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海洋论坛▏水下无人航行器装备技术发展与作战应用研究

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发表时间:2021-03-12 14:07

世界范围内开展水下无人航行器研发的国家主要为美、俄、欧亚各国等,其中以美国在役数量最多,在能源动力、自主控制、导航精度及水声通信等关键技术均处于领先水平,已形成系列化产品或装备,广泛应用于军民各领域。据兰德公司2019年统计数据显示,全球已研制完成航行器超过160型,其中重量在2t以下的数量比例超过50%

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1 国外水下无人航行器尺寸重量分布

军用水下无人航行器全球已列装和在研约50型,按照美海军划分标准统计,可分为超大型2型、大型22型、中型20型、小型11型。其中,中小型主要用于情报监视侦察、反水雷、诱饵欺骗、海洋调查等,大型兼具运载、反潜反舰、电子战等能力,超大型将进一步具备直接打击与对抗等作战能力。

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一、国外发展现状

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现阶段,美国军用水下无人航行器以小型、中型、大型和超大型为发展序列,其中大型、超大型无人航行器尚处于研制验证阶段,未来将重点拓展作战能力、探索作战形式;中小型无人航行器已完成MK18系列中小型反水雷航行器、“刀鱼”中型反水雷航行器、LBS-G中型战场感知水下滑翔机等装备的列装,具备反水雷、情报监视侦察、海洋环境探测等实际作战能力,未来将进一步提升作战效能。

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2 “虎鲸”超大型无人水下潜航器畅想图

超大型航行器方面以“虎鲸”超大型无人航行器为发展重点,2019年美海军正式启动5“虎鲸”研制建造计划,以美国波音公司“回声-航行者”型超大型无人航行器为基础进行研制,该型航行器2017年开始初次海试,长16m,重50t,潜深3300m,采用混合式可充电电力系统,续航力6个月,并装配长达10.2m的模块化有效载重舱,主要用于执行情报监视侦察、反水雷、时敏打击任务,全部5具将至2022年完成交付。

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3 “虎鲸”超大型无人航行器平台概念图

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4 国外水下无人航行器典型装备

大型航行器方面以“蛇头”大型航行器为发展重点,2016年海军研究办公室完成9001100nmile长航时试验,排水量约10t,直径约1.5m,续航30d或更长,计划能够由“弗吉尼亚”级潜艇改装的导弹发射筒发射。2017年美海军正式启动2“蛇头”大型航行器原型样机研制,计划2021财年完成下水,2025年前达到全速生产;中型航行器方面2020年发布中型航行器发展需求,计划研发兼具水面与水下鱼雷管布放回收、反水雷与海洋环境感知能力的新型中型航行器;小型航行器方面以Remus300型航行器为原型,开展下一代小型航行器研制论证工作。

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5 美国军用水下无人航行器发展规划

俄罗斯方面,2017年发布《2030年前国家海军行动基本原则》,将水下无人航行器作为2025年后装备建设重点。目前,俄海军正稳步推进大型、小型航行器发展,并创新发展核动力无人航行器。大型航行器以“大键琴”系列无人航行器为基础研制,2018年完成集成化任务载荷设计与测试,其“大键琴”II型航行器长度6.5m,直径1m,重3.74t,航程约50km,可由特种潜艇搭载,用于执行北极地区海洋调查与水下特种作业等多项任务。小型航行器以“护身符”、“朱诺”等航行器为基础,其中“朱诺”长2.9m,直径0.2m,重约80kg,续航力6h“护身符”长1.6m,直径0.16m,重25kg,航程15km,续航力6h,升级版长度1.45m,重17.5kg2019年进行了软件和导航系统升级以适用于执行情报监视侦察等作战任务。核动力无人航行器重点发展具备水下核打击能力的“波塞冬”核动力航行器,并列入俄罗斯2018-2027国家武备计划,计划10年内完成列装。

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6 “波塞冬”核动力航行器结构示意图

欧洲国家方面重点规划反水雷、反潜型水下无人航行器发展,典型国家有挪威、瑞典、法国、英国等。挪威以“休金”、Remus系列航行器为重点,发展航行器反水雷、海洋环境探测等能力;瑞典以AUV62系列无人航行器为基础,重点发展航行器反水雷及反潜战训练能力;法国以中小型航行器为发展重点,主要应用于反水雷作战,其中法国ECA公司研制的ALISTER9型航行器,长1.72.5m,重量5090kg,续航力24h,航速3kn、主要用于反水雷,已列入法国海军采购计划;英国以超大型无人航行器为发展重点,2019年提出超大型航行器发展计划,以现有S201型载人潜水器为基础平台研发,计划长度为30m,直径2.5m,重约70t,采用燃料电池,**航速12kn,续航力为3个月,航程约为5500km,主要用于情报监视侦察和反潜等任务。

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7   英国超大型无人航行器概念图

亚洲国家积极发展军用水下无人航行器。韩国尚无军用无人航行器服役,2019年提出大型反潜型航行器发展计划以应对朝鲜水下潜艇威胁,该型航行器计划长约9m,采用燃料电池续航能力可达30d。日本民用无人航行器技术水平较高,军用产品以采购为主,目前重点开展反水雷型航行器研制。印度水下无人航行器研发水平有限,2017年提出8具长航时航行器采购列装计划,规划至2021年组建水下无人航行器中队。

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8   韩国大型反潜型水下无人航行器概念图

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二、典型作战运用

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目前,国外列装军用无人航行器以执行情报监视侦察、反水雷、海洋环境探测、诱饵等任务为主。以美国为例,已在广域海洋环境信息搜集、局部海域长期情报监视侦察、高效无伤反水雷等方面具备较强作战能力,正在逐渐向联合协同作战过渡,积极发展协同反潜和水下打击等任务能力,作战定位逐渐由战场保障转向水下作战的关键要素,使命任务也随之大幅拓展。


⒈海洋环境探测

航行器配置温盐深测量仪、海流剖面仪、磁向传感器等负载,按预设模式执行任务,测量收集海洋环境数据,支撑海战场环境建设。水下滑翔机作为一种低功耗长航时航行器在海洋环境探测领域得到广泛应用,可由水面舰艇在任务区外布放,任务海区利用任务负载收集水下环境数据,并定期上浮至水面发送数据、接收指令,校准位置与航线信息。多个滑翔机组成观测阵列可进行大范围、长时间同步观测。2006年美海军利用“布法罗”号核潜艇首次实现滑翔机布放,利用5天时间对夏威夷瓦胡岛海域海洋环境信息进行搜集。2010年美海军将水下滑翔机作为制式装备,累计采购180余台,已用于冰下、远海、近海等多个区域综合海洋观测体系,并计划配备部分“阿利·伯克”级驱逐舰。2011年美海军3台滑翔机首次参加意大利西西里海域反潜演习,进行了1000次传导性、温度、深度(CTD)测量,覆盖范围是水面舰船的10倍。2016年美利用侦察船在南中国海投放1LBS-G型滑翔机执行侦察任务。

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9   水下滑翔机海洋环境探测


⒉反水雷

航行器配置探测负载与小型武器,自主航行至雷区,自主协同搜索定位水雷,引爆灭除水雷,或将水雷位置回传,用于规划安全航线。2003年伊拉克战争期间,美海军**特种清扫队利用REMUS100型航行器进行了探雷实战验证。2014年美国国防供应商基于“金枪鱼”系列航行器进行了编队反水雷作战效能评估。2017年美海军完成“刀鱼”反水雷航行器在不同深度猎雷能力测试。


⒊情报监视侦察

航行器配置光学和声学设备,抵近传统平台难以进入或有争议的航道、港口和基地等目标附近,执行侦察监视、舰艇特征信号测量等任务。利用单航行器或航行器集群部署在距离对抗方港口近海区机动航行,执行监视、信号情报收集、港口图像扫描、水下地形测绘等任务,形成持续对岸监视态势。2018年美盟国沙特成功运用REMUS600型无人航行器进入也门海域,抵近完成高清图像拍摄,成功支持沙特情报监视侦察作战任务,验证了其作战使用。

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10   近海持续水下监视系统(PLUSnet)


⒋区域探潜

航行器配置探测与通信载荷,航行至目标区域,按照预设任务模式自主避障巡航,探测载荷搜索敌方目标,将数据回传至母舰。典型作战应用包括近海持续水下监视系统(PLUSnet)与深海反潜探测网络。其中,近海反潜探测网络。网络由多型、多个无人航行器组成,由潜艇机动布放,航行器间可相互通信,按预定路径巡逻,潜艇可根据需要实时对航行器航线进行调整,可实现区域监视探测任务。深海反潜探测网络。网络由固定式海底声呐阵和数十个航行器组成,航行器由母艇布放,座居海底构成横竖交错的声呐“星座”,自下向上监测,在6000m水深处多个航行器组成的“海底星座”,可实现广域监测。


⒌水下打击

航行器配置武器或武器发射舱,在己方其他兵力指挥控制或自主决策下,对舰艇目标实施快速打击。典型作战概念为大型航行器察打一体系统,该系统由大型航行器携带分布式传感器网络和轻型鱼雷构成,航行器由潜艇导弹发射筒携带布放,自主航行至指定作战区域潜伏在海底,搭载8对智能传感器和最多4枚轻型鱼雷,自主布放光缆与传感器形成网络,并通过光缆与航行器连接开展区域探测,发现可疑目标并确认后航行器即可发射鱼雷攻击。

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11   大型航行器察打一体系统

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三、主要技术发展

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水下无人航行器按照其主要系统构成与布放使用,可分为航行器总体技术、能源动力技术、控制技术、导航技术、通信技术、任务载荷技术与保障技术等7个技术方向。

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12   水下无人航行器主要技术方向


⒈总体技术

航行器总体结构以回转体型为主,非回转体、仿生等异构体是重要发展方向。2014年美国研制完成“幽泳者”等多型仿生航行器,通过摆动尾鳍前进,具备高机动航行与隐蔽作战能力,可为执行情报监视侦察任务提供更好的安全保障;2017年,英国海军发布未来概念潜艇及航行器设计,提出“鳗鱼”、“飞鱼”等多型仿生型航行器概念。结构设计与新材料应用方面,国外大量采用非金属等轻质材料,美国已采购“刀鱼”无人航行器采用铝合金、多层复合材料和强化玻璃钢,并采用复合材料螺旋桨,有效降低了自身重量。


⒉能源动力技术

航行器目前以可充电锂电池为主要能源,航速一般不超过5kn,美国“金枪鱼”-21型航行器3kn航速下可持续航行25h;燃料电池目前国外仅在少数商用或试验航行器使用,在研新型燃料电池能量密度最高可达725Wh/kg。油电混合动力是超大型航行器重要选择方向之一,瑞典、法国、英国和美国均开展了相关研究工作,并实现小型油电混合动力舱的航行器适配研制,美国“航行者”超大型航行器采用油电混合动力,可实现航程6500km。推进器以螺旋推进为主,并开始运用泵喷、喷水推进、仿生推进等新型推进形式。新技术探索方面,主要通过建立水下充电站提升航行器持久作业能力。2007年美国启动水下母港研究,2018年完成储电量200kWh、工作深度3000m燃料电池水下充电站研制;2017年俄罗斯提出水下核能充电站技术,计划建立载有核反应堆的无人充电站网络。


⒊控制技术

水下自主控制技术是无人航行器控制技术发展重点,目前国外已实现预定路径一定程度的自主判断,正在开展自主探测定位识别、目标意图判断、渔网渔具目标规避等任务能力建设,积极发展面向任务的信息处理与深度学习能力。在美国大型、超大型无人航行器研制中,也将水下自主避障、水面障碍规避与自主决策、渔网规避与自主脱困作为关键能力由军方主导推进。

协同控制以水下有人无人协同与水下无人集群控制为重点方向,在水下有人无人协同方面,2016年美海军已通过无人机作为通信中继,实现水下有人平台对无人航行器的远程控制,并在20172019年海军先进技术中重点展示了以卫星为通信中继的有人无人远程控制协同作战构想;在水下无人集群控制方面,2019年美海军实现数十艘SwarmDiver微型航行器集群编队控制,采用蜂拥算法控制与水面无线电通信模式,实现多航行器任务分配与协同路径规划。


⒋导航技术

水下无人航行器以组合式导航为主,主流形式为惯性导航系统配合多普勒声呐计程仪与GPS定位系统,辅助导航设备主要包括声学定位系统、磁罗经等。目前,美国“金枪鱼”-21BPAUV组合导航精度可达到航程的0.1%,超大型无人航行器在无辅助导航情况下组合导航精度为航程的0.15%,国内航行器组合导航精度多为航程的0.3%。此外,2016年美国国防高级研究计划局(DARPA)提出水下基站式定位导航概念,通过在海底部署少量的声源信标,使无人航行器具备水下长航时精确导航的能力。

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13   水下基站式定位导航概念


⒌通信技术

航行器水下通信以水声通信为主,国外航行器先进水声通信系统1020km范围内通信速率达330bps;水面通信,超短波无线电通信方式通信速率超过10kbps,微波通信依靠低轨道铱星通信,主要用于航行器与岸上指挥中心、母艇、无人机等的大信息量短时通信,通信速率约115.2kbps2018年美国利用毫米波雷达通过探测水声信号对水面造成的微小振动,首次实现水下节点直接与空中节点跨介质通信,通信速率达到400bps2017年日本在水深700800m完成水下移动物体间蓝绿激光通信,通信距离超过100m,通信速率达20Mbps2019年开发完成水下光通信设备产品,可实现10m距离内100Mbps的双向通信。

14   “平移声学 - 射频通信”技术试验


⒍任务载荷技术

航行器任务载荷涉及探测、信息对抗、环境感知、打击等多个方面。探测载荷国外主流合成孔径声呐装置**扫海效率为2.88km2/h,成像分辨率5cm23kn航速探测距离260m。信息对抗国外已完成可模拟潜艇电磁、声学特征信号的航行器列装。海洋测量载荷国外水文、水声、水质、光学类传感器技术先进齐全,正在开展新型水声、辐射类传感器和微纳米传感器研究。小型化武器载荷,美国已研制完成“通用超轻型鱼雷”,直径和重量分别为170mm100kg;负载发射与布放方面,2017年美海军已利用直径0.5m“金枪鱼”-21中型航行器完成直径0.12m“沙鲨”小型航行器、重1.8kg“黑翼”微型无人机布放,具备无人机、小型航行器等载荷布放能力。此外,2018年美国DARPA提出利用海洋生物探测敌方水下目标新型探测技术,通过开发新型传感器系统,探测并记录海洋生物对电、声、磁、化学和光学刺激的行为感知,支持水下无人航行器实现对水下目标的探测。


⒎布放回收技术

保障技术主要涉及UUV布放与回收、水下长期驻留等方面。水下无人航行器的布放与回收可运用水面母船的吊艇架、坡道等实现,超大型航行器可从基地港口布放。此外,美海军自20世纪90年代开始发展潜载无人航行器布放回收技术。2013年利用直径1.5m“马林”航行器在潜艇导弹发射筒模拟装置(直径2.2m)进行了73次布放回收试验,2015年美海军成功完成中型航行器攻击型核潜艇鱼雷管布放回收试验。水下长期驻留,美国研制完成预置系统可在20006000m深海潜伏5年并保持作战能力。

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15   潜艇导弹发射筒模拟装置

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四、结语

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水下无人航行器不断向成熟迈进,作战范围从浅海到深海,使命任务由辅助作战走向支持作战,运用方式由单体走向集群,近中期将为有人高价值目标(航母、潜艇等)构筑外围警戒/侦察兵力,中远期将成为海上前出和潜伏攻击装备,成为海军攻防力量的重要组成部分。


⒈体系定位将成为水下触敌作战主要力量

未来水下无人航行器将逐渐替代部分传统平台执行长期重复、持久枯燥、隐蔽危险的任务,甚至扩展延伸原有平台的某些功能,如替代潜艇和水面舰在关键海域进行长时间反潜巡逻,执行抵近侦察、探测、目标指示等任务,并承担信息中继、火力打击等功能,逐渐成为水下触敌战斗各环节的主要力量,是信息化战争中夺取信息优势、实施精确打击、完成特殊作战任务的重要手段之一。


⒉作战运用强调有人无人协同与无人系统

集群作战

有人无人协同、无人系统集群作战是未来水下无人航行器作战运用的重要方向。有人无人协同作战充分利用有人平台的信息处理、协同组织和决策能力,无人平台的隐身性、长续航性、集群性等特点,进一步提升体系的协同态势感知能力及协同攻击能力,实现感知探测能力、分析决策能力、协同打击能力的优化组合与配置,提升体系生存能力。无人集群作战将形成空中、水面、水下多维度立体式的作战网络,拥有传统平台所不具备的隐蔽、抗损、可重构等特点,成为打不垮的前沿侦察、监视与打击力量。


⒊系统平台强调系列化、通用化、

标准化发展

水下无人航行器强调平台系列化、载荷通用化、软件标准化发展。平台方面采用系列化建设以支撑水下无人作战力量快速形成,以美国为例,已建立小型、中型、大型、超大型无人航行器发展序列。载荷方面采用集成化的方式,把专业领域先进技术制成模块化专用装置与系统接口,通过载荷模块配置实现任务能力的转变,其中美国新一代中小型无人航行器均以商用航行器为基础平台研制,通过载荷模块的转变实现任务能力的转变;德国蒂森克虏伯公司提出可转换水下母舰项目,采用高度模块化设计,可针对各种任务进行载荷配置。软件方面利用成熟商用技术,建立开放式标准化无人航行器系统架构,实现其技术快速更新。


⒋关键技术重点提升网络化、协同化和

集群化能力

多航行器组成一体化侦察、探测、打击网络,协同作战和作业,是提高其作战能力和作业效率的有效手段,也是水下无人航行器重要发展趋势,而现阶段有限的水下通信能力、低标准的自主控制水平、能量存储技术限制、单一的布放回收方式等仍是制约水下无人航行器实现作战能力提升的重要因素。未来可通过声学、电磁、光学等多种通信方式,增强水下与跨域信息传输能力;可采用多种探测识别方式相结合的模式完善环境感知和目标识别能力,以更加智能的信息处理方式进行运动控制与规划决策,提升无人航行器自主化程度;可通过发展高密度能量源、采用高精度航行器为其他航行器提供导航信息的方式提升水下长航时远距离抵近作战能力;探索以大型航行器部署小型无人系统和研究不回收自毁性无人系统概念提升布放回收效能,以实现无人系统作战能力的突破。


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