無人水下航行器在反水雷中的應用探討

王 松

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

隨著無人技術的快速發展，軍事裝備的無人化成為可能，另外，隨著現代社會和軍事觀念的改變，又在客觀上提出了降低昂貴平臺的消耗和減少人員損傷的要求。因此，無人裝備成為各國軍事部門關注和研究的熱點。目前，無人指揮平臺、無人偵察機、無人戰斗機、無人水下航行器、無人地面車輛和智能武器相繼出現并大力發展，可以預見，軍事裝備無人化的新型作戰模式將逐漸成為未來戰場上的主要攻防手段[1]。

水雷作為一種極具威脅的水中兵器，在例次海戰中均發揮著重要作用，為降低水雷的威脅，各國海軍均在大力發展反水雷裝備。但反水雷作業時間長，風險高，過程復雜、枯燥，與反潛、反導一起被稱為海戰的3大難題，如何進一步提升現有反水雷裝備的作戰效能是世界各國海軍均在思考的問題[2-3]。

現有的反水雷手段主要以掃雷和獵雷為主，其通過有人艦船攜帶反水雷裝備進入雷區執行反水雷作業。由于艦船本身的聲磁物理場存在誘爆水雷的可能性，另外，掃雷裝備誘爆的水雷也可能會對艦船本身造成損傷，因此，使用有人反水雷艦船在雷區作戰時，對作戰官兵的心理威懾較大。

與傳統反水雷裝備相比，無人水下航行器進行反水雷作業時，其本身的聲磁物理場水平較低，且為無人化作業，安全性較好[4-6]。因此，將無人水下航行器與反水雷技術相結合，有人艦船在雷區外指揮控制無人水下航行器在雷區作業，是未來反水雷發展的主要方向。

1 無人水下航行器的發展現狀

無人水下航行器是一種無人駕駛、靠遙控或自主控制的水下航行器，其綜合了海洋環境技術、探測、計算、能量儲存與轉換、推進、新材料、新工藝等多個領域的高新技術。無人水下航行器包括遙控水下航行器和自主式水下航行器2大類。遙控水下航行器拖帶臍纜（電纜或光纜），與母船（或母艇）連接，在人的遙控下航行與工作。自主水下航行器是自主航行的，它沒有臍纜的羈絆，在海上作業更加靈活自主[7-8]。

1.1 遙控水下航行器

遙控水下航行器根據其在反水雷作業中的作用可以分為線導滅雷具、一次性滅雷具以及前置式獵雷系統。目前，線導滅雷具主要有：法國的PAP 104（如圖 1（a））、意大利的“冥王星”、美國的AN/SLQ-48（如圖 1（b））、日本的 S-7、瑞典的“雙鷹”、德國的“企鵝”B3型等。線導滅雷具一般都裝有高分辨率聲吶、攝像裝置、滅雷炸彈或爆破割刀。作戰時，反水雷平臺使用艦殼聲吶/拖曳聲吶對雷區中的水雷進行探測；探測到目標后，將信息傳遞到獵雷艦；獵雷艦獲取目標信息后，釋放線導滅雷具，對目標進行識別、確認；投擲雷彈對目標進行處置。

圖1 線導滅雷具Fig.1 Wire-guided mine disposal vehicle

一次性滅雷具是在線導滅雷具的基礎上發展起來的，其工作原理和滅雷方式與線導滅雷具相同，不同之處在于一次性滅雷具造價低廉、使用方便、滅雷速度快（無需回收）、攜帶量多。目前，一次性滅雷具中主要有：德國的“長尾鯊”、英國的“射水魚”、法國的“凱斯特”、挪威的“水雷狙擊手”等。由于處置目標時，一次性滅雷具會攜帶滅雷炸彈，無法進行回收，因此，其損耗率較高，被稱為富人的武器。

前置式探雷系統是變深獵雷聲吶與滅雷具相結合的產物，該系統在反水雷艦艇或普通艦船前面探雷，是將探雷、識別集一身的反水雷裝備。例如，瑞典的“雙鷹”MK-2與法國的TSM 2022 MK3獵雷聲吶組成的前置獵雷系統，通過 600 m或者1 000 m的臍纜與母艇相連，母艇通過臍纜供電，以5～10 kn的速度航行。這種前置探雷系統提高了反水雷作業的安全性，增加了探雷速度。

1.2 自主水下航行器

自主水下航行器通過配置體搜索聲吶、合成孔徑聲吶及多波速測深聲吶等設備，可以不受深度限制探測水雷。其中比較典型的獵雷無人水下自主航行器有：美國的“刀魚”航行器、瑞典的AUV62-MR型水下無人自主航行器。

1）小型自主水下航行器。

Swordfish AUV（圖2） 是美軍在REMUS 100 AUV的基礎上研制，直徑190 mm，長1 600～2 030 mm（根據加裝的傳感器而定），質量37 kg，最大工作水深100 m。系統內裝有可充電的鋰離子電池，續航力在3 kn時為20～22 h，5 kn時超過8 h。裝備有聲多普勒流速剖面儀、多普勒計程儀、側掃聲吶、CTD傳感器以及長基線導航系統等[9-10]。

圖2 美軍Swordfish AUV示意圖Fig.2 Schematic diagram of U.S. Swordfish AUV

“阿利斯特”100長1.7～2 m，直徑0.23 m，重 55～70 kg，工作水深 0～100 m，巡航速度 2～3 kn，最高航速5 kn，續航力15 h。可從專業艦艇或近海平臺操控，可由剛性充氣艇收放使用。傳感器有效載荷配置靈活，包括慣性導航系統、多普勒計程儀、高精度深度傳感器、GPS以及與定位系統的接口；有效載荷包括側掃聲吶、視頻攝像機、避障聲吶等。

2）大型自主水下航行器。

“刀魚”航行器（圖3）由通用動力先進信息系統公司以藍鰭金槍魚機器人公司的航行器為藍本制造，計劃成為頻海戰斗艦反水雷任務包的一部分。“刀魚”航行器長6.1 m，直徑533 mm，重量為1 360 kg，其搭載了寬帶低頻合成孔徑聲吶來尋找位于水中、海底上或掩埋中的水雷。無人水下航行器中帶有數據庫和處理器，使得“刀魚”航行器能夠識別其遭遇的任何類似水雷之類的目標。

圖3 刀魚航行器示意圖Fig.3 Schematic diagram of Knifefish vehicle

瑞典SAAB公司AUV62-MR型無人水下自主航行器（圖4）可自主操作和高速長時間地執行水雷偵察使命，并且具備更為先進的信息搜集能力。航行器不依賴專用艦艇，可從潛艇、水面艦艇或岸邊釋放。AUV62-MR航行器全長 4～7 m，直徑533 mm，質量600～1 500 kg，最大工作水深500 m，工作航速0～20 kn，定位精度小于5 m。

圖4 AUV62-MR水雷偵察自主潛航體Fig.4 AUV62-MR mine reconnaissance autonomous underwater vehicle

2 無人水下航行器反水雷的發展趨勢

由于水雷威脅的加大，各國目前比較重視利用無人水下航行器進行反水雷作戰，發展了多種型號，這些水下水下航行器呈現以下幾種特點。

1）多為自主式水下航行器。

由于自主式水下航行器不需要人工的連續控制就能獨立工作，也沒有纜繩長度和重量的限制。因而，在有人平臺控制范圍內，當硬件條件能夠保證的情況下，自主式水下航行器比遙控式水下航行器具有更大覆蓋范圍，因此，自主式水下航行器成為各國的發展重點。

2）反水雷水下航行器的工作深度出現了兩極化發展的趨勢。

隨著中遠海反水雷作業的需要，深水水下航行器大量出現，但同時也出現了能在甚淺水區和拍岸浪區工作的潛航器以及海灘作業的爬行器，還包括一些半潛式航行器等。

3）將成熟的商用潛航器進行改裝用于反水雷任務。

將技術成熟、工作可靠、價格便宜的潛航器改裝用于反水雷，是貫徹可承受性的具體措施之一。

4）大力加強軟件開發，加快獵雷速度。

多個國家正在研發“計算機輔助探測與計算機輔助識別”等軟件技術，處理潛航器收集的各種數據，從類似水雷的物體中識別出真正的水雷，以加快獵雷和清除水雷行動的速度。

3 對反水雷發展的影響

無人水下航行器的發展速度越來越快，成為21世紀高技術戰爭舞臺上的重要武器裝備，在反水雷戰場上，無人水下航行器也將成為是一支不可忽視的重要作戰力量，并使反水雷作戰方式、反水雷作戰概念等方面發生巨大的變化。

3.1 降低平臺全壽期費用及減少人員傷亡

無人水下航行器在設計時無需考慮人員戰斗和生活環境條件以及演練等因素，從而可以大幅度降低各種費用。同時，隨著大國海軍的作戰范圍從遠洋轉移到近岸淺水，其作戰環境發生了重大變化。這里海底地形復雜，潛艇在淺水中不易隱蔽，水雷對潛艇的威脅大大增加。無人水下航行器卻能在這樣困難和危險的近海水域中順利完成各種作戰任務，從而避免了有人作戰平臺的損失和人員傷亡。

3.2 無人水下航行器有效提高反水雷作戰效能

無人水下航行器在反水雷方面具有不可比擬的優勢，尤其是在困難和危險的近海水域。可由母艦（或潛艇）攜帶、投放，遠離母艦執行任務，確保母艦安全；可通過無線電或水聲實時與母艦進行數據交換，及時報告現場情況、接收指令；根據具體情況，可遙控或近距離進行水雷處理作業。無人水下航行器的使用，大大提高了海軍反水雷作戰的能力，使無人水下航行器成為對付“不對稱”水下威脅的有力武器。

3.3 實現雷區無人化

未來無人水下航行器可執行水雷偵察、雷區邊界確定、航道偵察等任務。水雷偵察主要用于對雷區內水雷的布設情況進行探察，水下無人航行器自主航行到預定海域附近秘密偵察，并將獲得的偵察數據進行編碼處理，回收后獲取偵察數據，以實現遠距離快速偵察。

雷區邊界確定主要用于獲得雷區范圍的大小，無人水下航行器深入到敵水雷區繪制整個雷區圖，并進一步搜集和查明敵人布雷數量、類型和布深，為編隊避開雷陣或進一步滅雷作好充分準備。

航道偵察主要用于尋找安全航道，當通過敵方布雷海域或遭敵水雷封鎖時，為了在短時間內快速安全通過，可以采用無人水下航行器深入敵水雷區查明航道，引導我方艦艇安全通過雷區。

4 無人水下航行器的關鍵技術

當前，制約、決定無人水下航行器反水雷系統發展的關鍵技術主要包括：能源與動力技術、自主控制技術、布放回收技術以及隱身技術等。

4.1 能源與動力技術

無人水下航行器的續航能力主要是由所使用的能源決定的，所裝備的獵雷設備和通信設備同樣需要消耗大量的能源，因此，能源與動力技術將在很大程度上決定著航行器的性能。目前具有較高發展潛力的能源包括：電池、燃料電池以及熱機系統的燃料等[11]。

各國正在開發的電池主要包括：鋰鈷電池、鋰離子電池和融鹽電池、鋰-亞硫酰氯電池、鉛酸電池、錳堿性電池以及其它的特殊電池，如高溫鈉-硫電池等。燃料電池主要有鋁氧半燃料電池、鋁-次氯酸鈉電池、鋁-過氧化氫電池等。

4.2 自主控制技術

無人水下航行器在執行任務過程中，需要根據外界環境情況的變化自主選擇最優的作業流程，以保證作戰任務的順利完成。自主控制技術主要包括任務規劃與管理、自主避障技術等。

1） 任務規劃與管理。

無人水下航行器反水雷系統在未知、復雜和危險的環境下執行任務時的任務管理與控制是一個復雜的實時問題，需要非常先進的任務管理與控制系統使其在水中自主執行各種任務，其關鍵是開發高性能的軟件。任務管理系統需要對反水雷系統所要執行的各種任務進行規劃、監控，并完成航行器的導航、數據處理與記錄以及故障管理等。

2） 自主避障技術。

避障是指在發生緊急情況時的緊急處理過程，如當無人水下航行器遇到突發障礙物而有碰撞危險時，應根據實際情況進行路徑規劃，采取躲避等措施。避碰問題實際上是一種最優化問題，其優化指標是消耗的時間和能量。

目前，美國、英國等國無人水下航行器的自主避障技術處于世界領先地位，現在的技術超越了基本的避障功能，綜合了各種分散的數據融合模塊，并且引入了態勢感知技術。自主避障技術主要通過系統的前視聲吶、內部處理器（母船上的處理器）以及軟件來實現，其核心是內部處理器。

4.3 協同控制技術

無人水下航行器受尺寸、重量、成本、作業時間等因素的限制，其單個平臺的能力較弱，往往聚集某一項或幾項能力，進而發展出探雷型、處置型、運輸型、通信型、導航型等不同類型的無人水下航行器，因此，無人水下航行器無法獨自完成上級給定的反水雷作業任務[12]。未來，能夠將多個無人水下航行器進行集群，協同控制不同類型的無人水下航行器，擴展單體航行器的感知范圍，提高工作效率，實現單體航行器無法或難以完成的復雜任務。

4.4 收放技術

無人水下航行器的布放與回收技術是航行器的關鍵技術之一。航行器的布放技術可以確保航行器安全入水去執行任務，而當航行器完成使命后，通常需要回收到母船（艇）上，以便補充能源、下載數據、維護保養和重新設置使命任務。航行器的布放與回收可分為水面布放回收與水下布放回收[13]。

目前，很多水面艦船布放航行器都利用機械吊臂將其布放到水中，例如美國海軍的“戰場準備”自主無人水下航行器。美國的“海馬”也進行過從水面艦船的傾斜滑軌布放的試驗。水面回收方式主要有利用機械掛鉤回收和利用滑道和回收器進行回收。

潛載航行器的布放與回收技術可以分為艇內發射回收技術和舷外發射回收技術。其中：艇內發射回收技術適用于仿魚雷外形的航行器，也是目前最為普遍的一類航行器。一方面是對其水下特征更好把握；另一方面是發射時可利用魚雷管或導彈管等較為成熟的發射技術，可大大降低潛射航行器的開發難度。但相對于發射而言，航行器的水下回收難度很大，沒有成熟經驗可尋。舷外發射回收是將航行器附著在潛艇的耐壓艇殼外部，該種方法可不用考慮發射管的限制，且不占用潛艇的空間；但該方法也存在一些問題，如在一定程度上改變了潛艇的流體性能以及水聲特征等。

4.5 隱身技術

為了減少無人水下航行器在反水雷作業時被敵方探測的概率，需要考慮系統的隱身技術，主要是采用一些隱身效果較好的材料，另外還采用特殊的形狀，同時要盡量降低無人反水雷系統的聲磁特性，來避免被敵探測。為了使無人水下航行器上的傳感器更高效地工作，需要對航行器進行降噪，目前主要的降噪方法有：設計低噪音的電動機和螺旋槳、外涂吸聲涂層和采用機械隔振裝置。

5 結束語

傳統反水雷裝備作業安全風險較高，國內外均重視反水雷安全性能的提升，將無人技術與傳統反水雷裝備結合，實現無人反水雷是未來反水雷的重要發展方向。水下無人航行器具備隱蔽性好、安全性高等特點，可有效提升反水雷作戰的安全性。因此，國外加快了水下無人航行器的發展，并按照沿海、近海、中遠海的反水雷需求，陸續發展沿海水下無人水下航行器、近海水下無人水下航行器和中遠海水下無人水下航行器等。為滿足未來我國反水雷需求，實現雷區無人化，我國應借鑒國外的思路，加快水下無人航行器的發展。