美國水下機動無人系統能力發展新構想

鐘宏偉，馮煒云，徐 翔

(中國船舶重工集團公司第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650101)

美國水下機動無人系統能力發展新構想

鐘宏偉，馮煒云，徐 翔

(中國船舶重工集團公司第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650101)

美軍試圖通過大力發展以機動無人系統為主體的水下戰無人裝備，加強前沿水下無人系統預置，全力推進水下無人區域機動預警探測系統布建，重點攻關水下自主通信組網、自主協同、自主探測預警等先進技術，打造新型水下作戰體系能力。本文通過解讀美軍近年發布的《未來海軍》、海上項目增補計劃、顛覆性技術領域發布的項目文件，及水下機動無人系統與技術新發展項目研發和試驗中取得的一些成果，初探了未來機動無人系統能力的發展設想。

無人系統；水下機動；構想

0 引言

近年來，美國國防先期研究計劃局（DARPA）、海軍研究局（ONR）等機構研發的關于海上“分布式敏捷反潛系統”、“反潛持續跟蹤無人艇”、“上浮式有效載荷”等多個顛覆性水下無人系統項目取得重大進展，成果頻現。表明美國在21世紀探索構建的廣域反潛探測、多維平臺無人協同、水下探測預警（保障）、海底預置為代表的新型水下機動無人系統項目逐漸成形，將對未來水下無人裝備體系的構成和作戰模式產生重大影響。

1 水下機動無人系統發展背景

自2010年以來，美海軍為建立新的水下優勢，不斷應用先進降噪技術，提升安靜型低速航行體（含微型潛艇）噪聲輻射等級，大量發展無人潛航器等新興水下平臺，這種體積小、航速低、噪聲小的水下機動無人系統未來將大量裝備美海軍，在大洋中執行各種作戰任務；2011年美海軍發布《水下戰綱要》，明確指出水下無人系統將部分替代潛艇執行水下作戰任務；2014年美國防部啟動“第3次抵消戰略”，將機動水下系統作為“長期研發計劃”的顛覆性技術五大領域之一，定為“第3次抵消戰略”的六大顛覆性能力之一；2017年美軍已將水下機動無人探測系統作為作戰能力提升建設的重中之重，啟動了一系列創新概念和方法的項目探索。

2 水下機動無人系統發展新思路

2.1 推動機動水下無人系統承擔更多角色

1）基于模塊化思想快速重構生成水下機動無人系統新裝備

隨著2015年在“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇上部署并發射機動型無人系統（REMUS 600UUV）的成功，美軍決定將無人系統作為潛艇的標配裝備。特別是在淺水區域，搭載多型水下傳感器或其他任務功能模塊形成的機動無人系統可能會成為潛艇的替代者，生成水下快速作戰能力。這種多功能模塊化的全海深無人系統通過搭載不同有效載荷或傳感器，可收集海洋數據、測繪海底地形及感知水中環境，具有極大的商用、學術和軍事價值，既能生成某種適應淺水特定環境的戰場空間感知型自主無人系統（AUV），又能實現全海深水域下執行美海軍無人系統規劃的九大任務。這種機動無人系統無需專門對原有平臺系統進行重大改進，僅需對平臺的前半段進行各種模塊化任務載荷重構即可派生出如掃雷型無人系統（如Mk18Mod 2 UUV），以及滿足水下攻防作戰需要的其他任務功能無人系統（如基地型UUV）。

對于機動無人系統平臺上搭載載荷而言，僅是受到體積空間的限制，模塊化的水下無人系統不僅可用于軍用的水下攻防作戰或其他特定任務，還可用于大學或其他研究機構的特定科學試驗，科學家們要解決的難題是如何把所制造的新型傳感器模塊化組件安裝到相應口徑的容器內（如 180mm，324mm，534mm，650mm，860mm等），以及機動無人系統航行時的縱傾角、浮心、重心等問題。另外，航行體在總體結構和軟件層面設計上均采用開放式架構，以便無人系統易將各類傳感器和載荷重構成水下的另一種輸送工具，為海軍或潛艇部隊提供前置遠離作戰水域的某種遠程水下能力。

隨著無人系統概念和某些傳感器技術在水下領域的快速發展，把新研發的前沿技術變成軍事能力的倍增器，美軍正采用把特定領域進行技術攻關形成的系統與早期反復驗證的成熟共用技術相結合，以實現降低技術風險，減少成本，快速向完美裝備的轉變，更快地形成水下作戰能力。如：采用將水下無人系統從攻擊型核潛艇的干式甲板艙（DDS）發射，讓具備高度自主性的無人系統可靈活采用多種方法進行發射與回收，排除了海況的影響，使無人系統能在水下完成發射與回收變得很簡單。

在指揮和控制的連通性方面，水下無人系統可通過天線、水聲信道及光纖高效地進行數據傳輸，既可與人操平臺或其他無人系統進行通信，也可通過人在回路與人操潛艇進行聯網指揮。

在作為基地型使用時，可擴展為一種干濕式隱蔽無人系統（如Proteus），這種大型排量基地型無人系統具有非常獨特的性能，既可用作輸送蛙人的人操裝備，也可用作無人值守的水下能源補給基站。在近500立方英尺的內部空間，既可搭載有效載荷，也可搭載8名作戰蛙人。采用在有效載荷艙段正下方布設開艙門，需要投送或釋放載荷時，打開航行器下腹艙門，便可進行投放作戰隊員或無人潛器；可在海床上實施連續布放傳感器、水雷或其他物體；該系統配有前后向、水平和垂直向推進器，具備在水中可懸停能力。

2）基于水下遠航程、長續航能力構建遠程試驗平臺

水下機動無人系統平臺因采用安全性較高的鋰聚合物電池，具有可靠性高、航程遠（可航渡距離大于350 nm ile）、續航時間長的特性。如果在無人平臺載荷艙內配置更多的電池，上述平臺可達到900 nm ile的航程。同時，隨著電池系統的“技術跨越”，這種平臺未來可作為水下充電補給站。理由是：此前平臺內每個單體電池容量僅約1.5 kWh，技術突破后，每個單體電池可實現7.5 kWh，如按同等容量電池計算，電池體積可縮小至以前的1/5，這樣同等體積大小的電池容量可擴展20倍，而電池管理系統便可實現同等量單體電池的控制，這就大大增加了電池使用的可選量。未來隨著更大容量電池的出現，水下大型無人機動平臺將具有更大功率、更持久性和可靠性。目前美海軍已將此類大型無人系統作為其主要的水下試驗平臺，以支持不同項目的水下傳感器技術、水下武器系統以及相關水下作戰概念的開發，同時也為海軍提供了模擬和目標的實訓能力；因其裝備的主動聲吶上具有明顯的各種聲學特征，因此在水下作戰訓練中，它可以成為柴電潛艇的替身。另外，憑借其超遠程和大載荷的輸送能力，可為海上打擊秘密提供急需的反潛裝備，及時破解戰場危機。

3）基于水下成熟技術快速重構先進水下攻擊平臺

美海軍已考慮基于M k48潛用魚雷改造成各種UUV的可行性，以便能根據任務需求，快速生產出用于執行其他任務的無人系統。一旦采用這種成熟及具有先進能力的重型魚雷改進成無人裝備，將使機動水下無人系統成為某種高度專業化的無人系統（UUV）。基于此設想，如果具有長航時及持久力、配上精確導航、定位及通信能力的話，所形成的遠程長航時水下無人系統將成為極為高效的遠程巡航魚雷，這是很有意義的一種設想。目前美海軍正在主動追求這方面的發展。

4）基于無人系統構建分布式機動水下預警探測節點

美海軍期待能有一種可搭載寄宿載荷的大型水下無人系統，以便在全球全海域部署各種各樣的水下無人潛航器（UUV）或無人機（UAV），以提升潛艇部隊秘密安全地進入作戰海域的安全性。這種寄宿式大型無人水下系統具備能自身發射微小型無人潛航器或空中無人機，以形成以母平臺為中心的水下機動組網探測網，同時也可與從潛艇干式甲板遮蔽艙或魚雷發射管發射出的浮標、潛標等信標形成固定+機動的區域水下機動集群組網，使潛艇、無人系統搭載平臺、水下各種無人潛航器、無人機、母船成為多維空間中作戰攻防體系中的一個探測節點，起到具有智能、敏捷性能的水下探測預警網絡能力。

5）基于大型水下無人平臺構建特種作戰輸送平臺

美海軍正在開發可用于輸送蛙人并可從潛艇上發射并回收的新一代潛航器，以滿足海軍特戰隊全方位的特種作戰、執法、反恐、海洋保護以及掃雷等任務的需求，增強支持特戰部隊進行秘密收集情報、實施外科手術式隱秘打擊的能力。這種機動無人系統包括能運載特戰隊員有人+無人大型潛航器（或稱蛙人運載器）、單兵運載器、水下特種作戰裝備、裝具等。機動無人系統要既適宜與潛艇對接，又適于與其他平臺進行綜合集成和開發。目前已形成的解決方案是采用已有的大型無人潛航器搭載平臺，在平臺上留足為新一代研發或正進行技術改進所形成的系統空間，無人系統平臺中各種相關系統都采用可集成的模式，在大系統集成前，分階段對特戰隊員進行先期培訓，防止復雜的無人系統隨各分系統集成后，裝備的總體功能不會降低的風險。主要開展以下兩方面研究：

①對適用于特種作戰的水下無人潛航器進行設計。如開展對一種具備濕式潛航能力、能夠搭載2名駕駛員和6名作戰蛙人的潛航器進行設計。要求這種潛航器或運載器能與潛艇進行互操作，除具有固定的安全設施外，潛航器與潛艇間配有3個轉換器：1個用于電池充電，1個用于可供呼吸氣體的儲備，另1個用于數據通信鏈接。采用電力推進來操縱潛航器的平移和轉向，自主式浮沉平衡系統調姿；潛航器配有用于蛙人的內部通話器及包括可折疊式無線電桅桿在內的外部通信系統和水聲通信系統。多臺微小型潛航器置于無人系統母艦平臺兩側的寄宿載荷容器中，平臺可連接到潛艇指揮塔一側蛙人進出的地方，作戰時蛙人游到選用潛航器所處容器處，打開寄宿容器蓋子，蛙人取出寄宿在容器內的潛航器或蛙人運載器，蛙人啟動航行器上的螺旋槳推進電機，使之從容器內釋放，并呈漂浮態，蛙人可匍匐在潛航器上駛向作戰區域。由于這種潛航器配有一個可依不同任務需求設置的功能艙段（如一種創新型的濕式蛙人運載器（SDV）功能艙段），未來只需考慮設計不同任務功能的載荷模塊，可使潛航器具有理想的全壽周期及系統成本優勢。

②用于評估其他潛航器及水下戰裝備。美國海軍除繼續開展大量潛航器研究項目外，還利用潛航器承擔對新型潛航器、水下蛙人運載器輸送能力及用戶水下作戰系統的能力的評估。如美海軍已用一系列商用潛航器對如有人+無人系統（UOES系列）的裝備進行評估，降低了該項目在各階段存在的研發風險。目前利用潛航器已完成了對搭載8名特戰隊員和2名領航及駕駛員水下有人+無人系統的潛航器整體能力的評估，通過評估，最終實現把濕式潛航器改進成干式潛航器，使其具備能從戰區外將特戰隊員和/或有效載荷輸送到拒止區域外的能力。

2.2 采用跨域協同概念融合構建各維無人平臺的水下作戰能力

2017年3月，美國海軍空間與海戰系統司令部C4I項目水下集成辦公室發布“模塊化光學通信”載荷項目需求公告，提出項目設計要求，欲研發潛-空全雙工通信系統，解決水下無人航行器跨介質通信問題。在這種跨域協同作戰概念中，不同作戰域的無人平臺互聯互通顯得尤為重要。目前無人機和潛航器間的通信主要通過潛航器浮出水面，利用自帶天線與無人機進行通信，或是通過水面平臺或浮標進行中繼；前者容易暴露潛航器目標，后者通信速率有限，需依賴水面節點。為此，美國海軍項目辦公室為空中-水下平臺設備建立了AW I通信鏈路。在水下，利用光通信鏈路進行通信，這種AW I通信鏈路具有低截獲概率和低探測概率（LPI/LPD）特性，且數據通信速率潛力巨大。這種潛-空光學通信系統將解決海上跨介質通信問題，通信速率有望達到 1 kb/s，覆蓋范圍可超過 15 nm ile，深度超過30m，使潛-空通信可擺脫對水面平臺、浮標的依賴，無需潛航器浮出水面，為跨域協同作戰開辟新的通信保障途徑，具有改變水下通信的革命意義。

2.3 重點發展水下機動無人系統探測能力

在水下戰中，探測是至關重要的環節，一旦能探測出敵方潛艇和無人潛航器，它們將很難逃脫，短時間內可被消滅。為此，21世紀以來美海軍以創新的思路，力求驅動水下探測技術發展，生成水下探測新能力，采用了多種新型水下探測技術并行的發展模式。主要表現在：

1）大力發展多基地聲吶探測技術，大幅提高主動聲吶隱蔽性探潛的水下能力

在水下作戰探測過程中，早期主要是應用被動聲吶探測技術，但隨著水下裝備變得越來越安靜，被動聲吶探測距離大幅縮短，探測效能不足以滿足作戰需求。主動聲吶探測技術逐漸被重視并取得突破性進展，但主動聲吶使用過程中容易暴露水下裝備自身的位置，對自身安全造成極大威脅，也限制了其應用。多基地主動聲吶探測技術將主動聲吶發射機和接收機分別搭載于不同的作戰平臺，發射機發射聲波監測海域，接收機以被動監聽的模式實施目標探測，可有效解決上述問題。2016年，美國國防先期研究計劃局發布“移動舷外指揮、控制、途徑”（MOCCA）項目公告，項目研發的雙基地探測聲吶，由無人潛航器攜帶主動聲源發射聲波，用潛艇監測聲波信號。這種方式充分利用潛航器的機動性和主動聲吶的優勢，同時確保潛艇的隱蔽性。

2）發展新型持久機動+固定式水下網絡探測技術，加強交通要道監控能力

將機動無人水下探測系統+固定式水下網絡部署在交通要道、熱點作戰區域，長期監視敵方往來的潛艇，平時利用2種網絡傳感器收集潛艇特征信號和行動規律，戰時可作為遠程預警探測防線，能有效提升水下戰場的掌控能力。21世紀初，美海軍改造了SOSUS系統，使其能夠探測艦艇的低頻聲波，探測能力和覆蓋范圍均有大幅提高，但具體的技術細節處于保密狀態。此外，美國正在研發能在淺水區域（水深不超過183m）及時、精確地探測、分類、定位安靜型機動無人潛航器移動集群（DASH），可及時向指揮中心發送淺水監視系統獲得的監視報告，預計2018年完成研發工作，未來將大幅改善淺水環境的探測能力。

3）發展無人系統組網探測技術，提升大范圍持久機動多維網絡監視偵察能力

無人系統具有機動靈活、成本低廉、無傷亡、適合大規模生產、可在各種環境甚至高危海域執行任務等優點，可攜帶多種類型的傳感器或武器，執行探測、打擊任務。美海軍也充分發揮無人系統平臺的這些優勢進行水下探測，在2016年“無人戰士”演習期間，4艘“攜帶傳感器的自主無人水面艇”（SHARC）成功探測到常規潛艇和無人潛航器，展示了無人水面艇可持久、高效的探測能力。美國還設計了數十個無人機搭載磁探儀等非聲傳感器自上而下探潛、數十個無人潛航器攜帶主動聲吶自下而上探潛的技術方案，目前研發和試驗工作已經接近尾聲。

4）加強有人+無人系統平臺協同探測技術，建立多維空間網絡無人值守能力

美海軍以潛艇等有人平臺為母艇，布放后前出執行情報監視偵察和打擊任務的無人潛航器或無人機，將其視為延伸有人平臺“手眼”、擴大其控制范圍、保護其安全的有效手段。充分利用潛艇續航力高、能源充足、通信能力強等大平臺優勢，將其作為無人系統搭載和布放、充電、通信、指控平臺。這種協同作戰模式不僅可以將有人平臺和無人系統的優勢發揮到極致，還能彌補彼此的不足，大幅提升探測能力。例如，在2016年“海軍技術演習”中，潛艇發射了1個“藍鰭”-21無人潛航器，“藍鰭”-21再釋放2個微型“沙鯊”無人潛航器和1架“黑翼”無人機，實現了三維度執行情報監視偵察任務。演習中，由“黑翼”充當潛艇、“沙鯊”間的通信中繼，實現了水下和水面的跨域通信和指控。此外，近海持久水下監視網絡（PLUSNet）、LDUUV等也是有人平臺和無人系統協同的典范。

3 水下機動無人系統的能力發展

3.1 通過多種創新方式，以實現對潛艇大范圍跟蹤和探測能力

機動無人系統適用海域廣、架構靈活，可作為彌補潛艇規模的不足，是創生新的水下作戰能力首選。

“分布式敏捷反潛系統”將是未來海戰場機動無人系統的一個發展方向。即利用數十個無人潛航器組網，自下而上探潛模式，以克服海面、海底聲散射的影響，大潛深仰視探測數十萬平方千米海域，保護己方航母打擊群等高價值目標。

“自主無人水面艇”也是未來機動無人系統的一個發展方向。即通過搭載聲學傳感器，采用波浪能實現超長續航力，共享戰場態勢，以探測安靜型常規潛艇和水下無人航行體，與空中反潛機協同作戰。

“深海主動預置探測系統”也是機動無人系統的發展方向之一。作為一種無人值守裝備，由水面浮標、聲源、體積陣組成，通過水面艦布放，靠自身動力航渡至指定位置，坐沉至海底，可實時探測自身坐底范圍近1萬平方千米海域，融入多維網絡，實現組網大范圍探測。

3.2 用基地型機動無人系統，形成新型水下無人集群作戰能力

基地型機動無人系統以大型自主無人平臺為母艇，布放后前出執行情報監視偵察和打擊任務，擴大水下控制范圍、保護潛艇安全。基地型機動無人系統發展包括大排水量無人潛航器（母艦平臺）、機動無人潛航器（如“藍鰭金槍魚”系列）、“近海水下持久監視網”（PLUSNet）等。

大排量無人潛航器具備察打一體能力，搭載聲學傳感器探測潛艇，可發射輕型魚雷攻潛，還可搭載和布放多個小型無人潛航器。可長期在水下靜默、也可自身續航數百天；作戰時，可釋放數十具微小型無人潛航器、浮標、攻擊型武器，形成以母艦平臺為中心的無人集群。包括固定式水聽器陣、“藍鰭”-21、“海馬”、“水下滑翔者”等無人潛航器，由潛艇搭載和布放，能對數萬平方千米水域內的常規潛艇進行數月乃至數年的探測、識別、定位、跟蹤。戰時，母艦平臺無人集群與PLUSNet的無人集群形成更大的機動無人集群進行作戰。

3.3 重點發展水下機動無人系統探潛能力

作為水下戰中“千里眼”、“順風耳”的水下探測技術，一直是水下機動無人系統中的發展重點。美海軍在此技術領域投入了大量人力、物力，力求以創新的思維突破原有水下探測技術的壁壘，創生新型、有效、可靠的水下探測能力。主要創新思路為：

1）在相同原理條件下新技術的創新性應用。水下探測技術發展方向之一是以現有的技術原理為基礎，通過創新聲吶應用體制，發展新的顛覆性作戰能力。美海軍創新了雙基地聲吶的應用領域，欲在潛艇和機動無人系統間形成雙基地主動聲吶探測系統，不僅增強了安靜型目標的探測能力，而且降低了潛艇暴露自身的風險。

2）利用無人系統平臺搭載各種快速發展的傳感器生成新的水下探測能力。美海軍研發了潛艇、水面艦、飛機等多種搭載和布放方式，發展了深、淺海預置裝備，提前在前沿戰場和熱點區域布放攜帶有效探測載荷的無人系統，并且取得了豐碩成果，加速了新的水下探測、識別、目標結算能力的形成。

3）將傳感器形成適用于各種環境條件的分布式水下網絡。美海軍除利用陸、海、空、天的大小平臺搭載傳感器形成探測能力外，利用水聽器、浮標等傳感器形成的分布式水下網絡是未來水下探測、識別、通信技術重點發展方向，尤其是移動式水下網絡，采用飛機、水面艦、潛艇搭載和布放，以形成快速部署探測，搜索識別敵方水下目標，保護己方高價值裝備，獲得數據通信快速傳送能力。

4）水下非聲探測技術將成為水下聲學探測、識別技術的有力補充。美海軍在嘗試非聲傳感器和無人系統平臺的結合，形成能廣域覆蓋的網絡探測能力。例如分布式敏捷反潛系統的淺海子系統是由數十個無人機通過搭載非聲傳感器進行組網，形成快速預警探潛能力。

[1]DoN.The Naval S&TStrategy[DoN Policy Directive].2015.

[2]DoN.U.S.NAVY PROGRAM GUIDE 2015[DoN Policy Directive].2015.

[3]DoN.A Cooperative Strategy for 21st Century Seapower[DoN Policy Directive].2015.

[4]JOHN R.A design for maintaining maritime superiority[R].Story Number NNS160105-03 from Chief of Naval Operations Public Affairs,2016.1.5

[5]RICHARD R.Burgess.Undersea Domain.Seapower,2015.6.

[6]United States Department of Defense.Unmanned system s integrated roadmap FY 2011-2036[R].U.S.:United States Department of Defense,2011.

[7]United States Department of Defense.Unmanned systems integrated roadmap FY 2013-2038[R].U.S.:United States Department of Defense,2013.

[8]United States Navy.Autonomous undersea vehicle requirement for 2025[R].U.S.:United States Department of Defense,2016.

[9]Defense Science Board.Autonomy[R].US:Office of the Secretary of Defense,2016.

[10]Defense Science Board.Next-generation unmanned undersea uystems[R].U.S.:Officeof the Secretary of Defense,2016.

[11]United States Departmentof Defense.Autonom y in weapon systems[R].US:United States Departmentof Defense,2012.

[12]http://sputniknews.com/M ilitary/20170216050726338-darpatests-underwater-gps-system/.

[13]http://www.rt.com/usa/darpa-underwater-drone-mothership-502/.

[14]http://navaltoday.com/2017/03/27/us-navy-wants-to-rechardeunderwater-drones--w irelessly/.

[15]http://www.spacewar.com/reports/underwater-radio-anyone-999.htm l.

[16]http://www.businessinsider.com/darpa-submarine-drones-dashnavy-bluefin-2016-5.

[17]http://www.w ired.com/2013/04/darpa-subs/.

[18]http://www.new s.usni.org/2017/05/17/document-chief-ofnaval-operations-white-paper-the-future--navy/.

A brief analysis of the new survey of maneuverable UUS in the united states

ZHONG Hong-wei,FENGWei-yun,XU Xiang
(Kunm ing Branch of the 705 Research Institute of CSIC,Kunm ing 650101,China)

USN attempts to develop maneuverable underwater unmanned system UUS as a main equipmentof underwater unmanned warfare,strengthen to preset UUS in battlefield frontier,establish maneuverable early warning detection system in the underwater unmanned area,especially research technology on underwater autonomous communications network and autonomous early warning and detection networkto create the new ability of underwater warfare system.This essay briefly introduces the developing conceive ofmaneuverable UUS in the future through analyzing the‘The future Navy’,‘The Naval S&T Strategy’,Supplement plans of sea project,project documents in the field of disruptive technology as well as some achievements gained during the process of R&D and sea trail of UUS and new technology development project.

underwater unmanned system；underwater maneuverable；survey

TV36

A

1672–7649(2017)12–0001–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.001

2017–06–15；

2017–09–15

鐘宏偉(1964–)，男，碩士，高級工程師，主要從事魚雷及水下航行器前瞻性技術跟蹤研究。