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美国海军潜心发展反潜作战持续跟踪无人艇

归档日期:06-24       文本归类:反潜作战      文章编辑:爱尚语录

  近年来,美国海军提出了在空中、海面和水下同时投入无人驾驶平台执行作战任务的“机器人蜂群”构想,意在通过无人机、无人艇和无人潜航器组成的“无人军团”实现立体式侦察和搜索,不仅可以减少人力和风险,还能够长时间执行监视任务,突破当前海上作战所面临的一些瓶颈。

  作为防务能力和技术创新的机构,美国国防部先进研究项目局(DARPA)和美国海军研究办公室(ONR)一直致力于研制和发展无人水面艇/无人水面艇系统,希望这项新兴技术可以大大改变两栖作战模式和海上打击战术。在2016年,双方合作为美国海军打造出一艘能横跨太平洋的“海上猎手”(Sea Hunter)无人艇,希望通过这种自主海上无人驾驶平台来彻底改变舰队执行任务的方式。

  从水下军事对抗来看,随着各国不断发展新型潜艇声学静音技术和逐步提高潜艇的作战性能,美国海军在执行追踪外国潜艇任务时面临越来越多的困难,日益感到力不从心。当前,现代化的柴电动力潜艇能够实现有效规避,挑战一些追踪潜艇的传统手段,增大了美国海军在未来水下战争中的风险。

  为了应对这一新的挑战,DARPA在2010年8月正式启动了“反潜作战持续追踪无人艇”(ACTUV)计划,尝试通过概念定义、方案设计、建造原型、海上测试等四个阶段,研制出一种能够在海上浅水区长时间跟踪敌方潜艇的无人驾驶技术验证平台。着眼未来,这种无人驾驶舰船很适合在辽阔海域执行任务,也可以满足把各种平台连接起来的需求。

  从研制初衷来看,美国海军此前一直在努力研制体型较小、可以从大型军舰上投放的无人驾驶海上航行器,并未考虑研制一种中型水面无人舰船。作为五角大楼的创新中心,DARPA的任务并不是由当前需求驱动的,而是比现实需求略微超前一些。此次,DARPA针对美国海军一直希望扩大海上覆盖区域的作战需求,着手为美国海军发展一种具备自主航行的无人驾驶水面舰船。

  ACTUV的设计概念基于一艘独立部署的无人水面艇,能够在辽阔的海面上一次持续航行数千千米,持续追踪水下的静音潜艇,并不作为一种广域反潜战搜索系统。在计划初期,DARPA项目经理罗伯•麦克亨利表示:“ACTUV是一种完全无人化的海上平台,在执行任务过程中无需任何人员留在舰艇上,将通过独特的结构设计来实现可靠的平台性能,承担一系列常规的和非常规的任务,同时探索具有成本效益的制造方式。”

  近日,DARPA负责管理“海上猎手”项目研制工作的斯科特·利特菲尔德表示,今天的美国海军舰队有些像国际象棋,所有军舰都是“王”和“后”,都是威力强大但也非常昂贵的平台,失去其中任何一个都是无法承受的,因此,从某种程度来讲,我们正在从事的工作是研制更像是“兵”的舰船,可以大批量建造它们,也可以承受失去它们的损失。

  这项计划寻求探索和发展一些先进的自主作战技术来满足海上安全导航的要求,同时在一种极少监管的遥控模式下执行各项战术任务。最终,ACTUV将充分利用一系列新型传感器所具备的独一无二的性能,来追踪柴电动力潜艇,为美国海军提供一种“改变游戏规则”的作战能力,在战术和经济方面形成非对称的优势。

  在为期6个月的ACTUV计划第一阶段,诺斯罗普•格鲁曼公司的水下系统分公司、科学应用国际公司(SAIC)的情报、安全与技术分部和奎奈蒂克北美技术解决方案集团分别提出了各自的综合系统概念设计方案,完成了与潜艇追踪传感器和海上自主控制等相关技术的风险降低测试工作。

  与此同时,华盛顿大学应用物理实验室测试了捕获并跟踪潜艇目标的高频主动声呐,空间综合系统公司研究和验证了无人艇追踪潜艇所需的自主算法和海上航道的匹配规则,Sonalysts公司研制了集群式战术模拟器。

  基于第一阶段研究取得的成果,DARPA制定出ACTUV的性能规格参数,并以此作为原型系统设计、建造以及海上验证等后续竞争的基础。2012年8月14日,DARPA在经过全面评估后,认可了科学应用国际公司的模块化设计方案,授予其一项价值5800万美元的合同,用于ACTUV计划第2阶段至第4阶段的研制工作,设计、建造并测试一艘技术验证艇。

  为了保持不同自身在不同领域的竞争力,科学应用国际公司在2013财年下半年拆分为两个企业,分别从事不同的业务,消除组织冗余带来的利益冲突。这样,更名后的雷多斯公司(Leidos)继续负责领导ACTUV计划的技术验证艇的研制工作。2014年7月,雷多斯公司开始制造技术验证艇。同年9月,DARPA与ONR签署了一份联合研制ACTUV原型艇的协议备忘录。

  在历经长达4年的研制工作后,ACTUV技术验证艇在2016年1月27日正式下水,开始为接下来的长时间自主航行试验做准备。4月7日,美国国防部在俄勒冈州波特兰市为这艘全新研制的无人驾驶技术验证艇举行了命名仪式,正式向外界揭示了“海上猎手”无人艇,标志着ACTUV计划已经完成了原型建造工作。

  当天,随着DARPA局长阿尔提·普拉巴卡尔将一瓶香槟酒掷向艇首,“海上猎手”无人艇首次公开展示在世人面前。对此,时任美国国防部副部长罗伯特·沃克在致辞中表示,这艘无人艇看起来就像是《星际迷航》中的“克林贡猛禽”战舰,所采用的技术代表了自主导航和人机协作的突破,有可能彻底改变美国海军的海上作战方式。

  从DARPA公布的最新画面来看,“海上猎手”采用了类似三体船的构型,颇具未来感。然而,就设计灵感而言,雷多斯公司为了实现航行速度堪比柴电潜艇的设计目标,在酝酿ACTUV方案时更多地受到了波利尼西亚独木舟的启发。

  从地理位置来看,法属波利尼西亚群岛位于太平洋中南部,由118个岛屿组成,在历史上,波利尼西亚人的祖先为了探索新海域和征服新岛屿,发明了在浅海行进的舷外支架独木舟。这种独木舟的主要特点是一个细长的空心树干通过两根木制翼梁连接一个或两个船舷,后者也被称为“阿玛斯”(Amas),起到支撑和稳定的作用。现在,这种舷外支架独木舟已成为法属波利尼西亚的象征,并被绘制在该国的国旗上。

  研制人员立足于古老的航海方式和现代的材料技术,为“海上猎手”设计了类似“阿玛斯”的浮筒,从而最大程度地具备了在海上航行时的稳定性和抗风浪能力。这种能力允许“海上猎手”在5级海况下(浪高大约1.82米,风速达到21节)依然保持着设计性能,甚至在7级海况下(浪高达到6米)也能够保持正常航行。船体外部采用玻璃纤维复合材料,内部填充泡沫材料,可以承受更大的压力,同时具有良好的坚固程度。

  与同等尺寸的单体船相比,这种船体构型具有较高的航行速度和更长的航程,而且可以在各种天气条件下保持稳定性,续航里程超过6100千米。凭借着坚固、狭长的船体,“海上猎手”在海上航行时可以劈波斩浪,如同用刀切开黄油的方式迅速地穿过起伏的海浪,即使在最大航行速度50千米/小时情况下也不会受到影响。

  就设计目标而言,“海上猎手”的总体尺寸对于持久作战能力至关重要。从公开数据来看,这艘无人艇长39.6米,高4.3米,满载时重量约147.5吨,尽管无法比肩现役军舰,但已经成为目前世界上最大的无人驾驶水面舰船。值得注意的是,它能够在内部装载40吨柴油,可以在海上持续航行约70~90天,具有十分出众的续航能力,完全具备了现役反潜机、水面战舰和潜艇的广域巡航能力,甚至可以在无人维护的条件下长期部署。

  与持久部署海上和确保稳定航行相比,“海上猎手”最为重要的一个特点是具有自主航行能力。从海上装备发展来看,美国海军在数十年来一直投资研制小型无人驾驶水面舰船,但其中大多数设计成为从军舰上释放入水和回收的小型平台。不同的是,ACTUV计划着眼研制一种可以直接从港口码头启航,驶向目标海域,完成任务后再自行返回,能够从美国国内的任意一个港口航行到世界任何地方。

  从ACTUV计划从初衷来看,DARPA不希望简单地建造一艘遥控船,而是希望研制一种能够遵守海上航行规则和完成复杂任务的自主无人船,只需操纵人员进行很少的监督和控制。因此,这种无人艇的关键特征和技术包括先进的自主导航软件、可根据海洋法的要求执行自主式安全行动任务和可持续追踪静音潜艇目标的新型传感器。

  为实现这些目标,雷多斯公司专门为“海上猎手”研制了导航软件,使艇上的计算机可以进行导航,自动避让其他船只和目标。为了遵守《国际海上避碰规则》,它必须能够自主地识别和判断出海上航行的其他水面船只,为此配备了商用导航雷达、光电传感器、声呐系统和自动识别系统(AIS)等多种导航和定位设备。其中,较为成熟的AIS可以接收到海面上行驶的船只通过VHF频段广播数据传输系统自动、定时播发的信息,有效地采集到相关的船籍、船型、位置和航向等多种数据,从而可以全面地了解前方海域的目标态势。

  2015年1月26日,雷多斯公司利用一艘12.8米长的模拟试验船测试了为“海上猎手”研制的传感器、机动性和任务功能。这艘试验船在密西西比附近海域独立行驶了65千米,完成了智能化定位和自行调整航路,成功地验证了这套系统可以遵守《国际海上避碰规则》有关预防海上碰撞的航行规定,避免在跟踪潜艇时与水面船只发生碰撞。这艘试验船仅仅依靠一种预先加载的航海图,在复杂的沿海环境内实现了自主导航,实时输入的数据来自商用成品雷达。

  从外观来看,这艘无人驾驶技术验证艇依然设计了一个可拆卸的操作员驾驶舱,部分原因是这艘无人艇还无法识别海上船只发出的汽笛等声音信号,也是雷多斯公司迄今为止还未解决的问题,目前正在一艘独立的试验船上进行测试,已经取得了进展。

  目前,雷达是感知海上船只的主要方式,但是无法对它们进行分类。为了减少对雷达的依赖性,DARPA战术技术办公室在2015年3月发布了需求信息,为ACTUV计划寻求可用的传感器系统和图像处理器,以发现和区分附近的船只和其他目标。预期的传感器系统、图像处理硬件和软件包括被动的光电/红外(EO/IR)或激光雷达等技术。截至目前,DARPA并未向外界透露“海上猎手”所采用传感器的具体类型和技术。

  针对搜索和探测潜艇任务的需要,“海上猎手”在船体的水下部分安装了可扩展模块化声呐系统(MS3)。这是雷神公司研制的首个第五代中频船体声呐系统,采用了主动和被动一体化设计和数字式多波束扫描等技术,通过计算机自动实施探测与跟踪、鱼雷探测与告警、小目标规避探测等功能。其中,它在主动模式下可以完成声波导航与测距,有效探测距离为18千米,在被动模式下只能接受信息。

  为了在“海上猎手”的有限空间内安装MS3,雷神公司重新设计了SQS-56声呐,重点改进了收/发阵列,降低功耗和重量,提高其灵敏度和反应速度,并通过采用光纤和数字技术,将可替换元器件数量从400个减少到15个,从而大幅提高了可靠性。作战使用中,MS3产生的数据反馈回中央指挥和控制节点,并形成通用作战图用于反潜作战。

  从作战用途来看,“海上猎手”将主要承担反潜战任务。在海上巡弋时,它一旦发现敌方潜艇,便对目标实施持续跟踪,并通过卫星通信数据链向附近的水面舰船传输敌方潜艇的实时坐标,引导打击行动。目前,反水雷任务是各国赋予无人艇的最主要任务,不过往往都是尺寸较小的平台,以便配备在军舰上。作为合作计划的一部分,ONR还在寻求一些反水雷任务载荷,特别是一种可以扫雷的载荷。

  除了反潜和反水雷外,DARPA可能为“海上猎手”配备其他类型的任务载荷,以执行其他一些战术任务,如情报、监视与侦察(ISR)、通信中继和后勤补给任务。它凭借着相对较大的外形尺寸,具有更多的空间和承载能力,甚至可以为多种任务载荷安装一种可提供电力的发电设备。

  2016年6月22日,雷多斯公司在加利福尼亚州的圣地亚哥海岸完成了“海上猎手”无人艇的初始性能测试,标志着海上试验工作达到了第一个里程碑。在开放水域里,“海上猎手”的速度、机动性、稳定性、适航性、加速/减速、油耗、机械系统的可靠性均达到或超过预期目标。随后,DARPA和ONR继续利用“海上猎手”无人艇测试一些传感器和自主能力,并将进行海上任务的概念演示。

  2016年10月下旬,“海上猎手”无人艇初步测试了第一种任务载荷。DARPA利用“海上猎手”无人艇在加利福尼亚海岸试验期间,为其加装了一种拖曳式传感器设备,直译为“海军系统之拖曳式空中浮升”(TALONS)系统。从字面上看,这个名称有些拗口,实际上就是借助系留式翼伞,将以往安装在军舰桅杆上的ISR和通信设备部署到空中。

  DARPA研制TALONS系统的目标是验证一种拖曳式空中阵列的探测距离可以大大超出传统上桅杆安装的侦察设备。随着“海上猎手”正式下水,DARPA尝试将“海上猎手”作为一种灵活的任务载荷平台,用于扩大ISR传感器的覆盖范围和延长船舶通信的距离。TALONS系统嵌入在“海上猎手”无人艇的后部,在试验中释放并展开翼伞,借助浮力将传感器阵列提升到预期高度。在TALONS系统飞行期间,“海上猎手”无人艇以设计巡航速度在海面上自主前进。

  长期以来,美国海军一直使用拖曳式声呐执行ASW任务,通过舰船和潜艇在后面拖曳声呐侦听器,有助于减少舰船自身产生噪声的干扰。TALONS拖曳式阵列是一种在拖曳式声呐阵列基础上发展的空中型,内部携带有68千克的ISR传感器和通信设备,借助翼伞产生的浮力,可保持在45米到450米高度。

  10月24日和25日,DARPA通过每天将TALONGS系统释放到空中并悬浮90分钟,验证了这种拖曳式传感器的基本性能。在持续飞行期间,研制人员测试了ISR传感器和通信设备,然后利用无人艇上的卷筒设备将其回收到安放位置。测试结果表明,与桅杆安装的探测设备相比,TALONS系统显着提高了传感器和无线电的覆盖范围。例如,在305米高度,水面跟踪雷达的探测距离延长了五倍,光电/红外扫描仪的识别距离增加了一倍,而商用无线电的传播距离增加了三倍。

  2016年11月初,DARPA向雷多斯公司授予了850万美元的续约合同。根据合同内容,该公司将继续开展“海上猎手”无人艇试验阶段的技术发展。按照计划,“海上猎手”验证船的全部测试工作将持续到2018年9月结束。如果一切顺利,美国海军希望“海上猎手”无人艇在当年底列入型号发展计划,准备小批量生产。

  目前,美国海军希望“海上猎手”无人艇作为现役舰队的补充,执行一些基本任务来减少人员的风险,实现无处不在的部署能力。这些基本任务主要包括前沿部署侦察和监视设备、提供设备和补给品、通过“蜂群”战术攻击小型舰船和驱散敌方舰队。

  作为一种全新的反潜平台,“海上猎手”的最大优势在于性价比高。考虑到采购成本,DARPA在ACTUV计划启动时希望能以每艘无人艇2000万美元的成本实现批生产,与现役P-8A反潜巡逻机的2.5亿美元相比,可谓天壤之别。目前,这艘原型船的制造成本大约在2200~2300万美元之间,不包括设计和软件的费用。

  可见,DARPA基本将成本控制在预定目标内,下一步借助于批生产的规模效应和精益生产,完全能够实现预定的成本目标,对于美国海军来说具有极大的吸引力。而从使用成本来看,DARPA通过估算认为,如果用无人艇来替代类似尺寸的军舰,将会节省一个数量级上的日常运作成本。目前,“海上猎手”的每天使用成本只有大约1.5~2万美元,大大低于无人直升机每天30万美元的使用成本,更是远远低于现役导弹驱逐舰每天70万美元的作战成本。

  随着美国国防部开始尝试发展有人/无人协同作战的概念,DARPA希望“海上猎手”无人艇可以与其他的无人船和有人驾驶舰船协同作战。DARPA认为“海上猎手”是一个优秀的平台,可以用于学习如何与有人驾驶舰船协同作战。尽管这种无人艇不适合放置在濒海战斗舰(LCS)的内部,但它可以作为LCS的一个任务模块来使用,通过“狼群”战术达到作战目的。“海上猎手”凭借着良好的隐身性能和强大的探测能力,可以充当LCS的“侦察兵”,即便遭到敌方攻击,也不会引发人员伤亡的后果。

  正因如此,美国国防部副部长沃克在命名仪式上说:“为了这一天,我已经等了很久,我们正处于令人难以置信的技术飞跃阶段。”他甚至还毫无掩饰地直言,新型无人艇在完成安全性验证测试后,可能在美国海军第三舰队或第七舰队的辖区内继续进行作战测试,看看“海上猎手”执行一些什么任务,并希望美国海军在5年内组建一支无人舰队,随时部署到西太平洋和波斯湾。

  与此同时,美国多家媒体纷纷刊文,极力吹捧这种新概念反潜利器的作战优势。2016年4月8日。美国《战争很无聊》网站更是以《俄罗斯、中国和伊朗做好准备:美国的新潜艇杀手来了》为标题,将“海上猎手”炒作成为中、俄潜艇的“克星”。的确,美国海军出于节省成本的考虑,格外看重这种无人反潜利器,因此“海上猎手”验证艇在数年后极有可能投入批量生产,发展成为在全球紧盯各国潜艇的“哨兵”。

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