國外軍民用無人潛航器研制進展

余放/ 航空工業武漢航空儀表有限責任公司，湖北省 武漢市 430000

作為海洋強國，無人潛航器在美國軍民用領域都是長期重點發展的工程裝備。今年8月，美國海軍的“刀魚”無人潛航器達到里程碑C，即將投入小批量生產；民用復合式水下機器人Mesobot開始進入第二階段開放水域試驗，“鬼怪”X8也即將投入應用。尤為值得關注的是，美國的無人潛航器智能化、復合式、軍民兼顧的技術路線已經基本成熟，這將使其能夠繼續保持其在該領域的技術領先優勢。

海洋所蘊藏的巨大財富，以及對于世界大國而言無可替代的戰略價值，決定了全球各國對于海洋探測的熱度只會增加，而不會減少。今年以來，以美國為代表的發達國家對于海洋的探測逐漸呈現出探測領域向深海推進，探測裝備向無人化、自主化發展等特點，而探測活動的目標也同時兼具了軍事和商業兩個方向。無人潛航器，作為近年來海洋探測的主要工程裝備，已經成為發達國家裝備發展戰略中不可少的一環。

軍用是不變的熱點

作為世界海上軍事力量最為強大的國家，美國也是最先將水下無人設備應用到軍事領域的國家，其技術水平和裝備數量都遠超其他國家。

今年8下旬，美國海軍海上系統司令部(NAVSEA)無人與小型作戰(PEO USC)項目執行官對外宣布，美國海軍“刀魚”(Knifefish)無人潛航器項目達到里程碑C，即可以進入小批量生產(LRIP)階段。同一天，美國海軍宣布授予“刀魚”項目主承包商通用動力任務系統公司一份價值4460萬美元的小批量生產合同，全部生產工作于2021年8月完成。

圖1 “刀魚”

“刀魚”是近美國海軍瀕海戰斗艦(LCS)反水雷任務包中的一個重要組成部分，包括2個無人潛航器及其支持系統和設備，可從瀕海戰斗艦、當時作業的船只或岸上部署，用于在高雜波環境下探測和識別掩埋雷、沉底雷和漂雷。“刀魚”采用了寬帶聲吶和自動目標識別軟件，其開放系統架構設計和模塊化結構便于升級或改進系統。

一直以來，反水雷作戰都是美國海軍的一項重要任務，近年來美國海軍開始將更多力量用于開發自主和無人系統執行反水雷任務。

“刀魚”無人潛航器最初由美國金槍魚機器人公司研制，2011年通用動力獲得美國海軍反水雷無人潛航器研制合同之后，便與金槍魚機器人公司展開合作。2013年，“刀魚”完成詳細設計并通過美國海軍的技術審查，隨后進入原型系統制造階段。

“刀魚”基于金槍魚機器人公司的“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，采用聲吶內置方式，由水面艦船攜載并投放，通過鋰電池供電，單次任務續航能力超過16h，執行任務時能夠發出低頻電磁波來掃描物體(例如魚雷)，然后把圖像發回母艦進行分析。

2017年3月，通用動力公司任務系統分部(金槍魚機器人公司于2016年并入該部門)完成“刀魚”系統的綜合測試與評估，隨后將其交于美國海軍，進行軍方應用測試。2018年6月，美國海軍在馬薩諸塞州沿海完成“刀魚”系統的驗收測試，其在高雜波環境中探測、分類并識別水雷的各型能力均達到設計要求。

據來自美國海軍的消息，在對小批量系統進行測試后，美國海軍預計將在2022財年做出大批量采購的決定，屆時預計將購買30具“刀魚”，24具分別裝備瀕海戰斗艦的反水雷任務包。

民用研究繼續發力

美國在加快無人潛航器的軍用部署的同時，其國內研究機構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，則可以快速實現軍用化。

美國國內著名海洋研究機構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)復合式水下機器人進行測試。這種水下機器人主要設計用于海面下200～1000m之間的水下研究活動。

這種新型復合式水下機器人名為Mesobot，由伍茲霍爾海洋研究所負責設計，蒙特利灣海洋研究所、斯坦福大學和德克薩斯州里奧格蘭德河谷(Rio Grande Valley)大學的研究人員也參與了設計。執行任務時，Mesobot在初始下潛階段由聯接在母船上的光纖系留纜繩來驅動和控制，就像遙控潛航器一樣；而當其下潛到制定深度時，系留纜繩就會斷開并就被收回到母船上，Mesobot轉向自主式無人潛航器一樣的全自主操作。

Mesobot組裝完成后，將會在蒙特利灣海洋研究所的室內鹽水試驗箱中進行機械設備的測試，在完成上述測試之后，該研究所將會根據其測試結果決定是否繼續進行測試。一旦確定，第二階段的測試將會在蒙特利灣海開放水域進行，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將會先后進行五次不同潛深的水下測試，在真實海洋條件下對其機載系統進行性能測試。在這個階段，還要從母船不同位置進行Mesobot的投放測試，這對于其纖細的光纖系留纜繩來說是個不小的考驗。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，該系統包括多個傳感器和攝像頭，可以實時監控器下潛時的狀態。

圖2 “鬼怪”X8

Mesobot未來的主要任是跟蹤和研究水下數百米到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象對全世界的海洋科學家來說都知之甚少，另外這些海洋生物還是鯊魚、鯨類等大型海洋動物的主要食物，通過對它們的研究可以了解海洋漁業資源的概況，以及海洋環境的變化情況。值得一提的是，水下200～1000m海域，也將是未來反潛戰必須關注的海域，對其探測具有極大的軍事價值。Mesobot的水下自主續航能力可以達到24h。與其他同類水下探測器相比，Mesobot采用了環境友好型設計，其配備了微光4K攝像機以及無法被絕大多數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的輕型工業級深海探測器。

“鬼怪”X8安裝有6個水平推進器和2個用于垂直機動的功率2.2kW的無刷推進器，其采用了改進設計的更加堅固的機身，水下探測深度最大可以達到1000m。“鬼怪”X8的應用領域主要包括：水下管道檢測和輔助鋪設、海上風電場的維護、海上及水下基礎設施的維修、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、最重的水下機器人，它可以在水下任何方向上實現自主控制，即使在復雜洋流環境下也具有非常高的可靠性。“鬼怪”X8在水下工作時能夠自主確定自身航向、潛深和水下位置，同時其出色的水下機動性能也使其能夠勝任諸多水下任務。執行水下任務時，“鬼怪”X8攜帶的前向(拍攝角度+/-90°)和后向(微光相機)水下相機均能提供1080P高清圖片和視頻，水下相機還可以同機身上安裝的3個LED燈配套使用，3個燈一起工作時亮度可以達到30000流明。3個LED燈亮度可以通過操縱平臺上的圖形用戶界面來調整。

技術創新力度加大

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，一種是采用海洋生物仿生設計的流線型機身，其外形與艦艇發射的魚雷外形相似，這種設計可以保證其在水下快速前進，但是受設計所限其更多地是執行海底探測而無法實施主動作業。另一種則是設計有機械臂的水下機器人，這類機器人可以使用機械臂更加主動地進行海底作業，但是其對抗極端海洋環境的能力相對差，且無法在水下長距離運動，只能到任務海域才能進行投放，因而部署使用常常受限。

圖3 Mesobot

圖4 “雷魚”300

不過，隨著該領域技術創新力度的加大，新型無人潛航器開始出現。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器人——由休斯頓機甲公司(Houston Mechatronics Inc.，簡稱HMI)研制的Aquanaut雙姿態無人潛航器。這種被媒體稱為“變形金剛”的水下機器人，也是目前世界上第一種能夠在工作環境中完成姿態變化的水下機器人。

HMI公司的Aquanaut水下機器人，從設計之初就考慮能夠將上述兩種水下機器人的優點結合起來，使其既能夠在水下長距離運動，從而便于部署，同時還能在任務區使用機械臂靈活作業。

Aquanaut共有兩種形態，且可以快速互相轉換。執行任務時，Aquanaut會以小艇形態投放入水，然后憑借出色的流體外形快速運動到任務海域；到達任務海域之后，小艇的機體外殼會根據外部指令慢慢升起，然后露出折疊再機身兩側的機械臂，機械臂展開的同時，其頭部會向上翻轉90°并上升到工作位置，露出隱藏在下面的攝影頭、聲吶系統以及3D視覺定位傳感器等；機體外殼升起后，機身的另外兩個小型矢量推進器開始工作，用于調整機體的姿態。上述所有動作完成之后，Aquanaut就從一艘小艇變身為一個水下機器人，其配備的兩個8自由度電動機械臂標配鉗爪形作業工具，也可以根據任務需要進行更換。

與其他通過線纜操縱的水下機器人相比，Aquanaut取消了線纜，所以其執行任務時可以更靈活地進行部署，并且具有高度的自主作業能力。比如在“變身”為機器人形態之后，機械臂可以根據操作人員所發出的口令精確做作業，比如操作人員發出“順時針旋轉閥門90°”的口令時，Aquanaut會根據環境情況調整機械臂的姿態、判斷并握住閥門，然后精確執行操作口令。Aquanaut采用鋰電池驅動，單次任務最大行程可以達到200km。

HMI創辦于2014年，包括CEO尼克·拉夫德在內的多位技術專家都曾在NASA工作過。HMI成立之后不久，獲得了來自外部的2300萬美元風險投資，用于水下機器人的研制。目前，Aquanaut正在約翰遜宇航中心的巨型水池中進行測試，HMI接下來將會對其設計進行不斷地優化，包括對其任務軟件進行改進升級，使其可以自動前往作業地點、自動返回基地，只在作業期間需要人工參與。

除此之外，尼克·拉夫接下來的計劃就是設計一種可以長期在海上部署的無人船，用作Aquanaut的中繼站，進行形成一個全球運作的網絡系統，這樣就可以實現遠程控制和遠程作業。

軍民兩用技術持續發展

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的實力，并且有專門的國家戰略給與大力支持。今年8月，加拿大國防部所屬的科學與技術組織(DRDC，對外也稱加拿大防務研究與發展部)正式接收了Kraken機器人系統公司交付的首套“雷魚”300(ThunderFish 300)型自主式無人潛航器。

Kraken機器人系統公司在2017年5月獲得了加拿大創新戰略基金(由加拿大政府主導創立，旨在通過支持加拿大國內的創新者，加速技術轉化，創造更多就業，形成集群創新效應等)授予的一份價值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。向加拿大政府交付首套系統之后，Kraken公司將正式開始“雷魚”300系統的市場銷售。

“雷魚”300是一種大量采用新技術的創新型水下潛航器，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域都具有很大的應用潛力。“雷魚”300的具體用途主要包括水下測量、環境監測、海洋考古、水下搜索以及反水雷作戰等。

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

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