俄罗斯“勇士-D”无人潜航器首探马里亚纳海沟

2020-09-21 08:35:27 兵器知识 2020年9期

姜永伟

2020年5月23日,受俄罗斯政府和国防部委托,俄太平洋舰队的官兵,在符拉迪沃斯托克军港,举行隆重的欢迎仪式,迎接从太平洋马里亚纳海沟遂行深潜任务凯旋的“福季·克雷洛夫”号救援拖船和“勇士-D”无人自主深潜系统(以下简称“勇士-D”系统)。“勇士-D”系统在马里亚纳海沟成功下潜10028米,创造了无人深潜系统自主下潜的世界纪录,成为轰动世界的重大新闻。

2020年5月23日,俄太平洋舰队司令伊格里·科罗廖夫海军少将(前排左2),在符拉迪沃斯托克军港欢迎“福季·克雷洛夫”号救援拖船和“勇士-D”无人深潜系统凯旋而归

名不虚传

2017年9月,根据《2025年前俄国家北极地区社会经济发展规划》,俄“红宝石”海洋技术中央设计局(以下简称“红宝石”设计局),与俄前瞻研究基金会正式签署共同研制“勇士-D”系统的协定。前瞻研究基金会(FPI)成立于2012年10月,该基金会与美国国防高级研究计划局(DARPA)非常相似,是国防部的一个独立机构,其宗旨是促进国防和国家安全方面的研究与发展,以便在军事技术和社会经济领域里获取高质量的新成果,开发创新技术并生产军用、特种和军民两用高技术产品。2020年1月,普京在国情咨文中指出,前瞻研究基金会不仅应该在研制武器关键部件、新一代军用和特种装备中发挥决定性作用,也应该在2025~2050年为俄军队和其它强力部门研制国产武器系统的基础。

前瞻研究基金会之所以将该系统命名为“勇士-D”,是为了纪念苏联著名的“勇士”号科研船。“勇士”后的“D”字母,是俄语“展示”的第一个字母。

在俄罗斯海洋科学发展史上,苏联“勇士”号是一艘充满传奇色彩和对苏联海洋科学研究作出特殊贡献的科研船。该船原是纳粹德国的一艘客轮,于1939年在德国布莱梅港完成建造,当时以“火星”号命名。二战期间,“火星”号客轮担负军用物资运输任务。战后,根据战败国赔偿条款,德国先是将“火星”号客轮交付英国,1946年,英国又将其转交给了苏联,并易名为“赤道”号。1947~1948年,“赤道”号客轮被改装为科研船,命名为“勇士”号,以纪念沙俄海军著名的“勇士”号护卫舰。

“勇士”号科研船长109.44米,最大吃水深度5.86米,排水量5710吨,自主航程18500海里,主发动机功率3000马力,航速14节。该船深水锚泊时,海底拖网和土壤取样等工作深度为11000米,可搭载船员66人、科研人员70人。

1949~1979年,“勇士”号科研船悬挂着苏联科学院院旗,完成了65次出海科學考察,航行80万海里,访问过世界100多个港口,建立了7942个海洋科学研究站。1957年,“勇士”号曾首次完成了测量马里亚纳海沟极限深度11022米的重要任务。此外,它还发现了生活在200米以下海床上的须腕动物。这些探险成果写进了苏联教科书。1959年,“勇士”号创造了深海抛锚9600米的世界记录。苏联科学院曾以“勇士”号科研船为核心,组建了由苏联50多个科研所和国外20个科研所组成的海洋科学研究团队。

苏联“勇士”号科研船

在苏联解体前的11年时间里,苏联科学院曾就这艘功勋船的去向进行过多次的讨论,但没有结果。当时,停泊在加里宁格勒“琥珀”造船厂码头的“勇士”号科研船,由于年久失修已破旧不堪。1992年,俄科学院将“勇士”号正式转交给了文化部下属的加里宁格勒市世界海洋博物馆。1994年7月12日,停泊在加里宁格勒市中心码头的“勇士”号已经修复一新,船体一侧出现了“11022”的字样,向国内外观众展示该船为世界海洋科学研究做出的丰功伟绩。

左上、右上:苏联“勇士”号科研船展品 左下:加里宁格勒海洋博物馆展示的“勇士”号测绘马里亚纳海沟地理概貌的模型。 右下:博物馆展示的“勇士”号当年测量马里亚纳海沟极限深度的位置

2019年,俄政府在加里宁格勒市世界海洋博物馆,隆重举行了“勇士”号科研船下水80周年、首次科学考察70周年、退役40周年和停泊博物馆码头25周年的纪念活动。该船已成为博物馆的主要展区和该城市标志性景点。该船设有一个地理发现展览馆和一个航海史展览馆。此外,博物馆还展出了许多记载地理发现和航海历史的展品,保留了修缮一新的船长室和休息舱等该船历史原貌。

今天,“勇士”号科研船,既是一所培养青少年学习海洋科学和增强海洋探险兴趣的学校,也是一所进行爱国主义教育和弘扬俄民族战斗精神的基地。

精心筹划

“勇士-D”系统主要用于完成深度为12000米的海底勘探和研究工作,开发在极限深度条件下的无人深潜技术。为此,“红宝石”设计局在研制出下潜深度6000米的“大键琴-2R-PM”无人潜航系统的基础上,决定研制下潜深度为12000米的“勇士-D”系统。同时,设计局专门组建了机器人系统实验室。

“勇士-D”系统的最复杂难题是确保系统的仪器和设备,在最大静水压力条件下的工作能力。因此,在建造系统壳体和坚固的仪器仪表舱时,“红宝石”设计局运用了自己在研制载人潜航系统、无人潜航系统积累的丰富实践经验。同时,设计局还与“无风”声呐通信科研所、机器人技术和控制中央科研所、俄科学院远东分院海洋技术问题研究所等俄国内骨干科研机构进行密切的合作。

“红宝石”设计局总经理伊格里·维尔尼特指出,设计局专家在研制“勇士-D”系统过程中,广泛采用了最先进的3D建模技术和终端模型计算技术,对其进行大量的试验,以确定“勇士”系统的工作能力和检测其结构部件受最大静水压力时的特征。“勇士-D”系统拟定技术文件采用“无纸化”技术,零部件的制造则直接由数控机床按程序自动完成。根据设计构想,“勇士-D”无人潜航器和海底站,在无人参与的条件下,可借助控制系统的计算自主运行。在下潜前,母船操控员将具体任务输入控制系统,随后,无人潜航器和海底站按照程序下潜水中,开始自主工作。同时,它们可以通过声呐信道向地面操控员传递各种信息。“红宝石”设计局和研制控制系统的科研人员,将在母船控制台旁对试验实施全程监控。为了培养系统操控员,“红宝石”设计局专门研制出“勇士-D”系统综合模拟训练器,以确保操控员获得操控经验,并拟定出大量的操控技术方案。

2020年4月,俄海军太平洋舰队SB-135“福季·克雷洛夫”号救援拖船,搭载“勇士-D”无人深潜系统驶往马里亚纳海沟进行下潜试验

挑战海沟

2020年5月8日,前瞻研究基金会副总经理兼物理技术研究负责人伊格里·杰尼索夫,在接受塔斯社记者采访时具体介绍了“勇士-D”系统在马里亚纳海沟完成下潜试验的情况。

“勇士-D”系统采用了鱼雷外形设计,重5600千克、长4米、直径1.5米、高1.471米,全部采用俄国产材料和工艺研制而成。系统由主要设备和辅助设备,以及海底站、系统器材和零部件等设备组成。主要设备即无人自主潜航器,安装了测量物理环境参数(外部温度、压力、水电导率)的设备、照明设备、照相和视频设备、侧视声呐、惯性导航系统、视觉感知与规避控制系统等设备。在水下航行时,无人自主潜航器依靠惯性导航系统、照相和视频设备、侧视声呐提供的信息。海底站是一个中继信标,它可以帮助潜航器在海底定位。潜航器和海底站壳体完全采用了国产钛合金和高强度球体塑料材料。“勇士-D”系统的动力装置,由4台主电动机和10台侧推电动机组成。

“ 勇士-D” 无人深潜系统安装的俄电子公司研制的耐水深度12000米的KT-1200水下彩色摄像机

2018年1~2月,“勇士-D”系統完成了组装,2019年春,在喀琅施塔得地区完成工厂试验。随后,该系统无人自主潜航器在黑海进行下潜试验。由于马里亚纳海沟区域的气象条件险恶,2019年夏天和秋天,“勇士-D”系统抵达距离马里亚纳海沟海域不远的日本海海域进行下潜前的准备。2020年4月,“福季·克雷洛夫”号救援拖船搭载“勇士-D”系统从符拉迪沃斯托克军港出发,历时29昼夜航行5200多海里,抵达太平洋马里亚纳海沟海域。

在此期间,太平洋舰队司令部发挥了巨大作用。从符拉迪沃斯托克到马里亚纳海沟,是一个极为复杂的航线。如果没有“福季·克雷洛夫”号救援拖船,下潜试验将无从谈起。为完成此次下潜任务,根据“勇士-D”系统的设计需求,专门对“福季·克雷洛夫”号进行了技术改装。“福季·克雷洛夫”号是世界上最大的海洋拖船,排水量7000吨,长99米,宽19.5米,航速19.5节,船员50人,搭载直升机1架。由于可以在海浪8级和以4节航速拖曳排水量达25万吨的船舶,“福季·克雷洛夫”号救援拖船被列入吉尼斯世界大全。

由于无人潜航器是第一次在马里亚纳海沟海域进行下潜试验,试验前该海域的水声波分布参数来自文献资料,所以首先释放了海底站,但这未必能够保证无人潜航器安全下潜。为确保万无一失,潜航器与母船“福季·克雷洛夫”号救援拖船建立了通信联系。

“红宝石”设计局为俄海军研制的“大键琴-2R-PM”无人潜航系统

“勇士-D”系统共完成了两次下潜:第一次是5月8~9日,第二次是5月10~13日。5月8日莫斯科时间22点34分,“勇士-D”系统无人潜航器下潜到马里亚纳海沟海底10028米,5月9日莫斯科时间6点2分浮出水面。

首先,无人潜航器下潜到海底需要大约10个小时。在距离马里亚纳海沟底部3米时,无人潜航器停止下潜,开始航行。它先以2米/秒的速度向前航行了1.5个小时,然后转弯上升到30米处,开始折返。这大约花费了约3个小时。期间,无人潜航器在海底安插了纪念卫国战争胜利75周年的红旗,还绘制了海底地图、制做照片和视频,研究了海洋环境的参数。随后,潜航器用了大约4~5个小时的时间浮出了水面。按照预定计划,潜航器应在距母船较近的海域浮出水面,但它实际浮出水面时距母船远达9千米,这说明马里亚纳海沟的洋流条件非常复杂。为了确保下潜深度的科学性和真实性,俄科学院科研人员在对“勇士-D”号无人深潜系统主要设备和辅助设备获取的数据进行严密检查后,又将其与国外报道的数据进行了对比。随后,科研人员再次对数据进行验证。

日本Kaiko无人深潜系统

2020年5月8日,“勇士-D”无人深潜系统在马里亚纳海沟准备下潜

在“勇士-D”系统实施此次下潜探险之前,前瞻研究基金会专家曾对马里亚纳海沟极限深度做过预测:深度为10994米,正负误差为40米。此外,还预先测量出了马里亚纳海沟长1500千米,宽5千米。那么为何会出现正负40米的误差呢?杰尼索夫解释说,马里亚纳海沟深度是通过声速测量出来的,其误差很大,这主要取决于水物理参数。目前,尚不清楚“勇士-D”下潜10028米是否到达了最深的深度。但此次下潜的结果可以证明,1957年苏联“勇士”号科研船测量马里亚纳海沟深度11022米的数据是错误的。同时,这次下潜试验告诉人们,现阶段对马里亚纳海沟了如指掌是绝对不可能的。马里亚纳海沟是一个相当活跃的地质构造,它在不断发生变化。

1995年3月24日,日本Kaiko无人深潜系统下潜到了马里亚纳海沟的11911米深处。2009年5月,美国“海神”号无人深潜系统下潜到了马里亚纳海沟的10902米深处。此外,1960年,皮卡德的儿子雅科斯和美国海军上尉唐沃尔什驾驶“迪里亚斯特”号深潜系统,下潜到了马里亚纳海沟的10919米的深处。2012年3月26日,加拿大导演詹姆斯·卡梅隆独自驾驶“深海挑战者”号深潜系统,下潜到了马里亚纳海沟的10898米深处。

与日本Kaiko和美国“海神”号无人深潜系统不同的是,“勇士-D”系统完全未借助光纤电缆实现了自主下潜,而Kaiko和“海神”号,则是借助“绳子”即光纤电缆完成下潜。“勇士-D”系统下潜后,可24小时自主遂行水下科学考察任务。该系统的蓄电池充电主要依靠母船来提供。总之,俄罗斯科学家创造了深潜系统自主下潜的历史性突破。“勇士-D”系统的试验再次证明,该系统可以在世界海洋任何深海底部工作。

2020年6月7日,俄国防部红星电视台《军事验收》节目主持人阿列克谢·叶戈罗夫,专程前往“红宝石”设计局“勇士-D”制造车间采访了总设计师帕维尔·科洛奇科夫。科洛奇科夫向叶戈罗夫透露了“勇士-D”系统创新成果的某些细节。例如,目前一般的潜航器大都依靠鳍板稳定器进行转弯,而“勇士-D”则依靠改变螺旋桨转速进行转弯。这种推进-操舵设计结构,可以确保“勇士-D”系统的水下安全。此外采用余度设计,即在每个垂直和水平的表面都有两台螺旋桨,即使某一个螺旋桨出现故障,也可以保证“勇士-D”以较低的速度安全行进。

前景展望

2020年5月23日,俄太平洋舰队负责武器装备发展的副司令伊戈里·科罗廖夫海军少将,在符拉迪沃斯托克军港为“福季·克雷洛夫”号救援拖船和“勇士-D”系统举行的欢迎仪式上指出,“勇士-D”的下潜成功,不仅是为纪念苏联卫国战争胜利75周年送上的一份最厚重的礼物,也是俄征服海洋的重大历史事件。“勇士-D”系统将成为俄海军发展深潜系统的重要平台。下潜深度超过10000米的深潜系统,将可以确保俄海军在世界海洋任何海底遂行作战任务。“勇士-D”系统设计方案,可以确保俄海军研制更加完善的自主深潜系统。他殷切希望“勇士-D”系统能够在太平洋舰队列装。目前,太平洋舰队已建立潜航系统基地并装备了自主深潜系统。同时,舰队积累了使用自主深潜系统的丰富经验。

2020年4月,俄海军太平洋舰队SB-135“福季·克雷洛夫”号救援拖船,搭载“勇士-D”无人深潜系统驶往太平洋马里亚纳海沟进行下潜试验,途中遇美国军舰跟踪

2020年6月10日,“红宝石”设计局总经理伊格里·维尔尼特,在接受塔斯社记者采访时指出,“勇士-D”系统下潜试验成功已经引起俄政府和国防部的高度重视。俄政府负责军工生产的副经理尤里·鲍里索夫给予“勇士-D”系统高度评价,他认为这是俄军工科技近年来取得的最优异成果之一,它将极大提升俄军工科技在世界造船业的地位。在不久的将来,“勇士-D”系统将与潜艇、水面舰艇和保障船等各种各样的载体实现深度的融合。使用以自主和遥控技术为基础研制而成的“勇士-D”系统,不仅将确保人类完全脱离高风险地区,而且可以对有效完成任务提供更充分和更全面的信息保障。在开发和研制水下机器人技术装备方面,“红宝石”设计局有着雄厚的科技潜力和丰富的实践经验,能够在“勇士-D”系统基础上,为国内外潜在客户制造各种新型无人深潜系统。

“勇士-D”系统无人潜航器采用余度技术,即在每个垂直和水平的表面都有两台螺旋桨

维尔尼特接着指出,从长远来看,“红宝石”设计局专家计划建立一个由无人潜航器、滑翔机、水下照明设备、无人机、通信设备和其它遂行科研任务的保障设备组成的全球网络系统。未来水下机器人技术发展的主要方向是优化无人潜航器的自主性,增加水下续航力和提高水下定位精確度,完善网络化控制能力,将各种技术装备和通信装备融为一体。发展各种新技术,确保未来建立由导航、通信和控制系统组成的网络,为各种机器人系统在海洋、深海和空中遂行任务提供保障。总之,这将有助于建立能够控制无人潜航器、水面舰艇和空中飞行器的一体化指挥中心,以便向俄国防部和俄科学院,以及俄罗斯其它强力部门实时提供全方位的导航服务和技术信息支持。

据2020年6月18日俄海军网站透露,目前,前瞻研究基金会正与俄国防部就将“勇士-D”系统交付俄海军使用进行谈判。如果谈判顺利,俄海军将成为世界上首个装备无人深潜系统的国家。“勇士-D”系统的列装,不仅将提升俄海军深海搜救能力,而且为实现普京的海洋强国梦增加了一份有分量的筹码。