美國海軍水下自航靶發展研究

周 卿，李 奔，孔德景

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

0 引 言

水下自航靶可模擬各類水下機動目標的聲特性、磁場特性、機動特性等物理特性，主要用于模擬潛艇、大型無人潛航器等水下目標的目標特性，為魚雷、水雷等提供攻擊對象，并可為測試潛艇、水面艦、反潛巡邏機、反潛無人機等裝備提供模擬目標。水下自航靶是海軍水下作戰訓練、水中兵器試驗鑒定的主要使用裝備，也是海軍水下作戰力量發展的重要資源。

水下自航靶主要由聲學系統、導航電池、控制系統、發動機、推進器和拖曳陣等組成。此外，水下自航靶還可拖曳磁異常模擬裝置，可加載電流，模擬水下目標的磁特性。水下自航靶操作方便、運行費用低，安全、易于獲取，費效比高。水下自航靶已成為各國反潛訓練及水下武器測試使用的主要靶標裝備。

美國海軍十分重視水下自航靶裝備和技術的研制工作。美國海軍設有水下武器項目辦公室（PMS-404），該辦公室負責水下武器裝備的研發、制造、升級等相關工作，其中包括水下靶標的研制、采辦等工作。美海軍目前主要使用的水下自航靶的研制、采辦均由該辦公室負責。

1 發展歷程

美國海軍是最早使用水下靶標模擬潛艇等目標進行反潛訓練及水中兵器測試的國家之一。從最早使用的退役潛艇到目前先進的水下自航靶，其發展共經歷幾個階段。

二戰時期，為測試水中兵器，美、俄、德等國都使用一些退役潛艇，進行改裝后作為靶標使用。二戰后，由于退役潛艇的成本高昂，美國開始研制專門用作靶標的潛艇，發展了SST-1“鯖魚”號（USS Mackerel）和SST-2“馬林魚”號（USS Marlin）特制潛艇用于反潛訓練及水中兵器測試。雖然，使用特制潛艇的訓練價值很高，但是訓練成本依舊高昂，而且一般不能進行實彈打靶。因此，美國開始發展專用水下靶標。

20 世紀60 代初，美國開始發展專用靶標，靜態聲靶和拖曳靶逐步代替了靶艇，提供低成本的反潛訓練方案。水下聲靶有靜態聲靶和拖曳聲靶，是隨著聲自導魚雷的使用而研制發展的。美國靜態聲靶的代表性產品有Mk17，拖曳聲靶的代表性的產品有Mk29。拖曳聲靶能夠模擬潛艇的尺寸，可用作反潛訓練的目標模擬器，但其無法良好模擬潛艇的機動性，且靈活性較差，逐步被水下自航靶取代。

70 年代至今，美國重點發展水下自航靶，其發展隨著UUV 技術的發展逐漸成熟。水下自航靶標既可模擬潛艇噪聲、回波反射等目標聲學特征，又可像潛艇那樣具有上升、下潛、回轉、變速等運動特性，模擬潛艇機動特性比較真實。通過靶標尾部的拖曳陣聲吶可以模擬潛艇尺寸，還可模擬潛艇的磁特性。美國目前主要使用的水下自航靶型號有Mk30 Mod2 等。此外，美國還采購了其他國家研制的先進水下自航靶型號。

2 水下自航靶裝備水平

美國海軍至今已發展了多型水下自航靶。為滿足訓練及試驗鑒定需求，不斷更新產品型號，并采購國外公司的先進型號。

1）Mk30 Mod2 水下自航靶

Mk30 Mod2 水下自航靶是美國雷聲公司于1996 年開展的ACAT IV-M 項目。雷聲公司于2008 年開始批量生產72 個Mk30 Mod2 水下自航靶和5 套外部控制設備和支持與測試設備，該系統被分別安裝在美海軍的5 個訓練場。

Mk 30 Mod 2 水下自航靶外形與UUV 魚雷相似，由6 部分組成：前端、電池、導航與控制、聲學、電機和尾翼。此外，為輔助訓練，拖曳陣/磁異常探測線會加裝在靶體上。

圖1 Mk30 Mod2 水下自航靶Fig.1 Mk30 Mod2 self-propelled target

表1 Mk 30 Mod 2 性能參數Tab.1 Performance parameters of Mk30 Mod2

Mk30 Mod2 反潛訓練靶標系統的設計具有較高的可操作性和可維護性。Mk30 Mod2 反潛訓練靶標系統提供給使用者一整套的支持和測試設備來全方位維護靶標。其設計時就對靶標的維修保障進行考慮，各主要模塊都易于拆解維修，利用支持與處理設備可對靶標進行維修保障的具體工作。一次使用后，Mk30 Mod2 水下自航靶的平均維修時間只需3 h。Mk30 Mod2 水下自航靶尺寸相對較大，搭載子系統模塊較多，但其設計合理，對可能的故障都有相應的處理。在較復雜的水下環境中，靶標系統的可靠性達90%（4 h內），滿足海軍訓練需求。

2）MK39 EMATT 水下自航靶

美國MK39 EMATT 系列水下自航靶是可拋棄式的靶標，由美國洛克希德·馬丁公司于90 年代研發，1994年具備了初始作戰能力，至今已經發展了5 代產品，包括Mod0，Mod1，Mod1A，Mod2 和 Mod2-TER 型。

圖2 Mk39 EMATT 系列水下自航靶Fig.2 Mk39 EMATT self-propelled target

Mod2 型是目前美海軍廣泛使用的水下自航靶，其改進型Mod2-TER 提升了對柴電動力潛艇的模擬能力。以Mod2 型水下自航靶為例，對其主要性能進行研究。

Mk39 EMATT 水下自航靶與美海軍服役的其他水下靶標相比成本較低。該靶標是可拋棄式的，在完成預定任務后，靶標會自行沉入水底。由于其價格低廉，且功能全面，除美海軍大量采購外，其他國家海軍每年也會采購約100 枚Mk39 EMATT 水下自航靶。Mk39 EMATT 水下自航靶的部署方便，且不用回收。該靶標可由各型水面艦、固定翼飛機及直升機由人工直接部署，不必使用特殊的發射裝置。

表2 Mk39 EMATT 系列Mod2 型性能參數Tab.2 Performance parameters of Mk39 EMATT Mod2

3）SPAT 水下自航靶

美國SPAT 可回收式水下自航靶是由美國洛克希德·馬丁公司于2005 年研制生產的。SPAT 水下自航靶旨在為美國海軍提供一個性價比較高，靈活性更好且可重復使用反潛訓練靶標。

SPAT 水下自航靶尺寸較小，占用空間小，2 名工作人員即可將靶標安裝在發射系統，從水面艦或直升機部署。回收時，SPAT 水下自航靶會按照預先的設定結束任務，或由控制系統給水下自航靶發射結束任務信號。結束任務后水下自航靶會自行上浮，該靶標為醒目的橙色，同時會亮起閃光燈，易于發現。靶標尾部還可釋放一個用于反射雷達信號的氣球，方便雷達搜索。SPAT 水下自航靶的維修成本較低，自身具備故障診斷系統，每次維修時間約50 h。該靶標較好的可維修性使其使用壽命至少達到20 年。

4）MASTT 大型水下自航靶

MASTT 移動反潛訓練靶標是由英國MSubs 公司進行設計建造的。MASTT 項目于2010 年啟動，2011 年10 月完成設計制造，并交由美國海軍水面戰中心卡德洛克分部（NSWCCD）聲學研究支隊（ARD）進行長達1 年的試驗。2012 年12 月11 日第一艘MATSS 交付海軍水下戰中心。

圖3 MASTT 大型水下自航靶Fig.3 MASTT self-propelled target

MASTT 是目前世界上最大的無人潛航器，采用雙殼體結構，并使用大量現有商用成熟技術，性價比較高。

MASTT 水下自航靶通常是根據任務設定進行自主控制，具有自扶正能力。在水面上時，該靶標還可進行遠程操控。通常的水下自航靶的外形都與魚雷外形相近，而MASTT 水下自航靶的外形則與潛艇基本相同，因此該靶標在模擬潛艇特征上具有很多優勢。該靶標體型較大，且靶體由鋼材料構成，因此該靶標本身的磁信號就與潛艇相近，而不必使用耗電量較大的高脈沖電流進行模擬。其次，該靶標本身的回波信號就可滿足聲吶測試需求而不必使用拖曳陣進行模擬。另外，其他水下自航靶對潛艇尺寸的模擬時，無法兼顧對指揮臺的模擬，而該水下自航靶本身就有模擬指揮臺的結構。總而言之，該靶標可被看作是“真”潛艇，而非用聲學信號、磁信號構造出的“假”潛艇，其模擬更逼真，訓練價值更高。

表3 SPAT 性能參數Tab.3 Performance parameters of SPAT

3 關鍵技術

水下自航靶的關鍵技術中，能源、導航、控制、通信、推進、發射回收等技術主要依托于無人潛航器的技術發展進行升級。而水下自航靶作為水下目標模擬器，其聲特征模擬技術、磁場模擬技術和機動性模擬技術也是其關鍵技術，決定了其使用效能。

1）聲特征模擬技術

作為聲自導魚雷和探潛聲吶的模擬目標，水下自航靶可模擬潛艇等水下目標聲學特征包括輻射噪聲特性、聲散射回波特性和回波亮點空間分布特性。

輻射噪聲主要通過水下自航靶自身攜帶的換能器模擬潛艇推進系統、內部的機械振動等輻射的一定頻率的噪聲。各型潛艇不同的輻射噪聲特征，形成了各自不同的聲紋特征。美國經過多年的技術積累，具備模擬本國及其他國家多型潛艇聲紋特征的能力。現階段，水下自航靶的輻射噪聲的頻段可覆蓋0.1～60 kHz，噪聲強度可達120～190 dB。

水下自航靶的回波特性是根據魚雷自導信號及主動聲納信號的振幅，返回相應強度的回波信號。先進的水下自航靶可編程控制回波信號。除了模擬信號的強度特征外，還需要考慮到目標的運動和自導信號在不同方位會產生回波信號的多普勒頻移和信號的展寬。自航靶的模擬回波頻段一般在2～60 kHz 左右，覆蓋大部分主動聲吶的主要工作頻段和魚雷聲自導頻段，目標強度通常設定在10～25 dB。

由于先進的聲自導魚雷具有空間尺度識別功能，因此水下自航靶既要對魚雷主動聲納信號進行應答，還要產生與潛艇尺寸類似的模擬信號。比較通用的尺寸模擬技術是聲學亮點技術，將潛艇目標的空間尺度等效為若干主要亮點回波的組合，通過專用處理軟件對這些亮點回波進行相干疊加處理，使用寬頻帶拖曳基陣來產生具有多亮點結構的空間模擬目標。Mk30 Mod2 的拖曳陣長度可達100 m，拖曳的換能器多達16 個，模擬目標長度225 m。

表4 MASTT 性能參數.Tab.4 Tab.3 Performance parameters of MASTT

2）磁場模擬技術

水下自航靶可通過拖曳磁異常裝置產生相當強度的磁場，其方式通常是在水下自航靶拖曳陣后增加一段拖曳線纜，在線纜上加載直流電流或脈沖直流電流，產生相當強度的感應磁場。多型水下自航靶都可拖曳磁異常模擬導線來模擬潛艇磁場特性，Mk30 Mod2 在拖曳聲吶陣后又拖有一根76 m 長的導線，用來模擬潛艇磁場特性，可在450 m 深度上模擬0.5 伽瑪的磁場強度。MASTT 體積較大，建造時使用相應的鐵磁材料即可實現對潛艇磁信號的初步模擬。為增加磁場強度，可在其不同位置纏繞電流線圈，將潛艇磁場等效為若干偶極子的磁場，逼真地模擬潛艇磁場分布。

3）機動性能模擬技術

水下自航靶具備的動力性能可對水下目標的機動特性進行模擬。通常按預先沒定的程序控制水下自航靶的航向、深度和速度，模擬潛艇巡航、高速航行以及對探測和跟蹤所做的規避動作。水下自航靶模擬潛艇的機動性時，采用多速制，有雙速制、三速制，也有的采用連續變速制。Mk30 Mod2 采用5～20 kn 連續變速制。SPAT 聲靶具有航向、速度和深度共18 種程序組合，每種彈道細節由用戶根據需求設定。

4 發展趨勢

1）水下自航靶裝備向模塊化發展

水下自航靶的空間利用可謂“寸土寸金”，通過模塊化設計，根據不同任務搭載“即插即用”的傳感器模塊是充分利用其空間的最優方式。如MK30 Mod2 水下自航靶各主要模塊都易于拆解維修，利用支持與處理設備可對靶標進行維修保障，并為后期技術升級提供了便利。目前先進的水下自航靶，如美國計劃采購的AUV62-AT，可通過更換不同負載模塊并配置相應任務包執行不同任務。模塊化設計的水下自航靶可通過更換負載模塊，提高任務多樣性及靈活性，同時有利于平臺規模的建設，建造效費比更高，維護成本更低，有利于新技術的移植。

2）水下自航靶技術水平將隨無人潛航器發展實現突破

無人潛航器作為美國海軍發展的重點，近年來各方面技術得到了很大提升。其大多數技術如能源、通信、導航、自主性等都可在水下自航靶上得到應用。根據美國無人潛航器的裝備發展目標，其續航時間更長，航速更高，數據傳輸更快，任務指令下達更便捷。這些技術的提升都可為美海軍提供能力更強的水下自航靶。此外，結合人工智能技術，可提升水下自航靶的自主決策能力，以模擬更復雜的目標特性。

3）水下自航靶的易用性不斷提升

水下自航靶的易用性極大地影響著海軍執行水下戰訓練和水中兵器試驗鑒定等任務的執行。水下自航靶的易用性提高可提升訓練及試驗鑒定效率，并可降低維修保障成本。易用性高的水下自航靶可使用少量人力實現快速任務準備、布放與回收。隨著水下無線充電技術的發展，水下自航靶將可實現快速無線充電，通過若干水下自航靶即可滿足對目標的連續模擬。其數據下載、任務重新編程、任務切換等將可通過水聲鏈路等方式遙控完成，操作更方便，反應速度更快。