美国海军水下自航靶发展研究

周 卿，李 奔，孔德景

(1.海军装备部，北京 100036；2.中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

水下自航靶可模拟各类水下机动目标的声特性、磁场特性、机动特性等物理特性，主要用于模拟潜艇、大型无人潜航器等水下目标的目标特性，为鱼雷、水雷等提供攻击对象，并可为测试潜艇、水面舰、反潜巡逻机、反潜无人机等装备提供模拟目标。水下自航靶是海军水下作战训练、水中兵器试验鉴定的主要使用装备，也是海军水下作战力量发展的重要资源。

水下自航靶主要由声学系统、导航电池、控制系统、发动机、推进器和拖曳阵等组成。此外，水下自航靶还可拖曳磁异常模拟装置，可加载电流，模拟水下目标的磁特性。水下自航靶操作方便、运行费用低，安全、易于获取，费效比高。水下自航靶已成为各国反潜训练及水下武器测试使用的主要靶标装备。

美国海军十分重视水下自航靶装备和技术的研制工作。美国海军设有水下武器项目办公室（PMS-404），该办公室负责水下武器装备的研发、制造、升级等相关工作，其中包括水下靶标的研制、采办等工作。美海军目前主要使用的水下自航靶的研制、采办均由该办公室负责。

1 发展历程

美国海军是最早使用水下靶标模拟潜艇等目标进行反潜训练及水中兵器测试的国家之一。从最早使用的退役潜艇到目前先进的水下自航靶，其发展共经历几个阶段。

二战时期，为测试水中兵器，美、俄、德等国都使用一些退役潜艇，进行改装后作为靶标使用。二战后，由于退役潜艇的成本高昂，美国开始研制专门用作靶标的潜艇，发展了SST-1“鲭鱼”号（USS Mackerel）和SST-2“马林鱼”号（USS Marlin）特制潜艇用于反潜训练及水中兵器测试。虽然，使用特制潜艇的训练价值很高，但是训练成本依旧高昂，而且一般不能进行实弹打靶。因此，美国开始发展专用水下靶标。

20 世纪60 代初，美国开始发展专用靶标，静态声靶和拖曳靶逐步代替了靶艇，提供低成本的反潜训练方案。水下声靶有静态声靶和拖曳声靶，是随着声自导鱼雷的使用而研制发展的。美国静态声靶的代表性产品有Mk17，拖曳声靶的代表性的产品有Mk29。拖曳声靶能够模拟潜艇的尺寸，可用作反潜训练的目标模拟器，但其无法良好模拟潜艇的机动性，且灵活性较差，逐步被水下自航靶取代。

70 年代至今，美国重点发展水下自航靶，其发展随着UUV 技术的发展逐渐成熟。水下自航靶标既可模拟潜艇噪声、回波反射等目标声学特征，又可像潜艇那样具有上升、下潜、回转、变速等运动特性，模拟潜艇机动特性比较真实。通过靶标尾部的拖曳阵声呐可以模拟潜艇尺寸，还可模拟潜艇的磁特性。美国目前主要使用的水下自航靶型号有Mk30 Mod2 等。此外，美国还采购了其他国家研制的先进水下自航靶型号。

2 水下自航靶装备水平

美国海军至今已发展了多型水下自航靶。为满足训练及试验鉴定需求，不断更新产品型号，并采购国外公司的先进型号。

1）Mk30 Mod2 水下自航靶

Mk30 Mod2 水下自航靶是美国雷声公司于1996 年开展的ACAT IV-M 项目。雷声公司于2008 年开始批量生产72 个Mk30 Mod2 水下自航靶和5 套外部控制设备和支持与测试设备，该系统被分别安装在美海军的5 个训练场。

Mk 30 Mod 2 水下自航靶外形与UUV 鱼雷相似，由6 部分组成：前端、电池、导航与控制、声学、电机和尾翼。此外，为辅助训练，拖曳阵/磁异常探测线会加装在靶体上。

图1 Mk30 Mod2 水下自航靶Fig.1 Mk30 Mod2 self-propelled target

表1 Mk 30 Mod 2 性能参数Tab.1 Performance parameters of Mk30 Mod2

Mk30 Mod2 反潜训练靶标系统的设计具有较高的可操作性和可维护性。Mk30 Mod2 反潜训练靶标系统提供给使用者一整套的支持和测试设备来全方位维护靶标。其设计时就对靶标的维修保障进行考虑，各主要模块都易于拆解维修，利用支持与处理设备可对靶标进行维修保障的具体工作。一次使用后，Mk30 Mod2 水下自航靶的平均维修时间只需3 h。Mk30 Mod2 水下自航靶尺寸相对较大，搭载子系统模块较多，但其设计合理，对可能的故障都有相应的处理。在较复杂的水下环境中，靶标系统的可靠性达90%（4 h内），满足海军训练需求。

2）MK39 EMATT 水下自航靶

美国MK39 EMATT 系列水下自航靶是可抛弃式的靶标，由美国洛克希德·马丁公司于90 年代研发，1994年具备了初始作战能力，至今已经发展了5 代产品，包括Mod0，Mod1，Mod1A，Mod2 和 Mod2-TER 型。

图2 Mk39 EMATT 系列水下自航靶Fig.2 Mk39 EMATT self-propelled target

Mod2 型是目前美海军广泛使用的水下自航靶，其改进型Mod2-TER 提升了对柴电动力潜艇的模拟能力。以Mod2 型水下自航靶为例，对其主要性能进行研究。

Mk39 EMATT 水下自航靶与美海军服役的其他水下靶标相比成本较低。该靶标是可抛弃式的，在完成预定任务后，靶标会自行沉入水底。由于其价格低廉，且功能全面，除美海军大量采购外，其他国家海军每年也会采购约100 枚Mk39 EMATT 水下自航靶。Mk39 EMATT 水下自航靶的部署方便，且不用回收。该靶标可由各型水面舰、固定翼飞机及直升机由人工直接部署，不必使用特殊的发射装置。

表2 Mk39 EMATT 系列Mod2 型性能参数Tab.2 Performance parameters of Mk39 EMATT Mod2

3）SPAT 水下自航靶

美国SPAT 可回收式水下自航靶是由美国洛克希德·马丁公司于2005 年研制生产的。SPAT 水下自航靶旨在为美国海军提供一个性价比较高，灵活性更好且可重复使用反潜训练靶标。

SPAT 水下自航靶尺寸较小，占用空间小，2 名工作人员即可将靶标安装在发射系统，从水面舰或直升机部署。回收时，SPAT 水下自航靶会按照预先的设定结束任务，或由控制系统给水下自航靶发射结束任务信号。结束任务后水下自航靶会自行上浮，该靶标为醒目的橙色，同时会亮起闪光灯，易于发现。靶标尾部还可释放一个用于反射雷达信号的气球，方便雷达搜索。SPAT 水下自航靶的维修成本较低，自身具备故障诊断系统，每次维修时间约50 h。该靶标较好的可维修性使其使用寿命至少达到20 年。

4）MASTT 大型水下自航靶

MASTT 移动反潜训练靶标是由英国MSubs 公司进行设计建造的。MASTT 项目于2010 年启动，2011 年10 月完成设计制造，并交由美国海军水面战中心卡德洛克分部（NSWCCD）声学研究支队（ARD）进行长达1 年的试验。2012 年12 月11 日第一艘MATSS 交付海军水下战中心。

图3 MASTT 大型水下自航靶Fig.3 MASTT self-propelled target

MASTT 是目前世界上最大的无人潜航器，采用双壳体结构，并使用大量现有商用成熟技术，性价比较高。

MASTT 水下自航靶通常是根据任务设定进行自主控制，具有自扶正能力。在水面上时，该靶标还可进行远程操控。通常的水下自航靶的外形都与鱼雷外形相近，而MASTT 水下自航靶的外形则与潜艇基本相同，因此该靶标在模拟潜艇特征上具有很多优势。该靶标体型较大，且靶体由钢材料构成，因此该靶标本身的磁信号就与潜艇相近，而不必使用耗电量较大的高脉冲电流进行模拟。其次，该靶标本身的回波信号就可满足声呐测试需求而不必使用拖曳阵进行模拟。另外，其他水下自航靶对潜艇尺寸的模拟时，无法兼顾对指挥台的模拟，而该水下自航靶本身就有模拟指挥台的结构。总而言之，该靶标可被看作是“真”潜艇，而非用声学信号、磁信号构造出的“假”潜艇，其模拟更逼真，训练价值更高。

表3 SPAT 性能参数Tab.3 Performance parameters of SPAT

3 关键技术

水下自航靶的关键技术中，能源、导航、控制、通信、推进、发射回收等技术主要依托于无人潜航器的技术发展进行升级。而水下自航靶作为水下目标模拟器，其声特征模拟技术、磁场模拟技术和机动性模拟技术也是其关键技术，决定了其使用效能。

1）声特征模拟技术

作为声自导鱼雷和探潜声呐的模拟目标，水下自航靶可模拟潜艇等水下目标声学特征包括辐射噪声特性、声散射回波特性和回波亮点空间分布特性。

辐射噪声主要通过水下自航靶自身携带的换能器模拟潜艇推进系统、内部的机械振动等辐射的一定频率的噪声。各型潜艇不同的辐射噪声特征，形成了各自不同的声纹特征。美国经过多年的技术积累，具备模拟本国及其他国家多型潜艇声纹特征的能力。现阶段，水下自航靶的辐射噪声的频段可覆盖0.1～60 kHz，噪声强度可达120～190 dB。

水下自航靶的回波特性是根据鱼雷自导信号及主动声纳信号的振幅，返回相应强度的回波信号。先进的水下自航靶可编程控制回波信号。除了模拟信号的强度特征外，还需要考虑到目标的运动和自导信号在不同方位会产生回波信号的多普勒频移和信号的展宽。自航靶的模拟回波频段一般在2～60 kHz 左右，覆盖大部分主动声呐的主要工作频段和鱼雷声自导频段，目标强度通常设定在10～25 dB。

由于先进的声自导鱼雷具有空间尺度识别功能，因此水下自航靶既要对鱼雷主动声纳信号进行应答，还要产生与潜艇尺寸类似的模拟信号。比较通用的尺寸模拟技术是声学亮点技术，将潜艇目标的空间尺度等效为若干主要亮点回波的组合，通过专用处理软件对这些亮点回波进行相干叠加处理，使用宽频带拖曳基阵来产生具有多亮点结构的空间模拟目标。Mk30 Mod2 的拖曳阵长度可达100 m，拖曳的换能器多达16 个，模拟目标长度225 m。

表4 MASTT 性能参数.Tab.4 Tab.3 Performance parameters of MASTT

2）磁场模拟技术

水下自航靶可通过拖曳磁异常装置产生相当强度的磁场，其方式通常是在水下自航靶拖曳阵后增加一段拖曳线缆，在线缆上加载直流电流或脉冲直流电流，产生相当强度的感应磁场。多型水下自航靶都可拖曳磁异常模拟导线来模拟潜艇磁场特性，Mk30 Mod2 在拖曳声呐阵后又拖有一根76 m 长的导线，用来模拟潜艇磁场特性，可在450 m 深度上模拟0.5 伽玛的磁场强度。MASTT 体积较大，建造时使用相应的铁磁材料即可实现对潜艇磁信号的初步模拟。为增加磁场强度，可在其不同位置缠绕电流线圈，将潜艇磁场等效为若干偶极子的磁场，逼真地模拟潜艇磁场分布。

3）机动性能模拟技术

水下自航靶具备的动力性能可对水下目标的机动特性进行模拟。通常按预先没定的程序控制水下自航靶的航向、深度和速度，模拟潜艇巡航、高速航行以及对探测和跟踪所做的规避动作。水下自航靶模拟潜艇的机动性时，采用多速制，有双速制、三速制，也有的采用连续变速制。Mk30 Mod2 采用5～20 kn 连续变速制。SPAT 声靶具有航向、速度和深度共18 种程序组合，每种弹道细节由用户根据需求设定。

4 发展趋势

1）水下自航靶装备向模块化发展

水下自航靶的空间利用可谓“寸土寸金”，通过模块化设计，根据不同任务搭载“即插即用”的传感器模块是充分利用其空间的最优方式。如MK30 Mod2 水下自航靶各主要模块都易于拆解维修，利用支持与处理设备可对靶标进行维修保障，并为后期技术升级提供了便利。目前先进的水下自航靶，如美国计划采购的AUV62-AT，可通过更换不同负载模块并配置相应任务包执行不同任务。模块化设计的水下自航靶可通过更换负载模块，提高任务多样性及灵活性，同时有利于平台规模的建设，建造效费比更高，维护成本更低，有利于新技术的移植。

2）水下自航靶技术水平将随无人潜航器发展实现突破

无人潜航器作为美国海军发展的重点，近年来各方面技术得到了很大提升。其大多数技术如能源、通信、导航、自主性等都可在水下自航靶上得到应用。根据美国无人潜航器的装备发展目标，其续航时间更长，航速更高，数据传输更快，任务指令下达更便捷。这些技术的提升都可为美海军提供能力更强的水下自航靶。此外，结合人工智能技术，可提升水下自航靶的自主决策能力，以模拟更复杂的目标特性。

3）水下自航靶的易用性不断提升

水下自航靶的易用性极大地影响着海军执行水下战训练和水中兵器试验鉴定等任务的执行。水下自航靶的易用性提高可提升训练及试验鉴定效率，并可降低维修保障成本。易用性高的水下自航靶可使用少量人力实现快速任务准备、布放与回收。随着水下无线充电技术的发展，水下自航靶将可实现快速无线充电，通过若干水下自航靶即可满足对目标的连续模拟。其数据下载、任务重新编程、任务切换等将可通过水声链路等方式遥控完成，操作更方便，反应速度更快。