英國“鸚鵡螺”-100 新概念潛艇研究

韓小溪，盛 立，蘇 強，楊清軒

(1.海軍裝備部，北京 100036；2.海軍研究院，北京 100161；3.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

2017 年8 月，英國海軍公布了“鸚鵡螺”-100 挑戰賽獲勝方案，該方案為一系列未來概念潛艇及UUV，包括“鸚鵡螺”-100載人潛艇、“鰻魚”UUV、“飛魚”UUV 和可溶解微型UUV。英國海軍官方網站報道稱，“鸚鵡螺”-100 挑戰賽獲獎方案模擬了真實的海洋生物，并將顛覆未來50 年水下戰的作戰形式。

1 “鸚鵡螺”-100 新概念潛艇方案

1）“鸚鵡螺”-100 潛艇

“鸚鵡螺”-100 潛艇設計采用仿生技術，平臺形狀類似蝠鲼，由超強合金和丙烯酸樹脂3D 打印制成，可下潛至1 000 m，表面可以變形。“鸚鵡螺”-100 潛艇具有很高的智能化、自動化以及人機匹配水平，艇員將采用先進的腦機（brain-computer）技術控制潛艇系統，艇員編制為20 名，僅為傳統艇員編制的1/6；有效負載上，“鸚鵡螺”-100 潛艇可攜帶用于不同任務的傳感器、釋放UUV，并可與海底基站對接，補充魚雷、無人系統及傳感器負載。此外，據報道，“鸚鵡螺100”潛艇表面還敷設有納米級石墨烯鱗片以提升水下聲隱蔽性。

動力系統上，“鸚鵡螺”100 使用藻類生物質能與儲能電池相結合的藻-電混合動力系統，推進裝置的設計原理與“戴森”無葉風扇類似。“鸚鵡螺”-100 采用2 種推進方式，在航速不超過30 kn 的情況下，通過從艇首吸水并從船尾排水的方式推進潛艇，可隱蔽巡航（據英國海軍官網報道報道，巡航近乎無聲）數千英里；另一種用于在戰斗或應急情況下短期高速航行，航速可高達150 kn。

圖1 “鸚鵡螺”-100 潛艇概念設計Fig.1 Concept design of Nautilus 100 submarine

圖2 “鸚鵡螺”-100 與水下基地互動的概念圖Fig.2 Conceptual diagram of Nautilus-100 interacting with an underwater base

2）“鰻魚”UUV

“鰻魚”UUV 是由“鸚鵡螺”-100 潛艇的武器艙發射，采用正弦波推進法（類似鰻魚魚類水下游動方式）在接近靜默狀態行駛數百英里；“鰻魚”UUV 完全自主執行任務，通過投放傳感器負載以形成基于藍綠激光技術的水下通信網絡以及偵測水下區域，或投放大量可溶解微型UUV 執行偵察等任務；“鰻魚”UUV 隱蔽性強，面對傳統水下探測系統，“鰻魚”UUV 特征與普通海洋生物無異。

圖3 “戴森”無葉風扇Fig.3 Dyson leafless fan

圖4 “鰻魚”UUVFig.4 Eel UUV

3）“飛魚”UUV

“飛魚”UUV 可代替魚雷，提供具有適應性的武器系統以攻擊船舶、潛艇甚至陸地目標。該UUV 可攜帶各種模塊化載荷，比如沖擊波發射器、電磁脈沖武器、集束導彈、或單個彈頭。同時，該UUV 可在水面上方作業，由于海浪噪聲，它將很難被雷達系統發現。如果被發現，“飛魚”UUV 將潛入安全深度。

圖5 “飛魚”UUVFig.5 Flying fish UUV

4）可溶解微型UUV

可溶解微型UUV 由“鰻魚”UUV 發射，可以用來阻塞敵方艦船的進水口和出水口，使其無法工作，并且可執行偵察、跟蹤及承擔護航等任務。該UUV 由鹽水可溶解聚合物制成，可在保密需要時溶解。

圖6 可溶解微型UUVFig.6 Dissolvable micro UUV

2 前沿技術解析

“鸚鵡螺”-100 方案采用了水下仿生、腦機融合、藻類發電、特種功能材料等大量前沿科技技術。與傳統潛艇平臺相比，其平臺總體、潛艇控制、動力系統、作戰方式出現了概念創新突破或性能大幅提升。

1）水下仿生技術

傳統水下平臺推進器往往采用螺旋槳和葉輪等機械設備，存在水下機動反饋滯后、運行不靈活且對水下物理場環境擾動大等缺點，不利于在復雜、促狹的環境中應用。與機械水下平臺相比，海洋生物具有更高超的水中運動能力，其運動效率、機動性、穩定性等大幅優于當前的水下航行平臺，如鲹科魚類的推進效率超過90%，海豚可以實現450°/s 的高速轉向且其轉彎半徑僅為體長的11%～17%，鰩科魚類通過改變鰭面波從而完成在復雜水環境下的高超雜技動作。因此采用仿生技術，模擬水生生物優越的推進機理和生理結構是設計、研制高性能水下平臺的一大熱點方向。

其中“鸚鵡螺”-100 方案基于水下仿生技術，模擬蝠鲼（俗稱魔鬼魚）進行設計。蝠鲼是目前利用胸鰭擺動方式游動的最大海洋生物，其身體柔軟，游動方式與鳥類拍打翅膀飛行類似，在游動過程中身長和身寬兩方向均呈波浪狀，胸鰭上下不對稱擺動，快速游動時最高可躍出水面1.5 m，具有優越的水下機動能力。據美國西切斯特大學聯合佛吉尼亞大學對蝠鲼游動采用試驗監測與數值仿真結合的試驗結果，蝠鲼推進效率可達89%，顯著高于傳統螺旋槳的60%。

2）腦機融合技術

腦機融合概念最早于1973 年提出，該技術原理是通過腦機接口將人腦與計算機交互連接，使人腦部與外接設備之間建立交流通道，在該通道中外接設備通過提取特定的大腦活動的神經信號，并根據腦信號生成符合人的意圖的控制命令，對外部設備進行操控，實現人腦直接控制被控對象。

腦機接口系統可分為有創與無創兩類。目前有創的腦機接口系統主要通過向大腦植入電極陣列、提取神經活動的電信號而實現；無創腦機接口系統主要通過記錄、解碼腦電等無創腦成像技術所采集到的神經信號來實現，具有操作簡便、無創傷等優點，在醫療康復、智能監控、安全監測、軍事裝備、娛樂及商業活動領域具有十分廣闊的發展前景。

圖7 蝠鲼游動建模仿真Fig.7 Manta Ray swimming modeling and simulation

圖8 典型的腦機控制流程Fig.8 Typical brain-computer control process

目前武器控制方式主要通過人員操作鼠標、鍵盤、按鈕、控制桿或者語音控制實現對武器裝備操作。而“鸚鵡螺”-100 潛艇通過腦機融合技術，可以充分發揮人腦的智能，并利用自動控制技術將艇員從繁重的操作任務中解放出來，使人與機器高效結合，將大腦的思維直接變成看得見的任務結果，實現“隨心所動”的智能化操作，做到感知即決策，極大提升裝備的打擊效能和自動化、智能水平。

發展情況上，英國于2013 年研發出首款用于控制飛船模擬器的“腦機接口”裝置，操作員將其戴在頭上后便可通過人腦思維控制飛船模擬飛行；2019 年，美國卡內基梅隆大學研發出世界上首款無創腦控機器人手臂，機械手臂可解析操作者腦電神經信號進行作業。

圖9 操作者腦控機械手臂跟蹤屏幕上光標Fig.9 Operator brain-controlled robotic arm tracks cursor on screen

3）藻類發電技術

藻類發電的原理是基于藻類細胞的光合作用產生電流進行發電，同時也可以對藻類后期進行燃燒發電，通過立體光反應培養器生產藻類，隨后制成藻粉作為燃料經過燃燒進行發電，在此過程中藻類可回收循環利用二氧化碳。目前藻類發電是世界上僅次于風力發電的可再生能源發電技術。

由于藻類發電本質是基于藻類的光合作用，因此“鸚鵡螺”-100 潛艇動力系統理論上可實現水下充電、供能且能源可再生，此外電池產能過程中無噪音、紅外等明顯物理特征，具有較強隱蔽性。

圖10 藻類發電裝置Fig.10 Algae power plant

英國在藻類發電技術上具有較高的研發水平，其中劍橋大學在2014 年開始研發基于藻類和苔蘚光合作用產生能源的生物光電（BPV）裝置；2018 年，劍橋大學成功研發出藻類燃料電池，其功率密度為0.5W/m2（約為傳統太陽能燃料電池的1/10），下一步劍橋大學將進行藻類燃料電池小型化研究。

4）特種功能材料技術

特種功能材料是以物理性能為主的工程材料，一般指在電、磁、聲、光、熱等方面具有特殊性能，或者在其作用下表現出特殊功能（如變形、水溶等）的材料。特種功能材料是新材料技術領域的核心，涉及納米材料、高分子材料、復合材料等技術領域，對高新技術裝備的發展起著重要的推動和支撐作用。

其中“鸚鵡螺”-100 潛艇方案采用了超強合金和丙烯酸樹脂特種功能材料，該材料為高分子聚合物-金屬復合材料，經常用于水下仿生機器人制造。高分子聚合物-金屬復合材料結合了高分子聚合物和金屬材料的優點，一方面高分子聚合物質量較輕，對外部環境的影響適應性好，能承受一定程度的變形；另一方面金屬材料硬度大，耐壓性好，能使裝備更加適應水下環境。

“鸚鵡螺”-100 潛艇方案中的可溶解微型UUV 還采用有水溶性高分子材料，該材料主要為水溶性聚合物和樹脂等，具有較強的親水性能。在實際運用中，微型UUV 可在需要時發生溶解反應，以隱蔽執行任務。此外，美國亦提出類似作戰概念，2019 年美國國防部和美國化學學會提出“瞬間自毀”聚合物材料研究項目，該材料具有“低上限溫度”特性，當溫度超過一定閾值時，材料就會迅速分解。通過該特性，“瞬間自毀”材料可用于部署電子傳感器或秘密運送軍事裝備，在需要時可通過光敏催化劑等措施使材料迅速分解、“消失”，并不留痕跡。

3 后續發展

圖11 具有“瞬間自毀”功能的特種材料Fig.11 Special materials with instant self-destruction function

圖12 英國超大型UUV 概念圖Fig.12 Conceptual map of the British super-large UUV

目前英國為“鸚鵡螺”-100 潛艇項目提供了8 億英鎊的預算，以探索及實現該方案的前沿裝備設想。同時，英國也加大了無人系統研發力度。2019 年4 月，英國政府的國防與安全加速器（DASA）部門啟動了一項長期裝備競標項目，以研發大型水下航行器裝備。按照英國海軍要求，該超大型無人潛航器能夠承載不同的有效載荷和傳感器，將用于水下數據收集、情報、監視、目標、捕獲、偵察（ISTAR）等任務，其中超大型無人潛航器將儲備艙應達2 m3以上，有效載荷可達2 t 以上。此外，英國國防部還要求該超大型無人潛航器能自主運行，自持力不少于3個月，航程可達3 000 nmile，主要用于情報信息收集任務，并具有支持反潛戰的能力。