大排量无人潜航器发展及关键技术

周念福，邢 福，渠继东

(中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡，214082)

0 引 言

随着智能化技术的发展，无人系统将在未来战争中发挥巨大作用。无人潜航器具有隐蔽性好、性价比高，且损毁不会导致人员伤亡等优势。随着水下动力能源密度不断提升、水下网络功能不断完善，无人潜航器有望成为危险海域内的一线作战力量，改变现有水下作战模式。

目前无人潜航器的分级并不统一，被普遍接受的是美国在无人潜航器主计划中的分级方法。按照该分级方式，无人潜航器直径分4 个等级：便携式UUV 直径约7.6～23 cm，排水量10～45 kg，续航力10～20 h；轻型级UUV 直径约32.3 cm，可利用轻型鱼雷发射装置布放回收；重型UUV 直径约53.3 cm，排水量约1.36 t，利用无人发射管发射；巨型UUV 排水量10 t 以上，可连续工作7 d，连续航行100 n mile[1]。目前研究的无人潜航器直径大多533 mm 以下，其中长航时潜航器牺牲了航速和负载能力，而多任务潜航器一般仅有数十小时续航能力，在航速、航程以及负载能力上无法做到均衡，这使得无人潜航器仅能执行辅助作战任务，无法作为主要作战装备执行更复杂的任务。大排量无人潜航器，通过加大体积，容纳更多的动力能源及任务负载，在确保航速的同时，显著提高续航能力，促进无人潜航器向执行复杂作战任务转化。本文梳理大排量无人潜航器的用途使命，对美、俄大排量潜航器进行介绍，最终阐述了大排量无人潜航器发展关键技术内涵。

1 大排量无人潜航器的优势

在未来海战中，大排量无人潜航器将是夺取水下作战优势的力量倍增器，通过携带多种传感器和有效载荷模块，执行警戒、侦察、监视、跟踪、探雷、灭雷、中继通信甚至攻击等多种作战任务[2]，可独立作战，也可以作为水下网络中心战的节点。大排量无人潜航器由于其具有较强的续航能力、有效载荷搭载能力、自主能力，在未来海战中具有以下优势：

1）由于大排量潜航器具有较强的续航能力，可通过舰艇在离目标较远的安全距离进行布放甚至在海岸直接布放，远程奔袭至目标港口或目标区域执行任务，从而避免潜艇或水面舰艇进入近岸浅水区域或过于抵近敌方反潜兵力强大的区域，大大降低了携带UUV 前往战区的潜艇等支援舰艇的任务难度和危险系数。

2）在潜艇战方面，大排量无人潜航器一般具有较大的有效负载搭载能力，自主性高、导航能力强，可携带大型探测设备以及水雷、鱼雷等武器单独开展潜艇战，跟踪和攻击敌方潜艇。还可充当潜艇模拟器，对敌方潜艇进行诱骗或干扰。另一方面，由于减小了潜艇对鱼雷、水雷等水中兵器的需求，潜艇可更多担负指挥控制任务或携带其他远程打击武器如潜深导弹等，增强潜艇的远程火力支援能力。

3）在反潜方面，大排量无人潜航器自主化程度高，可探测、定位、识别水下目标，具有较强的协同打击能力，可执行警戒任务；同时大排量无人潜航器使攻势布雷更加可控、秘密，可再开启或关闭雷区，或者改变雷区大小，在反潜战中发挥更大作用。美国海军在研的“先进水下武器系统”（AUWS）即利用大排量无人潜航器携带鱼雷和水声探测装备，在目标海域形成半径约5 km 的侦察打击圈，1 套“先进水下武器系统”的封锁效果相当于400 枚传统水雷的封锁效果。

4）在辅助、支援舰艇执行任务方面，大排量无人潜航器侦察、探测能力更强，可携带拖曳声呐、特殊探测装置绘制水雷分布图并进行扫雷；绘制敌方水域海图，布设应答器；对敌方海底目标进行破坏；寻找和回收我方或敌方沉入海底的物件以及执行其他情报侦察等任务。

5）大排量无人潜航器的用途更加多样化，不仅可携带探测和攻击模块，还可将有效载荷舱与蛙人输送舱有效结合，充当蛙人输送艇，实施特种作战；或作为水下预置式武器的搭载布放平台；携带小型UUV、传感器、通信浮标、潜射无人机等有效载荷，作为水下无人系统的水下母艇。

2 国外大排量无人潜航器

2.1 美国大排量潜航器发展

美国一直致力突破水下平台传统对抗模式，注重在水下信息化、无人化、新概念装备及新型作战模式的创新研发，推动水下战争模式的根本性转变，以取得非对称优势。21 世纪以来，美国一直试图打造无人水下舰队，发展了多型无人潜航器，并逐渐将研究中心转移至大排量无人潜航器。

2.1.1 “回声测距仪”大排量无人潜航器

波音公司一直致力于大排量无人潜航器的研发，先后研制了“回声追寻者”（见图1）和“回声测距仪”（见图2）两型大排量无人潜航器，并开展了湖试、海试等系列实验。“回声测距仪”（Echo Voyager）大排量无人潜航器在“回声”系列潜航器中最大，总长15.5 m，宽2.6 m，高2.6 m。空气中重量约50 t，潜深3 000 m。最高航速8 kn，巡航速度2.5～3 kn；续航速度下续航力150 n mile。潜航器看部可根据任务工况插入约56 m3有效载荷模块，插入载荷模块后长度可达25.9 m，可携带8 t 有效载荷[3]。

图1 “回声追寻者”无人潜航器Fig.1 Echo Seeker unmanned underwater vehicle

图2 “回声测距仪”无人潜航器Fig.2 Echo Voyager unmanned underwater vehicle

2.1.2 “曼塔”大排量无人潜航器

“曼塔”（MANTA）大排量无人潜航器由美国海军水下战中心于1996 年提出，该潜航器采用扁平形式（见图3），可与舰艇联合执行任务，也可脱离母艇单独执行任务。无人潜航器长10.44 m，宽2.44 m，高0.9 m，鳍跨距4.72 m。最高航速10 kn，巡航速度5 kn；潜深243 m，重量约14.06 t，采用铅酸蓄电池、泵喷推进。由潜艇搭载时，可与潜艇的首部共形布置，采用舷外布放回收[4]。

图3 美国“曼塔”无人潜航器Fig.3 MANTA unmanned underwater vehicle

“曼塔”无人潜航器作为美海军相关技术论证的试验平台，装备先进的探测声呐，具有高精度导航和水声通信能力，可获得海底地形和深度信息，或探测水雷，向母艇提供大量水下作战空间的详细信息，发挥战场前置传感器的作用。未来可携带小型潜航器或武器，成为多用途平台。

2.1.3 LDUUV-INP 大排量无人潜航器

美国海军研究局从2015 年开始研制大排量无人潜航器创新型原理样机（LDUUV-INP）（见图4），并陆续开展了续航力、自主性（包括自主导航、控制和通信）以及声呐等有效载荷的试验。该无人潜航器直径约1.5 m，长13.5 m，重量约10 t，最高航速10 kn，采用燃料电池动力系统，提高续航能力。可根据任务需求搭载不同传感器和任务模块，具备扫雷、跟踪、情报侦察等能力，可由大型核潜艇或水面舰艇搭载。

图4 LDUUV-INP 无人潜航器Fig.4 LDUUV-INP unmanned underwater vehicle

2.1.4 “普罗特斯”双模式无人潜航器

“普罗特斯”（Proteus）双模式无人潜航器既可作为常规带有驾驶员和导航功能的蛙人输送艇（SEAL delivery vehicle，SDV），也可作为水下大排量无人潜航器，具有较强的灵活性。该潜航器具有较大的有效载荷舱，可作为水下运载平台输送有效载荷，包括艇员、声学传感器、武器或其他载荷至指定区域或高危险区域。

该无人潜航器如图5 所示，具有回转椭圆首部、细长型的尾部、X 型操纵面及4 个推进器辅助操纵。采用湿式结构，在首尾分别设置载人舱，两舷设置舱门。中部设有载荷舱，气瓶和压载水舱沿艇体环向布置，底部设有启闭门，两舷设置载荷模块搭载挂架，可搭载2×900 kg 载荷（如水雷或扫雷装置、快速攻击型武器或通用轻型鱼雷、导弹等武器）或4 个小型有效载荷模块。

图5 “普罗特斯”无人潜航器Fig.5 Proteus unmanned underwater vehicle

双模式“普罗特斯”潜航器外形尺寸为7.82 m×1.61 m×1.62 m，外壳采用玻璃纤维材料，整艇干重3.73 t。最大潜深50 m（蛙人输送艇模式）/70 m（无人潜航器模式），最大航速9 kn，续航力900 n mile。作为蛙人输送艇时，可搭载6 名艇员（2 名驾驶员）。电池配置为148 kWh，两舷有效载荷舱搭载锂电池时可达296 kWh[5]。

2.1.5 “虎鲸”超大型无人潜航器

美国一直持续推进超大型无人潜航器的研发，期望超大型无人潜航器最终能够携带巡航导弹、鱼雷、水雷和小型UUV 执行远距离任务。图6 为美国“虎鲸”（Orca）超大型无人潜航器概念图像。可以看出，“虎鲸”在首尾设置纵倾调节水舱，首部布置有前视声呐、长基线换能器、测深仪等设备，中部设置有大型的多任务有效载荷舱可布置无人潜航器、鱼雷等有效载荷，尾部布置有柴油机发电机组、蓄电池舱等动力与能源系统，并带有折倒式通气管和通信桅杆、X 操纵面和泵喷推进器。

2017 年10 月，美海军已分别与波音公司、洛克希德·马丁公司签署“虎鲸”超大型水下无人潜航器的设计阶段合同，并于2019 年2 月13 号与波音公司签订了4 艘“虎鲸”超大型无人潜航器的研制合同[6]。

图6 “虎鲸”超大型无人潜航器概念方案Fig.6 The conceptual design of orca large displacement unmanned underwater vehicle

图7 为美国海军未来超大型无人潜航器作战应用设想的概念图。可以看出，超大型无人潜航器可利用中部设置的大型多任务有效载荷舱搭载大型无人潜航器、MK48 型鱼雷及战斧对陆攻击导弹，执行有效载荷的布放、攻击和水下无人系统母艇等任务。若该设想得到实现，将彻底改变水下作战模式。

图7 美国超大型无人潜航器未来应用设想概念图Fig.7 The future application plan of american large displacement unmanned underwater vehicle

2.2 俄罗斯大排量潜航器

2.2.1 “大键琴”-2P-PM 无人潜航器

“大键琴”-2（Harpsichord-2P-2M）无人潜航器是目前俄罗斯最大、最先进的AUV，可由水面舰船或潜艇搭载，具备较强的情报侦察能力，既可以从事巡航任务，可也用于大深度科学考察，如图8 所示。该潜航器长6.5 m，直径1 m，空气中重量约3.7 t，续航力约27 n mile；工作深度6 000 n mile（有报道称工作深度约2000 m）[7]。在2018 年3 月1 号，俄罗斯国防部公布了一张“大键琴”-2P-PM 从潜艇上布放的照片[8]。“大键琴”-2P-PM 无人潜航器布置于潜艇上层建筑原布置拖曳通信浮标的湿式搭载舱内，可利用搭载的侧扫声呐等有效负载，对海底地形进行侦查或对残骸或海底侦听装置进行探测。

图8 俄罗斯“大键琴”-2 无人潜航器Fig.8 Harpsichord-2P-2M unmanned underwater vehicle

2.2.2 “替代者”无人潜航器

俄罗斯媒体称红宝石设计局正在设计一型可模拟有人潜艇的“替代者”（Surrogates）长航程无人潜航器，如图9 所示。根据有效载荷的配置，该无人潜航器可模拟核潜艇或常规潜艇的声学和电磁特征，从而模拟敌方潜艇用于海军训练或转移对方注意力，或执行情报搜集、侦察和海底地形测绘等任务。潜航器长17 m，约40 t，可以5 kn 航速航行600 n mile，最大航速达24 kn，最大潜深600 m。因其体型较大，可携带拖曳式声呐阵列天线。另外，“替代者”无人潜航器可用于开发和测试新的声呐系统、探测设备及鱼雷、潜艇等武器装备，以有效降低潜艇研制成本和风险。

2.2.3 “头足动物”攻击型无人潜航器

图9 俄罗斯“替代者”无人潜航器Fig.9 Surrogates unmanned underwater vehicle

随着“波塞冬”核动力自主鱼雷得到全世界的关注，俄罗斯另一型超大型攻击型无人潜航器“头足动物”（Cephalopod）项目也出现在人们的视线中。该无人潜航器更像一艘小型无人潜艇，装备大型声呐和鱼雷发射装置，使其可单独承担反潜任务。“头足动物”无人潜航器概念图如图10 所示。该型无人潜航器配置大型的首部声呐、鱼雷发射管和艇用螺旋桨，尾部上方向舵偏前。“波塞冬”核动力鱼雷以及“头足动物”攻击型无人潜航器研制概念公布，证明俄罗斯也正积极推进大排量无人潜航器装备打击武器、独立承担作战任务。

图10 俄罗斯“头足动物”攻击型大排量无人潜航器Fig.10 Cephalopod unmanned underwater vehicle

3 关键技术

虽然大排量无人潜航器具有颠覆水下作战模式的巨大影响，但仍处于原理样机或概念方案设计阶段。为进一步推动大排量无人潜航器的发展，需要在动力、导航、通信、自主控制及有效负载等方面取得突破。

3.1 动力技术

大排量无人潜航器的性能和作用在很大程度上取决于续航能力，因此动力与能源是大排量无人潜航器发展面临的瓶颈问题。目前，无人潜航器使用的能源包括铅酸电池、镍铬电池、银锌电池、锂电池及燃料电池等，难以满足大排量无人潜航器续航力的要求。2004 年，美国发布《掌控无人潜航器计划》，提出为适应长期情报监视与侦察或作战需求，需研发长续航力、高可靠性动力系统，将现有无人潜航器水下续航力从10～40 h 提高至几天甚至几周。美国海军2011 年发布两项无人潜航器燃料电池招标项目，分别为大排量无人潜航器创新海军样机项目和长航时无人潜航器未来海军能力项目，旨在将大排量无人潜航器续航力增加至70 天。2 个项目重点关注了固态氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。美国海军要求，中远期无人潜航器动力系统功率密度需达到500 Wh/L 和500 Wh/kg，符合安全性标准，在储存、运行和维修时不会发生危险。

3.2 长航时导航技术

大排量无人潜航器水下潜伏时间长，对定位精度有较高的要求，目前一般采用惯导/多普勒测速仪/GPS组合导航系统[9]。惯性导航系统，累计误差较大，不能完全满足无人潜航器的导航要求，而使用有源导航系统如GPS 进行精确定位修正，需要无人潜航器浮至水面，会降低大排量无人潜航器的任务隐蔽性。长航程无人潜航器导航系统要实现精确定位，利用GPS 进行导航修正是十分必要的手段，还没有更有效的方法来替代全球定位系统。目前美海军水下战中心开始发展非传统性导航技术（NTN），包括利用海底地形匹配、地形跟踪及引力导航，从而形成无人潜航器真正的水下精确定位导航系统。不断追求导航系统的自主化、高精度、无源、小型化、低功率将是大排量无人潜航器导航的发展方向。

3.3 通信技术

通信和组网技术是大排量潜水器具备实战能力的关键，包含卫星通信技术、水声通信技术、组网技术等[10]。利用先进的通信技术，将搜集的情报信息及时反馈给搭载母艇或岸基指挥所，或与其他无人装备的组网通信，在深海实现全方位、立体化通信。

3.4 自主控制技术

自主控制技术主要包含航路规划技术和自主攻击技术。大排量无人潜航器必须能够在苛刻的水下环境中探测和规避水下静止和移动的各种障碍物，同时具备较高的智能化水平和目标识别能力，对目标信息进行快速处理、应用和决策，执行复杂的水下任务，并与环境发生交互作用，根据环境的变化如判断目标意图等，在一定的范围内自身调整行动，完成指定的工作[11]。

3.5 有效载荷及其搭载技术

作为大排量无人潜航器完成其使命任务的直接手段和工具，先进的有效载荷将进一步提升大排量无人潜航器的性能。首先是先进的传感器技术，大排量无人潜航器执行任务时需要使用各种传感器，特别是在扫雷、情报收集与侦察等任务中，小型化、低功耗、高可靠的专用传感器将大大提高目标探测能力与效率。大排量无人潜航器执行攻击任务时，为提高其打击和生存能力，需要发展适合于大排量无人潜航器的体积小、质量轻、免维护的舷外鱼水雷搭载、发射装置[12]。另外，无人机系统、预置武器等新型有效载荷可与大排量无人潜航器结合，形成水下无人系统，执行侦察、打击、航路封锁等任务。因此发展多样化的新型有效载荷及其搭载布放技术，将改变未来水下战场模式[13-14]。

4 结 语

大排量无人潜航器由于具备长续航力、较强的有效载荷搭载能力和自主性高等特点，在潜艇战、反潜战、辅助和支援舰艇作战等方面相比小型无人潜航器更具优势。美国、俄罗斯等国家已开展了大排量无人潜航器的原理样机或概念方案的研究，虽然大排量无人潜航器还处于试验应用阶段，但随着动力与能源、导航、通信、自主控制、有效载荷搭载技术等系列关键技术的突破，大排量无人潜航器在未来高科技、无人化体系的水下作战中将发挥更大的作用。