无人艇装备技术发展与作战运用探析

2020-01-14庞衍鹏于开波何远玲

舰船科学技术 2019年12期

李楠，陈练，庞衍鹏，于开波，何远玲，涂悦

(中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引言

无人艇是一种具有一定自主能力、可在不搭载操作人员的情况下自主航行并完成一定作战与作业任务的水面平台，具有成本低廉、行动隐蔽、机动灵活等特点。无人艇显现的巨大军事应用价值得到各国的广泛关注[1]。据不完全统计，全球约有15 个国家已研制或部署了军用无人艇，约有70 余型处于应用试验阶段，但大多为7 m 及以下的小型艇，数量占比60%左右；11 m 以上的大型无人舰艇数量仅占比约15%。少数国家已列装了无人艇，如美国列装的“斯巴达侦察兵”、“海狐”、“海上猎手”等无人艇，新加坡列装的以色列“保护者”级无人艇，俄罗斯2 0 1 5-2017 年从法国采购的近海巡逻用“检察员”级无人艇等[2]。

在无人艇装备与技术蓬勃发展态势下，构想未来作战运用方式、梳理关键技术现状与突破方向、研判未来发展趋势，对于牵引关键技术研发、推进部署运用至关重要，目前国内外已有大量专家学者进行了深入研究。本文围绕无人艇军事化运用前景，重点剖析国内外技术攻关与装备运用进展，以期描绘无人艇的未来发展图景。

1 无人艇军事运用前景

无人艇可执行环境调查、反潜探测跟踪、水雷战监视、秘密勘察、探雷、灭雷、核生化区作战、搜救、物资运输、试验和培训等多种作战任务。受到吨位和自主化水平的限制，无人艇目前可执行的任务类型主要为海上情报监视侦察、反水雷、电子战等。国内外目前开展了多种有人-无人协同作战概念的试验验证工作，提出了若干作战概念，包括海战场环境调查、情报侦察、警戒巡逻、反水雷作战、反潜作战、反舰作战、补给运输等[3]。

1.1 海战场环境调查

无人艇通过配置测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪、温盐深仪等调查设备，可替代有人舰艇执行海底地形测绘、水文气象测量、水样和生物采集检测等任务。相比有人舰艇，能够确保简单重复、持续枯燥测量任务的可靠性，同时更适用于近岸、浅滩、岛礁等大型船只难以抵达的复杂地形区域，以及辐射、毒害污染等危险海区，如美国海军1946 年曾在“十字路口行动”的核试验海域采用无人艇进行水样采集检测。海战场环境调查是战场准备的重要工作，近年来发展快速，国内外均已在公务执法、海事等领域应用无人艇，完成了内湖、河流等测绘监测任务。

1.2 情报侦察

无人艇利用自身目标特性小、机动灵活的优势，可在高威胁或争议海区执行预警探测、跟踪监视和抵近侦察等任务，特别适用于反海盗和局部冲突等任务场景中。如美国海军研究生院2006 年提出了名为“马蹄铁”的抵近侦察战术设想，无人艇可在180 m 以外的安全距离，采用光电传感器实现对船上人员数量和活动的侦察监控[4]。

图 1 “马蹄铁”战术概念图Fig.1 Notional horseshoe manuever with USV

1.3 警戒巡逻

无人艇可承担重要海峡、水道和有人舰艇编队外围的安全防卫，执行针对水面和水下目标的反潜、反蛙人、反小艇等任务，确保港口、舰船与设施等重要对象免遭各种威胁。无人艇可与有人舰艇协同以弥补盲区，或持续独立执行任务以减轻有人舰艇的执勤任务负担。2003 年，美国海军在“葛底斯堡”号巡洋舰上，采用“斯巴达侦察兵”无人艇验证了执行高价值对象保护的任务能力，并正在持续优化警戒巡逻状态下拦截敌方目标的作战概念。

1.4 反水雷作战

无人艇可搜索、清除近海雷区、航道的水雷，为其他作战部队提供安全的作战区域。无人艇执行反水雷任务起源于二战后期小型登陆艇遥控扫雷作业，是较为传统和成熟的作战概念。但随着水雷技术的发展，无人艇扫雷也面临着水雷激发方式多样、更加隐蔽智能等新挑战。美国重视发展近海战斗舰等主战舰艇可携带的建制反水雷无人艇装备，先后开展了遥控猎雷系统、“舰队”级无人艇等反水雷任务包模块研制，目前已具备初始作战能力，正在开展集成测试与拖曳声呐升级工作。

1.5 反潜作战

无人艇可作为主战舰艇的舷外传感器或独立装备，执行反潜战任务，可有效地降低有人平台的风险，扩展有人装备的反潜探测和作战范围，为编队提供全方位的反潜防御，具体作战样式可包括海上保护、保护航道和持续跟踪等。海上保护指在编队外形成反潜封锁圈，以确保编队活动范围内的水下安全；保护航道指在编队航线前方按照线性队形部署执行反潜作业，确保在编队航行路径上提前发现和清除水下危险目标。目前仅美国“海上猎手”反潜无人艇具备持续跟踪能力，可对敌常规潜艇进行数十天、数千海里的持久跟踪。

1.6 反舰作战

无人艇可由岸基或母舰布放后，前出编队或重要对象外围，作为预警探测和火力打击节点，执行探测识别、电磁干扰、对海打击等反舰作战任务。必要时，可进行自适应重新部署，确保在行动区域的持久存在。2004 年，美国“斯巴达侦察兵”无人艇进行了反舰作战试验，证明了无人艇执行反舰作战的能力。2018 年以色列“保护者”无人艇试验验证了对抗有人艇威胁的能力。

1.7 物资运输

无人艇可在安全环境下执行物资运输补给任务，特别适用于大型补给舰船无法抵达的岛礁、浅水海区，实施小批量的物资分发。美国海军、海军陆战队已提出“蜂巢”等利用无人系统实施战场隐蔽补给任务的作战概念及其装备，同时计划采用大型无人舰在海上预置基地之间、舰-岸区域间穿梭执行物资运输任务。民用大型无人货船的构想与研制发展，如罗·罗的无人货船、“筋斗云”等，将促进无人舰艇物资运输作战概念的成熟。

2 无人艇关键技术发展

无人艇的关键技术根据不同的划分方式可形成多种体系，通常的划分方式是无人自主、平台总体、任务载荷和综合保障4 个技术群。各技术群中包括若干重要技术方向，如自主控制、动力能源、感知载荷、武器载荷、布放回收等。

图 2 无人艇警戒巡逻战术示意图Fig.2 Sketch of USV patrol and intercept tactic

图 3 罗·罗无人货船概念图Fig.3 Conception of Rolls-Royce unmanned freighter

2.1 无人自主技术

无人自主技术是无人艇实现自主能力的核心技术，主要包括自主控制、系统控制和智能演进等技术。

自主控制技术是单艇自主的关键，具体体现在运动控制、自主避障和任务规划等方面[5]。按照公认的划分方法，自主性水平从低到高可分为有人操作、有人委派、有人监督和全自主4 个层级。目前，自主程度最高的美国“海上猎手”反潜无人艇仅达到第3 层级，即“有人监督”阶段，距离全自主化仍有较大差距。

系统控制技术是实现人艇协同、艇群协同的关键，协同控制、自组网通信等技术使无人艇在单艇自主控制和任务规划的基础上，实现多体协同决策，完成综合性任务。美国在2014 年、2016 年已进行了2 次无人艇集群协同试验，在智能指挥与感知的控制体系架构技术方面取得了突破，特定任务场景下的艇群行动决策与协同控制更加科学。

智能演进技术是实现无人艇自主程度迭代提升的关键，是在深度学习技术基础上，对无人艇全寿命期各阶段的运行维护数据进行统一采集与分析处理，通过多次“试错-优化”过程，实现自主决策和综合保障水平的螺旋式提升。智能演进技术研究目前国内外均处于起步阶段，且正朝着能够认知和理解未知情况的更高智能决策水平迈进[6]。

2.2 平台总体技术

平台总体技术是无人艇的共性基础技术，主要包括艇型与材料、动力机电等技术。

无人艇艇型主要包括半潜式、常规滑行式、半滑行式和水翼式等。不同任务类型无人艇对航速、海况适应性、载荷等能力的不同需求最终决定船型的选择和型线的优化要求。半潜式无人艇适航性、隐身性好，但航速不超过25 kn；常规滑行式无人艇综合性能好，航速超过50 kn，是目前研制型号中较常采用的船型，包括单体船型、双体船型和三体船型等；半滑行式无人艇兴波阻力小、搭载和拖曳能力强，但航速相对滑行式船型较低，一般可超过30 kn；水翼艇在所有艇型中阻力最小、适航性最好，航速超过50 kn，但其载荷拖曳能力小。

无人艇动力主要采用柴油机和电池，太阳能、风能、波浪能等自然能动力也有部分运用。面向未来长续航、高适应性和可靠性的无人艇动力发展需求，未来无人艇动力将重点提升功率密度、降低重量与体积、提高燃料经济性，技术发展方向主要包括标准化、模块化、动力监控系统等。

2.3 任务载荷技术

无人艇任务载荷技术是实现不同任务能力的关键，主要包括感知任务载荷、武器载荷等技术。

感知任务载荷是无人艇进行环境感知与态势构建的基础，主要包括针对水面目标的导航雷达、光电设备、水文气象调查设备，针对水下目标的各类声呐、磁探测仪等。稳定可靠、高精度的感知任务载荷是自主航行控制和目标识别的关键，所有自主任务规划与决策都依赖于感知任务载荷的数据输入。无人艇感知任务载荷技术正在进行小型化、标准化、模块化方向发展。此外，多传感器数据的融合分析处理技术也是重要方向之一。

无人艇武器载荷主要分为机枪、机关炮、榴弹发射器、小型导弹、鱼雷等硬杀伤武器和电子战套件、电磁频谱攻击设备等软杀伤设备。以色列“海鸥”、“海上骑士”等无人艇已完成鱼雷、小型反舰导弹等武器载荷的试验验证，美国海军也已开展了以南海作战为背景的“海上猎手”反潜无人艇加装斜发反舰导弹的兵棋推演[7]。随着对打击火力的重视和吨位的增加，无人艇将配备更为多样的武器载荷，高毁伤、小尺寸的武器载荷技术将是重要发展方向。

2.4 综合保障技术

无人艇综合保障技术是形成持续作战能力的必要条件，主要包括自主布放回收、补给保障等技术。

无人艇的布放回收方式与有人艇类似，主要是吊艇架、坡道或泛水坞舱3 种形式。国内外在无人艇自主布放回收系统方面开展了大量研制试验工作，如美国研发了改进型吊放装置“摇篮”，具有托体可更换以适应不同艇、操作人员少等特点；美国物理科学公司研发的坡道布放回收系统部署于近海战斗舰，可同时适配有人艇和无人艇。自主布放回收技术未来的重点研究方向是满足通用化、少人力、适应更高海况和更高航速条件的要求。

补给保障技术目前主要包括自主充电和自主加油技术。国内外已开展了大量自主充电技术研究，在部分小型无人艇上实现了应用示范，并正在加强无线充电技术的研究应用。在自主加油技术方面，目前仅美国进行了自主加油技术验证，通过“海狐”无人艇完成了近岸补给任务。

图 4 摇篮吊放装置示意图Fig.4 Sketch of cradle davit

3 无人艇未来发展趋势

各海军强国已将无人艇作为装备发展的重要方向，从顶层战略规划、技术发展路线、作战推演试验等方面，对无人艇军事化运用进行探索和规划。随着无人水面舰艇智能化、集群化水平的提高，无人舰艇在作战力量体系中的定位将更加关键，成规模列装使用正在成为现实。

3.1 各国无人艇发展战略规划

3.1.1 顶层战略牵引技术快速发展

美、英等国已通过顶层战略规划明确了无人艇装备技术的重要性，将牵引相关技术的快速发展。2014 年，美国防部发布名为《国防研究与工程体系》的战略指南，提出17 个重点领域，其中包括无人艇在内的自主系统。2018 年9 月，美国防部披露《无人系统综合路线图2017—2042》，重新明确了当前无人系统加速融入未来军事联合作战的关键技术方向，包括互操作性、自主性、网络安全和人机协同，将带动新一轮面向实战关键技术的快速发展[8]。

同时，英国国防部于2017 年10 月30 日发布的《2017 科学技术战略》也将无人艇等自主系统定位于10 项关键赋能要素之一[9]。日本于2016 年通过《防卫技术战略》和《中长期技术评估》提出了未来20 年所重视的技术方向与技术领域，无人艇在内的无人系统技术也被作为国防技术领域的4 个重点方向之一。

3.1.2 发展规划明确无人艇型号系列

21 世纪初，美国海军在《21 世纪海上力量设想》中，提出在2015 年前将新型无人平台引入未来网络化作战体系中。2017 年，美国海军提出了未来水面舰家族系列，包括驱逐舰等大型舰、近海战斗舰等小型舰、大型无人舰、中型无人艇，以及能实现各平台联通的综合作战系统，明确了无人艇的体系发展规划。

大型无人艇方面，2017 年起美国海军研究生院Sea27 项目组开展了南海攻防作战设想下无人艇载荷配置与任务定位的优化推演工作，提出了10 艘配备垂直发射装置进行防空反导、反舰任务的大型无人艇采购建议，据此美国海军于2019 年提出了打造10 艘大型无人舰的“幽灵舰队”计划，并在2020 年财年预算中明确了研制经费[10-11]。中型无人艇方面，2017 年美国海军研究生院提出将反潜持续跟踪无人艇纳入到水面行动大队中执行反舰任务的设想和推演，后续演变成为中型有人/无人可选无人艇的发展计划，并于2018 年10 月发布了中型无人艇概念需求。

2018 年底，美国海军主管无人艇装备研制的项目管理办公室最终明确将军用无人艇的发展目标确定为大型、中型、小型和极小型4 个尺度的无人艇系列，并规划了近期、中期和远期各类型无人艇需具备的使命任务能力，如图1 所示[12]。

此外，其他各国也逐步明晰了无人艇发展系列，如以色列已发展形成海上综合作战平台、反潜作战和近岸侦察等系列无人艇，英、法等欧洲国家也重点发展环境调查、部队保护和情报监视侦察类型无人艇。

3.1.3 作战试验提升实战化水平

美、以、新等国家目前已列装少量无人艇，正在通过作战试验验证或组建试验部队，加速提升无人艇实战化水平，如以色列“海鸥”级无人艇参加了2016 年地中海反水雷演习、2017 年以英联合演习，美国“舰队”级无人艇参加了美国“三叉戟战士”演练等。

2018 年，美国防部《国家防务战略》将无人艇等高级自主系统列为国防关键核心能力现代化建设的重要内容，美国海军随后更新推出《保持海上优势的规划2.0》，将无人艇等系统作为实现快速能力生成的重要途径，以及支撑重回制海战略、优化海军兵力结构的关键装备，加速推动无人艇实战化运用[13]。2019 年5 月，美国海军正式组建了一支具有试验性质的水面部队第一发展分队，由2 艘“朱姆沃尔特”级驱逐舰、“海上猎人”中型无人艇、大型无人舰组成，旨在对有人-无人新型编队的作战能力进行测评，以便提出与军事原则、组织、训练、后勤等要求相协调的新型技战术。

3.2 未来发展趋势

3.2.1 自主性水平持续提升

机器学习等人工智能技术的快速发展及其在无人艇装备技术中的运用，无人艇装备的自主化程度将更加显著。无人艇将可以融合多种探测传感器数据进行快速精确目标识别，极大提升环境感知和态势构建能力；将可以用更加智能的信息处理方式支持运动控制与任务规划决策，极大提高复杂环境下的任务适应能力；将可以更加自主地在脱离人工监控的状态下执行任务，极大降低通信网络约束限制、增强隐蔽性和安全性。

3.2.2 从保障装备向主战装备转变

在军事需求牵引下，无人艇军事化运用进程正在快速推进，将从辅助保障类装备向主战装备转变。目前无人艇已具备环境调查、反水雷、电子战等任务能力，并在多国已成熟运用，发挥了支持作战任务的辅助保障效能。在未来大型化、多功能化发展带动下，大中型无人舰艇将可执行防空反导、对海打击、对陆攻击等作战任务，具备主战装备属性。如美国大型无人舰的概念需求提出了垂直发射系统的配备要求，将具备执行防空反导、反舰火力打击等任务能力。

3.2.3 从单体作战向集群协同发展

军事化运用进程推动下，无人艇将从单艇利用隐身和高机动特性执行独立作战任务向多艇集群利用协同优势执行联合作战任务的方向发展。中小型无人艇受限于吨位限制，独立执行任务的能力有限，但作为一种廉价装备对战损的承受能力强，集群协同作战方可充分发挥优势。无人艇集群将可通过大范围的通信网络，完成数据融合、信息共享和群体行为控制，实现多个体磋商、协同决策和行动，完成能力需求更高的任务。美国海军已完成了可行性验证与控制体系架构技术的突破，为无人艇集群协同作战奠定了基础。

3.2.4 有人-无人深度融合发展

图 5 美国海军无人艇发展路线图Fig.5 The roadmap of USV

各国正在将无人艇装备的发展纳入其宏观军事力量体系，推动军事能力体系变革与有人-无人作战概念的创新，以适应未来多域联合作战需求。美欧多国已相继提出了多类无人装备协同发展、联合使用的长远目标，有人-无人作战未来将呈现更加复杂的模式。可能形成以航母、潜艇作为后方指挥中枢，无人系统作为前出打击力量的编成模式，实现有人平台和无人平台联合作战，进而形成无人舰艇、无人机、无人潜航器的协同分布式作战体系，实现海-空-水下的多域联合作战。同时，形成多种无人系统相互搭载的作战力量，为指挥人员提供更加丰富灵活的战术决策方案。