理是阻抗匹配——让声波从海水进入橡胶的时候,不发生反射,全部进入橡胶内部。然后在橡胶内部,通过空腔结构把声波能量耗散掉。配方可以分析,但内部的空腔结构是成型工艺决定的。我们不知道他们是怎么做的。”
秦念拿起那块样品,仔细看着表面的锥形结构。
她启动了【微观结构洞察】。
视野穿过橡胶表面,进入内部。她看到了一个极其复杂的结构——不是简单的实心橡胶,而是一层一层的复合结构。每一层都有不同的声学特性,层与层之间还有微小的空腔。
“这不是单一材料。”秦念说,“这是六层复合结构。表层是耐海水腐蚀的涂层。第二层是阻抗匹配层,让声波进入。第三层是声学谐振层,里面嵌着空腔,每个空腔的尺寸都不一样,覆盖不同频率。第四层是阻尼层,把声能转化成热能。第五层是反射层,把没吸收掉的声波反射回去。第六层是粘接层,贴在壳体上。”
张海洋听得目瞪口呆。
“六层?秦老师,您是怎么看出来的?”
秦念没有回答这个问题。
“配方我可以给你。结构我可以画给你。但成型工艺,需要你自己摸索。每一种材料的厚度、每一层空腔的尺寸、层与层之间的界面结合——每一项都要精确控制。差一点,消声效果就差一个数量级。”
她把笔记本翻到新的一页,开始写配方、画结构。
张海洋站在旁边,看着那一页一页的图,手在发抖。
“秦老师,这个方案……太复杂了。六层复合结构,每层的厚度要控制在微米级,空腔的尺寸要控制在纳米级。国内的橡胶成型工艺,做不到这个精度。”
“那就逼自己做到。”
秦念合上笔记本,递给他。
“我给你一年。”
张海洋苦笑。
“秦老师,您每次都这样。”
“因为我信你。”
张海洋带着笔记本回到材料所,开始了消声瓦的研制。
第一层,耐海水腐蚀涂层。他试了十几种配方,选了氟橡胶。耐海水、耐盐雾、耐老化。
第二层,阻抗匹配层。他算了一个月,确定了厚度和声阻抗。
第三层,声学谐振层。这是最难的一层。要在橡胶内部做出尺寸精确的空腔,每个空腔的尺寸都不一样,覆盖从100赫兹到赫兹的频率范围。张海洋尝试了激光加工、化学蚀刻、3d打印,都不行。
第四个月,他找到了一种方法:用可溶性的微球做模板。先把微球混在橡胶里,成型之后把微球溶掉,留下空腔。
但微球的尺寸很难控制。大的太大,小的太小,分布不均匀。
张海洋在实验室里磨了两个月,终于做出了第一批尺寸均匀的微球。
第五个月,他做出了第一块消声瓦样品。
测试结果:吸声性能只有理论值的百分之三十。
张海洋把样品放在桌上,看着它,沉默了很久。
“再来。”
他改了配方,改了工艺,改了空腔的分布。
第六个月,第二块样品。吸声性能提升到百分之五十。
第七个月,第三块样品。百分之六十五。
第八个月,第四块样品。百分之八十。
第九个月,第五块样品。百分之九十五。
张海洋站在测试设备前,看着屏幕上跳动的数据,手在发抖。
吸声系数:0.95。意味着百分之九十五的声能被吸收了。
比美国同类产品高百分之三十。
他拿起电话,打给秦念。
“秦老师,成了。”
电话那头沉默了三秒。
“实艇测试做了吗?”
“做了。在常规潜艇上贴了一块,下海试了。噪音降低了15分贝。”
15分贝,意味着声波强度降低了三十倍。
“批量生产,装核潜艇。”秦念说。
张海洋挂了电话,坐在椅子上,看着那块灰色的橡胶板。
它只有五厘米厚,一平方米大小。但它里面,有六层结构,有几百个微米级的空腔,有他十个月的心血。
他伸出手,摸了摸那个表面。粗糙的,像砂纸。
“消声瓦。”他轻声说,“你是潜艇的隐身衣。”