美国海军无人航行器装备技术及应用研究

陈 锋，李 奔，王 敏

(1. 海军装备部海军991工程办公室，北京 100161；2. 中船重工第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

美国海军无人航行器（UUV）的研究工作始于20世纪70年代末，进入21世纪后，美国对UUV的发展和应用进行了系统梳理，认为UUV不仅是水下力量的补充，更是水下力量的“倍增器”，是美国未来保持水下优势的关键。

1 美国无人航行器的装备发展现状

美国2004年发布的《水下无人航行器主计划》，按照水下无人航行器的重量、排水量、载荷和续航力不同，将其分为便携型、轻型、重型和巨型4类，如表1所示。

表1 美国海军UUV分类标准Tab.1 Category standard of US navy’s military UUVs

依据分类，现阶段美国海军主要服役及研发的UUV型号如表2所示。

随着美国海军新的战略转型，水下无人系统发展逐步进入择优发展期，不断对原有装备进行改良与优化，并真正在实战中使用水下无人系统执行反水雷、情报/监视/侦察、海洋调查等任务。

表2 现阶段美国主要服役及研发的UUV装备Tab.2 Main UUVs being used and being researched by US Navy at the present stage

值得注意的是，为缓解美国海军潜艇数量不足问题，美国提出研发大型（LDUUV）和超大型（XLUUV）无人潜航器，可携带轻型鱼雷等反潜武器，具有较长续航能力，用于关键海域反潜巡逻和情报监视侦察等任务。美国海军已经授予多个供应商XLUUV的研发合同，如波音公司的“回声航行者”（Echo Voyager）、洛·马公司的“虎鲸”（Orca）等，并将在未来从中挑选性能更好的型号，交付海军。

2 美国无人航行器的技术现状

目前，美国UUV技术处于全球领先地位，但动力、通信、自主控制和回收布放技术与实际应用需求相比，仍存在差距，是当前发展的重点。

动力技术方面，目前以可充电锂电池为主要能源，航速一般不超过5 kn；便携型UUV续航时间小于15 h，航程小于50 nmile；重型UUV续航时间小于50 h，航程小于200 nmile。部分重型及巨型UUV开始使用比能量更高的燃料电池，研发并应用比能量500 W·h/kg的燃油重整固态氧化物燃料电池，续航里程达12 000 km以上。未来，为提高电池能量密度，将通过阳极优化技术以开发性能更加先进的锂电池。美国的科研机构正在研发新型的铝-水电池系统，当UUV在水中航行时，海水被引入电池系统，并在阴极处被分解为氢氧根离子和氢气，产生的电子向沿途的电路提供能量。该电池可将航程约100 nmile的“激流”型UUV的航程提升至1 000 nmile。

通信技术方面，目前水下通信技术已获突破，在满足UUV指令和探测信息传输带宽条件下，通信距离可达15 km。未来在较长时间内，UUV在水下将仍以水声通信为主，重点发展信号调制技术、信号传输处理技术及信道编码技术，以降低误码率、提高通信带宽。此外，美国还在探索蓝绿激光通信技术，大幅提高UUV编队间短程通信带宽。

自主控制技术方面，目前UUV主要采用预先编程设计，复杂任务下综合、可靠、完全的自主控制能力是未来的发展方向，美国正在研究相关的控制架构设计与基于神经网络自主控制技术。

布放回收技术方面，舰载UUV技术成熟，潜载UUV回收布放技术处于探索之中，趋势是通用发射管的回收布放方式，目前正在探索电磁发射技术的应用。

导航技术方面，目前UUV均采用综合导航，导航精度可达航程的0.1%，能够满足当前航程下的导航要求。未来美国提出将导航精度提高100倍，采用海底地形匹配技术，其关键之一是测深技术，美国在该领域处于领先地位，测深可达11 000 m，其他国家最大测深300～10 000 m。

3 美国无人航行器的应用发展

2016年，美国海军在《2025年无人航行器需求》将UUV的基本作战任务由9项演变为13项，包括：情报、监视和侦察；环境探测；反水面战；反潜战；打击；水雷战；反水雷战；特种作战；进攻性海床战；电磁机动战；欺骗战；防御性海床战；指挥、控制与通信等，进一步拓展无人航行器水下作战模式。根据以上表述以及美国海军近年来在发挥UUV作用方面开展的探索和试验，UUV的作用可归纳为两大方面：

1）构建机动式水下网络，未来向察打结合发展。经过多年的发展，美国探索了多种UUV方案，构思了利用UUV搭建反潜、水下通信等多种用途水下网络的设想并已开始着手研制，更多UUV作战概念如图1所示。担任这些网络节点的UUV各有特色，“海上滑行者”等滑翔式UUV行动缓慢，但可在水中连续航行数年时间，是探测、通信、环境感知的多面手；大排水量UUV等大型UUV负载能力强，可容纳和布放关键传感器；REMUS等小型UUV是水下网络中的多数派，与滑翔式UUV一起，确保覆盖一定面积海域。当前UUV尚不具备携带武器能力，且自主程度有限，它们构成的水下网络发挥作用仍需水面舰艇或潜艇较深介入，攻击需由其他平台完成。根据美国海军的设想，未来的巨型UUV将具备武器能力，移动式水下网络有望最终成为察打一体的系统。

2）作为隐密/危险/高成本任务的替代平台。现有UUV均采用电动力，噪声水平远低于有人平台，运行成本低、政治风险小，在需要隐秘行动的抵近侦察和耗资巨大的海洋环境测量等方面，已经开始替代美国海军的相关有人平台，如图2所示。美国已开始采购总数150艘滑翔式UUV，用于海洋环境调查，此外，美国海军还在构思利用巨型UUV承担秘密运输任务。UUV造价低（重型UUV造价仅为百万美元量级），且损失不会导致人员伤亡，是美国执行危险任务的重要替代手段，已成为制式反水雷的主要力量之一。

4 对海战产生重大影响

1）改变传统海战场建设模式，使海战得到更实效数据的支撑

美国海军设想，利用滑翔式UUV的长时间大范围机动能力，持续、隐蔽、高效进行海洋环境调查；利用重型UUV足够的隐蔽性与机动性，可在敌近海甚至内河进行兵力部署、舰艇目标特性等数据收集。上述工作可悄然完成，无需担心干扰和阻挠，且可反复进行，有望实现海战场基础数据收集的高度自主化，提高建设和更新速度，根本改变传统的海战场建设模式，确保海战场数据的时效性，为海战提供更加真实可靠的背景数据。

2）改变水下无法完全掌控的现状，实现局部海域的“完全透明”

美国海军在多个场合承认，“迄今为止，水下是谁都无法完全掌控的领域”，因而是海上非对称作战的重要领域。但随着多个UUV组成移动式水下探测网络设想的完善和实现，美国海军有望获得完全掌控局部海域的能力。根据美国海军的设想，几十个UUV及其自带和布放的传感器就能实现对100 km见方乃至更大面积海域的实时态势感知。利用水声传感器由深海海底向上探测（干扰少）或利用大量UUV在指定区域内机动探测（主动寻找最佳探测位置并形成全覆盖），使该海域对美国海军完全透明，从而为编队防护提供及时准确的预警信息，为反潜提供精确的目标信息。一旦上述设想实现，将使美国海军的防御体系更加完善，进一步增加他国非对称作战的难度。

3）使水下出现一种更难对付的“幽灵”

按照美国海军的设想，一旦UUV解决武器搭载能力、自主化和远航程所需动力等问题，就会形成由单个UUV加多个传感器或多个UUV组成的察打一体的水下移动集群。这种集群比潜艇更加安静、更加难以探测；其控制范围根据集群规模，可大可小；由于无乘员，其活动也将比潜艇更加灵活。该集群的上述特点使其防御更加困难，反起来需要消耗更多兵力。其存在不仅对水面舰艇形成巨大威胁，也将对潜艇的活动形成威慑，将成为更加令人头疼的水下“幽灵”。

5 发展预测

未来，随着美国UUV装备的发展，关键技术的突破，作战概念的成熟，UUV必将实现大规模的应用。2020年前，除“察打一体”UUV外，目前所有应用概念都将实现，届时，UUV将大量替代有人平台执行危险/隐蔽任务，主战舰艇都将配备UUV接口。美国将实现水下战场从“平台密集型”向“传感器密集型”转变，建立更加完善的水下空间数据库，实现水下战场空间局部透明以及水面/水下联合作战。自主控制技术突破后，UUV将进入新的应用阶段，实现更大规模的应用，将推动水下作战从“有人大平台对抗”向“无人小平台对抗”转变。