潜艇作战系统能力提升技术途径分析

2019-06-03张加林司广宇

舰船科学技术 2019年5期

张加林，司广宇

(江苏自动化研究所，江苏连云港 222061)

0 引言

现代潜艇建造是一项非常复杂的系统工程，涵盖了电子信息、仪器仪表、新材料、加工工程、机械装置等主要工业技术领域，潜艇总体性能全面反映国家综合工业水平。潜艇各系统之间密切关联，相互影响，任何分系统关键技术得到突破、能力得到相应提升，都会对其他系统造成或多或少的影响，从而提高整体作战性能。作战系统性能重点反映观通、导航、指控、计算机、武器等领域的经验和技术水平。一方面，潜艇作战系统希望能够尽可能多的获取目标、战场环境等信息，为正确指挥决策、精确武器控制、快速实施攻击或防御创造条件；另一方面，潜艇需要尽可能发挥自身特点，保持高度的隐蔽性。虽然国外先进国家的工业水平、建造水平、作战理念各不相同，其潜艇作战系统设计方面也各具特色，但为作战服务这一根本宗旨均一致。因此，借鉴国外先进潜艇发展理念，从作战需求出发，全面分析潜艇作战系统能力提升技术途径，对于指导装备建设等具有重要意义。

本文通过综合对比分析，在国外先进作战系统的体系结构、设备组成、研究方向、指挥手段等方面，概括了代表当前先进水平的技术要点，提炼了影响潜艇作战系统能力的关键因素，并提出潜艇作战系统能力提升的主要技术途径。

1 潜艇作战任务及对作战系统能力要求

1.1 潜艇典型作战任务

由于受国际环境影响，不同历史阶段，各国海军对潜艇提出了不同的作战需求。一般美国攻击型核潜艇的使命任务侧重于航母编队护航、反潜和对陆打击，而俄罗斯攻击型核潜艇或常规潜艇使命任务侧重于反舰。尽管各国潜艇作战使命任务各有侧重，但普遍具备多任务作战能力，典型作战任务有：

1）隐蔽攻击

潜艇作为威力最大、最有效的水下武器平台，隐蔽攻击是其最主要、最经典的作战任务，包括隐蔽反舰、反潜2种任务样式。通常潜艇利用自身传感器（声呐、雷达、潜望镜等）探测并获取目标信息，或利用艇载无人作战平台，发现目标后使用鱼雷或导弹打击敌水面舰船及编队、潜艇，必要时应防御敌舰机联合对潜搜索和攻击。

2）远程打击

远程打击是随着远程武器装备而出现的潜艇作战样式，主要包括巡航导弹对海、对陆精确打击和战略导弹核打击等任务。潜艇作战系统根据上级指挥所目标指示或命令，使用巡航导弹远距离打击敌海上目标（水面舰船及编队）或陆上重要目标，或使用战略导弹攻击敌陆上战略目标。

3）护航警戒

护航警戒任务包括2种情况，根据护航对象不同，可分为2种，一种是潜艇为航母编队护航，即担任航母编队的对潜警戒、搜索和攻击任务；另一种是潜艇为弹道导弹核潜艇护航警戒，担任对敌反潜兵力的警戒和攻防任务。根据护航方式不同，又可以分为伴随护航和区域护航2种。

4）布雷和反水雷

通过布放水雷，完成对敌港口、重要水道进行区域封锁，同时，潜艇可通过携带无人作战平台进行水雷侦察，并将雷场信息通报给己方舰队。

5）隐蔽侦察

利用艇上的先进电子传感器能收集重要情报，可对敌方雷达、导弹部队和指挥部的位置进行定位，监视敌方通信和舰艇的活动，或监视其他威胁目标。

6）特种作战

可作为特种作战力量搭载平台，进行搜索、营救、侦察、破坏、火力支援等秘密作战行动。

1.2 对作战系统能力要求

为了完成上述作战使命任务，要求潜艇作战系统总体上具备“先敌发现，快速反应，武器强大，防御有效”的能力，具体要求包括：

1）综合探测能力

具备远距离、大范围、抗干扰、高分辨、高精度自主综合探测能力，发展及利用浮标、潜标、UUV、水声探测网等舷外探测手段。

2）态势生成能力

具备多源探测信息的综合处理能力，可快速、准确生成战场态势，必要时能够通过接收外部信息，实现对广域水下战场的有效感知。

3）快速反应能力

及时有效地输出作战指挥所需的各类信息，保证指挥员正确选择作战方案、快速进行战术决策、准确把握武器使用时机、及时准确设定/修正武器控制参数。

4）精确打击能力

装备远程、精确、智能武器，具备准确计算目标运动要素及武器控制参数、灵活组织武器通道能力，综合控制对海/对陆巡航导弹、鱼雷等多种武器，对远、中、近多个目标实施精确打击。

5）综合防御能力

装备潜艇自卫防空导弹、反鱼雷鱼雷、战役/战术水声对抗器材、UUV等武器，建立综合防御功能体系，具备综合应用海洋环境、主/被动防御等多种手段，能够对鱼雷、飞机等高威胁目标的综合防御。

6）适应作战任务快速转换能力

要求作战系统采用更加灵活的功能体系架构，支持快速完成任务转换。

2 典型潜艇作战系统组成及体系结构

作战系统组成与功能及能力密切相关，体系结构与指挥控制理念也密切相关，能直观反映系统能力。自20世纪90年代起，国外海军建造了多型先进的潜艇，其中以美国“弗吉尼亚”级核潜艇C3I系统、法国“蚰鱼”级常规潜艇SUBTICS系统、俄罗斯“阿穆尔”级常规潜艇Litiy系统最为典型[2]，这些系统普遍采用先进的设计理念、组成及体系结构，具有较大的借鉴意义。

2.1 国外先进典型潜艇作战系统简介[1-4]

1）美国“弗吉尼亚”级核潜艇C3I系统

“弗吉尼亚”级潜艇是首型考虑“网络中心战”要求的潜艇，其C3I系统是美国海军第1个全综合的潜艇作战系统，集成了潜艇上的4类23个电子系统和设备，其传感器配置、信息处理能力、作战指挥能力、武器及控制能力较强，系统及设备不断进行升级改造，设计理念和方法十分先进。

图1 美国“弗吉尼亚”级核潜艇Fig.1 U.S.Virginia-class nuclear submarine

2）法国“鲉鱼”级常规潜艇SUBTICS系统

“鲉鱼”级潜艇SUBTICS系统是目前欧洲最典型的潜艇作战系统，基于先进的传感器和武器而设计，广泛应用于“阿古斯塔90B”、214等型潜艇，其作战系统规模与国内接近，采用模块化设计方法，易于进行系统更新和改造，其作战系统信息处理层次优，系统灵活重组能力强，具有一定的参考价值。

图2 法国“鲉鱼“级潜艇SUBTICS系统Fig.2 French Scornet class submarine SUBTICS system

3）俄罗斯“阿穆尔”级常规潜艇Litiy系统

俄罗斯潜艇装备的声呐、导航等传感器具有较高的精度，武器控制装备实用、高效，指控系统与包括平台在内的各系统结合紧密，系统及设备间匹配性好，大量工程实施过程中积累下的集成设计经验和方法值得研究借鉴。

图3 俄罗斯“阿穆尔”级常规潜艇Litiy系统Fig.3 Russian Amour Class conventional submarine Litiy system

2.2 国外先进潜艇作战系统主要设计特点

1）适应“网络中心战”要求，协同作战能力强

“弗吉尼亚”级核潜艇可作为“网络中心战”、“空海一体战”的重要节点，可通过数据链、卫通、水声通信、UUV等渠道，实现与上一级指挥系统和协同兵力的信息链接，充分融入美国海军全球信息栅格体系，实现信息共享、参与多兵种联合作战。

图4 美国“弗吉尼亚”级潜艇参与协同作战示意图Fig.4 Schematic diagram of U.S.Virginia class submarine participating in cooperative combat

2）单项设备技术先进，自主探测能力强

“弗吉尼亚”级核潜艇艇首声呐采用技术难度较高的球形阵方案，同时，在全世界范围内首次采用鱼雷发射管侧置方案，其目的是为艇首阵提供最佳的安装位置和最好的工作环境。正是得益于美国雄厚的工业基础、成熟的建造工艺、领先的电子技术，再加上采用先进的设计理念和集成方法，保证了弗吉尼亚潜艇的传感器等单项指标领先，提高了水下发现目标、跟踪目标能力。

图5 美国“弗吉尼亚”级核潜艇艇首声呐Fig.5 U.S.Virginia class nuclear submarine bow sona

3）强化信息深层利用，态势生成能力强

注重声探测传感器阵元信息的一体化综合利用，信息处理质量和精度高。注重信息多层次综合处理，实现对本艇声传感器、非声传感器、舷外探测器材/平台的特征级、数据级和来自通信系统战术级信息的综合利用，输出的战场态势清晰度、可信度高。

4）充分发挥武器性能，攻防对抗能力强

“弗吉尼亚”级核潜艇指控系统4台显控台集中完成12管垂直发射巡航导弹及4管水平发射鱼雷的发控功能，通过提高武器综合控制集成化程度，提高武器使用效率，缩短系统反应时间，保证武器效能的发挥。适应未来发展需要，第3批次“弗吉尼亚”级核潜艇将原来的12个单独的垂直发射单元替换为大型多用途任务模块，该模块可以用重量相同的功能模块进行替换，比如携带大口径无人潜航器（即LDUUV）、特种力量运载器、无人机等。

图6 法国“蚰鱼”级核潜艇作战系统信息处理结构Fig.6 Information processing structure of the nuclear submarine operational system of the French Scorpionfish class

图7 美国“弗吉尼亚”级核潜艇多用途任务模块Fig.7 U.S.Virginia class nuclear submarine multi-purpose mission module

5）体系结构集成优化，系统总体效能强

俄罗斯“阿穆尔”级潜艇自动化信息系统通过总体设计，合理分配各环节精度指标，在计算机技术相对落后的条件下，使其系统的整体作战效能依然很强，尤其将本艇操控和作战信息控制纳入一个系统通盘考虑，较好地将本艇的航行控制和武器使用所需的战术机动有机地结合起来，从而更好地保证了本艇的航行安全与灵活机动。

法国“鲉鱼”级潜艇配置的6台多功能显控台，实现对声呐、雷达、电子侦察、指控（情报处理、战术指挥、武器控制等）显控功能。各台位功能可根据作战任务、系统状态进行灵活定义。

3 潜艇作战系统能力影响因素分析

综合分析国内外潜艇作战系统特点，影响作战系统能力的因素主要分为外部和内部2个方面。

3.1 外部因素

3.1.1 作战体系因素

现代潜艇已逐步成为体系化作战的重要组成力量，可以作为武器平台角色并完成对陆、对海打击任务，也可以作为探测平台角色并完成重要情报的隐蔽侦察任务。体系化作战模式下潜艇不再仅仅是“单打独斗”，体系对潜艇作战能力的影响越来越大[5]，主要体现在以下几个方面：

1）情报保障及目标指示能力

实时或非实时获取外部情报及目标指示信息，是潜艇战场态势感知的重要手段，可以弥补潜艇自身水下态势感知能力的不足，同时也是潜艇对海、对陆远程精确打击的重要保障。

2）协同指挥能力

潜艇在遂行作战任务过程中，还需接受体系的指挥引导，开展探测、接敌、攻防等战术行动，实现与友邻兵力的战术协同，以发挥潜艇作战威力。

3）通信保障能力

通信是潜艇获取空中、海上、岸上等外部信息及战术协调提供保障手段，缺乏有效通信支持，潜艇作战行动将受到极大的限制。

3.1.2 潜艇平台因素

潜艇平台是作战系统的重要支撑保障，平台对潜艇作战系统能力影响的主要因素有以下几个方面：

1）噪声水平

噪声水平是对作战系统影响最大的指标，一方面直接影响作战系统声呐探测能力，在相同海洋环境下，潜艇的自噪声越大，作战系统声呐作用距离越近，越不利于声呐的先敌发现；另一方面直接影响潜艇隐蔽性，潜艇的自噪声越大，自身暴露的风险越大。

2）潜深

潜深对潜艇的隐蔽性和探测性能有重要影响，极限潜深越大，越有利于潜艇充分利用海洋环境进行隐蔽自己和发现探测目标。

3）机动性

机动性对潜艇快速接敌、战术规避等行动的主要约束条件，潜艇机动性能越强，越有利于快速接敌、持续跟踪、隐蔽撤退等战术动作的实施。

4）总体布局

潜艇平台为作战系统设备提供布置安装环境，总体安装工艺越高，传感器探测精度等性能越好，总体安装位置也会影响到作战系统设备的操作使用效能、维修保障性等性能。

3.2 内部因素

作战系统内部制约能力提升的主要因素有：

1）传感器性能

传感器是潜艇作战系统的“耳目”，其性能的好坏，直接影响作战系统的作战能力。目前，制约传感器性能的因素主要有基础元器件、基阵设计及工艺、信号处理等方面。

2）武器性能

武器是潜艇作战系统的“拳头”，其性能直接反映了作战系统攻击、防御效果。目前，制约潜艇武器性能的主要因素有航程、速度、噪声、智能化及信息化等方面。

3）信息处理能力

信息处理是作战系统的关键环节，信息处理结果是指挥决策、武器控制基础和依据，其性能好坏直接影响系统快速反应时间等性能[6]。作战系统信息处理包括传感器和指控2个层面，传感器层次侧重于阵元信号处理，指控利用传感器输出的信号和数据并侧重于多传感器综合处理。影响信息处理的关键因素包括基础理论、计算机处理水平、信息共享程度等方面。

4）作战指挥能力

作战指挥是作战系统的指挥中枢，影响作战系统智能化水平、快速反应等能力。作战指挥是一个人机协同的过程，制约作战指挥能力的主要因素包括决策信息支持保障能力、辅助决策智能化程度、人机交互效率、协同指挥能力等。

5）武器控制能力

武器控制即潜艇的火力控制，是作战系统的武器控制中心。武器控制能力主要包括武器通道灵活组织能力、多武器综合控制能力、武器命中效果等，其主要制约因素包括武器控制算法、武器系统体系结构、武器种类及性能等。

6）体系结构

体系结构是用于定义和约束作战系统物理实现和组织方式的逻辑结构，包括作战系统功能体系结构、物理体系结构、网络拓扑结构等[8]。体系结构反映作战系统总体技术特征，良好的体系结构能有助于提升作战系统的灵活性、可靠性、综合效能等。作战系统体系结构受技术体制、设计水平等技术因素影响，同时也受装备研制模式等非技术因素影响。

4 潜艇作战系统能力提升的主要技术途径

在工业水平一定、总体条件一定的情况下，各国从不同专业、设计理念等方面入手，提高作战系统性能，具体的技术途径包括以下7个方面：

1）采用新材料及新工艺，研制新型传感器，提升自主探测能力

以声呐为例，不断研发新型压电、稀土等材料，利用矢量水听器、光纤水听器等新技术，设计工艺复杂的球形基阵、共形阵，提升声呐湿端对弱信号、低频信号接收方面的具体性能，同时采用高性能的信号处理机，配置高分辨率信号处理软件，让声呐系统“耳目一新”，将大幅提升声呐探测距离和多目标检测能力。

2）创新基础理论和方法，强化信息综合处理体系，提升态势生成能力

优化误差分析、融合处理、仿真评估等领域基础理论和方法，强化信息综合处理体系，进一步挖掘声呐、雷达、光电等传感器的信号、特征级信息，将潜艇作战系统共享水平从数据级向特征级延伸，信息处理从单平台向多平台拓展、从数据级向特征级转变，充分、高效利用潜艇内外信息资源，从而大幅提升潜艇作战系统的态势生成能力。

3）加强信息共享与利用，引入智能化决策思想，提升快速反应能力

通过充分共享声呐波束域信息、雷达探测目标信息、光电图像等信息，丰富目标运动分析手段，实现处理目标信息量级由每秒几十字节提升到每秒几十兆、甚至上百兆字节，以“信息换时间”思路，缩短目标运动要素解算收敛时间。同时，引入智能化思想，完善攻防决策、战术态势判断等功能，提高辅助决策的正确性和自动化水平，缩短决策反应时间。

4）发展智能化武器，强化武器综合控制，提升精确打击能力

智能化武器具有航程远、自主作战能力强等特点，自身具有很强的发现目标、识别目标等能力。应用艇载智能化武器是提升潜艇作战能力的最重要途径，也是改变未来潜艇作战模式的重要推动力。同时，围绕信息武器的作战使用，进一步完善潜艇武器综合控制功能体系，解决智能武器任务规划等问题，将大幅增强潜艇武器精确打击能力。

5）通过主被动防手段，完善防御功能体系，提高对抗生存能力

针对潜艇对空中反潜平台的不对称劣势，以及对来袭鱼雷末端防御作战能力弱的实际情况，应用潜射防空导弹及反鱼雷鱼雷等主动防御武器，发展与之相适应的探测、处理、指挥与控制技术，建立对空综合防御体系及潜艇末端自防御体系，实现主动防御与被动防御相结合，可有效提高潜艇对抗能力，保障自身的安全。

6）引入无人作战平台，完善协同作战功能，提升潜艇体系作战能力

适应战场无人化的发展趋势，更多地考虑应用水下智能武器/平台等，基于水声通信网络，构建水下作战体系，并同步研究提高相应作战任务规划、协同指挥、编队控制、多平台信息综合处理等能力，弥补潜艇单兵作战能力的不足，提升水下态势感知、隐蔽侦察、目标打击、反潜等综合作战能力。

7）加强系统顶层设计，优化系统体系结构，提升多任务适应能力

不断改进设计思想，转变设计思路，通过加强系统顶层设计，进一步优化作战系统体系结构，实现多专业作战资源的高效整合、统一管理和综合调度，进一步提高系统的灵活性，增强不同作战模式、作战对象和作战环境下的适应能力。