“水下幽灵”无人潜航器大起底

2018-06-23 07:42:44 航空世界 2018年1期

壁千刃

目前,无人化战争的发展已经呈现出相对清晰的蓝图:空中武器无人化、士兵机器人化以及水上武器无人化。其中,无人潜航器虽然还没有经历战火的洗礼,但由于它可携带各种传感器和武器,能执行一系列重要的军事支援任务,极大扩展海军的作战能力,因此,对其的研究已成为发达国家军事海洋技术研究领域的重点。

由于海洋安全环境日趋复杂且军事冲突不断发生,全部使用价格昂贵的有人潜艇耗费的财力过大,特别是会发生人员伤亡事件,因此加速研制和使用无人潜航器已被各国海军提到议事日程,目前世界上至少有10个国家、近40个机构在从事军用或民用无人水下航行器的研究工作。

种类五花八门

(一)智能自主式无人潜航器

智能自主式无人潜艇(简称自主潜航器)在执行任务时无需对其遥控,从承载平台发射后,由任务管理软件自行控制,确定航向、航速、潜深、规避机动,它能远离母舰,独立活动。自主潜航器最近10多年得到了迅速发展,代表着无人潜艇发展的未来趋势。自主潜航器执行作战使命时,无需人员在场,从而避免伤亡问题,适宜承担高风险使命,可以最大化靠前、靠近接敌,使有人作战平台居于低风险区。所谓的自主是指自主水器在限定的时间和空间中,不需要人的干预執行预定使命。自主潜航器一次补充能源后,连续航行距离可达几百至几千公里。自主潜航器可由多种平台运载和投放,如潜艇、直升机、舰船、适当改装的民船以及岸基支持等,投放设备简单,不像鱼雷需要专用发射装置,也不像潜艇需要专用基地,出航灵活,易伪装。与遥控潜航器相比,无论制造成木还是运行成本都比较低,且远低于有人潜航器,有可能大量制造和使用。有报道称,美国的一艘自主潜航器横跨大西洋到达西班牙。自主潜航器体积小,比潜艇至少要低3个数量级以上,目标特征小、易于实现低噪声和隐形,因而很难被敌发现,极易隐蔽进入战场。

(二)动力传送式潜航器

动力传送式潜航器由水面操作控制台、电缆绞车、吊放系统、主缆、中继器、系缆以及水下载体等基本单元组成。通常情况下,由水面支持母船通过电缆向水下载体提供动力,位于母船控制台上的操作者,根据水下载体传回来的电视或声呐图像及各种状态数据,作出判断并发出操控指令和数据,控制水下载体执行相应的动作,由此构成人机闭环系统。通过机动完成观察、探测、检查等工作,还能通过机械手或作业工具完成回收海底物体、水下切割、拆卸部件和安装设备等复杂工作,相当于将人的四肢和视觉功能向水下延伸,使之能执行复杂的水下作业使命。动力传送式潜航器一般采用模块化开放式框架结构,提供几十到上百公斤的载荷能力,便于加装、更换载荷或换装不同工具。

1990年,日本海事科学技术中心研制出“海沟”号缆控式遥控潜航器,全长3米,全重5.4吨,耗资5000万美元,属于缆控式水下机器人,装备有复杂的摄像机、声呐和一对采集海底样品的机械手。1995年3月24日,“海沟”号无人潜艇历时3个半小时下潜到马里亚纳海沟的最底部,重新标定了那里的水深为10911.4米,改写了世界深潜纪录。

(三)信号控制式潜航器

动力控制式潜航器突出的特征是细缆仅传送信息不传送动力,所用电缆或光缆的直径一般在10厘米以下,一般属于中小型潜航器,军事上主要用于反水雷作战,其作业半径一般不超过1000米,携带声呐和摄像机进行远、近距离探测,送回图像供操作者识别目标,使用携带的切割工具或炸药包清除水雷。国外有多种型号,有代表性的是法国ECA SA的FAP 104,后来发展为Mark 5和PAPPlus,世界上20多个国家的海军购买了该装备,总销量已经超过500台。另一型出色的灭雷具是意大利盖马林公司的plu-to,以及后来发展的Pluto cigas,PlutoPlus,现在已经生产约1000台。美国、俄罗斯、英国、德国、挪威、瑞典和瑞士等国也都有装备同类设备,型号多达数十个,是军用潜航器的主要类型。

当前和今后一段时间内,有人参与的细缆遥控方式,仍将奇是军用潜航器发展的重要方向。

十八般武艺

军用潜航器虽在近期才悄然兴起,却被赋予新的作战使命,改变着未来水下作战样式。

(一)挑起反潜作战重任

军用潜航器不仅能实施对水雷的侦察与探测,而且还是反潜作战的高手。同时,军用潜航器还可探测和跟踪驶离港口、穿越警戒线的敌潜艇。作为潜艇的外部水声传感器平台,军用潜航器可以进行区域性搜索和侦察,以扩大潜艇的搜索和侦察范围。一旦在敌经常出入的潜艇基地、港口和运输线附近水域秘密埋伏军用潜航器,组织水下监视和跟踪,可获取大量第一手情报,并源源不断地传送给己方部队。作为反潜战工具,军用潜航器除了上述用途外,还可执行水下警戒任务,组成警戒线以对付敌潜艇:可作为诱饵把敌潜艇引开或诱骗,然后在其他兵力的协同下围歼敌舰艇。因此,军用潜航器未来将在反潜作战行动中大显身手。

美国海军在冷战时期就在太平洋地区部署了针对前苏联潜艇的水下侦听系统,目前正在开发可执行攻击任务的无人潜艇,“曼塔”就是其中之一。该无人潜艇载有多种先进的攻击型装备,能在危险的前沿海区执行此前有人潜水器才能完成的任务,如将水声传感器部署到高危险的浅水带,通过它对敌潜艇进行跟踪,在敌潜艇冲人己方战斗群之前用小型超空泡武器对其进行攻击等。据最近报道称,一个用于搜索别国潜艇,以及对海底地形、海流和水质等状况进行调查的日本海上自卫队无人遥控潜水器ROV,于去年11月在津轻海峡失踪,原因是其与“日南”号海洋观测舰连接用来进行遥控操作的光缆被切断。尽管动用数艘舰艇寻找了9天,但最终未能找到。

(二)肩负排雷排头兵

军用潜航器能深入敌方水雷区绘制雷区图,以便引导已方潜艇和水面舰艇安全通过雷区。或者,通过光纤电缆或音响信息把雷区图传送给己方部队:或者,待军用潜航器返航之后再提供雷区图,为下一步灭雷扫雷行动提供情报支援。军用潜航器可用主动式声呐探测水雷,并使用海底地形匹配导航声呐,测出实际的海水深度,与己方已存数据进行比对,根据深度差进行水下导航。同时,与所载惯性导航系统相结合,提供精确的位置数据,有助于绘制出精确的雷区图或海底地图。军用潜航器还可为己方的水雷区提供巡逻保护,使之不至于被敌方破坏,防止敌潜艇利用水雷区中的间隙通道通过,预防敌潜艇在己方安全航道上布雷。对于那些情况不明的海峡和水道,通常也可以派出军用潜航器进行预先侦察,搜集有关海域海底地形的分布情况和海底海流等水文资料,以及海底水雷的布放状况和种类数量等,从而决定己方水面舰艇或潜艇是否能够通过,同时,必要时可适时组织具体扫雷作业。

美国海军自动化程度很高的“曼塔”军用潜航器,携带有一个多波束主动搜索声呐和一个侧扫分类声呐,可在水下进行初步搜索,判定是否存在水雷:也可用于精确勘测,对类似水雷的物体实施进一步的定位并分类,具有非常出色的反水雷本领。有报道稱,美国海军拟向海湾派遣数十艘“长尾鲛”无人潜航器,配备有一个水下电视摄像头、归航声呐及炸药,帮助侦查和摧毁伊朗水雷,防止当危机爆发时伊朗实施封锁霍尔木兹海峡的战略。

(三)网络中心战节点

美国海军认为,军用潜航器在未来海战中,特别是在网络中心战条件下,网络中的任何一艘大中型潜艇只要它拥有发射和回收军用潜航器的能力,就能使作战范围明显扩大和增加。每艘军用潜航器在执行任务时,均能充当未来“网络中心战”中的信息交换节点。一艘可释放和回收若干艘军用潜航器的母艇,足以形成以母艇为中心、各个军用潜航器为节点的作战网络。军用潜航器可拖带一个被动式声呐基阵前去探测敌潜艇,并将情报自动地传送给别的反潜平台。大型潜艇远距离航渡可将军用潜航器作为通信中继站,使潜艇不再为通信联络而浮至海面,从而提高潜艇的隐蔽性。军用潜航器还可以作为远程传感器的节点,提供连续不断的、有价值的情报信息,并通过网络与其他节点共享情报资源,构成一体化的指挥、控制和信息系统,从而大大改善水下作战的态势。数个军用潜航器通过各自艇上的水下声呐、水面光学和水面电磁波探头等传感器,来搜集游弋海域的情报信息,侦察水下雷场。通过对海水中化学痕迹、尾流及其他的海水扰动情况判断威胁物的特征信号,并将所搜集到的情报通过高效率的通讯手段汇集到母艇上,以供指挥员做出正确的判断。由于每艘军用潜航器在其执行任务时都能够作为一个网络节点,过水声、无线电或卫星通信,为前沿部署的其他传感器和战斗部队之间提供链接。

(四)水下营救,海底测量,打捞能手

军用潜航器在海底救捞方面有其他任何技术装备无可比拟的技术优势,无论在沉船打捞,飞机黑匣子搜索还是危险品打捞和工程抢险和人员抢险等方面,均有出色的表现。改进军用潜航器的重点是提升无人系统的动力和耐久性,使其在执行任务海域恶劣的海洋环境下性能更加可靠。对于要在水面下执行任务几天甚至几周的精密电子仪器来说,这面临着巨大挑战。

1986年1月28日,美国“挑战者”号航天飞机发生爆炸,美海军迅即派出军用潜航器,组织搜寻、打捞“挑战者”号的碎片。然而,当时天气恶劣,海底太深,导致多数残骸沉在305米深的海底,使得通常的潜水作业极其困难。但是,三台军用潜航器机敏地在这些残骸中穿梭游弋,先是超小型军用潜航器“探索4号”和重109千克的“短跑”号军用潜航器拍摄到了大量照片,帮助确定了声呐所测到残骸的具体位置,发现了机组成员座舱的部分残骸。一台重1135千克、名叫“天蝎座”的遥控潜航器,利用两只机械手抓住航天飞机的部分残骸,并把它们送出海面。

美国“金枪鱼”号水下无人潜航器。仅5米,重约800公斤,可潜入海底4570多米处展开搜索。“金枪鱼”号擅长在水下寻找残骸,当以缓慢的速度行进时,它可持续搜寻1天多。据悉,美军将出动“金枪鱼”号水下无人潜航器帮助搜寻马航失联客机,主要依靠高频侧扫声呐(工作频率在100KHz左右)对海底进行较高分辨率的成像,来搜索沉入海底的物体:另外,“金枪鱼”号无人潜航器还装有水下摄像机,可以在近距离拍摄海底物体影像,确认度比侧扫声呐更高。“金枪鱼”能够利用旁侧声呐和摄像机下潜搜寻黑匣子,但一次只能装配一种设备。通常情况下,它首先使用声呐探测,发现可疑目标后回升至水面,改装上摄像机后再次下潜,为搜寻人员提供水下画面。“金枪鱼”号无人潜航器搜寻原理是依靠声呐设备在海底扫描,但一整天只能搜寻相当于一个足球场大小的区域,搜寻一平方公里可能需要一个月,工作时速度只有5公里/小时左右,搜索速度很慢,所以它最终能否有所发现马航失联客机仍需要给予耐心。法国1985年研制成的“鹦鹉螺”号潜航器最大下潜深度可达6000米,累计下潜了1500多次,完成过多金属结合区域,深海海底生态等调查,以及沉船、有害废料等搜索任务。日本1989年建成了下潜深度为6500米的深海6500潜航器,水下作业时间8小时,曾下潜到6527米深的海底,创造了载人潜航器深潜的纪录。它已对6500米深的海洋斜坡和大断层进行了调查,并对地震、海啸等进行了研究,已经下潜了1000多次。据称,美海军将利用无人潜航器替代部分海洋监测船,无人潜航器执行任务的时间可长达一年,可自主收集水下环境的盐度和温度等多种信息,每隔一小时左右会临时浮上水面,通过卫星数据链向后方传输数据,可改善美军舰艇声呐的作战效能和精度。

制约瓶颈

军用潜航器的体积不大,艇内空间有限,因此装载的动力装置功率有限,航程受到比较大的限制。军用潜航器的探测与搜寻能力受到装载设备的很大限制,无法与大中型潜艇相比。为了投放、回收一个水下机器人,主控平台不得不改变其正常操作,因而将承受很大风险。如果由潜艇进行投放、回收,则更加危险。在发射管有限的情况下,是否将鱼雷换成军用潜航器将是个艰难的选择。现今的军用潜航器多由有人潜艇上的鱼雷发射管发射,从而限制了军用潜航器的快速发射。迄今,军用潜航器的一些关键性技术尚待解决和完善。比如,军用潜航器的通讯如何能确保低截获率、潜艇的储能技术如何提高等等。如果军用潜航器的通信联络不能提高保密性,那么敌方就很容易发现它,甚至可向它发出假情报加以迷惑,而遭到对方打击。有缆遥控潜航器的电缆严限制了潜航器的活动范围:母船难以在潜航器作业期间执行其他任务:母船在潜水作业期间必须处于动力定位或多锚定位状态,这就对母船性能提出了较高的要求,且动力定位状态的油耗也比正常航行有所增加,导致总运行成本显著增加。目前,适合潜航器使用的传感器品种极少,其中一些还不是专用产品,总体性能如体积、精度、响应速度和功耗等技术指标均不能满足要求,今后仍有很大的发展空间。

未来,军用潜航器不但装配有前视声呐,而且还装配旁扫声呐和海底绘图仪、海底剖面仪等设备,使潜航器声呐探测宽度和探测速度增加,在没有舰壳猎雷声呐的条件下也能獨立完成水雷探测、识别任务,从而使潜航器系统适应不同的舰艇使用,而不需专门的猎雷舰艇。大大地扩大了使用范围。感知是潜航器实现自主的前提,感知的前端是传感器。自主潜航器对传感器的需求数量、种类巨大。大量传感器原始信息,需要通过信息融合技术,转变为对于内外环境、战场态势的认知。由“感”到“知”,需要大力发展相关的理论和方法。合成孔径声呐以及其他高清晰度的声呐将变得很吃香。分布式网络化传感器等新型可配载器件首先作为独立项目进行研发,随后将融入军用潜航器项目,正如“持久海洋监视”示范项目将被融入大排量项目。

未来海军武器系统的发展必将随之而变化展更加有效,更加隐蔽、无人化的武器装备是必然趋势,号称“海底杀手”的军用潜航器将成为未来海战场上的新星。军用潜航器能浅能深、可远可近、攻防兼备、亦单亦群和可主可辅的特点,使其作战功能多样化,不仅可以是有人作战平台的辅助手段,亦可独立成军,承担战役或战术使命,甚至在未来承担战略使命亦是可能的。

编辑:戴嘉琦