日臻成熟的UUV可承担新的海军任务

依存妄想症候群 · 发表于水下机器人&ROV&AUV&UUV 2022-11-14 23:00:55

无人水下航行器（UUV）不久前还被认为是一种新鲜事物，但现在已成为世界各国海军的一种日益重要的工具。Richard Scott简述了UUV迄今为止的用途，讨论了用于更复杂任务的大型航行器的开发问题。

最近20年来，UUVs已加入了海军的主流作战装备。美国海军（USN）的首次作战部署是在2003年，它当时是作为在伊拉克乌姆盖斯尔（Umm Qasr）港内和附近进行的港口清除行动的一部分。UUVs今天已广泛用于支援反水雷（MCM）、航道测量、港口监视、海洋和水道调查、战场情报准备。

现成的“当前最佳实践”（state of the practice）方法，使海军能够直接利用已在商业和研究领域得到验证的UUVs技术，加速将产品应用到一线，并获得早期的实践经验。经过一段时间，军事用户的特殊需求也带动了航行器的发展和专用传感器/载荷的开发。

现在很明显的是，与特定任务集相关的航程、持久性和载荷能力正在推动大型航行器的开发和验证，这类航行器能承担更复杂的隐蔽任务，并具备部署一系列包括动能效应器（effector）在内的任务载荷的能力。

1 COTS遗产

迄今为止，各国海军在水下无人系统方面的雄心，在很大程度上是通过采购商用货架（Commercial Off-The-Shelf，COTS）小型和中型UUVs来得到了满足，这些UUVs配套了COTS声呐和/或定制声呐载荷以及事后分析工具（post-mission analysis tools）。许多这类系统最早可追溯到科学界和学术界，其它一些则是为海洋调查开发的。

便携式UUV扩散得最为广泛，这类系统的典型代表有：Hydroid公司的REMUS 100、通用动力任务系统公司的Bluefin-9、BAE系统公司的Riptide-9、L3 Hardris公司的Iver3、Teledyne公司的Gavia和ECA公司的A-9，人们发现这一级别的航行器很适合在浅海和极浅海环境下进行调查作业。这类系统具有吸引力是因为：后勤保障要求低、易于发射和回收（只需2人布放/回收）、能够携载许多不同的载荷。

已有一定数量的中型UUVs进入军中服役，如Hydroid公司的REMUM 600和通用动力任务系统公司的Bluefin-12。这些航行器能部署更大的载荷，具备更大的航深和更远的航程，很适合于需对大面积海床进行制图的水雷侦察行动。但由于它们的尺度和重量，需要用某种机械式辅助发射与回收系统在母船船艉或中部的舷外进行布放和回收。

其它更大的深海型UUVs也正在被多国海军使用，例如Hydroid公司的REMUM 6000和Kongsberg公司的HUGIN家族。这些UUVs是高度专业化的深潜（一般>3 000 m）型航行器，一般用于海洋研究、支持海床调查作业和/或辅助水下搜索/救援工作。同样，它们的尺度要求提供定制的发射与回收设备。

图1 在通过北马里亚纳群岛航渡期间，第3海岸内河中队（Coastal Riverine Squadron）和第5机动排爆部队远征MCM连的水兵正在回收一枚Mk 18 Mod 2“王鱼”（Kingfish）UUV。Mk 18 Mod 2是一型以Hydroid公司REMUS 600为基础的航行器

军用UUV用户在海床制图和目标探测传感器包中采用的主要技术是侧扫声呐。顾名思义，这些系统在所载航行器的任一侧扫描一定宽度的条带，以获得大面积海床的图像，图像一般与声测深度及海底剖面数据相配准。

巨大的商业产量和高度竞争的市场是非常相似的动态过程——公司为此而争夺，如：Marine Sonic Technology公司、EdgeTech公司、Klein Marine Systems公司和Tritech公司，这意味着海洋领域正在继续投资能够提供更高分辨率、作用距离更远、经济可承受的低功耗侧扫声呐载荷。因此，大多数国家的海军使用基于相同COTS产品的传感器载荷，也使用许多指定的双频系统，以在距离和分辨率需求之间取得平衡。

然而，合成孔径声呐（SAS）载荷也已吸引了海军界以及声呐制造商，包括：Kongsberg、Kraken Robotics、Thales、ECA等公司。SAS通过充分利用多个连续主动脉冲合成更大的基阵孔径，克服了传统侧扫声呐的局限性。这意味着SAS不受实际尺度的侧扫声呐的距离和分辨率限制，因此，可从UUVs上提供高分辨图像。

SAS有许多重要优点，如：在远距离上具有高分辨率、改善了亮点数据（用于提供分类性能）、提高了搜索率。然而，它的缺点是：对处理和功率有较高要求、需要一个稳定性好的安静型母平台、设备成本明显高于典型的侧扫声呐。在质量和数量的平衡方面仍存在争议，特别是对损耗进行权衡时。

图2 ECA公司的UMISAS合成孔径声呐在法国伊埃雷（Hyeres）海岸外发现的“费尔南多”（SS Ferrando）号残骸的高清图像

2 下一步工作

UUV制造商将继续巧妙地利用他们的商用货架产品，重点是提高航程、续航力和导航精度，升级处理能力，采用开放式结构和灵活的载荷，以满足多任务需求。航行器正在从增加的能量密度和改善的电源管理中获益，同时将继续在结构、电子和软件方面进行创新，并引入小型、低功耗、高性能的传感器和惯导系统。由于在传统意义上射频（RF）无法在水下远距离传播，声传播又无法保证远距离直接控制和数据交换所需的足够带宽，因此提高自主性和嵌入式智能也成为了要考虑的重点问题。

有时不得不在商品化和定制化之间进行选择。在一些情况下，海军客户的特定需求推动了一类解决方案：采用基于商用货架产品的航行器，主要集成定制载荷。美国海军（USN）的“刀鱼”（Knifefish）MCM UUV就是这样的代表：通用动力公司（General Dynamics）提供的Knifefish将商用Bluefin-21深海航行器与定制的低频宽带（Low-Frequency Broadband，LFBB）声呐结合在一起。LFBB最初是由美国海军研究实验室与超级电子海洋系统公司（Ultra Electronics Ocean Systems）及宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室共同开发的，用于优化对掩埋水雷的探测技术（详见“数字海洋与水下攻防”微信公众号《开发海军新技术要从基础科学入手——低频宽带声呐探雷技术》一文）。

然而，许多国家的海军都自然期望能从创新节奏快的商业领域中获得成本、时间和性能优势。他们开始不一味追求拖沓的计划项目（Programme of Record，POR），而是采用有明显吸引力的、更灵活的采办方法，力图利用一流的商用货架技术和提高了模块化/开放式结构水平的航行器不断升级主要子系统，并投入市场。

人们也日益开始认识到，UUVs将作为一个更庞大的大系统（system of system）中的一部分发挥作用。这类包括多个系统、操作者、接口、数据网络的体系结构将可不避免地带来自身的复杂性。未来10年仍需在以下方面做大量的工作：作战概念的成熟化，全面理解如何以最佳管理和实施方式实现向无人自主水下作战的转型。

人们现在对将UUVs应用于需要不同载荷的、更复杂的任务的兴趣与日俱增。这些载荷包括：用于水面以上进行电子监视/信号情报侦察的被动RF传感器，作为网络化、多基地反潜（ASW）兵力作战一部分的主动声源/被动拖曳阵。

位于意大利拉斯佩齐亚（La Spezia）的北约（NATO）海洋研究和实验中心（Centre for Maritime Research and Experimentation，CMRE）的ASW项目中的海洋无人系统已经运行了多年。这项活动的目的是使NATO成员更好地认识到：多航行器配置的空间特性可被优化，可为在不同ASW任务区最大程度地实现高效率和高效能的无人能力提供指导。

作战研究和实验一直在通过混合网络、部署主动和被动传感器的平台、低功耗远程平台的应用来探索先进的ASW协同自主性。实验和演习中使用的CMRE的“海洋探索者”（Ocean Explorer）UUV已成为了这项活动的关键贡献者。它参与的活动包括：声呐信号处理研究、水下通信、导航和机器人行为、ASW海上决策支持。

3 进入大型UUV时代

必须承认，有些任务集所需的航程、耐久力和载荷能力超出了商用货架UUVs所能提供的能力。为满足这些需求，USN正主持着她的UUV系统族（UUV Family of Systems）中两型新型远程多任务航行器的开发：潜射“蛇头”（Snakehead）大排量UUV（Large Displacement UUV）和从港口或两栖母船布放的“虎鲸”（Orca）超大型UUV（XLUUV）。

就LDUUV和XLUUV能力的升级方法而言，USN的核心思想是采用模块化设计原理，当新技术成熟后可及时插入。这两个项目都从海军研究办公室（Office of Naval Research，ONR）获得了前期科技（S&T）投资，建造出并演示验证了创新的海军原型（Innovative Naval Prototype，INP）航行器，国防科学、学术和工业界都参与了早期的技术开发活动。

“蛇头”LDUUV项目是对有人水下平台的补充和加强，可使有人潜艇执行更复杂的任务。LDUUV可由潜艇储存、发射和回收（装备了现代化的干式甲板遮蔽舱（Dry Deck Shelter，DDS）和载荷处理系统（Payload Handling System）的潜艇），该系统被视为是能冒险进入拒止区从而扩展母平台感知能力的“力量倍增器”。早期的LDUUV航行器被设计为能支持作战环境的情报准备任务，未来的航行器任务可能包括部署各种载荷。

图3 “蛇头”LDUUV项目是对有人水下平台的补充和加强

“蛇头”项目充分利用了工业界、学术界和海军研究部门早期的S&T投资，特别是ONR在FY2011财年启动的LDUUV INP项目。除了建造2艘LDUUV原型外，INP还帮助一些关键技术实现了成熟化——能源、自主性、航程、潜艇发射与回收——这些都是完成远程任务所必需的，如要求执行ISR任务的UUV的续航力超过60天。

前2艘LDUUV创新原型（Innovative Prototype）航行器——INP1和INP2由ONR于2017年交付给海军，此后移交给海军水下战中心（NUWC）基波特（keyport）分部，由UUV第1中队（UUVRON）使用。但这些并非真实世界（real-world）任务航行器，它们被用于训练UUVRON人员和获得使用者的反馈。

现行“蛇头”LDUUV加速采办策略始于政府主导、重要行业参与的阶段I原型航行器的开发。NUWC纽波特（Newport）分部作为政府所主导系统的集成方，在2021年开始对阶段I航行器单独进行试验与评估活动。

2020年12月，海军海上系统司令部（NAVSEA）发布了“蛇头”项目阶段II的建议征求书（Request for Proposal，RFP），包括2艘原型航行器的设计、开发和制造。NAVSEA计划在FY2021财年末采用竞争方式将合同授予单一供货商。阶段II提供的航行器将首次被用于作战行动。

4 “虎鲸”（Orca）的研发

“虎鲸”XLUUV项目是为了响应亚太战区反A2/AD联合紧急作战需求（Joint Emergent Operational Need，JEON）而开发的加速采办项目。XLUUV基本是一艘无人微型潜艇，它航渡到作战区、巡游、周期性地建立通信联系、布放载荷、返回基地（理论上直线航行距离为2 000 n mile）。

图4 波音公司的“虎鲸”XLUUV实际上是一种无人微型潜艇

2017年3月初发布了“虎鲸”XLUUV的RFP，到该年5月底共收到了工业界的3份建议书。2017年9月底，波音和洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）分别获得了经费资助，进行了为期15个月的阶段I竞争性设计和研发。两家公司此后都完成了设计工作，并拟制了阶段II的建议书。

2019年2月，波音公司被授予价值2.744亿美元的合同，提供5艘XLUUV和相关保障服务。波音公司与亨廷顿·英戈尔斯（Huntington Ingalls）公司组成联合团队，基于它的商用“回声旅行者”（Echo Voyager）航行器进行设计。长15.5 m的Echo Voyager可嵌入一个最长达10.3 m、容积为56.6 m3的模块化载荷段，可用于多种用途，载荷也可以延伸到航行器的包络之外。

已为XLUUV确定的一项任务是在对抗环境下布雷。XLUUV中段任务模块可布放Mk 68隐蔽投送水雷（Clandestine Delivered Mine，CDM）和“锤头”（Hammerhead）封装水雷。正在交付的CDM通过一套转换套件将老式水雷战斗部转化为水雷；“锤头”是一型以Mk 54轻型鱼雷为效应器的新型中-大深度锚雷。

2017年12月初，国防先进研究计划局（DARPA）授予应用物理科学公司（Applied Physical Sciences Corp）和诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）初始设计合同，在“猎手”（Hunter）项目下为“虎鲸”XLUUV开发灵活的载荷舱（payload bay）。“猎手”项目旨在为XLUUV投送先进的水下载荷开发创新性概念。

展望未来，DARPA的战术技术办公室（Tactical Technology Office）已设立了“蝠鲼”（Manta Ray）项目，其目的是演示验证能使重载型UUVs执行长期、远程任务的创新技术。根据DARPA的信息，“蝠鲼”要克服现有UUV设计中螺旋桨驱动推进动力需求及固定电池容量对UUV的约束。

图5 DARPA的战术技术办公室（Tactical Technology Office）已设立了“蝠鲼”项目，其目的是演示验证大续航力、远程UUVs的创新技术

DARPA确定的感兴趣的特定能力还包括：新颖的能源管理技术，创新的低功耗传感器和任务管理技术，高效水下推进系统，水下能源捕获技术（在与工作相关的深度），长期任务期间减轻生物污染、腐蚀和其它材料损伤的新方法，利用现有和新获得的海洋数据进行高效导航和/或通信的创新手段。

DARPA于2020年3月将阶段I合同授予了洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和Navatek公司（现在是马丁防务集团），用于开发概念，完成初步设计审查（Preliminary Design Review，PDR）。第4家公司——Metron公司也被授予了合同，进一步开发在必要作战深度上捕获水下能源的关键技术和工艺，使其成熟化。

PDRs在2021年初完成。此后，诺斯罗普·格鲁曼公司和马丁防务集团（Martin Defense Group）又获得经费，继续使设计成熟化，在2021年底达到关键设计审查里程碑。航行器的制造与试验在后续阶段II中进行。Metron公司也被赋予了继续开发新颖的能量捕获技术的任务。

参

考消息Part
01英国试验XLUUV以探索未来自主水下能力

作为未来自主水下能力项目的一部分，英国皇家海军（RN）正在探索超大型无人水下航行器（XLUUV）的作用。特别是，海军正在研究如何增加它在水下战场中的存在，提高平台的数量，降低人员生命风险。

为能使超大型海洋自主系统的能力和需求更好地服务于未来的海军作战，英国国防部（MoD）于2019年9月将“国防和安全加速器”（Defence and Security Accelerator，DASA）的一份合同授予了位于普利茅斯（Plymouth）的MSubs公司，用于换发新证和升级公司现有的S201有人潜艇，使其成为无人水下航行器的试验床。

在MoD下属国防科技实验室（Defence and Technology Laboratory，Dstl）的管理下，DASA创新基金旨在加速具有潜在军事转型优势的创新工艺和技术的去风险（de-risking）和演示验证。DASA关于XLUUV的长期目标是：能够独立作战至少3个月，作战距离距布放位置可达3 000 n mile，可携载、投送和回收不小于2 m3和2 t的试验载荷。

9 m长的S201 XLUUV（也称“曼塔”（Manta））是一型最初为有人作战而研制的8.9 t航行器。在项目的阶段1中，MSubs公司对S201进行了改装，安装了一套自主控制系统，使之能够进行无人作战和短程适航性/自主性试验。航行器的改进型也易于插入和试验各种技术和载荷。第2阶段海试从3月开始。

DASA于2月发出了在XLUUV上试验新型传感器和载荷的竞争性号召，以帮助RN形成对UUV系统用途和作战边界的理解。潜在的传感器类型包括：光电载荷、电子战载荷、通信电子支援载荷、用于ASW的声学或非声监视系统。XLUUVs的其它赋能能力是指提高机动性、控制、续航力、能源、自主性、信任度、可靠性、可用性和费效比的技术和工艺。

DASA已刻画了远程作战背景下的3个想定。第1个是用XLUUV进行较长时间的隐蔽情报收集，用各种水面和水下传感器进行监视；第2个是将XLUUV用作为特定位置的ASW屏障；第3个是用XLUUV在海床上隐蔽布放传感器载荷，以后再适时进行回收。

图6 作为未来自主水下能力项目的一部分，英国正在试验XLUUV。图中所示为MSubs公司的S201试验床航行器

Part
02澳大利亚在“海上项目1778”中引入可部署的MCM能力

皇家澳大利亚海军（RAN）最近已在“海上项目1778”（Project Sea 1778）阶段1引入了一些Bluefin-9和Bluefin-12 UUVs，作为可部署的MCM能力的一部分。

根据与泰利斯澳大利亚公司（Thales Australia）的合同，Project Sea 1778的主要系统集成商——通用动力任务系统公司（General Dynamics Mission Systems）已经提供了4枚Bluefin-9 UUVs和3枚Bluefin-12航行器，力图构建一支具备前出战术MCM能力的海上任务群。基地位于悉尼HMAS Waterhen的澳大利亚水雷战第16分队（Team 16）已被赋予相应的能力，也包括：用于遥控感应扫雷的USVs、3艘MCM支援艇、“海狐”（Seafox）一次性灭雷系统。

两型Bluefin航行器都装备有Sonardyne公司的Solstice多孔径侧扫声呐，用作为对水雷进行搜索和分类的标准配置。根据Sonardyne公司的信息，Solstice代表了传统侧扫技术和SAS之间的一种折中设计，它可提供无失真的高对比度成像；扫宽为200 m，与SAS相当；且更紧凑、低功耗。

每个Solstice基阵使用32个多波束阵元，沿扫宽全长进行聚焦。因此，高分辨率（沿航迹方向0.15°）宽幅成像适合于同时搜索与分类。

Sonardyne公司与澳大利亚国防软件工程公司合作，将Solstice集成到RAN使用的MINTACT水雷战指挥软件中。这意味着Solstice在MCM任务期间收集的声呐数据现在能够输入到大多数最近发布的MINTACS中，并在MINTACS指挥软件中进行处理和显示。除了可以显示和读取Solstice的数据外，MINTACS也能让操作者标记感兴趣的似水雷（mine-like）目标，并用舰上的自动目标识别程序处理图像。

图7 在Project Sea 1778装备课程培训期间，正从一艘MCM支援艇上回收一枚Bluefin-9 UUV

编译：Whitehead

译自：Janes Naval International

转载自公众号：“数字海洋与水下攻防”公众号

日臻成熟的UUV可承担新的海军任务

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