無人水下航行器在反水雷中的應(yīng)用探討

王 松

（1. 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

隨著無人技術(shù)的快速發(fā)展，軍事裝備的無人化成為可能，另外，隨著現(xiàn)代社會(huì)和軍事觀念的改變，又在客觀上提出了降低昂貴平臺(tái)的消耗和減少人員損傷的要求。因此，無人裝備成為各國軍事部門關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。目前，無人指揮平臺(tái)、無人偵察機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)、無人水下航行器、無人地面車輛和智能武器相繼出現(xiàn)并大力發(fā)展，可以預(yù)見，軍事裝備無人化的新型作戰(zhàn)模式將逐漸成為未來戰(zhàn)場(chǎng)上的主要攻防手段[1]。

水雷作為一種極具威脅的水中兵器，在例次海戰(zhàn)中均發(fā)揮著重要作用，為降低水雷的威脅，各國海軍均在大力發(fā)展反水雷裝備。但反水雷作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高，過程復(fù)雜、枯燥，與反潛、反導(dǎo)一起被稱為海戰(zhàn)的3大難題，如何進(jìn)一步提升現(xiàn)有反水雷裝備的作戰(zhàn)效能是世界各國海軍均在思考的問題[2-3]。

現(xiàn)有的反水雷手段主要以掃雷和獵雷為主，其通過有人艦船攜帶反水雷裝備進(jìn)入雷區(qū)執(zhí)行反水雷作業(yè)。由于艦船本身的聲磁物理場(chǎng)存在誘爆水雷的可能性，另外，掃雷裝備誘爆的水雷也可能會(huì)對(duì)艦船本身造成損傷，因此，使用有人反水雷艦船在雷區(qū)作戰(zhàn)時(shí)，對(duì)作戰(zhàn)官兵的心理威懾較大。

與傳統(tǒng)反水雷裝備相比，無人水下航行器進(jìn)行反水雷作業(yè)時(shí)，其本身的聲磁物理場(chǎng)水平較低，且為無人化作業(yè)，安全性較好[4-6]。因此，將無人水下航行器與反水雷技術(shù)相結(jié)合，有人艦船在雷區(qū)外指揮控制無人水下航行器在雷區(qū)作業(yè)，是未來反水雷發(fā)展的主要方向。

1 無人水下航行器的發(fā)展現(xiàn)狀

無人水下航行器是一種無人駕駛、靠遙控或自主控制的水下航行器，其綜合了海洋環(huán)境技術(shù)、探測(cè)、計(jì)算、能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換、推進(jìn)、新材料、新工藝等多個(gè)領(lǐng)域的高新技術(shù)。無人水下航行器包括遙控水下航行器和自主式水下航行器2大類。遙控水下航行器拖帶臍纜（電纜或光纜），與母船（或母艇）連接，在人的遙控下航行與工作。自主水下航行器是自主航行的，它沒有臍纜的羈絆，在海上作業(yè)更加靈活自主[7-8]。

1.1 遙控水下航行器

遙控水下航行器根據(jù)其在反水雷作業(yè)中的作用可以分為線導(dǎo)滅雷具、一次性滅雷具以及前置式獵雷系統(tǒng)。目前，線導(dǎo)滅雷具主要有：法國的PAP 104（如圖 1（a））、意大利的“冥王星”、美國的AN/SLQ-48（如圖 1（b））、日本的 S-7、瑞典的“雙鷹”、德國的“企鵝”B3型等。線導(dǎo)滅雷具一般都裝有高分辨率聲吶、攝像裝置、滅雷炸彈或爆破割刀。作戰(zhàn)時(shí)，反水雷平臺(tái)使用艦殼聲吶/拖曳聲吶對(duì)雷區(qū)中的水雷進(jìn)行探測(cè)；探測(cè)到目標(biāo)后，將信息傳遞到獵雷艦；獵雷艦獲取目標(biāo)信息后，釋放線導(dǎo)滅雷具，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、確認(rèn)；投擲雷彈對(duì)目標(biāo)進(jìn)行處置。

圖1 線導(dǎo)滅雷具Fig.1 Wire-guided mine disposal vehicle

一次性滅雷具是在線導(dǎo)滅雷具的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其工作原理和滅雷方式與線導(dǎo)滅雷具相同，不同之處在于一次性滅雷具造價(jià)低廉、使用方便、滅雷速度快（無需回收）、攜帶量多。目前，一次性滅雷具中主要有：德國的“長(zhǎng)尾鯊”、英國的“射水魚”、法國的“凱斯特”、挪威的“水雷狙擊手”等。由于處置目標(biāo)時(shí)，一次性滅雷具會(huì)攜帶滅雷炸彈，無法進(jìn)行回收，因此，其損耗率較高，被稱為富人的武器。

前置式探雷系統(tǒng)是變深獵雷聲吶與滅雷具相結(jié)合的產(chǎn)物，該系統(tǒng)在反水雷艦艇或普通艦船前面探雷，是將探雷、識(shí)別集一身的反水雷裝備。例如，瑞典的“雙鷹”MK-2與法國的TSM 2022 MK3獵雷聲吶組成的前置獵雷系統(tǒng)，通過 600 m或者1 000 m的臍纜與母艇相連，母艇通過臍纜供電，以5～10 kn的速度航行。這種前置探雷系統(tǒng)提高了反水雷作業(yè)的安全性，增加了探雷速度。

1.2 自主水下航行器

自主水下航行器通過配置體搜索聲吶、合成孔徑聲吶及多波速測(cè)深聲吶等設(shè)備，可以不受深度限制探測(cè)水雷。其中比較典型的獵雷無人水下自主航行器有：美國的“刀魚”航行器、瑞典的AUV62-MR型水下無人自主航行器。

1）小型自主水下航行器。

Swordfish AUV（圖2） 是美軍在REMUS 100 AUV的基礎(chǔ)上研制，直徑190 mm，長(zhǎng)1 600～2 030 mm（根據(jù)加裝的傳感器而定），質(zhì)量37 kg，最大工作水深100 m。系統(tǒng)內(nèi)裝有可充電的鋰離子電池，續(xù)航力在3 kn時(shí)為20～22 h，5 kn時(shí)超過8 h。裝備有聲多普勒流速剖面儀、多普勒計(jì)程儀、側(cè)掃聲吶、CTD傳感器以及長(zhǎng)基線導(dǎo)航系統(tǒng)等[9-10]。

圖2 美軍Swordfish AUV示意圖Fig.2 Schematic diagram of U.S. Swordfish AUV

“阿利斯特”100長(zhǎng)1.7～2 m，直徑0.23 m，重 55～70 kg，工作水深 0～100 m，巡航速度 2～3 kn，最高航速5 kn，續(xù)航力15 h。可從專業(yè)艦艇或近海平臺(tái)操控，可由剛性充氣艇收放使用。傳感器有效載荷配置靈活，包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計(jì)程儀、高精度深度傳感器、GPS以及與定位系統(tǒng)的接口；有效載荷包括側(cè)掃聲吶、視頻攝像機(jī)、避障聲吶等。

2）大型自主水下航行器。

“刀魚”航行器（圖3）由通用動(dòng)力先進(jìn)信息系統(tǒng)公司以藍(lán)鰭金槍魚機(jī)器人公司的航行器為藍(lán)本制造，計(jì)劃成為頻海戰(zhàn)斗艦反水雷任務(wù)包的一部分?！暗遏~”航行器長(zhǎng)6.1 m，直徑533 mm，重量為1 360 kg，其搭載了寬帶低頻合成孔徑聲吶來尋找位于水中、海底上或掩埋中的水雷。無人水下航行器中帶有數(shù)據(jù)庫和處理器，使得“刀魚”航行器能夠識(shí)別其遭遇的任何類似水雷之類的目標(biāo)。

圖3 刀魚航行器示意圖Fig.3 Schematic diagram of Knifefish vehicle

瑞典SAAB公司AUV62-MR型無人水下自主航行器（圖4）可自主操作和高速長(zhǎng)時(shí)間地執(zhí)行水雷偵察使命，并且具備更為先進(jìn)的信息搜集能力。航行器不依賴專用艦艇，可從潛艇、水面艦艇或岸邊釋放。AUV62-MR航行器全長(zhǎng) 4～7 m，直徑533 mm，質(zhì)量600～1 500 kg，最大工作水深500 m，工作航速0～20 kn，定位精度小于5 m。

圖4 AUV62-MR水雷偵察自主潛航體Fig.4 AUV62-MR mine reconnaissance autonomous underwater vehicle

2 無人水下航行器反水雷的發(fā)展趨勢(shì)

由于水雷威脅的加大，各國目前比較重視利用無人水下航行器進(jìn)行反水雷作戰(zhàn)，發(fā)展了多種型號(hào)，這些水下水下航行器呈現(xiàn)以下幾種特點(diǎn)。

1）多為自主式水下航行器。

由于自主式水下航行器不需要人工的連續(xù)控制就能獨(dú)立工作，也沒有纜繩長(zhǎng)度和重量的限制。因而，在有人平臺(tái)控制范圍內(nèi)，當(dāng)硬件條件能夠保證的情況下，自主式水下航行器比遙控式水下航行器具有更大覆蓋范圍，因此，自主式水下航行器成為各國的發(fā)展重點(diǎn)。

2）反水雷水下航行器的工作深度出現(xiàn)了兩極化發(fā)展的趨勢(shì)。

隨著中遠(yuǎn)海反水雷作業(yè)的需要，深水水下航行器大量出現(xiàn)，但同時(shí)也出現(xiàn)了能在甚淺水區(qū)和拍岸浪區(qū)工作的潛航器以及海灘作業(yè)的爬行器，還包括一些半潛式航行器等。

3）將成熟的商用潛航器進(jìn)行改裝用于反水雷任務(wù)。

將技術(shù)成熟、工作可靠、價(jià)格便宜的潛航器改裝用于反水雷，是貫徹可承受性的具體措施之一。

4）大力加強(qiáng)軟件開發(fā)，加快獵雷速度。

多個(gè)國家正在研發(fā)“計(jì)算機(jī)輔助探測(cè)與計(jì)算機(jī)輔助識(shí)別”等軟件技術(shù)，處理潛航器收集的各種數(shù)據(jù)，從類似水雷的物體中識(shí)別出真正的水雷，以加快獵雷和清除水雷行動(dòng)的速度。

3 對(duì)反水雷發(fā)展的影響

無人水下航行器的發(fā)展速度越來越快，成為21世紀(jì)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)舞臺(tái)上的重要武器裝備，在反水雷戰(zhàn)場(chǎng)上，無人水下航行器也將成為是一支不可忽視的重要作戰(zhàn)力量，并使反水雷作戰(zhàn)方式、反水雷作戰(zhàn)概念等方面發(fā)生巨大的變化。

3.1 降低平臺(tái)全壽期費(fèi)用及減少人員傷亡

無人水下航行器在設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮人員戰(zhàn)斗和生活環(huán)境條件以及演練等因素，從而可以大幅度降低各種費(fèi)用。同時(shí)，隨著大國海軍的作戰(zhàn)范圍從遠(yuǎn)洋轉(zhuǎn)移到近岸淺水，其作戰(zhàn)環(huán)境發(fā)生了重大變化。這里海底地形復(fù)雜，潛艇在淺水中不易隱蔽，水雷對(duì)潛艇的威脅大大增加。無人水下航行器卻能在這樣困難和危險(xiǎn)的近海水域中順利完成各種作戰(zhàn)任務(wù)，從而避免了有人作戰(zhàn)平臺(tái)的損失和人員傷亡。

3.2 無人水下航行器有效提高反水雷作戰(zhàn)效能

無人水下航行器在反水雷方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其是在困難和危險(xiǎn)的近海水域。可由母艦（或潛艇）攜帶、投放，遠(yuǎn)離母艦執(zhí)行任務(wù)，確保母艦安全；可通過無線電或水聲實(shí)時(shí)與母艦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，及時(shí)報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)情況、接收指令；根據(jù)具體情況，可遙控或近距離進(jìn)行水雷處理作業(yè)。無人水下航行器的使用，大大提高了海軍反水雷作戰(zhàn)的能力，使無人水下航行器成為對(duì)付“不對(duì)稱”水下威脅的有力武器。

3.3 實(shí)現(xiàn)雷區(qū)無人化

未來無人水下航行器可執(zhí)行水雷偵察、雷區(qū)邊界確定、航道偵察等任務(wù)。水雷偵察主要用于對(duì)雷區(qū)內(nèi)水雷的布設(shè)情況進(jìn)行探察，水下無人航行器自主航行到預(yù)定海域附近秘密偵察，并將獲得的偵察數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，回收后獲取偵察數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離快速偵察。

雷區(qū)邊界確定主要用于獲得雷區(qū)范圍的大小，無人水下航行器深入到敵水雷區(qū)繪制整個(gè)雷區(qū)圖，并進(jìn)一步搜集和查明敵人布雷數(shù)量、類型和布深，為編隊(duì)避開雷陣或進(jìn)一步滅雷作好充分準(zhǔn)備。

航道偵察主要用于尋找安全航道，當(dāng)通過敵方布雷海域或遭敵水雷封鎖時(shí)，為了在短時(shí)間內(nèi)快速安全通過，可以采用無人水下航行器深入敵水雷區(qū)查明航道，引導(dǎo)我方艦艇安全通過雷區(qū)。

4 無人水下航行器的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，制約、決定無人水下航行器反水雷系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：能源與動(dòng)力技術(shù)、自主控制技術(shù)、布放回收技術(shù)以及隱身技術(shù)等。

4.1 能源與動(dòng)力技術(shù)

無人水下航行器的續(xù)航能力主要是由所使用的能源決定的，所裝備的獵雷設(shè)備和通信設(shè)備同樣需要消耗大量的能源，因此，能源與動(dòng)力技術(shù)將在很大程度上決定著航行器的性能。目前具有較高發(fā)展?jié)摿Φ哪茉窗ǎ弘姵?、燃料電池以及熱機(jī)系統(tǒng)的燃料等[11]。

各國正在開發(fā)的電池主要包括：鋰鈷電池、鋰離子電池和融鹽電池、鋰-亞硫酰氯電池、鉛酸電池、錳堿性電池以及其它的特殊電池，如高溫鈉-硫電池等。燃料電池主要有鋁氧半燃料電池、鋁-次氯酸鈉電池、鋁-過氧化氫電池等。

4.2 自主控制技術(shù)

無人水下航行器在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要根據(jù)外界環(huán)境情況的變化自主選擇最優(yōu)的作業(yè)流程，以保證作戰(zhàn)任務(wù)的順利完成。自主控制技術(shù)主要包括任務(wù)規(guī)劃與管理、自主避障技術(shù)等。

1） 任務(wù)規(guī)劃與管理。

無人水下航行器反水雷系統(tǒng)在未知、復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時(shí)的任務(wù)管理與控制是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)問題，需要非常先進(jìn)的任務(wù)管理與控制系統(tǒng)使其在水中自主執(zhí)行各種任務(wù)，其關(guān)鍵是開發(fā)高性能的軟件。任務(wù)管理系統(tǒng)需要對(duì)反水雷系統(tǒng)所要執(zhí)行的各種任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃、監(jiān)控，并完成航行器的導(dǎo)航、數(shù)據(jù)處理與記錄以及故障管理等。

2） 自主避障技術(shù)。

避障是指在發(fā)生緊急情況時(shí)的緊急處理過程，如當(dāng)無人水下航行器遇到突發(fā)障礙物而有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行路徑規(guī)劃，采取躲避等措施。避碰問題實(shí)際上是一種最優(yōu)化問題，其優(yōu)化指標(biāo)是消耗的時(shí)間和能量。

目前，美國、英國等國無人水下航行器的自主避障技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，現(xiàn)在的技術(shù)超越了基本的避障功能，綜合了各種分散的數(shù)據(jù)融合模塊，并且引入了態(tài)勢(shì)感知技術(shù)。自主避障技術(shù)主要通過系統(tǒng)的前視聲吶、內(nèi)部處理器（母船上的處理器）以及軟件來實(shí)現(xiàn)，其核心是內(nèi)部處理器。

4.3 協(xié)同控制技術(shù)

無人水下航行器受尺寸、重量、成本、作業(yè)時(shí)間等因素的限制，其單個(gè)平臺(tái)的能力較弱，往往聚集某一項(xiàng)或幾項(xiàng)能力，進(jìn)而發(fā)展出探雷型、處置型、運(yùn)輸型、通信型、導(dǎo)航型等不同類型的無人水下航行器，因此，無人水下航行器無法獨(dú)自完成上級(jí)給定的反水雷作業(yè)任務(wù)[12]。未來，能夠?qū)⒍鄠€(gè)無人水下航行器進(jìn)行集群，協(xié)同控制不同類型的無人水下航行器，擴(kuò)展單體航行器的感知范圍，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)單體航行器無法或難以完成的復(fù)雜任務(wù)。

4.4 收放技術(shù)

無人水下航行器的布放與回收技術(shù)是航行器的關(guān)鍵技術(shù)之一。航行器的布放技術(shù)可以確保航行器安全入水去執(zhí)行任務(wù)，而當(dāng)航行器完成使命后，通常需要回收到母船（艇）上，以便補(bǔ)充能源、下載數(shù)據(jù)、維護(hù)保養(yǎng)和重新設(shè)置使命任務(wù)。航行器的布放與回收可分為水面布放回收與水下布放回收[13]。

目前，很多水面艦船布放航行器都利用機(jī)械吊臂將其布放到水中，例如美國海軍的“戰(zhàn)場(chǎng)準(zhǔn)備”自主無人水下航行器。美國的“海馬”也進(jìn)行過從水面艦船的傾斜滑軌布放的試驗(yàn)。水面回收方式主要有利用機(jī)械掛鉤回收和利用滑道和回收器進(jìn)行回收。

潛載航行器的布放與回收技術(shù)可以分為艇內(nèi)發(fā)射回收技術(shù)和舷外發(fā)射回收技術(shù)。其中：艇內(nèi)發(fā)射回收技術(shù)適用于仿魚雷外形的航行器，也是目前最為普遍的一類航行器。一方面是對(duì)其水下特征更好把握；另一方面是發(fā)射時(shí)可利用魚雷管或?qū)椆艿容^為成熟的發(fā)射技術(shù)，可大大降低潛射航行器的開發(fā)難度。但相對(duì)于發(fā)射而言，航行器的水下回收難度很大，沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可尋。舷外發(fā)射回收是將航行器附著在潛艇的耐壓艇殼外部，該種方法可不用考慮發(fā)射管的限制，且不占用潛艇的空間；但該方法也存在一些問題，如在一定程度上改變了潛艇的流體性能以及水聲特征等。

4.5 隱身技術(shù)

為了減少無人水下航行器在反水雷作業(yè)時(shí)被敵方探測(cè)的概率，需要考慮系統(tǒng)的隱身技術(shù)，主要是采用一些隱身效果較好的材料，另外還采用特殊的形狀，同時(shí)要盡量降低無人反水雷系統(tǒng)的聲磁特性，來避免被敵探測(cè)。為了使無人水下航行器上的傳感器更高效地工作，需要對(duì)航行器進(jìn)行降噪，目前主要的降噪方法有：設(shè)計(jì)低噪音的電動(dòng)機(jī)和螺旋槳、外涂吸聲涂層和采用機(jī)械隔振裝置。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)反水雷裝備作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，國內(nèi)外均重視反水雷安全性能的提升，將無人技術(shù)與傳統(tǒng)反水雷裝備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無人反水雷是未來反水雷的重要發(fā)展方向。水下無人航行器具備隱蔽性好、安全性高等特點(diǎn)，可有效提升反水雷作戰(zhàn)的安全性。因此，國外加快了水下無人航行器的發(fā)展，并按照沿海、近海、中遠(yuǎn)海的反水雷需求，陸續(xù)發(fā)展沿海水下無人水下航行器、近海水下無人水下航行器和中遠(yuǎn)海水下無人水下航行器等。為滿足未來我國反水雷需求，實(shí)現(xiàn)雷區(qū)無人化，我國應(yīng)借鑒國外的思路，加快水下無人航行器的發(fā)展。