大排量無人潛航器發展及關鍵技術

周念福，邢 福，渠繼東

(中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫，214082)

0 引 言

隨著智能化技術的發展，無人系統將在未來戰爭中發揮巨大作用。無人潛航器具有隱蔽性好、性價比高，且損毀不會導致人員傷亡等優勢。隨著水下動力能源密度不斷提升、水下網絡功能不斷完善，無人潛航器有望成為危險海域內的一線作戰力量，改變現有水下作戰模式。

目前無人潛航器的分級并不統一，被普遍接受的是美國在無人潛航器主計劃中的分級方法。按照該分級方式，無人潛航器直徑分4 個等級：便攜式UUV 直徑約7.6～23 cm，排水量10～45 kg，續航力10～20 h；輕型級UUV 直徑約32.3 cm，可利用輕型魚雷發射裝置布放回收；重型UUV 直徑約53.3 cm，排水量約1.36 t，利用無人發射管發射；巨型UUV 排水量10 t 以上，可連續工作7 d，連續航行100 n mile[1]。目前研究的無人潛航器直徑大多533 mm 以下，其中長航時潛航器犧牲了航速和負載能力，而多任務潛航器一般僅有數十小時續航能力，在航速、航程以及負載能力上無法做到均衡，這使得無人潛航器僅能執行輔助作戰任務，無法作為主要作戰裝備執行更復雜的任務。大排量無人潛航器，通過加大體積，容納更多的動力能源及任務負載，在確保航速的同時，顯著提高續航能力，促進無人潛航器向執行復雜作戰任務轉化。本文梳理大排量無人潛航器的用途使命，對美、俄大排量潛航器進行介紹，最終闡述了大排量無人潛航器發展關鍵技術內涵。

1 大排量無人潛航器的優勢

在未來海戰中，大排量無人潛航器將是奪取水下作戰優勢的力量倍增器，通過攜帶多種傳感器和有效載荷模塊，執行警戒、偵察、監視、跟蹤、探雷、滅雷、中繼通信甚至攻擊等多種作戰任務[2]，可獨立作戰，也可以作為水下網絡中心戰的節點。大排量無人潛航器由于其具有較強的續航能力、有效載荷搭載能力、自主能力，在未來海戰中具有以下優勢：

1）由于大排量潛航器具有較強的續航能力，可通過艦艇在離目標較遠的安全距離進行布放甚至在海岸直接布放，遠程奔襲至目標港口或目標區域執行任務，從而避免潛艇或水面艦艇進入近岸淺水區域或過于抵近敵方反潛兵力強大的區域，大大降低了攜帶UUV 前往戰區的潛艇等支援艦艇的任務難度和危險系數。

2）在潛艇戰方面，大排量無人潛航器一般具有較大的有效負載搭載能力，自主性高、導航能力強，可攜帶大型探測設備以及水雷、魚雷等武器單獨開展潛艇戰，跟蹤和攻擊敵方潛艇。還可充當潛艇模擬器，對敵方潛艇進行誘騙或干擾。另一方面，由于減小了潛艇對魚雷、水雷等水中兵器的需求，潛艇可更多擔負指揮控制任務或攜帶其他遠程打擊武器如潛深導彈等，增強潛艇的遠程火力支援能力。

3）在反潛方面，大排量無人潛航器自主化程度高，可探測、定位、識別水下目標，具有較強的協同打擊能力，可執行警戒任務；同時大排量無人潛航器使攻勢布雷更加可控、秘密，可再開啟或關閉雷區，或者改變雷區大小，在反潛戰中發揮更大作用。美國海軍在研的“先進水下武器系統”（AUWS）即利用大排量無人潛航器攜帶魚雷和水聲探測裝備，在目標海域形成半徑約5 km 的偵察打擊圈，1 套“先進水下武器系統”的封鎖效果相當于400 枚傳統水雷的封鎖效果。

4）在輔助、支援艦艇執行任務方面，大排量無人潛航器偵察、探測能力更強，可攜帶拖曳聲吶、特殊探測裝置繪制水雷分布圖并進行掃雷；繪制敵方水域海圖，布設應答器；對敵方海底目標進行破壞；尋找和回收我方或敵方沉入海底的物件以及執行其他情報偵察等任務。

5）大排量無人潛航器的用途更加多樣化，不僅可攜帶探測和攻擊模塊，還可將有效載荷艙與蛙人輸送艙有效結合，充當蛙人輸送艇，實施特種作戰；或作為水下預置式武器的搭載布放平臺；攜帶小型UUV、傳感器、通信浮標、潛射無人機等有效載荷，作為水下無人系統的水下母艇。

2 國外大排量無人潛航器

2.1 美國大排量潛航器發展

美國一直致力突破水下平臺傳統對抗模式，注重在水下信息化、無人化、新概念裝備及新型作戰模式的創新研發，推動水下戰爭模式的根本性轉變，以取得非對稱優勢。21 世紀以來，美國一直試圖打造無人水下艦隊，發展了多型無人潛航器，并逐漸將研究中心轉移至大排量無人潛航器。

2.1.1 “回聲測距儀”大排量無人潛航器

波音公司一直致力于大排量無人潛航器的研發，先后研制了“回聲追尋者”（見圖1）和“回聲測距儀”（見圖2）兩型大排量無人潛航器，并開展了湖試、海試等系列實驗。“回聲測距儀”（Echo Voyager）大排量無人潛航器在“回聲”系列潛航器中最大，總長15.5 m，寬2.6 m，高2.6 m。空氣中重量約50 t，潛深3 000 m。最高航速8 kn，巡航速度2.5～3 kn；續航速度下續航力150 n mile。潛航器看部可根據任務工況插入約56 m3有效載荷模塊，插入載荷模塊后長度可達25.9 m，可攜帶8 t 有效載荷[3]。

圖1 “回聲追尋者”無人潛航器Fig.1 Echo Seeker unmanned underwater vehicle

圖2 “回聲測距儀”無人潛航器Fig.2 Echo Voyager unmanned underwater vehicle

2.1.2 “曼塔”大排量無人潛航器

“曼塔”（MANTA）大排量無人潛航器由美國海軍水下戰中心于1996 年提出，該潛航器采用扁平形式（見圖3），可與艦艇聯合執行任務，也可脫離母艇單獨執行任務。無人潛航器長10.44 m，寬2.44 m，高0.9 m，鰭跨距4.72 m。最高航速10 kn，巡航速度5 kn；潛深243 m，重量約14.06 t，采用鉛酸蓄電池、泵噴推進。由潛艇搭載時，可與潛艇的首部共形布置，采用舷外布放回收[4]。

圖3 美國“曼塔”無人潛航器Fig.3 MANTA unmanned underwater vehicle

“曼塔”無人潛航器作為美海軍相關技術論證的試驗平臺，裝備先進的探測聲吶，具有高精度導航和水聲通信能力，可獲得海底地形和深度信息，或探測水雷，向母艇提供大量水下作戰空間的詳細信息，發揮戰場前置傳感器的作用。未來可攜帶小型潛航器或武器，成為多用途平臺。

2.1.3 LDUUV-INP 大排量無人潛航器

美國海軍研究局從2015 年開始研制大排量無人潛航器創新型原理樣機（LDUUV-INP）（見圖4），并陸續開展了續航力、自主性（包括自主導航、控制和通信）以及聲吶等有效載荷的試驗。該無人潛航器直徑約1.5 m，長13.5 m，重量約10 t，最高航速10 kn，采用燃料電池動力系統，提高續航能力。可根據任務需求搭載不同傳感器和任務模塊，具備掃雷、跟蹤、情報偵察等能力，可由大型核潛艇或水面艦艇搭載。

圖4 LDUUV-INP 無人潛航器Fig.4 LDUUV-INP unmanned underwater vehicle

2.1.4 “普羅特斯”雙模式無人潛航器

“普羅特斯”（Proteus）雙模式無人潛航器既可作為常規帶有駕駛員和導航功能的蛙人輸送艇（SEAL delivery vehicle，SDV），也可作為水下大排量無人潛航器，具有較強的靈活性。該潛航器具有較大的有效載荷艙，可作為水下運載平臺輸送有效載荷，包括艇員、聲學傳感器、武器或其他載荷至指定區域或高危險區域。

該無人潛航器如圖5 所示，具有回轉橢圓首部、細長型的尾部、X 型操縱面及4 個推進器輔助操縱。采用濕式結構，在首尾分別設置載人艙，兩舷設置艙門。中部設有載荷艙，氣瓶和壓載水艙沿艇體環向布置，底部設有啟閉門，兩舷設置載荷模塊搭載掛架，可搭載2×900 kg 載荷（如水雷或掃雷裝置、快速攻擊型武器或通用輕型魚雷、導彈等武器）或4 個小型有效載荷模塊。

圖5 “普羅特斯”無人潛航器Fig.5 Proteus unmanned underwater vehicle

雙模式“普羅特斯”潛航器外形尺寸為7.82 m×1.61 m×1.62 m，外殼采用玻璃纖維材料，整艇干重3.73 t。最大潛深50 m（蛙人輸送艇模式）/70 m（無人潛航器模式），最大航速9 kn，續航力900 n mile。作為蛙人輸送艇時，可搭載6 名艇員（2 名駕駛員）。電池配置為148 kWh，兩舷有效載荷艙搭載鋰電池時可達296 kWh[5]。

2.1.5 “虎鯨”超大型無人潛航器

美國一直持續推進超大型無人潛航器的研發，期望超大型無人潛航器最終能夠攜帶巡航導彈、魚雷、水雷和小型UUV 執行遠距離任務。圖6 為美國“虎鯨”（Orca）超大型無人潛航器概念圖像。可以看出，“虎鯨”在首尾設置縱傾調節水艙，首部布置有前視聲吶、長基線換能器、測深儀等設備，中部設置有大型的多任務有效載荷艙可布置無人潛航器、魚雷等有效載荷，尾部布置有柴油機發電機組、蓄電池艙等動力與能源系統，并帶有折倒式通氣管和通信桅桿、X 操縱面和泵噴推進器。

2017 年10 月，美海軍已分別與波音公司、洛克希德·馬丁公司簽署“虎鯨”超大型水下無人潛航器的設計階段合同，并于2019 年2 月13 號與波音公司簽訂了4 艘“虎鯨”超大型無人潛航器的研制合同[6]。

圖6 “虎鯨”超大型無人潛航器概念方案Fig.6 The conceptual design of orca large displacement unmanned underwater vehicle

圖7 為美國海軍未來超大型無人潛航器作戰應用設想的概念圖。可以看出，超大型無人潛航器可利用中部設置的大型多任務有效載荷艙搭載大型無人潛航器、MK48 型魚雷及戰斧對陸攻擊導彈，執行有效載荷的布放、攻擊和水下無人系統母艇等任務。若該設想得到實現，將徹底改變水下作戰模式。

圖7 美國超大型無人潛航器未來應用設想概念圖Fig.7 The future application plan of american large displacement unmanned underwater vehicle

2.2 俄羅斯大排量潛航器

2.2.1 “大鍵琴”-2P-PM 無人潛航器

“大鍵琴”-2（Harpsichord-2P-2M）無人潛航器是目前俄羅斯最大、最先進的AUV，可由水面艦船或潛艇搭載，具備較強的情報偵察能力，既可以從事巡航任務，可也用于大深度科學考察，如圖8 所示。該潛航器長6.5 m，直徑1 m，空氣中重量約3.7 t，續航力約27 n mile；工作深度6 000 n mile（有報道稱工作深度約2000 m）[7]。在2018 年3 月1 號，俄羅斯國防部公布了一張“大鍵琴”-2P-PM 從潛艇上布放的照片[8]。“大鍵琴”-2P-PM 無人潛航器布置于潛艇上層建筑原布置拖曳通信浮標的濕式搭載艙內，可利用搭載的側掃聲吶等有效負載，對海底地形進行偵查或對殘骸或海底偵聽裝置進行探測。

圖8 俄羅斯“大鍵琴”-2 無人潛航器Fig.8 Harpsichord-2P-2M unmanned underwater vehicle

2.2.2 “替代者”無人潛航器

俄羅斯媒體稱紅寶石設計局正在設計一型可模擬有人潛艇的“替代者”（Surrogates）長航程無人潛航器，如圖9 所示。根據有效載荷的配置，該無人潛航器可模擬核潛艇或常規潛艇的聲學和電磁特征，從而模擬敵方潛艇用于海軍訓練或轉移對方注意力，或執行情報搜集、偵察和海底地形測繪等任務。潛航器長17 m，約40 t，可以5 kn 航速航行600 n mile，最大航速達24 kn，最大潛深600 m。因其體型較大，可攜帶拖曳式聲吶陣列天線。另外，“替代者”無人潛航器可用于開發和測試新的聲吶系統、探測設備及魚雷、潛艇等武器裝備，以有效降低潛艇研制成本和風險。

2.2.3 “頭足動物”攻擊型無人潛航器

圖9 俄羅斯“替代者”無人潛航器Fig.9 Surrogates unmanned underwater vehicle

隨著“波塞冬”核動力自主魚雷得到全世界的關注，俄羅斯另一型超大型攻擊型無人潛航器“頭足動物”（Cephalopod）項目也出現在人們的視線中。該無人潛航器更像一艘小型無人潛艇，裝備大型聲吶和魚雷發射裝置，使其可單獨承擔反潛任務。“頭足動物”無人潛航器概念圖如圖10 所示。該型無人潛航器配置大型的首部聲吶、魚雷發射管和艇用螺旋槳，尾部上方向舵偏前。“波塞冬”核動力魚雷以及“頭足動物”攻擊型無人潛航器研制概念公布，證明俄羅斯也正積極推進大排量無人潛航器裝備打擊武器、獨立承擔作戰任務。

圖10 俄羅斯“頭足動物”攻擊型大排量無人潛航器Fig.10 Cephalopod unmanned underwater vehicle

3 關鍵技術

雖然大排量無人潛航器具有顛覆水下作戰模式的巨大影響，但仍處于原理樣機或概念方案設計階段。為進一步推動大排量無人潛航器的發展，需要在動力、導航、通信、自主控制及有效負載等方面取得突破。

3.1 動力技術

大排量無人潛航器的性能和作用在很大程度上取決于續航能力，因此動力與能源是大排量無人潛航器發展面臨的瓶頸問題。目前，無人潛航器使用的能源包括鉛酸電池、鎳鉻電池、銀鋅電池、鋰電池及燃料電池等，難以滿足大排量無人潛航器續航力的要求。2004 年，美國發布《掌控無人潛航器計劃》，提出為適應長期情報監視與偵察或作戰需求，需研發長續航力、高可靠性動力系統，將現有無人潛航器水下續航力從10～40 h 提高至幾天甚至幾周。美國海軍2011 年發布兩項無人潛航器燃料電池招標項目，分別為大排量無人潛航器創新海軍樣機項目和長航時無人潛航器未來海軍能力項目，旨在將大排量無人潛航器續航力增加至70 天。2 個項目重點關注了固態氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池。美國海軍要求，中遠期無人潛航器動力系統功率密度需達到500 Wh/L 和500 Wh/kg，符合安全性標準，在儲存、運行和維修時不會發生危險。

3.2 長航時導航技術

大排量無人潛航器水下潛伏時間長，對定位精度有較高的要求，目前一般采用慣導/多普勒測速儀/GPS組合導航系統[9]。慣性導航系統，累計誤差較大，不能完全滿足無人潛航器的導航要求，而使用有源導航系統如GPS 進行精確定位修正，需要無人潛航器浮至水面，會降低大排量無人潛航器的任務隱蔽性。長航程無人潛航器導航系統要實現精確定位，利用GPS 進行導航修正是十分必要的手段，還沒有更有效的方法來替代全球定位系統。目前美海軍水下戰中心開始發展非傳統性導航技術（NTN），包括利用海底地形匹配、地形跟蹤及引力導航，從而形成無人潛航器真正的水下精確定位導航系統。不斷追求導航系統的自主化、高精度、無源、小型化、低功率將是大排量無人潛航器導航的發展方向。

3.3 通信技術

通信和組網技術是大排量潛水器具備實戰能力的關鍵，包含衛星通信技術、水聲通信技術、組網技術等[10]。利用先進的通信技術，將搜集的情報信息及時反饋給搭載母艇或岸基指揮所，或與其他無人裝備的組網通信，在深海實現全方位、立體化通信。

3.4 自主控制技術

自主控制技術主要包含航路規劃技術和自主攻擊技術。大排量無人潛航器必須能夠在苛刻的水下環境中探測和規避水下靜止和移動的各種障礙物，同時具備較高的智能化水平和目標識別能力，對目標信息進行快速處理、應用和決策，執行復雜的水下任務，并與環境發生交互作用，根據環境的變化如判斷目標意圖等，在一定的范圍內自身調整行動，完成指定的工作[11]。

3.5 有效載荷及其搭載技術

作為大排量無人潛航器完成其使命任務的直接手段和工具，先進的有效載荷將進一步提升大排量無人潛航器的性能。首先是先進的傳感器技術，大排量無人潛航器執行任務時需要使用各種傳感器，特別是在掃雷、情報收集與偵察等任務中，小型化、低功耗、高可靠的專用傳感器將大大提高目標探測能力與效率。大排量無人潛航器執行攻擊任務時，為提高其打擊和生存能力，需要發展適合于大排量無人潛航器的體積小、質量輕、免維護的舷外魚水雷搭載、發射裝置[12]。另外，無人機系統、預置武器等新型有效載荷可與大排量無人潛航器結合，形成水下無人系統，執行偵察、打擊、航路封鎖等任務。因此發展多樣化的新型有效載荷及其搭載布放技術，將改變未來水下戰場模式[13-14]。

4 結 語

大排量無人潛航器由于具備長續航力、較強的有效載荷搭載能力和自主性高等特點，在潛艇戰、反潛戰、輔助和支援艦艇作戰等方面相比小型無人潛航器更具優勢。美國、俄羅斯等國家已開展了大排量無人潛航器的原理樣機或概念方案的研究，雖然大排量無人潛航器還處于試驗應用階段，但隨著動力與能源、導航、通信、自主控制、有效載荷搭載技術等系列關鍵技術的突破，大排量無人潛航器在未來高科技、無人化體系的水下作戰中將發揮更大的作用。