國外大型無人水下航行器發(fā)展綜述

鐘宏偉 , 李國良 , 宋林樺, 莫春軍

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國外大型無人水下航行器發(fā)展綜述

鐘宏偉1, 李國良2, 宋林樺1, 莫春軍1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118; 2. 中國人解放軍 91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

當今無人水下航行器(UUV)已成為世界各國海軍爭相研制的“熱點”裝備, 并紛紛致力于大型UUV的研發(fā)。文中通過對大量文獻的分析, 梳理了美國、俄羅斯、英國及德國等主要海軍國家有代表性的大型UUV的發(fā)展現(xiàn)狀和技術特征, 重點介紹了美國主要大型UUV裝備的研究進展、應用情況及重要技術指標, 展望了大型UUV在動力、多任務、自主性、導航及有效載荷能力方面的發(fā)展趨勢。

大型無人水下航行器; 水下裝備; 技術指標

0 引言

上世紀90年代, 美國制定了無人航行器科學技術的全面發(fā)展計劃。在2002年“21世紀海上力量”戰(zhàn)略新構(gòu)想中, 提出由深海向適應淺海與近岸作戰(zhàn)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變, 計劃在2030年前組建一支約2 000艘由不同級別航行器組成的無人水下艦隊, 主要用于淺海、近岸及港口的對敵情報搜集與偵察監(jiān)視、反潛戰(zhàn)與反水雷戰(zhàn)作戰(zhàn), 以滿足近海和港口等地的國土防衛(wèi)和反恐需求[1]。大型無人水下航行器(large displacement unmanned un- dersea vehicle, LDUUV)的提出, 最初是基于近程水雷偵察系統(tǒng)(near mine reconnaissance system, NMRS)及遠程水雷偵察系統(tǒng)(longterm mine reco- nnaissance system, LMRS)等研制計劃。通過對美軍各版本的無人航行器發(fā)展規(guī)劃及海軍無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖[2-5]解讀不難發(fā)現(xiàn), 美軍已將大型UUV裝備設定為一種未來水下無人作戰(zhàn)平臺。為盡量減少作戰(zhàn)中的人員傷亡, 之后又提出將水下有人特種作戰(zhàn)輸送艇與大型UUV組合為一種水下力量作戰(zhàn)平臺。

當今世界各國在大型UUV的裝備方面均有一定發(fā)展, 其中美國在此領域的發(fā)展最為迅速, 其發(fā)展重點針對滿足大型UUV功能需求的各種先進技術的研發(fā), 已研制多型大型UUV原理樣機。另外, 俄、英、德、意也在開展各自的大型UUV原理樣機的研制, 甚至伊朗也在積極研制此類無人裝備。UUV的大型化發(fā)展已成為水下武器裝備研發(fā)的必然趨勢。

1 大型無人水下航行器發(fā)展現(xiàn)狀

大型UUV的裝備內(nèi)涵為: 一種為水下小型無人集群提供?？垦a給、環(huán)境評估、平臺發(fā)射的水下作戰(zhàn)部署系統(tǒng), 搭載有各類武器及任務載荷艙段, 排水量大于5 t以上的水下無人平臺[6]。它具有察打一體、有效載荷輸送(含特種作戰(zhàn)人員)、導航定位、保障與支援、海上設備投送、航行器間通信聯(lián)系的基地“母艇”能力, 是一種有自主航行、可回收及自我保護功能的水下作戰(zhàn)平臺。

1.1 美國

美海軍在2016年發(fā)布《AUV 2025年需求》[7]提出要加強對大型UUV的使用, 尤其強調(diào)對所研制的“曼塔”(MANTA)和“創(chuàng)新型海軍原理樣機(innovative naval prototype, INP)”等大型UUV的快速利用。2013年提出發(fā)展新型超大型UUV設計概念[8]。2015年向工業(yè)部門發(fā)布了大型水下無人系統(tǒng)工程研發(fā)階段招標說明書(registered financial planner, RFP)[9]。2016年修改了大型無人航行器的采購方案[10]。2017年發(fā)布《恢復美國制海權》報告[11], 要求美海軍未來裝備超大型與智能型UUV, 將其作為一種多任務、多功能, 并能攜帶多種有效載荷的水下作戰(zhàn)平臺, 可作為水下特種作戰(zhàn)、分布式網(wǎng)絡、全球打擊等有效載荷的UUV, 同時簽署合同, 投巨資設計建造超大型UUV。

在整個大型UUV的研發(fā)過程中, 美海軍先后提出了“曼塔計劃”、在研的“水螅計劃”以及“爪子計劃”3個項目。最具代表的典型裝備有“曼塔”、“海神”、“回聲旅行者”等。隨著水下作戰(zhàn)概念的不斷創(chuàng)新, 這種既可作為無人水下攻擊平臺, 又可作為水下有效載荷搭載平臺的大型UUV還將會向概念更新、遂行功能任務更多的需求發(fā)展。

1.1.1 攻擊型“曼塔”

美軍2002年宣布推出的MANTA計劃水下作戰(zhàn)平臺是建立在其研制的跨介質(zhì)無人航空器上, 當時借用了空中無人機MANTA概念, 后將此概念延伸到水下無人機作戰(zhàn)[12-14]。

MANTA采用模塊化設計, 可搭載魚雷、導彈、水雷等多種武器, 根據(jù)不同任務隨時改變其配置的有效載荷。其外形如圖1所示。

圖1 “曼塔”海上試驗

MANTA最初的設計指標是: 每艘排水量達50 t量級, 攜帶有4枚重型魚雷及發(fā)射裝置、融合了最先進的傳感器水下技術、壓電陶瓷發(fā)射機、高耐壓水聽器、高密度多通道記錄儀、艇載電子設備和先進的處理算法; 航速在4.5~10 kn, 具有高精度導航、水聲通信和無線電通信、低速航行能力; 通過攜帶的側(cè)掃聲吶使之具備可探測海底地形、地貌、深度、水雷和避障能力, 可向母艇提供水下作戰(zhàn)環(huán)境的諸多情報信息。

MANTA平時與潛艇共形, 安裝在艇艏, 潛艇可直接利用它作為執(zhí)行任務的武器和傳感器。戰(zhàn)時, MANTA根據(jù)指令離開潛艇外殼塢站獨立執(zhí)行作戰(zhàn)任務, 任務完成后返回母艇外殼塢站形成原來設計的的流線型外殼。

MANTA可有效發(fā)射魚雷等重型武器(魚雷、導彈), 并在淺海水域向敵進行水下攻擊, 可承擔多種水下任務, 目前已試列裝美海軍第五艦隊[15]。2011年起, 美海軍每年舉行以“驕傲曼塔”命名的軍演, 持續(xù)測試該裝備在具體實戰(zhàn)中的性能及能力。

由美海軍水下戰(zhàn)中心紐波特分部上世紀90年代晚期開發(fā)的MANTA, 自完成原理樣機研究后, 目前沒有更進一步研究的報道, 僅把它作為一個再開發(fā)可投入戰(zhàn)場領域, 可直接支持未來海軍大、中、小型UUV進行自主式及可搭載各類傳感器和能源的技術研發(fā)試驗載體。目前該裝備相關技術處于平穩(wěn)發(fā)展期[15], 美軍已將該項裝備技術輸出到日本、韓國及以色列等國, 美軍想通過與這些國家從事該項研究的技術人員的共同研究探索, 把一些最先進的技術理念和方法引入下一代MANTA的設計思想中。

1.1.2 潛艇大縮比設計測試模擬器

目前最大排水量的UUV是美海軍水下戰(zhàn)中心(naval surface warfare center, NSWC)用于聲學測試的潛艇縮比模型, NSWC的聲學研究團隊現(xiàn)有3型這樣的大型航行器又稱輕型水下打擊艇(light st- rike vehicle, LSV)[16]。

1) 一型是Unisys公司1987年交付的Cutth- roat UUV(LSV1), 主要用于測試與“海狼”級潛艇相關的多種技術概念。

2) 另一型是通用動力電船公司攜手諾斯羅普格魯曼紐波特船廠建造的Kokanee UUV, 它采用Cutthroat(LSV1)基礎設計, 外形是“弗吉尼亞”級潛艇1:4縮比模型, 排水量155 t, 長30 m, 改進后延長到33 m, 是世界上目前最大的UUV, 已于2000年交付使用。這種按大縮比制成的模擬潛艇級航行器可按全工況航速工作, 以便準確采集和分析模型的輻射噪聲, LSV1已助“海狼”級潛艇在全高速航行下解決所能達到的最佳隱蔽特性。經(jīng)測試, Kokanee UUV選用原先為Cutthroat UUV研發(fā)的無軸推進器, 其不僅滿足了“海狼”級潛艇的安靜性要求, 更擴展了該類航行器在能力設計方面的開發(fā), 使其具有更好的費效比。

3) 新一代Cutthroat UUV(LSV2)是一型按“弗吉尼亞”級潛艇1:3縮比做成的專門測試電池供電的潛艇模擬器, 可裝載1 680塊2 V鉛酸電池和1臺永磁同步變頻6相推進電機, 電機推進功率達4 410 kW(但目前配置僅為一半), 耐壓外殼采用HY 100鋼, 排水量達196 t。

上述3型大縮比UUV作為進行測試與評估潛艇總體、推進器的噪聲模型, 可使這一尺度模型在水動力學和水聲學測試處于更為真實的工作環(huán)境, 以便在接近實際的狀態(tài)下開展結(jié)構(gòu)聲學、振動、操控和能源系統(tǒng)的技術研究, 同時LSV航行器上儲存的數(shù)據(jù)可在任務結(jié)束后下載分析。

1.1.3 大直徑創(chuàng)新型原理樣機

2015年, 美海軍在“?？仗觳┯[會”宣布: 美海軍研究局(office of naval research , ONR)研制的的大直徑海軍創(chuàng)新型原理樣機(large displacement unmanned underwater vehicle innovative naval prototype, LDUUV-INP)可改變海軍作戰(zhàn)的游戲規(guī)則, 是大型UUV搭載平臺的2.0版。同年, 美海軍海上系統(tǒng)司令部通過大型UUV項目低風險評審。2016年, ONR通過900~ 1 100 n mile長航時試驗, 解決了大型UUV在長期自主水下作業(yè)、傳感器實現(xiàn)安全自主導航時存在的技術問題; 完成了對其集成系統(tǒng)及傳感器在水下長期持久作業(yè)的考核、以及對有效載荷集成新型航行器的可行性分析; 進行了對微小型有效載荷與航行器平臺的接口試驗。2017年, 為使項目樣機盡快投入使用, 完成了對大型UUV采購策略的調(diào)整。2018年3月, 美海軍計劃分2個階段實現(xiàn)樣機的快速采購策略, 在2019財年交付2臺樣機, 用于評估關鍵系統(tǒng)的性能和技術特點, 支撐作戰(zhàn)概念的論證; 在2022財年交付2臺樣機, 用于整體的性能與技術評估, 之后再系統(tǒng)集成到艦艇或潛艇上。計劃到2020年首批樣機可部署無人系統(tǒng)中隊執(zhí)行任務。2025年前將達到全速生產(chǎn)[10,14]。圖2為LDUUV-INP原理樣機。

圖2 美海軍大直徑創(chuàng)新型無人水下航行器原理樣機

LDUUV-INP要求具有可搭載不同傳感器和任務模塊、自主控制能力強、可靈活搭載有效載荷、可數(shù)月遠距離執(zhí)行任務的能力; 具有掃雷、跟蹤、情報偵察、自主工作及智能化攻擊的能力; 可搭載各種類型的導彈、炸彈、甚至核彈進行自主攻擊; 既可獨立使用, 也可在包括巡航導彈核潛艇、弗吉尼亞級攻擊核潛艇和水面艦艇等多種平臺上部署。LDUUV-INP直徑約1.5 m(截面為正方型), 以燃料電池作為能源, 能極大提高續(xù)航能力; 為降低應用成本, 采用可任務重構(gòu)的有效載荷模塊化技術; 能夠集成用于水雷清除和潛艇

跟蹤的小型UUV。

LDUUV-INP有3種布放方式可供選擇, 分別為經(jīng)過改裝的“俄亥俄”級潛艇的導彈發(fā)射管、攻擊型核潛艇加裝的干式遮蔽艙以及“弗吉尼亞”級潛艇改裝的艇艏導彈發(fā)射管。目前美國海軍更傾向于最后一種方案。該UUV可續(xù)航30天, 未來將有更長續(xù)航時間, 可在水下數(shù)月或數(shù)年進行作業(yè), 并可根據(jù)任務需求, 從“弗吉尼亞”級潛艇的武器載荷艙、近海戰(zhàn)斗艦或干船塢進行布放。該UUV主要用于執(zhí)行從水下偵查到反水雷的各種任務, 通過對航行器進行最優(yōu)技術配置, 具備自主規(guī)避水下障礙(如山丘、漁網(wǎng)等)能力, 可與傳感器、有效載荷與水下航行器間進行高速傳輸導航數(shù)據(jù), 并與水下大數(shù)據(jù)中心網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

1.1.4 雙模式“海神”UUV

2015年, 美國亨廷頓·英格爾斯工業(yè)集團、巴特爾公司及藍鰭機器人公司共同組成水下研發(fā)團隊推出多模式“海神(Proteus)”大型UUV, 開創(chuàng)了有人/無人通用平臺應用先例, 兼具前沿海域微小型自主UUV能源補給基地、大型蛙人輸送艇及有效載荷水下搭載試驗平臺等多種功能[17]。該UUV采用扁平柱體外形、濕式結(jié)構(gòu)、電動力驅(qū)動設計, 長7.87 m, 寬1.6 m, 高1.62 m, 重3.74 t, 外殼材料為玻璃纖維, 最大潛深45.72 m, 持久力(正常荷載)50 h, 最高航速10 kn, 巡航速度8 kn。其兩側(cè)攜帶有黑色圓柱體, 無人模式下, 航行器雙邊各攜帶750 kg載荷可航行350~700 n mile, 最遠航程若維持4 kn航速時可實現(xiàn)航程超過900 n mile(296 kWh電池)最大化; 有人模式下, 航行器上配備的生命支持系統(tǒng)可供6名蛙人使用8 h, 移植了原哥倫比亞集團工程部與藍鰭公司共同研發(fā)的“海神”有人/無人航行器技術。

這型雙模式大型UUV融入了有人與無人操控的設計概念, 研發(fā)團隊把研制UUV和海豹特戰(zhàn)作戰(zhàn)輸送艇(見圖3)獲得的經(jīng)驗利用起來, 以期開發(fā)具備充足能源、長距離運送有效載荷、長期水下持久力的新一代大型UUV。該UUV可同時搭載用于布雷與攻擊的有關武器, 能攜帶其他可快速執(zhí)行任務的小型UUV, 必要時可作為水下前沿作戰(zhàn)的補給母艇, 不足為: 如航渡速度很低, 最高航速小于10 kn, 在充電后只能航行345 n mile, 且電池充電時間比耗盡電量時間要長很多, 不能很好滿足戰(zhàn)時迅速到位港口或入?？谔幍能娛滦枨蟆?/p>

該裝備于2012年研發(fā), 已通過海軍研究實驗室、海軍水面戰(zhàn)中心、海軍特種作戰(zhàn)司令部、空間和作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部等部門評估, 完成近百次功能測試, 水下航行記錄大于400 h, 已做好入役準備。2017年已移交給海軍作為專門的官方試驗平臺; 2018年2月, 該UUV在NSWC支持下完成了海上試驗, 接下來準備參與美國海軍研究實驗室和美國國土安全部(department of homeland security, DHS)組織的聯(lián)合演習。每套價格依據(jù)傳感器不同而有所區(qū)別, 預計在1000~1200萬美元之間[18]。

1.1.5 反潛訓練靶“MASTT”

圖4所示UUV為美國水下海事公司目前建造的60 t級重的移動式反潛戰(zhàn)訓練靶(modular, adaptive, stimulator for training & test, MASTT), 它的基本設計概念是把反潛戰(zhàn)訓練靶的基礎載荷(基本系統(tǒng))做成貨架式的模塊化結(jié)構(gòu), 以便組裝及拆卸, 可隨時模擬各類潛艇目標性能參數(shù), 因采用UUV設計理念, 僅花費1年時間便設計和建造出具有高費效比、低維護成本的航行器。美國水下海事公司是一家專門設計和建造商用旅游者用潛水器的生產(chǎn)廠家, 能提供高壓容器、電池系統(tǒng)、不依賴空氣推進(air independance power,系統(tǒng)、開式和閉式呼吸系統(tǒng)以及生命支持系統(tǒng)的設計與制造, 可根據(jù)用戶需求, 快速將這些專業(yè)系統(tǒng)配置到水下有人/無人水下艇或裝備上, 使之形成可任務重構(gòu)的水下裝備[16], 這是MASTT快速獲得訂單合同的主要原因。

1.1.6 “水螅”基地型UUV

2013年, 美國國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency, DARPA) 正式發(fā)布“水螅計劃”項目招標公告(又稱蛇頭計劃), 旨在開發(fā)一種戰(zhàn)場上隱蔽運輸并部署小型無人機和UUV的大型UUV(參見圖5)[9]。

圖4 重60 t的移動式反潛戰(zhàn)訓練靶

圖5 “水?！被匦蚒UV內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

“水?！被匦蚒UV計劃采用開放式標準模塊化技術, 使母艇具有可擴展性和低成本, 能夠根據(jù)海軍作戰(zhàn)要求進行快速反應, 模塊化載荷艙段組合使航行器快速具備諸如情報、監(jiān)視和偵察(intelligence surveillance and reconaissance, ISR), 反水雷(mine counter measures, MCM)等能力, 預計2018年前可實現(xiàn)實戰(zhàn)功能演示。另外, DARPA還為該項目尋求關于大型航行器模塊化外殼、無人機載荷、UUV水下載荷、總體系統(tǒng)概念及支持技術等5個技術領域的創(chuàng)新項目建議。

2015年, 美海軍海洋系統(tǒng)部向工業(yè)部門發(fā)布關于“水?！贝笮退聼o人系統(tǒng)工程研發(fā)階段的RFP, 提出盡量利用早期開發(fā)的原理樣機作為搭載有效載荷的修改方案, 將前期海軍其他項目所研發(fā)的技術進行搭載演示驗證, 以支持這種修改方案的實施。要求“水螅”計劃中研發(fā)的超大型UUV需共享共用組件, 如指揮和控制(C2)系統(tǒng)、集成有效載荷的各種接口, 以及如續(xù)航力、自主性等核心技術。具體內(nèi)容包括以下幾方面[9]。

1) 模塊化外殼

設計和開發(fā)一種模塊化的外殼以容納“水螅”相關載荷。模塊化外殼能提供運輸、儲存和發(fā)射不同種類載荷, 作為各種功能載荷的“任務卡車”, 這種“卡車”可支持基礎負載模塊和獨立負載模塊的服務。模塊化外殼要求可長期在淺水水域工作, 其內(nèi)部組件也是模塊化設計, 可任務重構(gòu), 快速集成多種載荷類型, 新集成載荷模塊可最大化利用空間?；谌蝿蘸瓦m應不同任務載荷模塊標準接口可相互支持或擴展。

2) 無人機載荷

無人機載荷設想是將無人機單獨封裝入一個內(nèi)部模塊, 將該模塊裝進“水?！睒藴誓K化外殼內(nèi), 無人機載荷依靠“水螅”模塊化外殼作為可靠的水下發(fā)射平臺, 當裝有無人機的內(nèi)部模塊處在潛航狀態(tài)或浮在海面上時可儲存、維護、處理各種通信數(shù)據(jù), 并接受外界信號的激勵, 釋放封入內(nèi)部模塊的無人機。發(fā)射過程要求無人機載荷內(nèi)部模塊從模塊化外殼中彈出, 內(nèi)部模塊上浮到海面, 依靠該模塊發(fā)射無人機, 飛行一段距離后操控無人機執(zhí)行一個或多個事先秘密制定的任務。

3) UUV水下載荷

UUV水下載荷包括裝入UUV標準模塊化外殼內(nèi)的置有小型UUV的水下載荷模塊, 可完成小型UUV的安全運輸、提供水下長航時能源、對能源進行有效轉(zhuǎn)換、接收與發(fā)送各種信息、發(fā)射和回收小型的“水?！蹦竿脚_。

UUV模塊化外殼能夠提供可靠的水下平臺、通信和浮力。水下載荷關鍵組件包括不依賴空氣的動力能源; 為水下航行器充電的設施; 可發(fā)射與回收的小型UUV; 可下載UUV收集數(shù)據(jù), 并通過模塊化外殼向指揮控制中心傳輸數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)。

4) 總體系統(tǒng)概念

“水螅”系統(tǒng)總體設計概念或結(jié)構(gòu)包括: 開發(fā)使用潛艇或作戰(zhàn)飛機部署和回收“水?！焙叫衅鞯膭?chuàng)新概念; 研究將指揮、控制和通信系統(tǒng)最有可能集成到現(xiàn)有綜合作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的首選方案及措施; 評估“水螅”系統(tǒng)的空中、水下有效載荷以及其他可選用功能載荷的影響。

5) 支持技術

探索用于“水?！备拍畹母鞣N支持技術, 研究突破一個或多個關鍵技術, 降低該項目風險, 開發(fā)概念型演示驗證樣機以及UUV執(zhí)行任務所需能源儲備的高效充電方法演示驗證。

該項目計劃在設計和技術驗證階段耗時18個月, 集成和組件論證階段耗時24個月, 演示驗證階段耗時12個月。

1.1.7 “回聲旅行者”超大型UUV

2017年, 美國波音公司發(fā)布公告, 其研發(fā)的長15.5 m “回聲旅行者”(echo voyager)UUV進行初次海上試驗, 以檢測其深水潛航持久力, 并重點對通信系統(tǒng)、自主控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、系統(tǒng)集成性能以及航行器在水面和水下狀態(tài)中的電池運行性能進行了檢測[19](見圖6)。該UUV長15.5 m, 為“回聲”家族最大型, 最高時速可達14.8 km/h, 作業(yè)深度為3 000m。即將進行的布拉沃(Bravo)海試將驗證該航行器總體性能特征及各子系統(tǒng)性能的先進性。波音公司已確定將“回聲旅行者”作為驗證改進及整合各種有效載荷方案, 以及未來新功能運用的高級測試平臺和產(chǎn)品制造的標準。

圖6 “回聲旅行者”超大型UUV及通氣管桅桿

“回聲航行者”上裝有一個可折疊桅桿, 上面集成了自動識別海上船只的自適應信息系統(tǒng)(adaptive information system, AIS)及一根通氣管, 具有衛(wèi)星通信和軍用衛(wèi)星通信的能力。當UUV浸沒水下時, 桅桿放倒與UUV外殼共形; 當浮至水面時, 桅桿升至4.8 m, 并有約2.4 m露出水面。除具有AIS和通信能力外, 桅桿還作為柴油發(fā)電機提供新鮮空氣的通氣管, 可為航行器電池進行充電。當電池充電、數(shù)據(jù)下載完成后, 桅桿收回到水下UUV的共形空間, 繼續(xù)執(zhí)行其他任務。

該航行器動力系統(tǒng)采用成熟商用貨架產(chǎn)品鋰基電池供電, 安全可靠, 在水下全工況用電狀態(tài)下可維持2~3天, 無需上浮水面充電。正常航速下, 一次電池充電的航渡距離約為280 km。一旦新型電池裝備, 將具備更長的水下巡航時間。目前在單燃料模式下具有12 038 km(6 500 mile)的航程。如果改變其有效載荷空間作為燃料儲罐, 續(xù)航力可翻倍, 輕松運行90~180天。如果執(zhí)行任務期間要求航行器靜默, 可投放錨錠使其坐沉海底, 以實現(xiàn)在水下長時間預置。

該UUV上裝有成熟度很高的自主軟件, 可保證水下作業(yè)安全, 感知前方物體并做出規(guī)避。其有效載荷空間為56.63 m3(長10.3 m, 寬2.6 m)。

1.1.8 “虎鯨”超大型UUV

2013年, 在德國舉行的水下防務展(under- water defence technology, UDT)上, 美國洛克希德·馬丁公司公布了其最新研發(fā)的排水量160 t級超大型UUV設計方案, 該航行器航程為6 000 n mile、采用混合動力、可攜帶魚雷和導彈等重型武器模塊系統(tǒng)攻擊目標, 并可作為特種作戰(zhàn)輸送艇使用(見圖7)[19]。

圖7 “虎鯨”超大型UUV

“虎鯨”UUV最初的設計思想是, 為確保潛艇主戰(zhàn)平臺的安全, 將所需各類傳感器、電池組及自主性系統(tǒng)打包集成到一個533 mm或650 mm口徑大小的UUV上。設計過程中因發(fā)現(xiàn)所需成本已遠超預期, 且集成后各系統(tǒng)功能表現(xiàn)不佳, 隨即放棄該方案?，F(xiàn)采用的方案是: 利用洛·馬公司多年研發(fā)一系列廉價無人水下或半潛式水下航行器積累的經(jīng)驗, 通過平衡有人與UUV的總體設計, 解決研制及試驗中各種矛盾因素, 提出了既可用作反潛戰(zhàn)訓練、水雷戰(zhàn)及ISR作戰(zhàn)使用, 又可最大程度使用現(xiàn)有成熟商用技術, 以期達到最佳費效比。

“虎鯨”UUV長24 m, 直徑為2.5 m, 重量約63 t, 航速最大10 kn。續(xù)航力的大小取決于所用能源, 若采用化學能電池, 以7.5 kn航速可航行500 n mile; 若柴電混合動力, 在10~12個充電周期內(nèi), 累積航程約5 000~ 6 000 n mile。

“虎鯨”UUV集成有7大任務包模塊: 60枚潛艦導彈、2艘“馬林”UUV、96或72單元水聽陣列、16枚輕重型魚雷、坐底機動載荷模塊、獵掃雷模塊及水下網(wǎng)通信模塊。因其強大的武器儲備及攻擊能力, 該UUV又被稱為水下機動無人武器庫。

由于可快速增強艦隊實力、具有良好容錯性且價格合理, 在海上執(zhí)行戰(zhàn)術采購和部署方面, 該研制方案將節(jié)省大量成本?；诖? 這些新型航行器可作為戰(zhàn)區(qū)可擴展資源, 大大增強在敵占海域執(zhí)行反潛與ISR作戰(zhàn)實力, 真正成為一種海上力量倍增器。

2017年9月, 美國海軍向洛克希德·馬丁撥款4 320萬美元用于開展第1階段為期15個月的研發(fā)工作。2018年3月, 對初步設計進行評審, 10月將進行關鍵設計評審, 最終合同計劃于2019年簽署?！盎ⅥL”UUV最初是作為一種聯(lián)合緊急作戰(zhàn)需求(joint emergency operation need, JEON)提出, 后被作戰(zhàn)司令部認為是最迫切的一種基本裝備, 2017年12月, DARPA與應用物理科學公司(Ame- rican physical society, APS)和諾斯羅普·格魯曼公司共同簽署了關于裝備“虎鯨”超大型UUV“機動有效載荷艙”原理開發(fā)設計合同。

1.2 俄羅斯

1.2.1 “比拉魚(Piranha)”“迷你”超大型UUV

2013年, 俄羅斯聯(lián)合造船公司表示正在研發(fā)865計劃中的“比拉魚(Piranha)”“迷你”超大型UUV(也稱微型潛艇)[8]。這是俄羅斯第1次宣布開發(fā)有人/無人共享UUV。當前, 美、俄都有將超大型UUV與微型潛艇合并作為一種有人/無人水下作戰(zhàn)平臺的趨勢。

該UUV用于特種作戰(zhàn), 維護成本極低。其技術參數(shù): 長45 m, 直徑2.31 m, 潛深100 m, 續(xù)航時間10天(AIP系統(tǒng)), 航程130 n mile(4 kn), 最多達1 000 n mile, 最大航速6.5 kn, 可搭載人數(shù)17人, 裝備主/被動聲吶, 攜帶多枚魚雷和水雷, 殼體材料采用鈦合金。

2016年, 俄羅斯宣布“紅寶石”設計局和“孔雀石”設計局開始為第5代“赫斯基”級核潛艇研發(fā)可從艇上投放的UUV。新艇形的設計應滿足可攜帶UUV執(zhí)行各類任務的要求, 且UUV可搭載不同功能載荷的儀器, 以實現(xiàn)對水下環(huán)境的監(jiān)測, 并能搭載魚雷等武器, 以實施水下對敵攻擊。

1.2.2 “替代者”超大型UUV

2017年, 俄羅斯紅寶石設計局宣布其研制成功用于模擬替代人操潛艇的“替代者”超大型UUV(見圖8)。

圖8 帶拖曳式陣列天線的“替代者”超大型UUV

該UUV排水量60 t, 長約17 m, 可以5 kn航速(約9 km/h)航行600英里(約合960 km), 最大航速達24 kn。按此推算, 其可持續(xù)進行15~16 h的續(xù)航訓練力, 并具有高速機動及模擬敵方潛艇的能力[10]。因其體型較大, 可攜帶拖曳式聲吶陣列天線, 不僅可用于反潛訓練, 還可用于開發(fā)和測試新的聲吶系統(tǒng)、探測設備以及魚雷、潛艇等武器裝備, 可有效降低潛艇的研制成本和風險。

1.2.3 “波塞冬”超大型UUV

2018年5月, 俄宣布“波塞冬”核動力UUV被列入2027年前的國家武裝計劃, 它由北方機械制造廠建造, 其核動力裝置已通過測試。該航行器直徑1.6 m, 長度＞25 m, 可攜帶＞1.5 t的載荷, 在1000 m以下深水高速前行, 最高航速可達56 kn, 隱蔽航行超過10 000海里。導航系統(tǒng)可自動導引其高速駛向目標, 并在敵方附近水域完成各種任務。這種核動力UUV將完全改變現(xiàn)有戰(zhàn)略核武器的攻擊模式[20]。

1.2.4 “大琴鍵”大型UUV

2018年5月, 俄海軍宣布對其第2代大型UUV “大琴鍵-2”進行海試, 并已移交黑海艦隊特種試驗船進行試驗。相較于第1代“大琴鍵-1”外形酷似魚雷, “大琴鍵-2”的尺寸和重量更大, 更像一艘小潛艇[20]。其長約7 m, 直徑1 m, 重量為4 t, 頂部有小的凸起部分, 下潛深度可達6 000 m, 可搭載更多先進裝備, 可能由949AM改進型核潛艇“貝爾戈羅德”號和改裝成特種用途核潛艇的“莫斯科郊外”號掛載。

1.3 英國

英國MSubs公司生產(chǎn)的MASTT 超大型UUV(見圖9)具備無可匹敵的無人作業(yè)能力, 是目前世界上最大型的UUV[9]。

圖9 MSubs公司生產(chǎn)的超大型UUV

MASTT的指揮、控制和任務管理(command control manufacture management, CCMM)系統(tǒng)均采用通用的、功能強悍的模塊化結(jié)構(gòu), 以適應各獨立航行器的配置。這是一種可按設計概念, 將開發(fā)好的實用化無人系統(tǒng)靈活集成的水下平臺, 可作為支持海底油氣工業(yè)的創(chuàng)新處理設備。其主要性能參數(shù)為: 長18.85 m; 直徑2.75 m; 潛深100 m; 航程1250 n mile(僅作蛙人運送11人), 2500~3000 n mile(帶偵察蛙人7人); 外掛2枚“虎魚”重型魚雷, 6枚“鯆魚”輕型魚雷, 14枚“石魚”水雷, 或2艘小型蛙人運載器(swimming delivery vehicle, SDV)有效載荷; 內(nèi)部可搭載10名蛙人; 航行器外殼體為鈦合金。

MASTT 近期已完成了組部件檢查、非破壞性試驗(non destructive testing, NDT)、壓力容器和穿透壓力測試, 未來將完成全系統(tǒng)驗收試驗, 并通過海上反潛測試。

1.4 德國

德國研發(fā)一種稱作Orca的有人/無人大型UUV, 長12 m、直徑2 m, 可航行150 n mile, 航速大于5 kn, 排水量28 t, 可搭載5名特種作戰(zhàn)隊員及300 kg有效載荷, 采用自主+人工操縱航行, 由4個模塊構(gòu)成, 推進效率高, 便于維護, 外殼采用非磁性鋼材料, 可作蛙人運載器或無人航行器平臺[10]。

1.5 意大利

MG120/ER大型UUV可外掛2枚小型魚雷, 或2具小型蛙人運載器, 或12枚水雷或8套潛水套件, 適合淺水或狹窄水道作戰(zhàn), 噪音低, 裝有六角形天線, 能360°偵測敵方雷達波, 發(fā)出早期警報。采用非金屬材料作為殼體, 以降低噪聲和防腐蝕性, 可攜帶8名作戰(zhàn)蛙人[10]。

2 大型UUV裝備發(fā)展趨勢

目前, 美海軍大型UUV裝備發(fā)展不斷推陳出新, 從最早的“海馬”、“曼塔”攻擊型UUV到“水?！薄⒂腥?無人有效載荷特種作戰(zhàn)輸送艇、超大型UUV綜合無人作戰(zhàn)平臺概念都體現(xiàn)了美軍在大型UUV上的不斷發(fā)展和創(chuàng)新?？梢哉J為, UUV裝備呈現(xiàn)出向更大型發(fā)展的趨勢(口徑從533/650 mm到2.5 m、長度從15 m到40 m、排水量從幾噸到近200 t), 同時作戰(zhàn)功能也向多樣化發(fā)展, 通過更換有效載荷模塊形式(如攜帶魚雷、導彈、UUV、UAV或特種作戰(zhàn)人員(特種作戰(zhàn)載荷))來滿足更多的戰(zhàn)場需求。除美國外, 英國、德國、俄羅斯、意大利也在發(fā)展適合本國的大型UUV, 并出現(xiàn)了相應的裝備型號。大型UUV一個最顯著的發(fā)展特點就是采用了開放式模塊化結(jié)構(gòu)設計, 可實現(xiàn)UUV的任務重構(gòu), 從原先較為單一的任務功能變成能執(zhí)行多種任務的功能型任務平臺; 載荷數(shù)量大幅提升、攻擊能力進一步得到加強(據(jù)資料可知, 美國已開始論證航行器同時攜帶4~6枚重型魚雷/導彈, 60枚小型魚雷、導彈、水雷、UUV的可行性)[8]。

綜上所述, 大型UUV呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。

1) 向水面/水下兩用混合動力型發(fā)展?！皾袷健贝笮蚒UV將有更好的應用前景。它可在水面上高速航行接近目標, 后再轉(zhuǎn)入水下潛航, 隱秘靠近目標, 速度快, 航程大, 蛙人可保持體力并隨時出艙。若為進一步提高特種作戰(zhàn)駕乘的舒適性, 可考慮融入“干式”結(jié)構(gòu)。

2) 用途多樣化。大型UUV不僅可用來輸送有效載荷或執(zhí)行特種作戰(zhàn)任務的蛙人, 更將通過把有效載荷艙與作戰(zhàn)蛙人運送艙有效結(jié)合, 以作為一種水下有人或無人的作戰(zhàn)平臺。具備水下臨時組網(wǎng)定位、導航、發(fā)送信息節(jié)點、用所攜帶的小型武器(如微型魚雷)對目標發(fā)起攻擊等多種功能。

3) 向自主性高、導航能力強、負載能力大的綜合作戰(zhàn)平臺發(fā)展。大型UUV的導航技術將把組合船位推算、慣導、聲導、視導及地球物理導航綜合起來形成系統(tǒng), 使之更具自主性、功能性、智能性、低功耗性及高可靠性。

4) 技術水平持續(xù)提升。大型UUV裝有AIP系統(tǒng), 航程較大, 可攻擊水下目標。采用模塊設計, 可實現(xiàn)水下長航時連續(xù)作業(yè)和綜合作戰(zhàn)功能, 具有極強的偵察、攻擊、報警、長續(xù)航能力, 智能化、機動性高。

5) 模塊化。采用模塊集成結(jié)構(gòu)設計, 可對深度和航線路徑進行預編程控制, 實現(xiàn)可自主也可人工操縱航行, 便于日常維護。利用標準模塊化技術, 使大型UUV具有可擴展性和低成本, 能夠根據(jù)海軍作戰(zhàn)要求做出快速反應。

3 結(jié)束語

始于21世紀的大型UUV研發(fā)隨著關鍵技術的不斷突破, 在美國已研制出多型裝備, 并成為美海軍在無人系統(tǒng)領域的發(fā)展重點。美國大型UUV的研發(fā)特點為: 為盡快完成大型UUV的采購入役, 美海軍建立以軍方為主的集成單位負責制, 通過改變采購規(guī)則, 將中、小型UUV上各種成熟的先進技術應用到大型UUV上, 使其成為無人體系作戰(zhàn)能力的倍增器; 通過繼續(xù)加大對大工業(yè)界有關領域的技術投資, 聚焦突破技術與支撐點, 近年積累了大量經(jīng)驗, 帶動了基礎技術的更大發(fā)展; 通過共用技術及關鍵技術采用模塊化設計思想, 該類裝備將隨新技術的發(fā)展不斷升級換代已成為未來UUV的一種發(fā)展趨勢。

俄、德、英等國近年都在大力發(fā)展各自的大型UUV, 俄羅斯將重點放在核動力能源, 以解決長續(xù)航力受限之問題; 德、英將重點聚焦在探測與水下精確定位技術上。未來, 美國將在大型UUV裝備和技術的發(fā)展基礎上, 研發(fā)適應水下作戰(zhàn)需求任務的無人系統(tǒng), 探索以基地型為母艇的水下無人作戰(zhàn)模式, 這將為水下作戰(zhàn)和海上作戰(zhàn)帶來革命性的變化。

[1] United States Navy. The Navy Unmanned Undersea Vehicle Master Plan[R]. U.S.: Department of the Navy, 2004.

[2] United States Department of Defense. Unmanned Systems Roadmap FY2007-2032[R]. U.S.: United States Departm- ent of Defense, 2007.

[3] United States Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2009-2034[R]. U.S.: United States Department of Defense, 2009.

[4] United States Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011-2036[R]. U.S.: United States Department of Defense, 2011.

[5] United States Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2013-2038[R]. U.S.: United Sta- tes Department of Defense, 2013.

[6] 陳強. 水下無人航行器[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2014.

[7] United States Navy. Autonomous Undersea Vehicle Req- uirement for 2025[R]. U.S.: United States Department of Defense, 2016.

[8] William S, Lockheed M, Brett Phaneuf, et al. Extremely Large Unmanned Underwater Vehicles(ELUUV) as Force Multiplier(7C/7C.2)[C]//MAST Europe 2013. Germany: UDT, 2013.

[9] Department of the Navy. Large Displacement Unmanned Underwater Vehicle Innovative Naval Prototype Technology[R]. ONRBAA Announcement, 2015.

[10] 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告編寫組. 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告2017: 海上無人系統(tǒng)(無人航行器)[G]. 北京: 中國船舶重工集團公司, 2018.

[11] Steven Stashwick. Restroring American Sea Power——New Fleet Structure of the US Navy[R]. US Strategic and Budget Assessment Center(CSBA), 2017.

[12] Lee S K, Sohn K H, Byun J Y, et al. Modeling and Con- troller Design of Manta-type Unmanned Underwater Test Vehicle[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2009, 23(4): 987-990.

[13] Daniel Deitz. LDUUV INP Industry Day Large UUV Autonomy[EB/OL].(2007)[2018-06-13].Http://auvac.org/… / 734-LDUUV pdf.

[14] Office of Naval Researcher. Large Displacement Unman- ned Underwater Vehicle Innovative Naval Prototype(LDUUV- INP)[EB/OL]. (2015-04-13)[2018-06-13]. http://www. navaldrones.com/LDUUV-INP.html.

[15] 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告編寫組. 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告2016: 海上無人系統(tǒng)(無人航行器)[G]. 北京: 中國船舶重工集團公司, 2017.

[16] 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告編寫組. 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告2014: 海上無人系統(tǒng)(無人航行器)[G]. 北京: 中國船舶重工集團公司, 2015.

[17] Jeff Smith, Ross Lindman. Proteus-Large Diameter Undersea Vehicle And Its Applications For Undersea Warfare [EB/OL].(2012-5)[2018-06-13].http://www.10thsymposium.com.

[18] 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告編寫組. 國外艦船裝備與技術發(fā)展報告2017: 海上無人系統(tǒng)(無人航行器)[G]. 北京: 中國船舶重工集團公司, 2018.

[19] Defense Science Board. Next-Generation Unmanned Und- ersea Systems[R]. U.S.: Office of the Secretary of Def- ense, 2016.

[20] 施普森. 俄新一代無人水下裝備將在克里米亞海軍試驗場[EB/OL]. (2018-05-06)[2018-06-13]. http://www. dsti.net/Information/News/109602.

(責任編輯: 楊力軍)

Development of Large Displacement Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries: a Review

ZHONG Hong-wei1, LI Guo-liang2, SONG Lin-hua1, MO Chun-jun1

(1. Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China, 2. 91388thUnit, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

Today, unmanned undersea vehicle(UUV) has become a“hot spot”equipment for navies all over the world, and they are devoting more and more attention to the research and development of large displacement UUV(LDUUV). Through a great deal of literature analysis, this paper introduces the development status and technical characteristics of the representative LDUUVs in the United States, Russia, Britain and Germany, focusing on the research progress, application, and important technical specifications of the typical LDUUVs in the United States, and looks into the future development trend of LDUUVs in terms of power, multi-task, autonomy, navigation and payload capacity.

large displacement unmanned undersea vehicle(LDUUV); underwater equipment; technical specification

TJ630.1; TP242.6

A

2096-3920(2018)04-0273-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.04.001

鐘宏偉,李國良,宋林樺,等.國外大型無人水下航行器發(fā)展綜述[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(4): 273-282.

2018-06-13;

2018-07-02.

鐘宏偉(1964-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要從事魚雷及水下航行器前瞻性技術研究.