岛链角逐:中国应尽快打造无人“水下狼群”--文章--雷曼军事网

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岛链角逐:中国应尽快打造无人“水下狼群”

文/潜水熊 总点击:1814 总字数:7500

新军事技术革命催生了无人载具的喷发,使军队分散式、网格化作战成为重要的趋势,部队结构也因此发生了重要的变化。地处西太平洋地区的中国,面临着纷繁复杂的岛礁争端,顺应军事技术变革的潮流,发展无人潜航器,既是海军发展的应有之意,同时也更有利于我方采用更加灵活的方式解决问题。

 

20XX年,伊朗核危机。

 

波斯湾,霍尔木兹海峡以南,月夜。

 

0115时。

 

皎洁的月光洒在波光粼粼的海面上,一片寂静。

 

潜伏在水下的美国海军“弗吉尼亚”级核动力攻击型潜艇“北达科他”号正在通过VLF通信接收最新战术信息,“最高优先级战术任务----清除伊朗水雷威胁!”

 

在昏暗的海水重压之下,“北达科他”号打开艇首鱼雷发射管,两条低可视度水中迷彩涂装的鱼雷状物体悄无声息的游了出来,随即灵巧敏捷的调整姿态和航向,转向正北,不一会儿就消失黑沉沉的海水之中......

 

这一幕场景看起来可能很像科幻军事大片的情节,但是随着人类军事科技的不断进步和创新发展,它可能离我们并不遥远。目前,除美国之外(美国是研究和开发无人水下航行器最早、产品类型和研究单位最多、技术水平最高的国家),英国、法国、德国、挪威、瑞典、芬兰、日本等西方海军强国和传统海洋强国纷纷研发各种类型的军用或者军民两用无人水下航行器,涵盖了从几十千克到十吨级别,外形从鱼雷形、扁平形、矩形、水滴形、带翼鱼雷形和开式框架形,研发周期在缩短,实际应用步伐明显加快。作为有着广泛海洋利益的国家,中国正面临着诸多岛礁和领海争端,而无人水下航行器也许将在这些争端中发挥重要的作用。

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什么是无人水下航行器?

 

很多人可能已经在之前有关搜寻马来西亚航空MH370航班的新闻报道中了解到“蓝鳍金枪鱼”无人水下航行器;也有可能在当年那部好莱坞卖座大片《泰坦尼克号》的片头看到过有缆水下机器人打捞海底残骸的画面,这些都属于我们所说的无人水下航行器或者无人潜器UUV(英文UnmannedUnderwater Vehicle的缩写)。

 

现代无人水下航行器或者无人潜器UUV的起源可以追溯到1868年怀特-黑德发明的白头鱼雷,上个世纪八十年代以后随着微电子技术、自动控制理论、致密能源等发展以及来自海洋工程和军事需求的推动,无人水下航行器或者无人潜器(UUV)得到了越来越广泛的应用和发展。

 

一般来说,无人水下航行器分为遥控式潜器和自主(自治)式潜器两种。遥控式潜器(Remotely OperatedVehicle,ROV),潜器由电缆拖带,操作人员通过缆线控制其的水下航行和作业,拖带缆线除了能够用来传输信息,还能提供潜器进行航行和作业所需的能源,通常由专用工作母船进行支持作业。

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(瑞典萨伯公司的“双鹰”系统(Double Eagle)既可以采用遥控模式,也可以用作自主作业模式。波兰海军已经选择采购这种系统。)

 

自主(自治)式潜器(AutonomousUnderwater Vehicle,AUV)不需要专用工作母船通过拖带线缆进行指挥控制以及提供能源,依靠自主控制和自身携带的推进系统、任务载荷完成水下航行和作业,工作母船也可以通过水声通信或者无线电通信对AUV进行有限的遥控和监视。在某些场合,人们也用有缆潜器和无缆潜器这种比较直观形象的方式来进行区分。

 

由于遥控式潜器ROV依靠线缆与工作母船保持紧密联系,其机动能力受到束缚,活动范围有限,而且比较容易受到气象海况等条件影响,导致作业效率较低,因此目前主要应用在海洋工程、水下电缆/光缆敷设、海洋油气调查、水下打捞、海洋科学调查、潜艇救难等方面。

 

而自主(自治)式潜器AUV实现了自主控制或者最低限度监控、自推进,并且能够实现水下高精度定位和精密导航,能够保证在一定气象和海况条件下,在一定的水下深度实现大范围机动航行和作业,由原来的“深潜+作业”转变为“深潜+航行+作业”。因此,无人水下航行器在很多场合或者使用场景下都被定义为自主(自治)式潜器AUV。

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(MANTA是美国海军水下战中心研发的一种无人水下潜航器,它将在水下作战空间中,尤其是浅海海域中发挥重要的作用。)

 

现代军用无人水下航行器的构成

 

现代军用无人水下航行器系统通常包括无人水下航行器本体(就是俗称的无人水下航行器)、母船(艇)支持系统、部署平台(通常包括具备无人水下航行器或者无人潜器携载、输送、释放和回收能力的水面舰船、潜艇、飞机和岸基设施等)、后勤与维护保障模块、模拟操作训练系统等。

 

作为系统核心的军用无人水下航行器,通常由载体结构、控制系统、导航系统、能源系统、推进系统、通信系统和任务载荷组成。

 

载体结构 一般包括耐压结构和非耐压结构,与采用比较多的整体耐压圆柱壳结构的鱼雷、水雷、潜艇等传统水下装备相比,军用无人水下航行器大多采用多个分散耐压圆柱壳结构或者多个耐压球壳结构,耐压壳体结构主要使用铝合金、钛合金、碳纤维等材料制造。同时为了保证军用无人水下航行器具有良好的低阻低噪外形,并且确保水下航行的稳定性,其非耐压结构选择采用玻璃钢、碳纤维等材料制造,减轻了自身重量,有利于配置更多的任务载荷。

 

控制系统 是军用无人水下航行器最重要的部分,相当于人的大脑,其作用等同于水面舰船上的舰长、航海长和轮机长三者职能之和。主要进行使命与任务规划、控制推进系统、舵等执行机构和水声、光电和雷达等传感器,按照要求完成航行机动、实施正确的动作并完成相应的使命与任务。

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(RMMV,单价1200万美元,长7米,可在濒海战斗舰视距以外作业。)

 

军用无人水下航行器的控制系统一般分为底层自动控制和高层智能控制两个层级,底层自动控制用于对执行机构和运动状态进行控制,主要包括运动稳定性、速度范围、回转半径、横倾角、纵倾角等,通过选择不同的运动控制模式、深度控制模式和速度控制模式等进行实现;高层智能控制用于控制使命规划(包括航路规划、最优航路机动等)、任务规划(比如水中避障规划、反跟踪/欺敌规划等)和作战或者作业规划(比如布放水雷/爆炸物、发射水中兵器、侦测敌水雷雷区、侦测敌潜艇活动、监视敌港口、灭雷作业、战术海洋学调查等),并且根据无人水下航行器的自身运行状态、能源消耗、任务载荷和传感器的信息获取,对任务规划、作战或者作业规划进行判断和重组。

 

导航系统 为军用无人水下航行器提供位置、航向、深度、速度和姿态等信息,以保障安全航行、作战或者作业。导航系统主要包括捷联惯导(主要包括惯导陀螺和加速度计,现在常用的惯导陀螺有激光陀螺和光纤陀螺两种)、多普勒声呐计程仪、GNSS(全球卫星导航系统,一般以美国GPS系统为主),还有前视声呐、磁罗经、陀螺罗经、压力计、测高仪、测深仪、多普勒流速剖面仪、水声定位仪(长基线、短基线和超短基线)等组成。

 

由于军用无人水下航行器的导航系统具有无人自主、高精度、小体积、低功耗和长时间可靠工作的要求,所以在研发期间就要接受多轮湖试和海试,只有在直线测量精度测试中最大定位误差不超过实际航程的0.01%,在剪草机式航线测量精度测试中最大定位误差不超过实际航程的0.021%,才能真正投入使用。

 

能源系统 是为军用无人水下航行器运动提供动力源,为各种设备、仪表和任务载荷提供电源的各种装置的集合。能源是限制无人水下航行器任务参数(续航力、速度、工作深度和任务载荷等)主要因素之一,军用无人水下航行器能源系统通常采用蓄电池、燃料电池、太阳能电池等。从目前的实际情况来看,锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属氢化物电池以及铅酸电池的使用最为广泛,选择这些类型的电池作为能源系统主要是考虑到能量密度、电压、充/放电率、使用成本以及安全性。

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(法国DCNS公司为加拿大研制的“多拉多”UUV,可用于扫雷和水下排爆等作业。)

 

推进系统 是为军用无人水下航行器前进、悬停、倒退等机动提供推力的各种装置的统称,而且作为军用无人水下航行器的基本系统之一,占总质量或者总容积的大部分。推进系统主要包括推进电机和推进器,推进电机通过传动装置驱动推进器,或者与推进器集成为一体,构成推进装置IPM。无人水下航行器的推进系统通常由1个或者多个推进电机和推进器构成,或者由1个或者多个推进装置构成,从而实现军用无人水下航行器按照控制系统的指令完成航向、深度和速度的改变和保持。

 

无人水下航行器采用的推进器主要有普通螺旋桨、导管螺旋桨和泵喷射推进器,推进装置一般采用无刷直流电机驱动。近年,军用无人水下航行器越来越多的开始应用泵喷射推进器和推进装置,泵喷射推进器具有推力大、辐射噪声小、效率高、结构紧凑等优点,缺点是结构复杂、重量较大;推进装置具有较少传感器控制、无深度限制、推力均匀等优点,缺点是安装需要占用大量宝贵空间;电机的齿轮、油填充和密封的可靠性和密封性是一个

问题。

 

通信系统 可以包括为水声通信、无线电通信、卫星通信、光纤通信和水下网络通信等手段,主要用于军用无人水下航行器与军用无人水下航行器、军用无人水下航行器与其他平台之间的互联互通,实现信息的双向传输。军用无人水下航行器配置多种通信手段,是因为其经常处于深海之中,长时间、远距离的自主执行作战或者作业任务,必须根据实际情况,选择合适的通信手段满足接收上级指令、报告自身状态、传输各种目标信息和水下环境特征信息的需要。

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ULTRACAP UUV,看起来像一枚“炸弹”。)

 

在水声通信方面,军用无人水下航行器已经可以通过水声链实现近程高数据率的图像信息传输和远程低数据率的指令和控制信息传输。目前,水下网络通信技术发展很快,军用无人水下航行器之间、军用无人水下航行器与水上网络浮标、水下固定网络潜标已经可以实现水声网络通信。北大西洋公约组织已经多次成功举行过无人水下航行器的水下网络通信测试。

 

任务载荷 是指为满足军用无人水下航行器使命任务、实现作战或者作业功能而配置的水声、电子和光学等设备,以及水中兵器、水下作业工具等。

 

军用无人水下航行器的任务载荷可以根据使命任务划分为侦察监视、目标探测、海洋调查与测量、电子对抗、水中兵器和水下作业工具等。

 

侦察监视,主要包括光电侦察监视装备(热成像/微光夜视、激光雷达/测距、可见光电视通道等)、电子(雷达)情报和通信(信号)情报侦察设备,并且集成在军用无人水下航行器的升降式桅杆上,用于水面或者近水面状态下的对敌水面舰船、敏感海域、基地、港口设施等的侦察监视任务。

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REMUS 100无人水下潜行器主要用于近海环境下的作业,工作深度为100米左右。)

 

目标探测,主要包括各种主被动声呐(前视声呐、高分辨率成像声呐、侧扫声呐、被动声呐基阵、拖曳线阵列声呐等)和水下电视等,对水下障碍物、水雷、沉船等水下固定目标和水面舰船、潜艇等机动目标进行探测、分类、识别、定位和跟踪;战术海洋调查和测量,主要包括多波束测深声呐、多普勒流速剖面仪、温盐深测量仪、水声测量换能器等设备,对海底地形地貌、海洋水文气象和海洋水声环境等进行科学调查和勘测。

 

电子对抗,主要体现在水声对抗方面,通过舰船噪声模拟装置、回声模拟装置、磁场模拟装置、水声干扰和压制设备,模拟己方水面舰船和潜艇的水声学信号特征,伪装和欺骗敌方水声探测设备或者水中兵器的声学制导系统。

 

水中兵器,主要包括各种微型和轻型鱼雷、水雷、深水炸弹和灭雷炸弹,用于直接毁伤敌方的水面舰船和潜艇目标、水下工程设施和水雷等;水下作业工具,主要指水下机械手和水下专用工具,用于水下切割、电焊、爆破、连接、除泥、除锈以及涂装、堵漏等水下作业,实施水下打捞、潜艇救难、水下补给、水面舰船水下部分维修、清除水雷、破坏敌水下工程设施等任务。

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(美国海军的“海马”级无人潜航器正在进行回收和施放测试)

 

军用无人水下航行器的分类

 

军用无人水下航行器作为现代海军的“力量倍增器”,目前已经成为各海军强国水下作战平台的一部分,承担起争夺未来海上军事斗争胜利的重要使命任务。

 

从排水量上来看,军用无人水下航行器分为微型、轻型、中型和重型4个级别;从航程上来看可以划分为近程(25~120海里)、中程(150~200海里)和远程(500海里以上)。

 

从外形上来看,可以分为鱼雷形、扁平形和不规则形。从部署方式上来看,可以分为舰船、潜艇、空投和岸基。

 

从使命任务上来看,军用无人水下航行器可以分为战斗航行器、水雷战航行器和勤务航行器这三个大类:战斗航行器主要用于直接实施攻击作战或者支持特种作战行动,平时用于巡逻警戒。水雷战航行器用于布放水雷或者反水雷。勤务航行器主要用于情报侦察、海洋调查、防险救生、水下补给和协同通信等。

 

从搭载方式看,有4种潜艇布放回收军用无人水下航行器方式:潜艇鱼雷发射管方式、弹道导弹发射管方式、指挥台围壳后部直接搭载或者设置专用耐压筒搭载方式和指挥台围壳前部艇体设置船坞的坞载方式。其中,潜艇布放回收军用无人水下航行器,具有隐蔽性好、受气象海况条件影响小、持续作战时间长、对其他掩护兵力依赖小,可独立执行作战任务等特点。

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(萨伯公司的AUV62-MR进行扫雷侦察作业示意图,其最大潜深为500米,作业航速为0~20节。)

 

军用无人水下航行器的用途

 

说到无人水下航行器的军事应用特别是在现代海战中的作用,在某些科幻大片中也都有所描写和展现,比如在《变形金刚》影片中,邪恶的狂派机器人潜入深海,不但击沉了美军核潜艇,还打捞起霸天虎的残骸,开始反攻地球。此外,在著名的“天安舰”事件中,事后也曾经有国外海军专家怀疑,是否有可能是军用无人水下航行器参与或者直接执行了对“天安舰”的袭击,并以其低阻低噪特点成功躲过韩国方面的严密搜寻……

 

冷战结束以来,作为“七海之王”的美国海军颇有些“独孤求败”的感受,认为将来可能海上作战的焦点将集中于作战对象国家的沿岸浅水海域,美国海军必须具备在对抗环境下的沿岸浅水海域进行海洋监视、情报收集、反潜战和反水雷战的能力。因此美国海军在科研和装备经费被大量削减的大背景下,仍然非常重视军用无人水下航行器的发展与应用。

 

美国海军认为军用无人水下航行器能够有效支持上述四种任务,并且分别于1988年、1994年、1996年、2000年、2005年和2009年制定了不同版本的海军军用无人水下航行器发展计划,明确了军用无人水下航行器的使命任务、能力要求和关键技术,有力推动了美国海军军用无人水下航行器的持续发展。根据美国海军制定的《2000-2035年美国海军无人水下航行器计划》,军用无人水下航行器被赋予了7种使命任务,这个分类对我们具有一定的借鉴意义。下面是详细的情况:

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(美国国防部高级研究计划局的反潜战持续追踪无人艇(ACTUV)示意图。据悉,这种无人艇能够连续数月持续追踪静音柴电潜艇,追踪范围可以横跨数千千米的海域,对操作人员数量的要求可以降至最低。)

 

情报/侦察/监视,配置光学成像和电子侦察装备等,可在航道、港口和海军基地附近,对水面舰船、飞机、岸上目标以及雷达/通信/电子战信号等进

行监视和侦察;配置前视声呐、多波束测深声呐、侧扫声呐以及水下摄像机,对水下防潜网、水声基阵实施侦察。

 

反水雷,配置高分辨率成像声呐和水下摄像机、水下作业工具以及灭雷弹等,清除敌方布放的水雷。

 

反潜战,配置舷侧阵声呐、拖曳线阵声呐等被动探测声呐,探测敌方潜艇,并将探测数据发送给母舰或者母潜艇。

 

气象和海洋调查,配置温盐深传感器、海流剖面仪、测深声呐、水听器等,进行海洋气象水文和海洋水声监测。

 

协同通信和导航,配置水声、无线电或者卫星通信设备和导航设备,作为各种平台的关键通信和导航节点,担负水下平台和其他平台之间的通信中继和导航信号中继任务。

 

自主水下武器平台,配置武器或者武器发射舱,在己方其他兵力指挥控制或者自主决策下,发射武器,打击敌方水面舰船。

 

后勤支援和水下补给,配置包括补给物资、支持其他任务的传感器、预置水雷武器等载荷,将其输送至预定水域。

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为什么我们要发展UUV?

 

军用无人水下航行器作为集成了微电子、计算机和人工智能等高新技术的先进作战平台,任务规划能力强,可以执行多种任务,并且通过对侦察监视、水下探测、水声对抗/电子战、协同通信和网络等任务载荷以及水中兵器发射或者布放装置的组合配置,满足不同对抗场景的需求。前文对军用无人水下航行器的定义、构成、分类和用途进行了简单的介绍,下面我们将讨论大力发展军用无人潜航器对解决岛礁冲突和海防的重要意义。

 

首先,在第一岛链周围海域执行任务时,军用无人水下潜航器具有相对于有人载具不可比拟的优势。由于军用无人水下航行器具有体积小、自身辐射噪声极低、电磁场信号弱等特点,自身目标特征较小,敌方难以进行有效探测。即使被敌方探测到乃至被击毁,军用无人水下航行器也不会造成己方作战人员的损失,而且使用成本较低,可以快速重新部署或者依靠军用无人水下航行器网络化作战,继续维持作业能力。

 

其次,军用无人水下潜航器属于有人平台的延伸,拥有很大的灵活性。从现代海战的高机动、高技术、高烈度、高毁伤的特征来看,军用无人水下航行器布放方式多样、作战使用灵活,可根据任务需求从水面舰船、飞机、潜艇以及岸上设施等进行部署,配合海军机动作战,此举也大大提高了海军的反应能力。所以,研制并大批量装备军用无人水下潜航器本来就是海军重要的发展方向之一。

 

再次,同更昂贵、更大的有人平台相比,无人水下潜航器的覆盖范围更广泛。从使用方式上来看,可单个军用无人水下航行器独自执行任务使用,也可以多个军用无人水下航行器组成任务群,还可以与其他水面舰船、潜艇配合,作为舷外传感器使用,增强和扩大水面舰船和潜艇的态势感知能力和感知范围。

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(濒海战斗舰正在吊装无人潜航器)

 

第四,无人水下潜航器具有光明的前景,应用范围广泛。从发展趋势来看,上个世纪80年代开始探索无人水下航行器的在军事领域的应用到现在军用无人水下航行器主要执行水下情报/监视/侦察、战术海洋调查、反水雷、协同通信/导航、布放水下传感器/传感器阵列等任务,未来的军用无人水下航行器将向探测诸如水面舰船、潜艇这样的机动目标、快速海洋战术环境评估、打击时敏目标等任务方向发展。

 

第五,无人水下航行器的智能化水平将得到进一步提升,大大增强海军的“灵巧”作战能力。军用无人水下航行器的作战或者作业智能化水平将逐步提高,对水下静态目标近实时的探测、分类和识别,对水下慢速机动目标的自动探测、识别、定位和跟踪,战术数据的实时交互能力,多无人水下航行器的自主协同以及更高级的自主作战或者作业决策能力。

 

最后,长期水下隐蔽作战和作业,是军用无人水下航行器的主要优势之一,这种优势是海军极为宝贵的资源。为了确保己方平台的安全,应在敌方防御海区或者敏感海区之外部署或者回收军用无人水下航行器,而且要能够在作战或者作业海域长期隐蔽,这就对军用无人水下航行器的续航力提出了更高的要求,随着致密能源技术、各种高效推进技术和方式的应用,军用无人水下航行器的远程化和持久性也是重要发展趋势之一。

 

进入2 1 世纪,中国海军面临的不仅仅是装备的大量更新,同时也需要采用新技术,促成整体作战能力的质变。加强各型无人载具的发展便是重要的途径之一,而无人水下潜航器显然是其中不可忽视的一个重要领域。

(潜水熊 著)

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