水聲對抗UUV 關鍵性能與作戰運用研究

張翔鳶,董小龍

(中國人民解放軍軍事科學院 戰爭研究院,北京,100091)

0 引言

在海戰中,魚雷、水雷和深水炸彈等水下武器給艦艇生存帶來巨大威脅。據統計,二戰中共有19 艘航空母艦和45 艘巡洋艦被魚雷擊沉,7 艘航空母艦、13 艘巡洋艦和360 艘潛艇被深水炸彈擊沉,12 艘航空母艦和23 艘巡洋艦被魚雷和炸彈聯合擊沉,2 700 余艘其他類型艦船被水雷摧毀或炸傷[1-3]。戰后,水下武器普遍采用了聲自導技術,可對艦艇進行自動搜索、跟蹤和攻擊,進一步提高了打擊精度和毀傷效能。為了降低聲自導武器對艦艇的威脅,美、英等國海軍采用了水聲對抗裝備。隨著聲自導武器和探測聲吶智能化水平和綜合性能的提高,水聲對抗裝備的對抗效能不斷被削弱[4-8],難以滿足未來海戰需求。綜合運用水下無人自主技術和水聲對抗技術發展水聲對抗無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV),對提升水聲對抗智能化水平,增強艦艇生存能力具有重要意義。

1 水聲對抗裝備發展現狀

根據內在機理不同,現有水聲對抗裝備主要包括氣幕彈、噪聲發生器和聲誘餌等。

氣幕彈通過在水中產生大量微小氣泡,形成氣幕,屏蔽來襲聲自導武器的主動尋的信號和己方艦艇的聲輻射信號,從而起到保護己方艦艇不被探測和攻擊的作用。氣幕彈尺寸較小,成本較低,隱身性能良好[9],但對抗效果不佳,甚至會起到引導聲自導武器的作用[10]。隨著聲自導武器智能化水平的提高,氣幕彈更加容易被識別,不再作為水聲對抗手段的重點發展對象。

噪聲發生器通過產生覆蓋來襲聲自導武器工作頻段的強噪聲,將己方艦艇的水聲輻射信號和來襲聲自導武器的主動尋的信號淹沒在強噪聲環境下,從而使來襲聲自導武器無法進行目標識別和攻擊。根據聲吶方程,只要強噪聲使水聲信號低于聲吶探測閾值,即可對聲自導武器實施有效壓制。但在現實運用中,噪聲發生器除了壓制來襲聲自導武器外,還可對己方艦艇聲吶系統產生嚴重干擾。此外,現有噪聲發生器不論基于寬帶噪聲壓制干擾技術還是基于掃頻壓制干擾技術,均不具備智能化對抗能力。

聲誘餌通過模擬己方艦艇水聲輻射和反射特性,使來襲聲自導武器誤判、誤跟和誤擊,從而達到欺騙目的。從世界范圍來看,以美國為代表的海軍強國較為重視發展聲誘餌,主要類型包括拖曳式(如AN-SLQ-25 系列)、懸浮式(如ADC MK-2/3/4)和自航式(如ADC MK5)。其中,ADC MK5聲誘餌既可發射強噪聲對來襲聲自導武器實施壓制,又可模擬艦艇水聲特性和運動特征對來襲聲自導武器實施誘騙,并通過多誘餌協同對抗提高水下防御效能[11-13]。法國CANTOS 聲誘餌為懸浮式,可在360°范圍內發射誘騙信號,使來襲聲自導武器信號處理系統飽和[14]。意大利C303 和C303/S聲誘餌分別為懸浮式和自航式,可實時模擬來襲聲自導武器尋的信號,此外,C303/S 聲誘餌還可模擬艦艇運動特征并實施多枚接力對抗[15-16]。以色列Scutter、Subscut 和Torbuster 聲誘餌均為懸浮式,其中Scutter 和Subscut 聲誘餌主要通過水聲誘騙對來襲聲自導武器實施軟殺傷,Torbuster 除了具備誘騙功能外,還集成了硬殺傷功能[17-18]。多種類型的聲誘餌組合使用,可使己方艦艇有效規避敵方聲自導武器攻擊[19-20]。采用科學的編隊協同算法、目標識別算法和遺傳算法,可有效提高聲誘餌的水聲對抗效能[21-23]。大口徑聲誘餌與小口徑聲誘餌協同使用,可有效延長對抗時間和距離,提高對抗成功率[24]。綜合運用強噪聲壓制和聲誘餌誘騙,可有效提高對聲吶檢測環節的干擾效率[25]。

然而,現有聲誘餌依然存在一些缺陷,難以滿足分布式海上作戰需求。拖曳式聲誘餌置于母艦艇后方,使母艦艇機動性能降低50%左右;無機動對抗能力,與聲自導武器來襲方向偏差較大時,對抗效果不佳;離母艦艇較近,有暴露母艦艇位置的風險。懸浮式聲誘餌壽命較短,消耗量大;發射方向雖可根據來襲聲自導武器方位靈活調整,但落水距離較近,且只能在深度方向實施有限機動。自航式聲誘餌雖然機動性能得到明顯改善,但與主流聲自導武器相比,航速和航程等關鍵性能指標均存在明顯不足,且在掩護大型目標和集群目標時有較大難度?，F有聲誘餌均由母艦艇釋放或發射,且在有限區域內實施對抗,難以形成跨域聚能非對稱優勢。

UUV 作為重要的水下新質力量,在全球范圍內受到廣泛重視,被美國等海軍強國視為海上力量倍增器。在UUV 基礎上集成水聲對抗技術,發展水聲對抗UUV,通過智能化賦能改進水聲對抗模式,通過集群戰術提高對抗效能,可在一定程度上削弱敵方水下進攻優勢,提高己方艦艇生存能力。

2 水聲對抗UUV 關鍵性能

參照美國海軍作戰概念,在未來海戰中,分布式作戰將成為主要作戰形式,無人智能裝備將成為重要作戰力量,有人無人協同將成為主流作戰方法。在此背景下,新型聲自導武器將成為水下主戰武器,在海戰場發揮巨大作戰效能?；谖磥砗鸢l展趨勢、水下對抗需求和人工智能等新興技術支撐,水聲對抗UUV 首先應具備智能組合對抗這一核心性能,同時還應具備目標高效識別、任務自主規劃、持久高效機動以及多域平臺布放等關鍵支撐性能。水聲對抗UUV 的核心性能和關鍵支撐性能深度融合、有機統一,共同滿足未來海戰場智能化水聲對抗需求。

2.1 核心性能

水聲對抗UUV 的核心性能是智能組合對抗,即通過智能控制,靈活運用誘騙、壓制和誘爆手段對抗聲自導武器。智能組合對抗的基本實施路徑如下: 運用聲紋仿真和深度學習技術,提高誘騙信號模擬己方艦艇聲學特征的精準度;運用機電一體化水聲控制技術生成定向壓制信號,使來襲聲自導武器探測系統失效;運用非接觸引爆技術,引爆被誘騙或壓制的來襲聲自導武器,將其摧毀;運用智能控制技術,對水聲對抗策略進行控制決策,對水聲對抗效果進行實時反饋。

針對智能組合對抗的重要性,根據已有文獻提供的數據[26],聲誘餌對抗聲自導武器的效果如圖1所示。隨著聲源級的增加,艦艇被攻擊的概率呈現遞減趨勢,并最終穩定在60%左右。由此可見,即便有聲誘餌保護,艦艇被聲自導武器攻擊的風險依然較大。

為了進一步降低艦艇被聲自導武器攻擊的概率,水聲對抗UUV 在借鑒聲誘餌誘騙功能的基礎上,集成了定向壓制功能。假設聲自導武器采用主動聲自導模式,工作頻率為30 kHz,聲源級SL=217 dB,接收方向性指數DI=20 dB,聲吶檢測閾DT=38.2 dB,聲自導作用距離為1 187 m。該聲自導武器突破水聲對抗UUV 誘騙梯隊以后,與目標艦艇距離r1=1 000 m,與水聲對抗UUV 壓制梯隊距離r2=500 m,且水聲對抗UUV 壓制梯隊位于聲自導武器和目標艦艇之間。水聲對抗UUV 聲源級SL*=186 dB,頻段覆蓋聲自導武器工作頻率。水聲對抗UUV 壓制梯隊到聲自導武器的聲傳播損失為

式中,γ為海水吸收系數。在30 kHz 條件下,γ≈0.01 dB/m.

由水聲對抗UUV 產生的背景噪聲為

艦艇的目標強度TS一般為12～40 dB,保守地,取TS=40 dB。

聲自導武器尋的信號至潛艇的單程傳播損失為

聲自導武器接收到的有效聲信號為

式(4)表明,聲自導武器接收的有效聲信號小于其檢測閾,導致其探測系統失效,無法探索到目標艦艇。由此可見,對聲自導武器實施誘騙與壓制組合對抗,可進一步提高艦艇安全性。聲自導武器一般采用觸炸與近炸結合的毀傷模式,故水聲對抗UUV 可通過模擬艦艇電磁、水聲等物理信號,在成功實施誘騙或壓制后,主動接近并誘炸聲自導武器,以避免其發起二次攻擊。

2.2 關鍵支撐性能

除需具備智能組合對抗這一核心性能外,水聲對抗UUV 要想更好地對聲自導武器實施軟殺傷,還需具備目標高效識別、任務自主規劃、持久高效機動和多域平臺投放等關鍵支撐性能。

1) 目標高效識別

聲自導武器尺寸遠小于潛艇,不易被常規探潛設備發現,加之較高的智能化水平、先進的隱身技術和優良的機動性能,進一步增加了對聲自導武器的探測難度。如何在水下環境中實時精確地識別聲自導武器,是水下防御面臨的首要難題。水聲對抗UUV 作為一種反制聲自導武器的裝備,可通過以下路徑實現目標智能識別: 運用深度學習技術,提高信號處理與特征提取的精度和效率,降低環境噪聲影響,解決復雜環境下小目標識別困難、低信噪比條件下目標識別率低等水下目標識別難題;運用前視聲吶、合成孔徑聲吶、多波束聲吶、中低頻被動聲吶以及矢量聲吶等先進聲吶技術,擴展水下探測范圍和維度,提高水下探測效率和精度;運用電磁、激光等非聲探測手段,在水聲探測完成初始掃描后,對目標進行精確測量,通過水聲-非聲協同探測,進一步改善水下探測效果。

2) 任務自主規劃

未來海戰中,無人智能裝備將成為重要的偵攻防力量。水聲對抗UUV 作為一種無人智能裝備,唯有優良的任務自主規劃性能,方可適應水下復雜戰場環境,靈活應對新型聲自導武器帶來的威脅。水聲對抗UUV 可通過以下路徑提高任務自主規劃性能: 運用智能控制技術,實現作戰功能敏捷切換,發現來襲目標前采用安靜懸浮或低速巡航模式執行偵察任務,發現來襲目標后快速抵達最佳戰位開展智能組合對抗;運用智能編組技術,使多枚水聲對抗UUV 自主組網,并與聲吶陣列、海面力量、空天力量以及水下武器協同,形成體系對抗優勢;運用動態效能評估與智能反饋技術,使水聲對抗鏈路高效閉環,實時掌握對抗效果,及時調整對抗策略,最終使來襲目標徹底失效。

3) 持久高效機動

現有水聲對抗裝備,不論其具體形式和機理如何,均在離母艦艇較近的海域執行任務,很可能將新型聲自導武器吸引過來,反而會增加母艦艇被攻擊的風險。與現有水聲對抗裝備不同,水聲對抗UUV 可在距被保護目標相對較遠的海域執行任務,為多UUV 協同對抗、智能組合對抗贏得足夠的緩沖空間和準備時間。水聲對抗UUV 可通過以下路徑實現持久高效機動,為在較大范圍內遂行靈活對抗任務提供能源動力支撐: 運用石墨烯電池、海水電池等先進能源技術,使水聲對抗UUV 在一次充滿電的情況下具備較強的續航能力;運用海洋能發電和水下充電技術,為水聲對抗UUV 提供充足能源儲備與可持續能源補給服務;運用雙模推進技術,為水聲對抗UUV 提供高、低速連續可變速動力模式,并根據任務變化對能源及推進模式進行自主管理。

4) 多域平臺布放

為滿足未來海戰跨域聚能需求,水聲對抗UUV 可由水下、海面、空中有人及無人作戰平臺布放,通過多域協同拓展對抗范圍,提高對抗時效性,增強對抗效果。水聲對抗UUV 可通過以下路徑實現多域平臺布放: 搭載于潛艇、超大型UUV和水下預置平臺的水聲對抗UUV,可采用魚雷管或彈射器發射;搭載于水面艦艇、無人水面艇(unmanned surface vessel,USV)和海上浮式平臺的水聲對抗UUV,可采用魚雷管、彈射器或火箭發射;搭載于多功能戰斗機、殲擊轟炸機、直升機和無人機等的水聲對抗UUV,可借助空中機動優勢迅速抵達來襲聲自導武器必經之路,采用超低空掠海投射,入水后實施對抗。

3 水聲對抗UUV 典型運用

根據分布式海上作戰概念,未來海戰場可能呈現如下特征: 指揮中樞、有生兵力和大型平臺后移至敵方遠程打擊范圍以外,最大限度降低人員傷亡率和高價值裝備戰損率;無人力量前出至敵方近海乃至縱深區域,形成偵察和進攻前沿力量;有人/無人力量在大跨度時空范圍內協同,有人力量通過廣域分散部署與協同提高生存力和攻擊力,并在前沿無人力量取得較大戰果后實施快速推進和立體突擊。

在分布式海上作戰背景下,航空母艦、導彈巡洋艦、導彈驅逐艦和核潛艇等大型平臺分散部署于遠離敵方的區域,控制無人艦艇(UUV 和USV)集群前出至敵方近海,執行監視偵察、布設水雷障礙、水下精確打擊以及遠程精確打擊等任務。鑒于此,水聲對抗UUV 在分布式海上作戰中的典型運用主要包括水下偵察、破除雷障、反聲自導武器以及反無人艦艇集群4 個方面。為提高水聲對抗效能,文中借鑒無人機蜂群概念,形成水聲對抗UUV 集群。

1) 水下偵察

水聲對抗UUV 集群可用于水下偵察,水下目標搜索、跟蹤和識別,為水聲對抗提供情報支撐。

與導彈預警不同,艦艇針對聲自導武器的預警距離較短,一般只有幾千米,反制窗口通常只有幾分鐘。待艦艇聲吶系統發現來襲聲自導武器后再組織對抗,往往難以構建即時聚優窗口。

為抓住最佳戰機,水聲對抗UUV 集群部署于敵方無人艦艇和水下武器可能部署的方向,由近及遠組成陣列,向敵方前出,采用靜止懸浮或低速巡航模式開展水聲偵察。一旦發現敵方無人艦艇和水下武器,水聲對抗UUV 集群旋即開展智能組合對抗,在其抵近己方艦艇之前將其殺傷或摧毀。此外,水聲對抗UUV 集群還可深入敵方后方,監視其大型平臺、基地港口和戰略通道,為己方遠程精確打擊力量提供情報支援。

水聲對抗UUV 集群既可單獨執行水下偵察任務,還可與聲吶陣列、預警機、偵察機和偵察衛星等協同,以提高水下偵察的廣域性、機動性和時效性。

2) 破除雷障

水聲對抗UUV 集群可用于反水雷作戰,對雷障進行探測、定位和摧毀,破除雷障封鎖,確保己方艦艇編隊安全通行。

從世界范圍來看,現役水雷主要包括沉底雷、漂雷、錨雷、自航水雷、自導水雷以及導彈水雷等。自導水雷融合了普通錨雷和聲自導魚雷的優點,既可長期設伏、隱蔽待機,又可長距離跟蹤和精確打擊,是一種較為理想的水下武器;但其成本較高,難以像普通水雷一樣數以萬計地使用。在分布式海上作戰中,多種類型的水雷將協同運用,以最大限度發揮雷障對海戰場的立體封鎖效能。

水聲對抗UUV 集群發現雷障后,通過模擬艦艇水聲信號、電磁信號和壓力信號等,誘導水雷進入戰斗狀態。對于沉底雷、漂雷和錨雷等常規水雷,可運用水聲、電磁和壓力等信號將其誘爆。對于自航水雷,在其自航過程中可實施主動攔截;在其展開為錨雷后,可運用對抗常規水雷的方式將其誘爆。對于上浮水雷,可誘導其向虛假目標進行攻擊,然后將其誘爆。對于自導水雷,可誘導其向虛假目標發射聲自導魚雷,然后運用下一小節對抗模式對聲自導魚雷實施殺傷。對于導彈水雷,可主動接近并通過自爆將其摧毀。

為提高水聲對抗UUV 可重復使用率,可在其后方加裝拖曳假體,其本體執行水聲偵察任務,拖曳假體執行誘爆水雷任務,從而降低水聲對抗UUV 本體在水雷爆炸中損毀的概率。對于線式雷障,可運用平面式水聲對抗UUV 集群予以掃除;對于幕式雷障,可運用垂面式水聲對抗UUV 集群予以掃除。

3) 反聲自導武器

水聲對抗UUV 集群可用于反聲自導武器,對來襲聲自導武器實施誘騙、壓制和摧毀,在艦艇編隊防衛、海上護航以及駐泊防御等行動中保護己方安全。

水聲對抗UUV 集群發現來襲聲自導武器以后,以己方艦艇為參照原點,由遠及近組成誘騙梯隊、壓制梯隊和阻擊梯隊3 層防御屏障。行動時,首先啟用誘騙梯隊,將來襲聲自導武器誘騙至遠離己方艦艇的方向。若誘騙失敗,則啟用壓制梯隊,顯著增強環境噪聲,使來襲聲自導武器無法辨明己方艦艇方位。若壓制失敗,則啟用阻擊梯隊,將來襲聲自導武器誘騙至附近區域,或主動接近來襲聲自導武器,待滿足距離條件后將其誘爆。

4) 反無人艦艇集群

水聲對抗UUV 集群可通過與聲自導武器集群協同,摧毀敵方無人艦艇集群。

水聲對抗UUV 集群發現敵方無人艦艇集群后,與多枚聲自導武器組成水聲對抗UUV-聲自導武器復合集群。水聲對抗UUV 集群為聲自導武器提供掩護,避免被敵方聲吶探測、聲誘餌誘騙以及反魚雷魚雷攻擊。水聲對抗UUV 集群與多枚聲自導武器的編組方法如下: 水聲對抗UUV 居于集群外圍,聲自導武器居于集群內部,由水聲對抗UUV 交替領航,領航水聲對抗UUV 與其余水聲對抗UUV 以及聲自導武器通過群內通信實現聯通。當領航水聲對抗UUV 因誘爆反魚雷魚雷或受攻擊而失效時,其他水聲對抗UUV 遞補領航位置。

水聲對抗UUV-聲自導武器復合集群安全抵近敵方無人艦艇集群以后,多枚聲自導武器突然前出,對無人艦艇集群實施攻擊。

4 結束語

文章剖析了現有水聲對抗裝備的現狀與不足,提出了發展水聲對抗UUV 的必要性,以提升水聲對抗智能化水平、增強艦艇生存能力;從未來海戰需求出發,探析了水聲對抗UUV 應具備的關鍵性能;以分布式海上作戰為背景,研究了水聲對抗UUV 在水下偵察、破除雷障、反聲自導武器和反無人艦艇集群等方面的典型運用。文章著眼于智能和集群技術的發展,以理技融合為指導,聚焦新型作戰概念對水聲對抗迭代升級的現實需求和典型運用,為未來水聲對抗裝備發展提供參考。