国外军民用无人潜航器研制进展

余放/ 航空工业武汉航空仪表有限责任公司，湖北省 武汉市 430000

作为海洋强国，无人潜航器在美国军民用领域都是长期重点发展的工程装备。今年8月，美国海军的“刀鱼”无人潜航器达到里程碑C，即将投入小批量生产；民用复合式水下机器人Mesobot开始进入第二阶段开放水域试验，“鬼怪”X8也即将投入应用。尤为值得关注的是，美国的无人潜航器智能化、复合式、军民兼顾的技术路线已经基本成熟，这将使其能够继续保持其在该领域的技术领先优势。

海洋所蕴藏的巨大财富，以及对于世界大国而言无可替代的战略价值，决定了全球各国对于海洋探测的热度只会增加，而不会减少。今年以来，以美国为代表的发达国家对于海洋的探测逐渐呈现出探测领域向深海推进，探测装备向无人化、自主化发展等特点，而探测活动的目标也同时兼具了军事和商业两个方向。无人潜航器，作为近年来海洋探测的主要工程装备，已经成为发达国家装备发展战略中不可少的一环。

军用是不变的热点

作为世界海上军事力量最为强大的国家，美国也是最先将水下无人设备应用到军事领域的国家，其技术水平和装备数量都远超其他国家。

今年8下旬，美国海军海上系统司令部(NAVSEA)无人与小型作战(PEO USC)项目执行官对外宣布，美国海军“刀鱼”(Knifefish)无人潜航器项目达到里程碑C，即可以进入小批量生产(LRIP)阶段。同一天，美国海军宣布授予“刀鱼”项目主承包商通用动力任务系统公司一份价值4460万美元的小批量生产合同，全部生产工作于2021年8月完成。

图1 “刀鱼”

“刀鱼”是近美国海军濒海战斗舰(LCS)反水雷任务包中的一个重要组成部分，包括2个无人潜航器及其支持系统和设备，可从濒海战斗舰、当时作业的船只或岸上部署，用于在高杂波环境下探测和识别掩埋雷、沉底雷和漂雷。“刀鱼”采用了宽带声呐和自动目标识别软件，其开放系统架构设计和模块化结构便于升级或改进系统。

一直以来，反水雷作战都是美国海军的一项重要任务，近年来美国海军开始将更多力量用于开发自主和无人系统执行反水雷任务。

“刀鱼”无人潜航器最初由美国金枪鱼机器人公司研制，2011年通用动力获得美国海军反水雷无人潜航器研制合同之后，便与金枪鱼机器人公司展开合作。2013年，“刀鱼”完成详细设计并通过美国海军的技术审查，随后进入原型系统制造阶段。

“刀鱼”基于金枪鱼机器人公司的“金枪鱼-21”(Bluefin-21)无人潜航器研制，其外形与鱼雷相似，长约5.8m，重约771kg，采用声呐内置方式，由水面舰船携载并投放，通过锂电池供电，单次任务续航能力超过16h，执行任务时能够发出低频电磁波来扫描物体(例如鱼雷)，然后把图像发回母舰进行分析。

2017年3月，通用动力公司任务系统分部(金枪鱼机器人公司于2016年并入该部门)完成“刀鱼”系统的综合测试与评估，随后将其交于美国海军，进行军方应用测试。2018年6月，美国海军在马萨诸塞州沿海完成“刀鱼”系统的验收测试，其在高杂波环境中探测、分类并识别水雷的各型能力均达到设计要求。

据来自美国海军的消息，在对小批量系统进行测试后，美国海军预计将在2022财年做出大批量采购的决定，届时预计将购买30具“刀鱼”，24具分别装备濒海战斗舰的反水雷任务包。

民用研究继续发力

美国在加快无人潜航器的军用部署的同时，其国内研究机构也开始将越来越多的力量投入到无人潜航器的商用研究上，而这类技术的军民用界限本就不明显，一旦美国海军有需求，则可以快速实现军用化。

美国国内著名海洋研究机构蒙特利湾海洋研究所( Monterey Bay Aquarium Research Institute MBARI)在今年8月对外宣布，他们的研究人员正在和伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution WHOI)的工程人员展开合作，对一种全新的有缆遥控潜航器(ROV)/自主式无人潜航器(AUV)复合式水下机器人进行测试。这种水下机器人主要设计用于海面下200～1000m之间的水下研究活动。

这种新型复合式水下机器人名为Mesobot，由伍兹霍尔海洋研究所负责设计，蒙特利湾海洋研究所、斯坦福大学和德克萨斯州里奥格兰德河谷(Rio Grande Valley)大学的研究人员也参与了设计。执行任务时，Mesobot在初始下潜阶段由联接在母船上的光纤系留缆绳来驱动和控制，就像遥控潜航器一样；而当其下潜到制定深度时，系留缆绳就会断开并就被收回到母船上，Mesobot转向自主式无人潜航器一样的全自主操作。

Mesobot组装完成后，将会在蒙特利湾海洋研究所的室内盐水试验箱中进行机械设备的测试，在完成上述测试之后，该研究所将会根据其测试结果决定是否继续进行测试。一旦确定，第二阶段的测试将会在蒙特利湾海开放水域进行，并使用该研究所的“雷切尔·卡尔森”号研究船作为Mesobot的母船，测试周期为三天。在第二阶段的测试中，Mesobot将会先后进行五次不同潜深的水下测试，在真实海洋条件下对其机载系统进行性能测试。在这个阶段，还要从母船不同位置进行Mesobot的投放测试，这对于其纤细的光纤系留缆绳来说是个不小的考验。Mesobot的光纤系留缆绳上整合了蒙特利湾海洋研究所研制的SmartClump系统，该系统包括多个传感器和摄像头，可以实时监控器下潜时的状态。

图2 “鬼怪”X8

Mesobot未来的主要任是跟踪和研究水下数百米到1000m的浮游生物和小型鱼类，特别是许多海洋生物的昼夜垂直迁移现象对全世界的海洋科学家来说都知之甚少，另外这些海洋生物还是鲨鱼、鲸类等大型海洋动物的主要食物，通过对它们的研究可以了解海洋渔业资源的概况，以及海洋环境的变化情况。值得一提的是，水下200～1000m海域，也将是未来反潜战必须关注的海域，对其探测具有极大的军事价值。Mesobot的水下自主续航能力可以达到24h。与其他同类水下探测器相比，Mesobot采用了环境友好型设计，其配备了微光4K摄像机以及无法被绝大多数海洋生物探测到的红色光源，专门为其研制的大型慢速推进螺旋桨可以最大限度地减少对水中生物的干扰。

作为美国国内一家有着近30年海洋探测器研制历史的公司，深海工程公司(DeeP Ocean Engineering)在今年8月推出了“鬼怪”X8(Phantom X8)有缆遥控水下潜航器，一种专门用于深海探测全电推进的轻型工业级深海探测器。

“鬼怪”X8安装有6个水平推进器和2个用于垂直机动的功率2.2kW的无刷推进器，其采用了改进设计的更加坚固的机身，水下探测深度最大可以达到1000m。“鬼怪”X8的应用领域主要包括：水下管道检测和辅助铺设、海上风电场的维护、海上及水下基础设施的维修、水下勘测。

“鬼怪”X8是截至目前深海工程公司研制的外形最大、最重的水下机器人，它可以在水下任何方向上实现自主控制，即使在复杂洋流环境下也具有非常高的可靠性。“鬼怪”X8在水下工作时能够自主确定自身航向、潜深和水下位置，同时其出色的水下机动性能也使其能够胜任诸多水下任务。执行水下任务时，“鬼怪”X8携带的前向(拍摄角度+/-90°)和后向(微光相机)水下相机均能提供1080P高清图片和视频，水下相机还可以同机身上安装的3个LED灯配套使用，3个灯一起工作时亮度可以达到30000流明。3个LED灯亮度可以通过操纵平台上的图形用户界面来调整。

技术创新力度加大

截至目前，世界上投入使用的水下无人潜航器通常有两种形态，一种是采用海洋生物仿生设计的流线型机身，其外形与舰艇发射的鱼雷外形相似，这种设计可以保证其在水下快速前进，但是受设计所限其更多地是执行海底探测而无法实施主动作业。另一种则是设计有机械臂的水下机器人，这类机器人可以使用机械臂更加主动地进行海底作业，但是其对抗极端海洋环境的能力相对差，且无法在水下长距离运动，只能到任务海域才能进行投放，因而部署使用常常受限。

图3 Mesobot

图4 “雷鱼”300

不过，随着该领域技术创新力度的加大，新型无人潜航器开始出现。今年8月初，美国宇航局(NASA)位于得克萨斯州的约翰逊宇航中心开始测试一种新水下机器人——由休斯顿机甲公司(Houston Mechatronics Inc.，简称HMI)研制的Aquanaut双姿态无人潜航器。这种被媒体称为“变形金刚”的水下机器人，也是目前世界上第一种能够在工作环境中完成姿态变化的水下机器人。

HMI公司的Aquanaut水下机器人，从设计之初就考虑能够将上述两种水下机器人的优点结合起来，使其既能够在水下长距离运动，从而便于部署，同时还能在任务区使用机械臂灵活作业。

Aquanaut共有两种形态，且可以快速互相转换。执行任务时，Aquanaut会以小艇形态投放入水，然后凭借出色的流体外形快速运动到任务海域；到达任务海域之后，小艇的机体外壳会根据外部指令慢慢升起，然后露出折叠再机身两侧的机械臂，机械臂展开的同时，其头部会向上翻转90°并上升到工作位置，露出隐藏在下面的摄影头、声呐系统以及3D视觉定位传感器等；机体外壳升起后，机身的另外两个小型矢量推进器开始工作，用于调整机体的姿态。上述所有动作完成之后，Aquanaut就从一艘小艇变身为一个水下机器人，其配备的两个8自由度电动机械臂标配钳爪形作业工具，也可以根据任务需要进行更换。

与其他通过线缆操纵的水下机器人相比，Aquanaut取消了线缆，所以其执行任务时可以更灵活地进行部署，并且具有高度的自主作业能力。比如在“变身”为机器人形态之后，机械臂可以根据操作人员所发出的口令精确做作业，比如操作人员发出“顺时针旋转阀门90°”的口令时，Aquanaut会根据环境情况调整机械臂的姿态、判断并握住阀门，然后精确执行操作口令。Aquanaut采用锂电池驱动，单次任务最大行程可以达到200km。

HMI创办于2014年，包括CEO尼克·拉夫德在内的多位技术专家都曾在NASA工作过。HMI成立之后不久，获得了来自外部的2300万美元风险投资，用于水下机器人的研制。目前，Aquanaut正在约翰逊宇航中心的巨型水池中进行测试，HMI接下来将会对其设计进行不断地优化，包括对其任务软件进行改进升级，使其可以自动前往作业地点、自动返回基地，只在作业期间需要人工参与。

除此之外，尼克·拉夫接下来的计划就是设计一种可以长期在海上部署的无人船，用作Aquanaut的中继站，进行形成一个全球运作的网络系统，这样就可以实现远程控制和远程作业。

军民两用技术持续发展

作为海洋大国，加拿大在无人潜航器研究方面同样具有很强的实力，并且有专门的国家战略给与大力支持。今年8月，加拿大国防部所属的科学与技术组织(DRDC，对外也称加拿大防务研究与发展部)正式接收了Kraken机器人系统公司交付的首套“雷鱼”300(ThunderFish 300)型自主式无人潜航器。

Kraken机器人系统公司在2017年5月获得了加拿大创新战略基金(由加拿大政府主导创立，旨在通过支持加拿大国内的创新者，加速技术转化，创造更多就业，形成集群创新效应等)授予的一份价值100万美元的合同，合同包括研制并交付一套“雷鱼”300自主式无人潜航器系统。向加拿大政府交付首套系统之后，Kraken公司将正式开始“雷鱼”300系统的市场销售。

“雷鱼”300是一种大量采用新技术的创新型水下潜航器，能够完成超高分辨率的海底地形绘图和成像，所以在海洋观测和军事领域都具有很大的应用潜力。“雷鱼”300的具体用途主要包括水下测量、环境监测、海洋考古、水下搜索以及反水雷作战等。

“雷鱼”300采用了模块化设计，能够根据任务的不同快速更换传感器系统以及完成电池的更换。执行任务时，“雷鱼”300可以携带多种传感器载荷或者是定制的特种任务模块，包括Kraken公司研制的AquaPix合成孔径声呐系统(InSAS)。AquaPix是目前世界上技术领先的合成孔径声呐系统，具有探测距离更远，而且探测性能不受到潜航器速度影响等特点，并且能够在任务过程中提供分辨率达到3cm的超高清海底图像。

在完成“雷鱼”300的研制之后，Kraken公司表示将会对“雷鱼”平台进行改进，包括增加外形尺寸、提升续航能力和载荷能力，以满足日益增长的商业和军事需求。 ■