国外水下预置武器发展及关键技术

杨智栋, 李荣融, 蔡卫军, 郑 为



国外水下预置武器发展及关键技术

杨智栋, 李荣融, 蔡卫军, 郑 为

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

水下预置武器作为一种未来新型的水下攻防武器装备，将无人机、无人水下航行器、导弹及鱼雷等作战装备预先放置于大陆架、岛链等敏感海域并进行长时间潜伏，通过远程激活后执行侦察、打击及区域拒止等任务，该体系将岸-海-潜-空-天等资源根据作战任务进行整合，通过发挥整体优势来夺取未来水下战场空间。文章通过整理近年来国外公开报道的水下预置武器装备信息资料，分析其主要功能特点，概括提炼出包括远程激活技术、深海长时耐压防腐技术、预置载荷发射技术、隐蔽布放技术、深海探测侦察技术、水下组网通信技术、深海能源自持及补给技术和辅助决策技术等8项关键技术，旨在推动我国水下预置无人作战装备的构建。

水下预置武器; 远程激活; 区域拒止

0 引言

随着海洋开发利用不断向深远海方向的发展, 维护海洋立体空间的权益已对水下武器装备发展提出了新的使命要求。随着智能化、信息化的快速发展, 以无人技术为主导的无人机、无人艇、无人水下航行器等无人装备将逐渐成为未来战场的主角。美国于2016年发布了《2025年自主水下航行器需求》, 提出了海床战、反AUV战等新兴作战概念, 拟构建新型水下无人作战体系、水下攻防系统及水下预置系统等装备[1]。其中, 水下预置系统作为一种新型的水下攻防武器装备, 将无人机、导弹和鱼雷等作战装备预先放置于大陆架、岛链等敏感海域并进行长时间潜伏, 通过远程手段激活后执行侦察、打击、航路封锁等任务, 该体系将岸-海-空-天-潜等资源根据作战任务进行整合, 通过发挥整体优势来夺取未来水下战场空间[2-3]。

文章通过整理近年来欧美等国公开报道的有关水下预置武器装备信息资料, 分析其功能特点, 提炼出相应的关键技术, 以推动我国水下预置无人作战装备的发展, 助力水下无人作战体系的构建和完善。

1 研究现状

1.1 自导水雷/潜伏式鱼雷

典型的自导水雷装备有美国MK60“开普特”系列、俄罗斯ПМT-1、МТПК等装备[4]。

自导水雷, 亦称潜伏式鱼雷, 是一型以锚雷为装载平台, 以轻型鱼雷为攻击载荷的水中兵器, 其作战示意图如图1所示[5]。

1.2 Hydra

Hydra又称“海德拉”或“长蛇座”[6], 该项目由美国国防高级研究计划局(defense advanced resear- ch projects agency, DARPA)于2013年发布。Hydra系统是一种无人值守、长期待机的水下作战平台族系, 包括情报监视侦察型、火力打击型、水下/空中无人载具母船型及特种部队装备支援型等。

Hydra系统能在水深300 m的海区连续潜伏数月, 通过被动方式接收指挥、控制和情报等信息, 完成特定任务[7]。系统具备海空监测手段, 智能化程度高, 响应迅速, 突防概率高, 具备强大的打击能力, 且与有人/无人平台协同作战, 如图2所示。

1.3 浮沉载荷

浮沉载荷(upward falling payload, UFP)[7]项目由DARPA于2013年发布, 旨在研制一种可长期潜伏的分布式无人作战装备, 用于在海洋环境中建立即时战术支援系统, 对敌方目标进行突袭、侦察或干扰, 为己方提供战术支援。

UFP通过飞机、舰艇等平台进行部署, 可潜伏于深海数年之久, 一旦需要, 可通过远程激活链路实现唤醒, 将内置载荷快速升至水面发射后, 执行态势感知等任务。如图3所示。

UFP包括3个关键子系统: 内置水下/空中载荷、耐压上浮密封舱和远程激活链路。

在该项目第1阶段, DARPA资助了深海远程通信、深海耐压容器设计及深海载荷释放发射等研究, 该项目现已进入原理样机演示验证阶段。

1.4 分布式敏捷反潜系统

分布式敏捷反潜系统(distributed agile submarine hunting, DASH)[8]由深海和浅海2套子系统组成。2套子系统在探测方式、探测区域上互补, 以提高侦察探测效率。

DARPA公布的数据显示, 采用单个UUV潜伏于海底6 000 m附近进行上方海域监测, 其监测范围直径可达55~75 km, 单个UAV的监测直径可达40~55 km。整个DASH作战示意见图4。

深海子系统采用声学探测方式, 由“可靠声学路径转换系统”(transformational reliable acoustic path system, TRAPS)和“潜艇风险控制系统”(submarine hold at risk, SHARK)组成。TRAPS是一种固定式被动声呐节点, 群体散布在深海海底, 用于探测潜艇; SHARK是一个集成了主动声呐探测系统的UUV(如图5所示)。浅海子系统主要采用非声探测手段, 由无人机搭载非声传感器自上而下对浅海进行监视。

1.5 深海导航定位系统

2016年5月, DARPA向英国BAE系统公司授出深海导航定位系统(positioning system for deep ocean navigation, POSYDON)[9]项目第一阶段初始设计合同, 进行样机系统开发和技术演示验证。

POSYDON是一种类似GPS星座的无源导航定位系统, 由固定部署在海底的大量水声传感器组成。该系统可以使潜艇或水下航行器等作战平台摆脱对GPS导航系统的依赖, 无需上浮即可具备高精度定位和导航能力, 有望大幅提高水下平台的隐蔽作战能力。

1.6 俄罗斯“赛艇”导弹

2013年5月, 俄罗斯在白海进行了水下固定弹道导弹的发射试验。该代号为“赛艇”的导弹可装在集存储、运输和发射于一体的特殊储运发射装置中, 由小型潜艇秘密运送至海底布设并长期隐蔽待命。接到激活指令后, 从海底发射升空执行攻击任务[10]。

目前, 俄罗斯马克耶夫国家导弹中心仅向媒体证实了其正在按照相关性能指标生产赛艇弹道导弹, 但未透露细节。相关文献分析认为, “赛艇”导弹属于俄P-29RM“轻舟”潜射弹道导弹系列, 其性能指标如图7所示。

综上所述, 以美国为例, DARPA针对水下载荷投送支持了两类课题, 具体包括以水下可移动平台为依托的Hydra计划与以深海静止平台为依托的UFP计划; 针对区域侦察引入了以深海UUV顶视探测与UAV俯视探测相结合的海-空立体反潜探测计划; 在水下定位导航方面提出了水下无源导航定位系统计划。据此, DARPA已清晰描绘出美国针对海洋立体空间、跨区域作战布局的分布式预置武器体系。

2 主要功能特点

水下预置武器主要有指挥控制、隐蔽探测侦察、水下导航定位以及突袭打击等任务功能, 装备形式有固定式、移动式和组网式等。

根据技术水平发展, 可将水下预置武器主要功能分为基本型和扩展型2类, 其中基本型水下预置武器定位为单节点、低成本, 针对局部海域反信息封锁等任务; 扩展型水下预置武器则定位为多节点、多样化平台及分布式组网, 针对广域立体海域控制, 层次结构如图8所示。

通常, 水下预置载荷可按功能定位划分为两大类, 即探测侦察型载荷, 具体包括: UUV、UAV等; 以及武力打击型载荷, 具体包括: 鱼/水雷、导弹等。

2.1 基本功能

1) 预置单个功能载荷, 携带单个水下/水面探测侦察类功能载荷, 可长期潜伏于海底附近;

2) 支持远程激活唤醒;

3) 唤醒后可释放功能载荷执行既定任务。

作战流程主要有: 采用空中或水面平台进行布放, 下潜至海底附近完成底栖, 并处于休眠值更状态。接收到远程激活信号后, 释放功能载荷执行作战任务。

2.2 扩展功能

1) 可配置探测侦察、攻击等多种功能载荷。

2) 分布组网方式, 以固定式、移动式为平台节点, 以水声、光等介质为信道, 构建分布式水下预置侦察打击网络。

3) 隐蔽探测侦察。利用深海隐蔽、纵深大、水文条件良好等特点, 实施对敌水面舰、潜艇、UUV的隐蔽探测侦察。获悉目标占位态势、运动要素等信息, 为功能载荷的抵近侦察、诱骗、时敏打击提供信息基础。

4) 可靠通信链路节点。作为通信物理节点, 为“岸-海-潜-空-天”五维网络化立体作战模式提供硬件支撑。

5) 辅助决策。基于大数据和人工智能技术, 对受控海域的敌我态势发展进行推演分析, 为战场局势的人工决策提供支持。

6) 长期自持保障。依托水下有人/无人平台进行水下预置装备的维护检修、布放及回收等作业。具备水下能源自补给能力, 可有效维持水下预置装备的长期运行。

3 关键技术

由水下预置武器装备的作战环境和使用特点, 分析该类武器装备所涉及的主要关键技术有以下几方面。

3.1 远程激活技术

该技术是支撑水下预置武器作战使用的必备技术之一, 且激活距离远、实现途径隐蔽、信息链路可靠。技术途径主要有以下几点。

1) 海底电缆激活, 该方式信息链路稳定可靠, 强依赖于海底基础设施。激活距离与预铺设电缆长度相关, 限制了水下预置武器的布放范围, 隐蔽性较差。

2) 海底地幔电磁波激活。将激活接受电极伸入海床, 由岸基设备通过激活电极发送甚低频电磁波信号, 实现远程唤醒、激活。据悉, 该方式的激活距离可达数百公里。

3) 深海声信道激活。在深海水平信道中, 存在着一个特殊的声信道, 称为深海声信道。当声源位于声道轴附近时, 声信号可沿声道轴传得很远, 且信道的多径扩展和相位波动均较小。采用深海声信道方式, 理论上可实现超远程的水声通信(100～1000 km)。该方式要求信息源和接收端均位于深海信道内, 由于水声信道的时变特性, 信息链路的可靠性不足[11]。

4) 浮标唤醒。浮标是水下、水面以及空中平台的中继通信节点。通过飞机、舰艇等平台临时借助浮标进行链路唤醒、激活, 执行侦察、感知或打击等任务, 该方式可靠性高但隐蔽性较差。

3.2 深海长时耐压防腐技术

该技术直接影响水下预置武器预置时间指标。水下预置武器多布置于数千米海深, 且预置时间常以年计。海水作为一种强电解质溶液, 含有高浓度的氯离子和硫酸根离子, 长时间处于深海环境下, 耐压结构表面不可避免会遭受化学腐蚀、微生物腐蚀、电偶腐蚀等多种形态的腐蚀破坏作用。

多数预置载荷受承压能力和贮存条件所限, 难以直接长期处于深海环境中, 需借助耐压密封结构。预置武器的耐压密封结构设计除需考虑耐高压、防腐蚀作用外, 还需克服疲劳蠕变破坏。

3.3 预置载荷发射技术

该技术是保障预置武器发挥预定作战效能的关键。水下预置武器的内置载荷可分为出水载荷与水下载荷两类, 出水载荷通常包括导弹、侦察无人机等; 水下载荷包括鱼雷、UUV、诱饵等。

预置载荷的发射过程可分为2个阶段: 1) 内置载荷上浮至一定海深或海面; 2) 调整发射装置姿态, 满足发射条件要求后, 发射/释放内置载荷。

发射上浮阶段多数采用无动力方式, 并尽可能缩短上浮时间。对于发射后座力较大的载荷应采取近水面动态上浮发射, 发射筒上浮至预设深度后, 通过舱体浸水进行发射筒姿态的调整, 载荷采用自航出舱或内置预紧推力机构自主动作, 实现载荷与发射筒分离。

3.4 隐蔽布放技术

该技术是保障水下预置武器实现前期作战部署关键, 可进行水下预置武器布放的平台有飞机、水面舰、潜艇、超大型UUV等。

采用运载飞机布放时, 飞行速度、投放高度等参数受预置载荷抗入水冲击能力的制约。采用水面舰布放时, 实施过程易受海洋气候环境的影响, 这2种方式几乎不具备隐蔽性。

采用潜艇或超大型UUV方式进行水下预置武器布放, 有利于提升布放过程的隐蔽性, 但涉及潜艇及超大型UUV部分结构件的定制改造, 费效比较高。

3.5 深海探测侦察技术

探测侦察能力决定水下预置武器海域立体监控范围, 影响预置武器的综合作战效能。

水下预置武器底栖在海床附近, 水文波动小、干扰少, 不同于传统声呐探测以水平方向为主, 预置武器探测应以坐底垂直向上探测为主, 探测范围呈锥形。部署合理的水声传感器组合阵列不仅可对海域范围内的可疑目标进行预警监控, 也可为内置载荷发射提供初始目标信息。

3.6 水下组网通信技术

该技术是实现水下预置武器组网协同作战的必要支撑技术。

水声网络组网过程包括网络拓扑结构、多址接入、媒体接入及路由选择等环节。要实现水下协同作战, 首先要实现整个作战范围内的数据可靠获取分发。

据悉, 美军数据链现已能够实现陆、海、空、天所有作战平台间互联互通, 达到武器控制级的要求, 但在水下还远远达不到这一要求。恶劣的海洋环境对数据信息的传输速率、误码率均有较大影响, 因此高速率远距离水下信息传输是长久以来的难题[12]。

此外, 水声通信涉及到调制解调、编码、信道均衡、相干和非相干水声通信信号处理等许多方面。此外水声通信安全问题也非常关键。

3.7 深海能源自持及补给技术

该技术是保障水下预置武器长效自持运行的关键技术。近海底附近海流较小, 不能采用传统波浪能、海流能发电装置进行补给, 针对深海海流特性、高背压特性, 可采取的主要技术途径有: 1) 预置高比能能源系统实现自持, 如氢氧燃料电池、核能等; 2) 采用辅助装置实现低功率发电补给, 例如水下风筝[13]等装置; 3) 采用无线充电方式, 通过外部进行能源补给; 4) 开发利用海底新能源转换技术, 例如发展利用海底温差、盐差、生物能等转化方法进行长效自持补给。

3.8 辅助决策技术

该技术是预置武器实现正确决策的核心技术。辅助决策一般分为预置武器自主决策和岸基指控系统决策2个部分。预置武器自主决策控制武器平台全工作过程, 实现包括各功能模块工作状态监控、模块间信息交互、综合信息任务决策等功能, 当预置武器与岸基指控系统通信链路损坏时可独立决策。岸基指挥系统用于指挥控制预置武器, 两者通信链路正常情况下, 负责预置式武器平台的跟踪查证、隐蔽打击等任务的确认。

当预置武器处于静默潜伏警戒状态时, 根据被动探测信息, 自主决策是否执行航行跟踪探测; 当更换位置后, 在确保周围环境安全的情况下, 预制武器释放浮标, 向岸基指挥系统报告自身的位置, 并适时回传收集的探测情报, 此时是否实施打击的决策由岸基指控系统做出。

4 结束语

文中通过介绍国外典型水下预置武器的研究进展, 归纳分析其发展脉络、功能特点和关键技术, 认为水下预置武器所具备的隐蔽性、兵力零战损、低保障需求、区域控制能力、多任务及查打一体化等优点, 有望在反介入/区域拒止作战中发挥重要作用。同时, 从国外该领域研究情况来看, 作战体系尤其信息体系的支撑仍是此类装备发挥效能的关键; 基于交战规则限制, 尚未见此类武器自主发动破坏性攻击的功能描述。

随着未来水下战场向深海拓展, 水下预置武器作为一种新型武器装备, 作为水下无人装备向深远海方向拓展的主要形式, 有望成为未来海洋立体空间站的主要武器装备。我国对该类武器装备的发展应予以重视。

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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.

杨智栋(1987-), 男, 博士, 高级工程师, 从事水下航行器总体性能研究.

杨智栋,李荣融,蔡卫军,等.国外水下预置武器发展及关键技术[J].水下无人系统学报, 2018, 26(6): 521-526.

(责任编辑: 陈 曦)