國外軍民用無人潛航器研制進(jìn)展

余放/ 航空工業(yè)武漢航空儀表有限責(zé)任公司，湖北省 武漢市 430000

作為海洋強(qiáng)國，無人潛航器在美國軍民用領(lǐng)域都是長期重點(diǎn)發(fā)展的工程裝備。今年8月，美國海軍的“刀魚”無人潛航器達(dá)到里程碑C，即將投入小批量生產(chǎn)；民用復(fù)合式水下機(jī)器人Mesobot開始進(jìn)入第二階段開放水域試驗(yàn)，“鬼怪”X8也即將投入應(yīng)用。尤為值得關(guān)注的是，美國的無人潛航器智能化、復(fù)合式、軍民兼顧的技術(shù)路線已經(jīng)基本成熟，這將使其能夠繼續(xù)保持其在該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

海洋所蘊(yùn)藏的巨大財(cái)富，以及對于世界大國而言無可替代的戰(zhàn)略價(jià)值，決定了全球各國對于海洋探測的熱度只會(huì)增加，而不會(huì)減少。今年以來，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家對于海洋的探測逐漸呈現(xiàn)出探測領(lǐng)域向深海推進(jìn)，探測裝備向無人化、自主化發(fā)展等特點(diǎn)，而探測活動(dòng)的目標(biāo)也同時(shí)兼具了軍事和商業(yè)兩個(gè)方向。無人潛航器，作為近年來海洋探測的主要工程裝備，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家裝備發(fā)展戰(zhàn)略中不可少的一環(huán)。

軍用是不變的熱點(diǎn)

作為世界海上軍事力量最為強(qiáng)大的國家，美國也是最先將水下無人設(shè)備應(yīng)用到軍事領(lǐng)域的國家，其技術(shù)水平和裝備數(shù)量都遠(yuǎn)超其他國家。

今年8下旬，美國海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)無人與小型作戰(zhàn)(PEO USC)項(xiàng)目執(zhí)行官對外宣布，美國海軍“刀魚”(Knifefish)無人潛航器項(xiàng)目達(dá)到里程碑C，即可以進(jìn)入小批量生產(chǎn)(LRIP)階段。同一天，美國海軍宣布授予“刀魚”項(xiàng)目主承包商通用動(dòng)力任務(wù)系統(tǒng)公司一份價(jià)值4460萬美元的小批量生產(chǎn)合同，全部生產(chǎn)工作于2021年8月完成。

圖1 “刀魚”

“刀魚”是近美國海軍瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS)反水雷任務(wù)包中的一個(gè)重要組成部分，包括2個(gè)無人潛航器及其支持系統(tǒng)和設(shè)備，可從瀕海戰(zhàn)斗艦、當(dāng)時(shí)作業(yè)的船只或岸上部署，用于在高雜波環(huán)境下探測和識別掩埋雷、沉底雷和漂雷?！暗遏~”采用了寬帶聲吶和自動(dòng)目標(biāo)識別軟件，其開放系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化結(jié)構(gòu)便于升級或改進(jìn)系統(tǒng)。

一直以來，反水雷作戰(zhàn)都是美國海軍的一項(xiàng)重要任務(wù)，近年來美國海軍開始將更多力量用于開發(fā)自主和無人系統(tǒng)執(zhí)行反水雷任務(wù)。

“刀魚”無人潛航器最初由美國金槍魚機(jī)器人公司研制，2011年通用動(dòng)力獲得美國海軍反水雷無人潛航器研制合同之后，便與金槍魚機(jī)器人公司展開合作。2013年，“刀魚”完成詳細(xì)設(shè)計(jì)并通過美國海軍的技術(shù)審查，隨后進(jìn)入原型系統(tǒng)制造階段。

“刀魚”基于金槍魚機(jī)器人公司的“金槍魚-21”(Bluefin-21)無人潛航器研制，其外形與魚雷相似，長約5.8m，重約771kg，采用聲吶內(nèi)置方式，由水面艦船攜載并投放，通過鋰電池供電，單次任務(wù)續(xù)航能力超過16h，執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠發(fā)出低頻電磁波來掃描物體(例如魚雷)，然后把圖像發(fā)回母艦進(jìn)行分析。

2017年3月，通用動(dòng)力公司任務(wù)系統(tǒng)分部(金槍魚機(jī)器人公司于2016年并入該部門)完成“刀魚”系統(tǒng)的綜合測試與評估，隨后將其交于美國海軍，進(jìn)行軍方應(yīng)用測試。2018年6月，美國海軍在馬薩諸塞州沿海完成“刀魚”系統(tǒng)的驗(yàn)收測試，其在高雜波環(huán)境中探測、分類并識別水雷的各型能力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

據(jù)來自美國海軍的消息，在對小批量系統(tǒng)進(jìn)行測試后，美國海軍預(yù)計(jì)將在2022財(cái)年做出大批量采購的決定，屆時(shí)預(yù)計(jì)將購買30具“刀魚”，24具分別裝備瀕海戰(zhàn)斗艦的反水雷任務(wù)包。

民用研究繼續(xù)發(fā)力

美國在加快無人潛航器的軍用部署的同時(shí)，其國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始將越來越多的力量投入到無人潛航器的商用研究上，而這類技術(shù)的軍民用界限本就不明顯，一旦美國海軍有需求，則可以快速實(shí)現(xiàn)軍用化。

美國國內(nèi)著名海洋研究機(jī)構(gòu)蒙特利灣海洋研究所( Monterey Bay Aquarium Research Institute MBARI)在今年8月對外宣布，他們的研究人員正在和伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution WHOI)的工程人員展開合作，對一種全新的有纜遙控潛航器(ROV)/自主式無人潛航器(AUV)復(fù)合式水下機(jī)器人進(jìn)行測試。這種水下機(jī)器人主要設(shè)計(jì)用于海面下200～1000m之間的水下研究活動(dòng)。

這種新型復(fù)合式水下機(jī)器人名為Mesobot，由伍茲霍爾海洋研究所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，蒙特利灣海洋研究所、斯坦福大學(xué)和德克薩斯州里奧格蘭德河谷(Rio Grande Valley)大學(xué)的研究人員也參與了設(shè)計(jì)。執(zhí)行任務(wù)時(shí)，Mesobot在初始下潛階段由聯(lián)接在母船上的光纖系留纜繩來驅(qū)動(dòng)和控制，就像遙控潛航器一樣；而當(dāng)其下潛到制定深度時(shí)，系留纜繩就會(huì)斷開并就被收回到母船上，Mesobot轉(zhuǎn)向自主式無人潛航器一樣的全自主操作。

Mesobot組裝完成后，將會(huì)在蒙特利灣海洋研究所的室內(nèi)鹽水試驗(yàn)箱中進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的測試，在完成上述測試之后，該研究所將會(huì)根據(jù)其測試結(jié)果決定是否繼續(xù)進(jìn)行測試。一旦確定，第二階段的測試將會(huì)在蒙特利灣海開放水域進(jìn)行，并使用該研究所的“雷切爾·卡爾森”號研究船作為Mesobot的母船，測試周期為三天。在第二階段的測試中，Mesobot將會(huì)先后進(jìn)行五次不同潛深的水下測試，在真實(shí)海洋條件下對其機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。在這個(gè)階段，還要從母船不同位置進(jìn)行Mesobot的投放測試，這對于其纖細(xì)的光纖系留纜繩來說是個(gè)不小的考驗(yàn)。Mesobot的光纖系留纜繩上整合了蒙特利灣海洋研究所研制的SmartClump系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器和攝像頭，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控器下潛時(shí)的狀態(tài)。

圖2 “鬼怪”X8

Mesobot未來的主要任是跟蹤和研究水下數(shù)百米到1000m的浮游生物和小型魚類，特別是許多海洋生物的晝夜垂直遷移現(xiàn)象對全世界的海洋科學(xué)家來說都知之甚少，另外這些海洋生物還是鯊魚、鯨類等大型海洋動(dòng)物的主要食物，通過對它們的研究可以了解海洋漁業(yè)資源的概況，以及海洋環(huán)境的變化情況。值得一提的是，水下200～1000m海域，也將是未來反潛戰(zhàn)必須關(guān)注的海域，對其探測具有極大的軍事價(jià)值。Mesobot的水下自主續(xù)航能力可以達(dá)到24h。與其他同類水下探測器相比，Mesobot采用了環(huán)境友好型設(shè)計(jì)，其配備了微光4K攝像機(jī)以及無法被絕大多數(shù)海洋生物探測到的紅色光源，專門為其研制的大型慢速推進(jìn)螺旋槳可以最大限度地減少對水中生物的干擾。

作為美國國內(nèi)一家有著近30年海洋探測器研制歷史的公司，深海工程公司(DeeP Ocean Engineering)在今年8月推出了“鬼怪”X8(Phantom X8)有纜遙控水下潛航器，一種專門用于深海探測全電推進(jìn)的輕型工業(yè)級深海探測器。

“鬼怪”X8安裝有6個(gè)水平推進(jìn)器和2個(gè)用于垂直機(jī)動(dòng)的功率2.2kW的無刷推進(jìn)器，其采用了改進(jìn)設(shè)計(jì)的更加堅(jiān)固的機(jī)身，水下探測深度最大可以達(dá)到1000m。“鬼怪”X8的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：水下管道檢測和輔助鋪設(shè)、海上風(fēng)電場的維護(hù)、海上及水下基礎(chǔ)設(shè)施的維修、水下勘測。

“鬼怪”X8是截至目前深海工程公司研制的外形最大、最重的水下機(jī)器人，它可以在水下任何方向上實(shí)現(xiàn)自主控制，即使在復(fù)雜洋流環(huán)境下也具有非常高的可靠性?！肮砉帧盭8在水下工作時(shí)能夠自主確定自身航向、潛深和水下位置，同時(shí)其出色的水下機(jī)動(dòng)性能也使其能夠勝任諸多水下任務(wù)。執(zhí)行水下任務(wù)時(shí)，“鬼怪”X8攜帶的前向(拍攝角度+/-90°)和后向(微光相機(jī))水下相機(jī)均能提供1080P高清圖片和視頻，水下相機(jī)還可以同機(jī)身上安裝的3個(gè)LED燈配套使用，3個(gè)燈一起工作時(shí)亮度可以達(dá)到30000流明。3個(gè)LED燈亮度可以通過操縱平臺上的圖形用戶界面來調(diào)整。

技術(shù)創(chuàng)新力度加大

截至目前，世界上投入使用的水下無人潛航器通常有兩種形態(tài)，一種是采用海洋生物仿生設(shè)計(jì)的流線型機(jī)身，其外形與艦艇發(fā)射的魚雷外形相似，這種設(shè)計(jì)可以保證其在水下快速前進(jìn)，但是受設(shè)計(jì)所限其更多地是執(zhí)行海底探測而無法實(shí)施主動(dòng)作業(yè)。另一種則是設(shè)計(jì)有機(jī)械臂的水下機(jī)器人，這類機(jī)器人可以使用機(jī)械臂更加主動(dòng)地進(jìn)行海底作業(yè)，但是其對抗極端海洋環(huán)境的能力相對差，且無法在水下長距離運(yùn)動(dòng)，只能到任務(wù)海域才能進(jìn)行投放，因而部署使用常常受限。

圖3 Mesobot

圖4 “雷魚”300

不過，隨著該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新力度的加大，新型無人潛航器開始出現(xiàn)。今年8月初，美國宇航局(NASA)位于得克薩斯州的約翰遜宇航中心開始測試一種新水下機(jī)器人——由休斯頓機(jī)甲公司(Houston Mechatronics Inc.，簡稱HMI)研制的Aquanaut雙姿態(tài)無人潛航器。這種被媒體稱為“變形金剛”的水下機(jī)器人，也是目前世界上第一種能夠在工作環(huán)境中完成姿態(tài)變化的水下機(jī)器人。

HMI公司的Aquanaut水下機(jī)器人，從設(shè)計(jì)之初就考慮能夠?qū)⑸鲜鰞煞N水下機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使其既能夠在水下長距離運(yùn)動(dòng)，從而便于部署，同時(shí)還能在任務(wù)區(qū)使用機(jī)械臂靈活作業(yè)。

Aquanaut共有兩種形態(tài)，且可以快速互相轉(zhuǎn)換。執(zhí)行任務(wù)時(shí)，Aquanaut會(huì)以小艇形態(tài)投放入水，然后憑借出色的流體外形快速運(yùn)動(dòng)到任務(wù)海域；到達(dá)任務(wù)海域之后，小艇的機(jī)體外殼會(huì)根據(jù)外部指令慢慢升起，然后露出折疊再機(jī)身兩側(cè)的機(jī)械臂，機(jī)械臂展開的同時(shí)，其頭部會(huì)向上翻轉(zhuǎn)90°并上升到工作位置，露出隱藏在下面的攝影頭、聲吶系統(tǒng)以及3D視覺定位傳感器等；機(jī)體外殼升起后，機(jī)身的另外兩個(gè)小型矢量推進(jìn)器開始工作，用于調(diào)整機(jī)體的姿態(tài)。上述所有動(dòng)作完成之后，Aquanaut就從一艘小艇變身為一個(gè)水下機(jī)器人，其配備的兩個(gè)8自由度電動(dòng)機(jī)械臂標(biāo)配鉗爪形作業(yè)工具，也可以根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行更換。

與其他通過線纜操縱的水下機(jī)器人相比，Aquanaut取消了線纜，所以其執(zhí)行任務(wù)時(shí)可以更靈活地進(jìn)行部署，并且具有高度的自主作業(yè)能力。比如在“變身”為機(jī)器人形態(tài)之后，機(jī)械臂可以根據(jù)操作人員所發(fā)出的口令精確做作業(yè)，比如操作人員發(fā)出“順時(shí)針旋轉(zhuǎn)閥門90°”的口令時(shí)，Aquanaut會(huì)根據(jù)環(huán)境情況調(diào)整機(jī)械臂的姿態(tài)、判斷并握住閥門，然后精確執(zhí)行操作口令。Aquanaut采用鋰電池驅(qū)動(dòng)，單次任務(wù)最大行程可以達(dá)到200km。

HMI創(chuàng)辦于2014年，包括CEO尼克·拉夫德在內(nèi)的多位技術(shù)專家都曾在NASA工作過。HMI成立之后不久，獲得了來自外部的2300萬美元風(fēng)險(xiǎn)投資，用于水下機(jī)器人的研制。目前，Aquanaut正在約翰遜宇航中心的巨型水池中進(jìn)行測試，HMI接下來將會(huì)對其設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地優(yōu)化，包括對其任務(wù)軟件進(jìn)行改進(jìn)升級，使其可以自動(dòng)前往作業(yè)地點(diǎn)、自動(dòng)返回基地，只在作業(yè)期間需要人工參與。

除此之外，尼克·拉夫接下來的計(jì)劃就是設(shè)計(jì)一種可以長期在海上部署的無人船，用作Aquanaut的中繼站，進(jìn)行形成一個(gè)全球運(yùn)作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程作業(yè)。

軍民兩用技術(shù)持續(xù)發(fā)展

作為海洋大國，加拿大在無人潛航器研究方面同樣具有很強(qiáng)的實(shí)力，并且有專門的國家戰(zhàn)略給與大力支持。今年8月，加拿大國防部所屬的科學(xué)與技術(shù)組織(DRDC，對外也稱加拿大防務(wù)研究與發(fā)展部)正式接收了Kraken機(jī)器人系統(tǒng)公司交付的首套“雷魚”300(ThunderFish 300)型自主式無人潛航器。

Kraken機(jī)器人系統(tǒng)公司在2017年5月獲得了加拿大創(chuàng)新戰(zhàn)略基金(由加拿大政府主導(dǎo)創(chuàng)立，旨在通過支持加拿大國內(nèi)的創(chuàng)新者，加速技術(shù)轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造更多就業(yè)，形成集群創(chuàng)新效應(yīng)等)授予的一份價(jià)值100萬美元的合同，合同包括研制并交付一套“雷魚”300自主式無人潛航器系統(tǒng)。向加拿大政府交付首套系統(tǒng)之后，Kraken公司將正式開始“雷魚”300系統(tǒng)的市場銷售。

“雷魚”300是一種大量采用新技術(shù)的創(chuàng)新型水下潛航器，能夠完成超高分辨率的海底地形繪圖和成像，所以在海洋觀測和軍事領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用潛力?！袄佐~”300的具體用途主要包括水下測量、環(huán)境監(jiān)測、海洋考古、水下搜索以及反水雷作戰(zhàn)等。

“雷魚”300采用了模塊化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)任務(wù)的不同快速更換傳感器系統(tǒng)以及完成電池的更換。執(zhí)行任務(wù)時(shí)，“雷魚”300可以攜帶多種傳感器載荷或者是定制的特種任務(wù)模塊，包括Kraken公司研制的AquaPix合成孔徑聲吶系統(tǒng)(InSAS)。AquaPix是目前世界上技術(shù)領(lǐng)先的合成孔徑聲吶系統(tǒng)，具有探測距離更遠(yuǎn)，而且探測性能不受到潛航器速度影響等特點(diǎn)，并且能夠在任務(wù)過程中提供分辨率達(dá)到3cm的超高清海底圖像。

在完成“雷魚”300的研制之后，Kraken公司表示將會(huì)對“雷魚”平臺進(jìn)行改進(jìn)，包括增加外形尺寸、提升續(xù)航能力和載荷能力，以滿足日益增長的商業(yè)和軍事需求。 ■