國外水下預置武器發展及關鍵技術

楊智棟, 李榮融, 蔡衛軍, 鄭 為

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國外水下預置武器發展及關鍵技術

楊智棟, 李榮融, 蔡衛軍, 鄭 為

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

水下預置武器作為一種未來新型的水下攻防武器裝備，將無人機、無人水下航行器、導彈及魚雷等作戰裝備預先放置于大陸架、島鏈等敏感海域并進行長時間潛伏，通過遠程激活后執行偵察、打擊及區域拒止等任務，該體系將岸-海-潛-空-天等資源根據作戰任務進行整合，通過發揮整體優勢來奪取未來水下戰場空間。文章通過整理近年來國外公開報道的水下預置武器裝備信息資料，分析其主要功能特點，概括提煉出包括遠程激活技術、深海長時耐壓防腐技術、預置載荷發射技術、隱蔽布放技術、深海探測偵察技術、水下組網通信技術、深海能源自持及補給技術和輔助決策技術等8項關鍵技術，旨在推動我國水下預置無人作戰裝備的構建。

水下預置武器; 遠程激活; 區域拒止

0 引言

隨著海洋開發利用不斷向深遠海方向的發展, 維護海洋立體空間的權益已對水下武器裝備發展提出了新的使命要求。隨著智能化、信息化的快速發展, 以無人技術為主導的無人機、無人艇、無人水下航行器等無人裝備將逐漸成為未來戰場的主角。美國于2016年發布了《2025年自主水下航行器需求》, 提出了海床戰、反AUV戰等新興作戰概念, 擬構建新型水下無人作戰體系、水下攻防系統及水下預置系統等裝備[1]。其中, 水下預置系統作為一種新型的水下攻防武器裝備, 將無人機、導彈和魚雷等作戰裝備預先放置于大陸架、島鏈等敏感海域并進行長時間潛伏, 通過遠程手段激活后執行偵察、打擊、航路封鎖等任務, 該體系將岸-海-空-天-潛等資源根據作戰任務進行整合, 通過發揮整體優勢來奪取未來水下戰場空間[2-3]。

文章通過整理近年來歐美等國公開報道的有關水下預置武器裝備信息資料, 分析其功能特點, 提煉出相應的關鍵技術, 以推動我國水下預置無人作戰裝備的發展, 助力水下無人作戰體系的構建和完善。

1 研究現狀

1.1 自導水雷/潛伏式魚雷

典型的自導水雷裝備有美國MK60“開普特”系列、俄羅斯ПМT-1、МТПК等裝備[4]。

自導水雷, 亦稱潛伏式魚雷, 是一型以錨雷為裝載平臺, 以輕型魚雷為攻擊載荷的水中兵器, 其作戰示意圖如圖1所示[5]。

1.2 Hydra

Hydra又稱“海德拉”或“長蛇座”[6], 該項目由美國國防高級研究計劃局(defense advanced resear- ch projects agency, DARPA)于2013年發布。Hydra系統是一種無人值守、長期待機的水下作戰平臺族系, 包括情報監視偵察型、火力打擊型、水下/空中無人載具母船型及特種部隊裝備支援型等。

Hydra系統能在水深300 m的海區連續潛伏數月, 通過被動方式接收指揮、控制和情報等信息, 完成特定任務[7]。系統具備海空監測手段, 智能化程度高, 響應迅速, 突防概率高, 具備強大的打擊能力, 且與有人/無人平臺協同作戰, 如圖2所示。

1.3 浮沉載荷

浮沉載荷(upward falling payload, UFP)[7]項目由DARPA于2013年發布, 旨在研制一種可長期潛伏的分布式無人作戰裝備, 用于在海洋環境中建立即時戰術支援系統, 對敵方目標進行突襲、偵察或干擾, 為己方提供戰術支援。

UFP通過飛機、艦艇等平臺進行部署, 可潛伏于深海數年之久, 一旦需要, 可通過遠程激活鏈路實現喚醒, 將內置載荷快速升至水面發射后, 執行態勢感知等任務。如圖3所示。

UFP包括3個關鍵子系統: 內置水下/空中載荷、耐壓上浮密封艙和遠程激活鏈路。

在該項目第1階段, DARPA資助了深海遠程通信、深海耐壓容器設計及深海載荷釋放發射等研究, 該項目現已進入原理樣機演示驗證階段。

1.4 分布式敏捷反潛系統

分布式敏捷反潛系統(distributed agile submarine hunting, DASH)[8]由深海和淺海2套子系統組成。2套子系統在探測方式、探測區域上互補, 以提高偵察探測效率。

DARPA公布的數據顯示, 采用單個UUV潛伏于海底6 000 m附近進行上方海域監測, 其監測范圍直徑可達55~75 km, 單個UAV的監測直徑可達40~55 km。整個DASH作戰示意見圖4。

深海子系統采用聲學探測方式, 由“可靠聲學路徑轉換系統”(transformational reliable acoustic path system, TRAPS)和“潛艇風險控制系統”(submarine hold at risk, SHARK)組成。TRAPS是一種固定式被動聲吶節點, 群體散布在深海海底, 用于探測潛艇; SHARK是一個集成了主動聲吶探測系統的UUV(如圖5所示)。淺海子系統主要采用非聲探測手段, 由無人機搭載非聲傳感器自上而下對淺海進行監視。

1.5 深海導航定位系統

2016年5月, DARPA向英國BAE系統公司授出深海導航定位系統(positioning system for deep ocean navigation, POSYDON)[9]項目第一階段初始設計合同, 進行樣機系統開發和技術演示驗證。

POSYDON是一種類似GPS星座的無源導航定位系統, 由固定部署在海底的大量水聲傳感器組成。該系統可以使潛艇或水下航行器等作戰平臺擺脫對GPS導航系統的依賴, 無需上浮即可具備高精度定位和導航能力, 有望大幅提高水下平臺的隱蔽作戰能力。

1.6 俄羅斯“賽艇”導彈

2013年5月, 俄羅斯在白海進行了水下固定彈道導彈的發射試驗。該代號為“賽艇”的導彈可裝在集存儲、運輸和發射于一體的特殊儲運發射裝置中, 由小型潛艇秘密運送至海底布設并長期隱蔽待命。接到激活指令后, 從海底發射升空執行攻擊任務[10]。

目前, 俄羅斯馬克耶夫國家導彈中心僅向媒體證實了其正在按照相關性能指標生產賽艇彈道導彈, 但未透露細節。相關文獻分析認為, “賽艇”導彈屬于俄P-29RM“輕舟”潛射彈道導彈系列, 其性能指標如圖7所示。

綜上所述, 以美國為例, DARPA針對水下載荷投送支持了兩類課題, 具體包括以水下可移動平臺為依托的Hydra計劃與以深海靜止平臺為依托的UFP計劃; 針對區域偵察引入了以深海UUV頂視探測與UAV俯視探測相結合的海-空立體反潛探測計劃; 在水下定位導航方面提出了水下無源導航定位系統計劃。據此, DARPA已清晰描繪出美國針對海洋立體空間、跨區域作戰布局的分布式預置武器體系。

2 主要功能特點

水下預置武器主要有指揮控制、隱蔽探測偵察、水下導航定位以及突襲打擊等任務功能, 裝備形式有固定式、移動式和組網式等。

根據技術水平發展, 可將水下預置武器主要功能分為基本型和擴展型2類, 其中基本型水下預置武器定位為單節點、低成本, 針對局部海域反信息封鎖等任務; 擴展型水下預置武器則定位為多節點、多樣化平臺及分布式組網, 針對廣域立體海域控制, 層次結構如圖8所示。

通常, 水下預置載荷可按功能定位劃分為兩大類, 即探測偵察型載荷, 具體包括: UUV、UAV等; 以及武力打擊型載荷, 具體包括: 魚/水雷、導彈等。

2.1 基本功能

1) 預置單個功能載荷, 攜帶單個水下/水面探測偵察類功能載荷, 可長期潛伏于海底附近;

2) 支持遠程激活喚醒;

3) 喚醒后可釋放功能載荷執行既定任務。

作戰流程主要有: 采用空中或水面平臺進行布放, 下潛至海底附近完成底棲, 并處于休眠值更狀態。接收到遠程激活信號后, 釋放功能載荷執行作戰任務。

2.2 擴展功能

1) 可配置探測偵察、攻擊等多種功能載荷。

2) 分布組網方式, 以固定式、移動式為平臺節點, 以水聲、光等介質為信道, 構建分布式水下預置偵察打擊網絡。

3) 隱蔽探測偵察。利用深海隱蔽、縱深大、水文條件良好等特點, 實施對敵水面艦、潛艇、UUV的隱蔽探測偵察。獲悉目標占位態勢、運動要素等信息, 為功能載荷的抵近偵察、誘騙、時敏打擊提供信息基礎。

4) 可靠通信鏈路節點。作為通信物理節點, 為“岸-海-潛-空-天”五維網絡化立體作戰模式提供硬件支撐。

5) 輔助決策。基于大數據和人工智能技術, 對受控海域的敵我態勢發展進行推演分析, 為戰場局勢的人工決策提供支持。

6) 長期自持保障。依托水下有人/無人平臺進行水下預置裝備的維護檢修、布放及回收等作業。具備水下能源自補給能力, 可有效維持水下預置裝備的長期運行。

3 關鍵技術

由水下預置武器裝備的作戰環境和使用特點, 分析該類武器裝備所涉及的主要關鍵技術有以下幾方面。

3.1 遠程激活技術

該技術是支撐水下預置武器作戰使用的必備技術之一, 且激活距離遠、實現途徑隱蔽、信息鏈路可靠。技術途徑主要有以下幾點。

1) 海底電纜激活, 該方式信息鏈路穩定可靠, 強依賴于海底基礎設施。激活距離與預鋪設電纜長度相關, 限制了水下預置武器的布放范圍, 隱蔽性較差。

2) 海底地幔電磁波激活。將激活接受電極伸入海床, 由岸基設備通過激活電極發送甚低頻電磁波信號, 實現遠程喚醒、激活。據悉, 該方式的激活距離可達數百公里。

3) 深海聲信道激活。在深海水平信道中, 存在著一個特殊的聲信道, 稱為深海聲信道。當聲源位于聲道軸附近時, 聲信號可沿聲道軸傳得很遠, 且信道的多徑擴展和相位波動均較小。采用深海聲信道方式, 理論上可實現超遠程的水聲通信(100～1000 km)。該方式要求信息源和接收端均位于深海信道內, 由于水聲信道的時變特性, 信息鏈路的可靠性不足[11]。

4) 浮標喚醒。浮標是水下、水面以及空中平臺的中繼通信節點。通過飛機、艦艇等平臺臨時借助浮標進行鏈路喚醒、激活, 執行偵察、感知或打擊等任務, 該方式可靠性高但隱蔽性較差。

3.2 深海長時耐壓防腐技術

該技術直接影響水下預置武器預置時間指標。水下預置武器多布置于數千米海深, 且預置時間常以年計。海水作為一種強電解質溶液, 含有高濃度的氯離子和硫酸根離子, 長時間處于深海環境下, 耐壓結構表面不可避免會遭受化學腐蝕、微生物腐蝕、電偶腐蝕等多種形態的腐蝕破壞作用。

多數預置載荷受承壓能力和貯存條件所限, 難以直接長期處于深海環境中, 需借助耐壓密封結構。預置武器的耐壓密封結構設計除需考慮耐高壓、防腐蝕作用外, 還需克服疲勞蠕變破壞。

3.3 預置載荷發射技術

該技術是保障預置武器發揮預定作戰效能的關鍵。水下預置武器的內置載荷可分為出水載荷與水下載荷兩類, 出水載荷通常包括導彈、偵察無人機等; 水下載荷包括魚雷、UUV、誘餌等。

預置載荷的發射過程可分為2個階段: 1) 內置載荷上浮至一定海深或海面; 2) 調整發射裝置姿態, 滿足發射條件要求后, 發射/釋放內置載荷。

發射上浮階段多數采用無動力方式, 并盡可能縮短上浮時間。對于發射后座力較大的載荷應采取近水面動態上浮發射, 發射筒上浮至預設深度后, 通過艙體浸水進行發射筒姿態的調整, 載荷采用自航出艙或內置預緊推力機構自主動作, 實現載荷與發射筒分離。

3.4 隱蔽布放技術

該技術是保障水下預置武器實現前期作戰部署關鍵, 可進行水下預置武器布放的平臺有飛機、水面艦、潛艇、超大型UUV等。

采用運載飛機布放時, 飛行速度、投放高度等參數受預置載荷抗入水沖擊能力的制約。采用水面艦布放時, 實施過程易受海洋氣候環境的影響, 這2種方式幾乎不具備隱蔽性。

采用潛艇或超大型UUV方式進行水下預置武器布放, 有利于提升布放過程的隱蔽性, 但涉及潛艇及超大型UUV部分結構件的定制改造, 費效比較高。

3.5 深海探測偵察技術

探測偵察能力決定水下預置武器海域立體監控范圍, 影響預置武器的綜合作戰效能。

水下預置武器底棲在海床附近, 水文波動小、干擾少, 不同于傳統聲吶探測以水平方向為主, 預置武器探測應以坐底垂直向上探測為主, 探測范圍呈錐形。部署合理的水聲傳感器組合陣列不僅可對海域范圍內的可疑目標進行預警監控, 也可為內置載荷發射提供初始目標信息。

3.6 水下組網通信技術

該技術是實現水下預置武器組網協同作戰的必要支撐技術。

水聲網絡組網過程包括網絡拓撲結構、多址接入、媒體接入及路由選擇等環節。要實現水下協同作戰, 首先要實現整個作戰范圍內的數據可靠獲取分發。

據悉, 美軍數據鏈現已能夠實現陸、海、空、天所有作戰平臺間互聯互通, 達到武器控制級的要求, 但在水下還遠遠達不到這一要求。惡劣的海洋環境對數據信息的傳輸速率、誤碼率均有較大影響, 因此高速率遠距離水下信息傳輸是長久以來的難題[12]。

此外, 水聲通信涉及到調制解調、編碼、信道均衡、相干和非相干水聲通信信號處理等許多方面。此外水聲通信安全問題也非常關鍵。

3.7 深海能源自持及補給技術

該技術是保障水下預置武器長效自持運行的關鍵技術。近海底附近海流較小, 不能采用傳統波浪能、海流能發電裝置進行補給, 針對深海海流特性、高背壓特性, 可采取的主要技術途徑有: 1) 預置高比能能源系統實現自持, 如氫氧燃料電池、核能等; 2) 采用輔助裝置實現低功率發電補給, 例如水下風箏[13]等裝置; 3) 采用無線充電方式, 通過外部進行能源補給; 4) 開發利用海底新能源轉換技術, 例如發展利用海底溫差、鹽差、生物能等轉化方法進行長效自持補給。

3.8 輔助決策技術

該技術是預置武器實現正確決策的核心技術。輔助決策一般分為預置武器自主決策和岸基指控系統決策2個部分。預置武器自主決策控制武器平臺全工作過程, 實現包括各功能模塊工作狀態監控、模塊間信息交互、綜合信息任務決策等功能, 當預置武器與岸基指控系統通信鏈路損壞時可獨立決策。岸基指揮系統用于指揮控制預置武器, 兩者通信鏈路正常情況下, 負責預置式武器平臺的跟蹤查證、隱蔽打擊等任務的確認。

當預置武器處于靜默潛伏警戒狀態時, 根據被動探測信息, 自主決策是否執行航行跟蹤探測; 當更換位置后, 在確保周圍環境安全的情況下, 預制武器釋放浮標, 向岸基指揮系統報告自身的位置, 并適時回傳收集的探測情報, 此時是否實施打擊的決策由岸基指控系統做出。

4 結束語

文中通過介紹國外典型水下預置武器的研究進展, 歸納分析其發展脈絡、功能特點和關鍵技術, 認為水下預置武器所具備的隱蔽性、兵力零戰損、低保障需求、區域控制能力、多任務及查打一體化等優點, 有望在反介入/區域拒止作戰中發揮重要作用。同時, 從國外該領域研究情況來看, 作戰體系尤其信息體系的支撐仍是此類裝備發揮效能的關鍵; 基于交戰規則限制, 尚未見此類武器自主發動破壞性攻擊的功能描述。

隨著未來水下戰場向深海拓展, 水下預置武器作為一種新型武器裝備, 作為水下無人裝備向深遠海方向拓展的主要形式, 有望成為未來海洋立體空間站的主要武器裝備。我國對該類武器裝備的發展應予以重視。

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Development and Key Technologies of Preset Undersea Weapon: a Review

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Preset undersea weapon is regarded as a new form of future undersea attack and defense weapon equipment.Variety of payloads such as unmanned aerial vehicle(UAV), unmanned undersea vehicle(UUV), missile, torpedo which are used to perform tasks like reconnaissance, strike, area denial, etc., can be preset on a continental shelf or an island chain through preset undersea weapons for long time lurk, waiting for remote activation.This system aims to construct the multi-dimensional battlefield by taking the advantage of integrated resources of the land, maritime, undersea, air, space.In this paper, the characteristics, functions and key technologies of the preset undersea weapon are analyzed according to recent open reports and literatures.Eight key technologies are summarized, including remote activation technology, deep-sea long-term anti-pressure and corrosion protection technology, preset load launching technology, stealthy deployment technology, deep-sea detection and reconnaissance technology, underwater networking and communication technology, deep-sea energy self-sustaining and resupply technology, and auxiliary decision making technology.This article may benefit to promote the construction of undersea preset unmanned combat equipment in China.

preset undersea weapon; remote activation; area denial

TJ6; E925.2

R

2096-3920(2018)06-0521-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.002

2018-10-16;

2018-11-20.

楊智棟(1987-), 男, 博士, 高級工程師, 從事水下航行器總體性能研究.

楊智棟,李榮融,蔡衛軍,等.國外水下預置武器發展及關鍵技術[J].水下無人系統學報, 2018, 26(6): 521-526.

(責任編輯: 陳 曦)