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海上机器人技术系统的现状与发展趋势

军民融合科技创新资讯平台2019-01-15 17:09:23

来源:知远战略与防务研究所


导 读

本文译自俄罗斯《机器人技术系统目前发展趋势:军用和特种海洋机器人技术系统》,作者为A·V•洛波塔,A•B•尼古拉耶夫,原标题为Морские робототехнические комплексы военного и специального назначения。文章主要内容包括:世界军用和特种海洋机器人技术系统现状概述;国外部分军用和特种水下机器人技术系统型号;国外部分军用和特种海洋无人艇型号;俄军现役军用海洋机器人型号;俄罗斯内务部、紧急情况部、联邦安全局和其他联邦权力执行机关使用的海洋机器人系统型号;俄罗斯国内主动研发的海洋机器人技术系统型号;对军用和特种海洋机器人系统现有情况资料的分析;军用与特种海洋机器人技术系统发展方向预测。


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军用和特种海洋机器人技术系统现状概述


军用和特种海洋机器人技术装备的发展目标是提高海军特种系统和装备的效能,扩展其功能,为海军有人驾驶装备的行动安全提供保障,为海洋资源开发部门进行专业水下技术和搜索救援工作。


2015年夏天,“弗吉尼亚”级核潜艇“北达科他”号在下潜期间释放和回收了艇上的Remus 600型无人潜水器。海军专家称:“最近几十年,美国国防部制定了许多从水面舰船和岸上释放的、主要用于搜索和排除水雷、进行海上侦察的水下无人自动系统方案。对于这些用途来说,水下机器人的尺寸并不重要。现在水下机器人的构造与由系列自动系统组成的潜艇的联系更加紧密。因此海军专家应集中力量于能够利用潜艇水下接点和执行最适于无人潜水器的任务的水下机器人。”



微型水下机器人(直径不超过20厘米的无人潜水器)的特点是便宜,性能日臻完善,例如,自主工作能力和电源自持力。可以作为战斗技术装备、海底勘查装备或反潜作战干扰装备大量购买和部署。


小型水下机器人(直径约30厘米的无人潜水器),例如Mk-18 UUV水下机器人通常用于水文地理调查和水雷探测。它们可在模块化水下机器人计划的框架内用于侦察或进攻行动,以及搭载潜艇或水面舰船和飞机工作。


中型水下机器人(直径约50厘米的无人潜水器)尺寸与Mk-48潜射鱼雷相当。尽管美国海军目前没有使用这样的无人潜水器,但计划在模块化重型水下机器人计划的框架内研发未来的鱼雷,它可执行各种任务——从布雷和在远接近地消灭敌人到电子压制。


大型水下机器人(直径约2米的无人潜水器),用在研的“弗吉尼亚有效载荷模块”(Virginia Payload Module,为“弗吉尼亚”Block V级潜艇研制的)的鱼雷发射管发射。利用这种系统可提高潜艇性能——提高探测系统作用距离,增加有效载荷或将装备输送至潜艇无法到达的或危险的地方。


超大型水下机器人(直径大于2米的无人潜水器)从岸上或具有井甲板的大型舰船上投放。它们可用于长时间执行侦察任务,或运输其他装备和水下机器人。发展其使用构想可考虑大型无人潜水器的使用经验。 



2

国外部分军用和特种水下机器人技术系统型号 


美国海军专业排雷中队自2002年开始装备Mk 18 Mod.0型水雷侦察系统(绰号Skulpi)。其主要组成部分是3台便携式无人自主潜水器(图1)。后者是“水螅虫”(Hydroid)公司 (康斯堡海事公司的美国分部)以Remus-100(REMUS:Remote Environmental Monitoring Units)为原型研制的。Remus-100的主要任务是报告水下情况、水雷侦察和浅海水下巡视。 

图1:REMUS便携式自主无人潜水器系统的技术设备 


潜水器性能如下:重30.8公斤,长1.3米,直径0.191米,工作潜深150米,自持力22小时,水下最大航速4节,距海底最小工作距离1.5米(取决于多普勒计程仪的能力)。基本型装备:具有合成孔径天线(海洋声学技术公司研制)的侧视水声雷达(雷达具有很高的分辨力,距离50米时为5×5厘米),多普勒计程仪,GPS导航信号接收机;温度和水导电率传感器。


除了制定行动计划和输入数据,操纵员的自动化工作席位(配备便携个人电脑)还能在彩色编码显示器上显示物体的信息、形状和水声影像尺寸,其水声阴影轮廓,传输相对于环境背景的水声对比效果,从而大大简化分类,在总体上加快信息处理进程。


REMUS系统满足MIL-STD-810E军用标准,而REMUS的构造被美国海军领导层视为研制新一代小型军用自主无人潜水器的基本构造之一。该系统于2001年列装,目前是海军陆战队战斗蛙人侦察中队、SEAL特种战斗蛙人分队和海军扫雷部队潜水中队的全套技术装备的组成部分。


2003年3月美国海军第1特种排雷中队在伊拉克乌姆卡斯尔港开展入港航道和港湾清理工作的过程中使用了Mk 18 Mod.0“锯鲉”系统。在一个月的时间里一共成功地发现了237个水下目标,其中100个被认定为水雷。REMUS可由海豚携带,并使用MK 7 MMS型全套设备中的设备(图2)。


图2:由海豚携带的 MK7 MMS系统


美国海军将自主无人潜水器与在编的海洋动物群联结合使用同,每个单位包括2对经训练能在100米以内深度搜索沉底水雷和完全埋入泥土(埋深0.5米)的水雷。海豚还被用于验证无人潜水器对海底的调查结果。 

图3:Remus-600自主无人潜水器 


目前已经研制了Remus-100的改进型——Remus-600(图3)。其特点是,由3个艏舵和3个艉舵组成的操纵系统能够确保潜水器具有高度的机动性,在较大的航速范围内有很好的稳定性。Remus-600直径0.32米,长3.24米。其搜索设备是小合成孔径声纳(SSAM:Small Synthetic Aperture Minehunter)。


小合成孔径声纳系统重量达87公斤,消耗功率150瓦。同时,Remus-600有蓄能超过5.4千瓦时(单组)的蓄电池。利用有效载荷腾出来的地方(即除去小合成孔径声纳),还可以再布置2个蓄电池组,使储备能量达到16.2 千瓦时,可使航程增加到280海里,自持力达到数昼夜。


根据Mk 18 Mod.0“锯鲉”的实战使用经验,美国人做出了对其进行改进的决定。重43公斤的新改型——Mk 18 Mod.1“剑鱼”——用于收集水声和测深信息,以及查明敌人近岸地带深3-12米的抗登陆工程障碍系统。从2008年起列装了9套该系统。得益于很高的战术技术性能,不仅美国海军使用该系统,英国、德国、意大利、荷兰、比利时、挪威、瑞典、芬兰、爱沙尼亚、新加坡、澳大利亚和新西兰海军也广泛使用上述型号的便携式自主无人潜水器。


美国特种排雷中队从2010年起装备Silayan系统,该系统包括3台“金枪鱼-9”潜水器,后者重50公斤,长1.65米,直径240毫米,航速2-5节,工作时间12小时,使用深度达200米。它们装备了同样的上述侧视声纳和摄像机。


与此同时,L-3通信海洋系统公司研制了Mk 8 EMD(Expendable Mine Destructor)试验型便携式扫雷潜水器。该潜水器重28公斤,长1.05米,直径200毫米,最大航速12节,航速8节时持续工作时间15分钟,航速4节时持续工作时间2小时,工作深度2-300米。装备2台电视摄像机和1台作用距离达50米的声纳。


来自声纳的信息和目标影像沿光缆传输至舰上控制系统的显示器,以进一步分析和识别水雷。潜水器的战雷头(重16公斤)可装聚能炸药或爆破炸药。


在“外国武器装备比较试验”计划框架内,美国专家测试了冰岛Hafmynd公司研制的“潜鸟”(Gavia)自主无人潜水器(重44公斤,长1.7米,直径200毫米,航速达6节,持续工作时间达30小时)。鉴于良好的试验结果,2010年特立达因科技公司(TeledyneTechnologies)公司获得了生产权。


“潜鸟”自主无人潜水器的构造特点是采用模块化配置。设备系统包括4个制式密封模块:装有摄像机的艏部模块,控制、通信和导航模块,蓄电池模块,推进模块(图4)。

图4:“潜鸟”无人自主潜水器


计划使用适用于潜水器极限潜深的可更换有效载荷模块,后者通过可拆卸的对接装置与潜水器连接。据美国专家评估,该潜水器的性能优于当前其他同类型号。例如,同类型号的潜深为100-200米,而用铝合金或高合金钢制成的“潜鸟”无人潜水器的4种改型分别达200、500、1000、2000米(在海水温度为-2至+35°С的情况下)。


潜水器可装备搜索和探测水下目标的前视声纳,对发现的海底目标进行分类的多射束扫描侧视声纳。可更换有效载荷包括水深测量设备(例如轮廓测定仪)和水文数据收集设备,以及高分辨率数字摄像机。


2008年,潜深达1000米的“潜鸟”无人潜水器交付澳大利亚海军。2009年,葡萄牙海军购买了2台探雷型“潜鸟”无人潜水器。潜深为200米的型号则在美国海军第1特种排雷中队试用。根据总额1000万美元的合同,美国海军将购买10台具有不同配置的“潜鸟”无人潜水器。


在以324毫米小型自主无人潜水器为基础的探雷系统中,诺斯罗普-格鲁曼公司的Mk 18Mod.2“无鳔石首鱼”是最先进的型号。其海试已从2012年7月开始进行。该系统包括3台潜水器(工作深度为5-300米,搜索速度为4.5节时可持续工作10小时,由水螅虫-康斯堡公司以Remus-600潜水器为原型研制)。


其动力装置包括锂离子蓄电池(5200瓦)和电动机(双叶螺旋桨)。舵面方向为0°-120°-240°,从而减小了旋转半径,大大降低了潜水器受损的可能性。


基本配置包括具有天线动态聚焦设备的侧视声纳、摄像机(有辅助照明设备)、海水温度和导电性传感器。为了有效搜索完全埋入底土的水雷,可装备带合成孔径天线的侧视声纳。同时,为了使因携带可更换模块而使长度增加1米、重量增加44.5公斤的潜水器保持机动性,加装了装有舵面的的艏舱。


原计划2013年底进行制品各组件的最后配合演练并完成试验计划。据研制方估计,量产型的价格应为10万美元左右。


目前通用动力公司正在研制未来的“小刀鱼”探雷系统 (Surface Mine Countermeasure Unmanned Undersea Vehicle)。该系统将是“自由”级和“独立”级轻型护卫舰全套反水雷装备的一个组成部分。计划在在研的模块(采用20英尺标准20集装箱的尺寸)中布置2台自主无人潜水器、收放装置和第二套蓄电池,以及操纵员自动化工作席位。


系统的主要组成部分——无人潜水器(长6.1米,直径533毫米,重1360公斤,工作深度12-300米)以正在试用的“金枪鱼-21”潜水器为原型。为了降低物理场信号特征,减小尺寸和重量,除铝合金外,潜水器构造还将采用多层复合材料和强化玻璃钢。“金枪鱼-21”潜水器由金枪鱼机器人技术公司研制,重750公斤,直径533毫米,长约5米,搜索速度3-4节,最大时速8.3公里,持续工作时间达25小时,搜索效率为0.12平方海里/小时,搜索宽度150米,潜深4500米,总动力耗量13.5千瓦时(9组锂聚合物蓄电池,功率各为1.5千瓦时)


动力装置包括2组模块化锂离子蓄电池和1台电动机,驱动一副用复合材料制成的三叶片螺旋桨(布置在环形套筒中),后者是采用铰链的推进装置-舵联合系统。采用这种固定方式能够确保潜水器具有较高的机动性,特别是在以低速和超低速航行时。据研制方测算,该型潜水器在以6节速度航行时自持力不少于16小时。


潜水器上主要的搜索设备是具有合成孔径天线的高分辨率低频侧视声纳,它是由Ultra Electronics公司与宾夕法尼亚国家大学应用研究试验室联合研制的。来自声纳的数据将被记录在存储容量为12TB的可拆卸硬盘中。除制定行动计划和输入数据外,潜水器上的软件和硬件设备还能自动处理和分析(通过与所有水雷(或类似目标)数据模型库中的数据进行比对)接收到的信息。


美国计划2019年开始批量生产和向海军交付24套“小刀鱼”系统和6套训练设备。


为了对海底进行高精度的制图研究,根据美国海军海洋地理局的订货,“水螅虫”公司研制了Remus-6000深潜器(重900公斤,长4.1米,壳体直径600毫米,搜索速度4节,自持力12小时),得益于钛合金壳体,它能够下潜至6000米的极限深度。


这种深潜器的可更换有效载荷包括侧视声纳(工作频率300/900千赫)、水底轮廓测定仪(工作频率30/200千赫)、摄像机(带辅助照明设备)。目前有2艘这种深潜器在美国海军中服役。


在极浅水域搜索和排除水雷的任务十分困难。主要问题是,需要在碎波持续的情况下对深度小于2-5米的近岸水域进行水声测位照相,这种水域的典型特点是有猛烈的拍岸浪。而大大的拍岸浪无法到达、水深小于1米、相对平静的近岸浅水区,茂密的水下植物给搜索抗登陆水雷带来了很大困难。


为了解决上述任务,美国启动了一个小型(便携式)自主无人潜水器系统研发计划。这种系统用专门用于在浅水区和拍岸浪区(水深小于12米)搜索和排除(压制、标示、摧毁)沉底水雷和抗登陆锚雷。


目前,列入这个计划的候选基本设计包括:


1、“蟹形爬行”无人潜水器,波士顿iRobot公司于1990年代末研制。这种潜水器(图5)被称作“有腿自主潜水器”(Autonomous Legged Underwater Vehicle)。其中最著名的是Arie1-II,其搜雷能力曾在各种条件下进行了演示,包括在瑞威尔海滩(马萨诸塞州)附近,在沿岸系统站(Coastal Systems Station)靶场(佛罗里达州)和蒙特雷湾。试验证明它在海滨坡地具有良好的稳定性和对钢铁目标定位的能力,但是据研制公司披露,“在保障动态控制方面还需要做大量的工作”。尽管在近岸水域行动的无人潜水器的构想相当简单,但发现了需要进行补充研究的一系列综合问题。其中包括,在意外故障之后确保精确导航和恢复无人潜水器的航行速度;在拍岸浪区猛烈的湍流中越过障碍。


2、“游骑兵”自主无人潜水器,由Nekton Research LLC公司研制。长920毫米,直径90毫米,基本型重约4.5公斤,最大自持力4小时(潜航速度2-4节)。


3、“海爪”自主无人潜水器,由福斯特-米勒公司研制,是在“爪”式陆地机器人的基础上研制的能在深度小于30.5米的区域移动的爬行潜水器。


图5:蟹形反水雷无人潜水器 


前面已经提到,Remus600无人潜水器成功地在“北达可他”号潜艇上进行了水下释放和回收试验。总地来说,美国专家在实践中首次实现了在水下从潜艇上使用可复用无人潜水器的构想。例如:


AN/BLQ-11系统的水下搜雷潜水器(作战半径120海里,搜索时间40小时(速度6节),使用深度12-475米)从潜艇鱼雷发射管放出。用同侧的2具鱼雷发射管回收。上边的鱼雷发射管布置有长18米的可伸缩机械手,用于抓取潜水器,并将其送入下面的鱼雷发射管。这种方法的不足是需要使用4具鱼雷发射管中的2具,使弹药架上的弹药从26件减至16-18件。考虑到这些,以及系统价格较高(大约180万美元),只试用了1套设备(原打算一共购买12-16套系统)。


代号为“蝠鲼”的长期计划(始于1996年)中的作战潜水器。计划用潜水器将在近岸区域独立进行海上侦察,搜索、探测和用鱼雷(包括未来的超空泡鱼雷)摧毁敌方水下目标。用多用途核潜艇作为其运载工具。计划在艇艏布置4台壳体外形似鳐、不会影响潜艇的流体动力学性能和水声特征的潜水器。


自2011年起积极推进大型无人作战潜水器(LDUVV:Large Displacement Unmanned Undersea Vehicle) 的研发工作。到2013年3月之前应确定对无人作战潜水器的战役战术和战术技术要求、必要的技术研究清单、生命周期成本。美国海军初步提出了对这种潜水器的一般要求。根据其构想,LDUVV长6米,直径1.6-1.8米,在小于250米工作深度时航速小于6节 ,可在不少于70昼夜的时间内(包括展开和返回驻地时间)在远方海(洋)区执行作战和特种任务。其所携带的主要装备是4枚324毫米鱼雷和外置的水声传感器(多达16个)。潜水器可从岸上站点上使用,也可从水面舰船、多用途核潜艇(发射井)以及“俄亥俄”级巡航导弹核潜艇上使用。对LDUVV尺寸和重量的要求在很多方面取决于这些潜艇的发射井的尺寸(直径2.2米,高7米)。


计划2015开始进行以“海神”潜水器为原型的LDUUV原型的演示试验。“海神”潜水器由金枪鱼机器人公司和哥伦比亚集团公司联合研制,重3.7吨,有效载荷1.6吨,航速6节时持续工作时间为92小时,以5-9节的平均速度移动时续航力达600公里,最大航速10节(18公里/小时)。是否继续研制新系统,将于2017年做出最终决定,计划2020年开始试生产10台。


“海神”潜水器(图6)能承担大量功能:从预定水域巡逻到隐蔽跟踪弹道导弹核潜艇。潜水器里配置了货舱,可搭载180公斤载荷,包括各种传感器、通信设备、爆炸装置(物)等。还可以携带MK67水下机动水雷或MK54鱼雷,因而在必要时能对所跟踪的目标实施打击。


图6:“海神”(Proteus)无人潜水器


在实施美国海军的Holdat risk构想时可有效使用这种反潜潜水器。该构想是指,在获悉敌潜艇出航时间的情况下,做好在已知港湾附近探测敌潜艇的准备。同时,根据敌方在己方港湾附近的制空能力,在敌潜艇驶出港湾后的下潜点附近选择无人潜水器的投送点。在潜艇未驶离码头时,提前将潜水器投送至预定区域待机。根据港口的水文地理资料,可根据已知或预测的潜艇航行路线分散配置潜水器。


总地来说,该计划的特点是技术和财务风险较高。据初步估计,量产型的价格可能不低于7500万美元,20年使用成本约为7亿美元。


另一方面,正在积极研制可对抗上述反潜和反水雷无人潜水器的无人驾驶系统。可根据所担负的任务将后者分为以下几类:欺骗型、歼击型、捕获型、综合型——集上述两种或三种功能于一体。或者根据所防护的目标类型分为:用于保护潜艇、雷场的,用于保护水区、港区、导弹载艇驻区、水下靶场的,用于守卫边界的,用于保护海上固定设施(石油平台等)的,用于保护水面舰船的。


反无人潜水器欺骗系统负责对抗敌方无人潜水器的引导系统和传感器,暗中调换其目标,其最终目的果是“迷惑”敌无人潜水器,将其从任务目标引开,或者创造条件使其不能发现或识别目标。这种类型的无人潜水器目前最常见的是水声对抗装备、漂移型自卫型无人潜水器和其他类似装置。通常,这种设备被视为反鱼雷装备,亦即使来袭鱼雷偏离潜艇,或制造干扰影响鱼雷自导系统的工作。


这种水声对抗装备的典型例子是“水利仪器”中央科学研究所MG-74E自行水声对抗装置(图7),其功能是对抗潜艇、水面舰艇的水声系统,反潜兵力的水声监视装备和鱼雷的自导系统。


这些系统的共同缺点是潜艇上的水声对抗装置数量有限,而且在水声对抗装置存放在潜艇鱼雷舱里和用制式鱼雷发射管发射的情况下,它们占用潜艇本可装备的武器的位置,因此削弱了潜艇的作战效能。


还必须指出,在用大型反潜潜水器(例如“蝠鲼”项目)探测和攻击潜艇时,具有一定效能的水声压制装备只能帮助把潜水器直接发射的武器引开,但不能把威胁更大的潜水器本身引开,因为后者拥有更大的能量储备,能使它跟踪并再次对目标发起攻击。 


图7:MG-74E水声压制装置 


因此只装备了用于反无人潜水器欺骗系统的潜艇应尽可能多地携带这种系统,以便能至少破坏无人潜水器的几次攻击。目前,一些国家正在积极研制的舷外装备模块(甚至在小型潜艇上也可以布置)是部署足够数量的反无人潜水器欺骗系统这一问题的解决办法。


反无人潜水器歼击系统既能完全地、也能部分地对敌无人潜水器进行物理摧毁,包括破坏其传感系统(例如利用爆炸)、关键组成部分——壳体、控制系统,包括通信线路、发动机和推进系统等。其工作的最终结果是对无人潜水器进行破坏,阻止其执行任务。


目前一些国家正在积极研制作为“反鱼雷鱼雷”使用的反无人潜水器歼击系统,也就是能够瞄准并利用战斗部不接触爆炸来消灭小型快速机动目标的专业潜水器。这种反无人潜水器系统不仅可用于对付来袭武器,还可对付武器的运载工具——无人潜水器。宾夕法尼亚州国立大学应用研究试验室研制的反鱼雷鱼雷就是一个例子(图8)。


图8:宾夕法尼亚州国立大学研制的反鱼雷鱼雷


反无人潜水器捕获系统能捕获敌潜水器。网、特种诱饵等都属于这种系统。通常,这种反无人潜水器系统用于装备潜水器,但是不排除也为水面无人艇研制捕获系统的可能性。


这种系统对无人潜水器的作用包括:使潜水器丧失活动能力,压制其用于传输信号的通信信道(对于没有水下通信信道的潜水器来说,不许其浮到水面就足够了)。


综合型反无人潜水器系统可担负多种系统的功能。可根据具体任务确定其组成。例如大深度锚泊装置。其主动部分上升到水面,制造“假目标”(同时通过敌我识别系统防止捕获己方无人潜水器),引诱敌潜水器靠近自己,使其不能活动,并捕获之,然后利用锚上的绞盘,将敌人潜水器拖至其不能承受的深度,使其报废。


除了上述无人潜水器。值得一提的还有近年来快速发展的滑翔型和漂移型自主潜水器。许多专家认为,用它们在预定行动区域隐蔽收集水文资料更加有效,因为其自持力较高(长达数月),水声特征弱。


这种无人潜水器装备测量和信息系统,能沿1或2个指挥和通信信道定期传输收集到的测量数据和部分加工过的测量数据。


滑翔型潜水器在水中通过调整剩余浮力上下和前后移动(倾斜轨迹)。为此,取代配备螺旋桨的动力装置,为其装备了浮力自动控制系统。该系统以调整剩余浮力值和标记的方式形成控制动作。


浮力自动控制系统的执行系统包括平衡水柜(布置在固壳中)、弹性容器(布置在水循环舱中)、配电电磁阀、工作液液压泵(通常是矿物油)、艉稳定器。在质量排水量不变的情况下,可通过从平衡水柜中排出工作液或相反——向平衡水柜调节潜水器的容积排水量,从而调节浮力。因为浮力自动控制系统的执行系统是潜水器电能的主要用户,滑翔型潜水器的自持力在很大程度上既取决于浮力自动控制系统的工作算法,也取决于执行系统的类型。


图9:“斯洛克姆”G2水下滑翔机


美国特立达因公司研制了“斯洛克姆”滑翔型潜水器(图9)。该潜水器重52公斤,长1.5米,直径213毫米,2组碱性蓄电池,装备2种动力装置——电动力装置和热动力装置。下水时,潜水器沿平缓倾斜轨迹以0.8节的平均速度下潜至200米以内深度,然后沿上升轨迹上浮,周而复始。该潜水器自持力20-30天(取决于所搭载的设备),在沿1500公里的航线航行时能向岸上信息收集与处理中心传回资料。可更换有效载荷包括各深度层海水温度、盐度、密集、导电率测量传感器,声测设备,水听器,表层流和深层流参数测量传感器。潜水器由其搭载的处理器程序控制。每2-3小时上浮至半潜状态,用“铱”星系统设备与岸上信息收集与处理中心交换数据,并根据“导航星”空间导航系统(GPS)的数据校正位置。空间导航系统接收机的天线装置和无线电通信设备安装在垂直稳定鳍上。


在“斯洛科姆”中使用“热机”(利用不同深度层的温差工作)的情况下,自持力超过300昼夜,工作深度达1500米,因为在深度范围扩大的情况下,温度升降率也随之增加,这提高了动力装置的效能。


例如,以“斯洛科姆”为原型研制的“红色骑士”于2009年用221昼夜从西向东横越大西洋,航程11745公里,创造了自持力和航程纪录。同时完成了11000次下潜和上浮,与岸上信息收集处理和定位中心进行了约1000次数据交换。


特立达因公司的“斯洛科姆”被美国海军领导层选为“濒海战场传感——滑翔机”(Littoral Battlespace Sensing–Gliders(LBS-G))计划框架内海洋地理潜水器采购计划的基本方案之一。 


3

国外部分军用和特种海洋无人艇型号


主要国家海军在广泛使用无人机和无人潜水器的同时,也十分重视研制和使用水面遥控和自主无人交通工具(USV:Unmanned Surface Vehicles),主要是无人艇。与无人机和无人潜水器的使用一样,海军使用无人艇的目的也是减少人员在危险区域的损失,增加海军作战装备的行动距离。同时,装备相应电子、水声、光电设备和专用机械设备的无人艇可以长时间自主航行,在与操纵员保持稳定的数字无线电通信的情况下对以下三个领域的情况进行监控:


使用雷达、光电设备监控海面上空,包括与其他遥控装置互相配合;

监控海面;

◈ 使用水声设备和水下摄像机监控水下。


相应地,无人艇还可以执行搜索和摧毁水雷、潜艇和潜水器的任务,以及对己方兵力进行反破坏防御、港湾警戒、侦察和监视。在舰艇进行火炮训练射击时还可作为高机动性高速靶艇使用。


由于尺寸小,无人艇无法携带同时执行多种任务所必需的综合设备,因而为其研制了专门执行某种任务的模块化装备。在基本配置型艇上可根据任务布置模块,既可以是固定的,也可以更换。


例如,多年来在实战中运用的专门用于搜索和摧毁水雷的无人艇型号超过8个。这些无人艇得到反水雷遥控潜水器的补充,装备水面舰艇(包括反水雷战舰艇)和潜艇。


反水雷无人艇通常是反水雷系统的组成部分,负责拖曳扫雷具或直接作为遥控扫雷破雷艇使用。德国、英国、美国、瑞典、中国和其他国家的海军都在使用这种系统。


2011年夏天,法国装备总局的试验团队在布列斯特地区测试了“黑星”隐身无人艇(图10),以分析其雷达和红外辐射。削弱反水雷无人艇的信号特征有利于提高其生存能力,因此试验的目的是制定对未来扫雷艇的要求。“黑星”反水雷无人艇(DCNS和Thales ECA公司在Espadron项目框架内联合研制)在自主状态下可以使用各种有效载荷,包括能对各种水雷进行分类并排除的无人潜水器。


图10:法国“黑星”无人艇

基本性能:

任务:领水巡逻,摧毁水雷,发现敌船,调查海上可疑物体;

任务载荷:全景摄像机(360度扫描),全球定位系统,红外传感器,天线系统,执行战斗任务时可配备机枪或合适口径的导弹系统;

技术数据:长9米,最大航速约50节;

控制系统:无线电遥控,自动模式。


图11:“保卫者”遥控无人艇(以色列Rafael公司2007年研制)


2016年以色列艾尔比特系统公司推出了“海鸥”无人艇原型。公司称,该艇可有效对抗潜艇和水雷(图12)。该无人艇长12米,装备2台发动机,最大航速32节,可搭载重达2.3吨有效载荷,自持力4昼夜,行动距离约100公里。全套声纳和各种传感器能发现小型水下目标。在研制潜艇和水雷搜索系统时,艾尔比特系统公司ISTAR分部采用了135艘核潜艇、315艘柴电潜艇和装备绝气动力装置的潜艇以及数百艘小型潜艇和潜水器的数据。非北约国家拥有全世界近50%的潜艇。


图12:以色列“海鸥”多用途无人艇 


1套“海鸥”系统价格估计2.2亿美元。艾尔比特系统公司称,在执行反潜行动时,2套“海鸥”系统顶1艘护卫舰。该系统还可用于执行一系列其他任务,包括进行电子战,保卫海军基地、管道和油气平台。以色列国防部早些时候曾宣布,恐怖分子可能试图袭击该国的天然气田。不排除“海鸥”系统正是为保卫以色列天然气平台而研制的。目前只组装了1套原型系统,已在以色列海军进行了系列试验。第二套原型应在近期完成组装。 


4

俄军现役军用海洋机器人型号 


1、“毒刺1 K-100”中型遥控无人潜水器(研制制造商为俄罗斯Tetis-pro公司,位于莫斯科)


用途:调查海军在搜索沉没、遇险、水底目标过程中发现的目标;识别和调查水下目标;水下技术作业(在机械手能力范围内),向海底或海面输送物资;


专用载荷:8个照明灯(各250瓦),8台摄像机或照相机,2部侧视声纳,1套水深测量系统,1个阴极电位传感器(CP-probe);1个水声应答器信标(在母船上搭载相应的定位系统时,用于确定潜水器和母船的相对位置),陀螺罗盘,五用或七用机械手,水下液压工具(用于进行各种技术施工),液压系统补充回咱(用于驱动液压工具),射水机。


技术性能:采用电缆遥控系统;干重3500公斤,尺寸(长×宽×高)为3.2×1.8×1.8米,潜深3000米,航速3节,行动距离1500米(电缆长1500米)。 


图13:“毒刺1 K-100”中型遥控无人潜水器 


2、“马耶夫卡”中型遥控无人潜水器(研制制造商是俄罗斯“地区”国家科研生产企业股份公司,位于莫斯科)


用途:搜索、探测、测量锚雷、沉底雷和深水雷并对其进行分类,搜索和探测沉没目标,自动测量已发现目标的坐标。


专用载荷:可更换专用载荷模块:补充搜索水雷(包括淤泥中的水雷)用的扇形扫描声纳的内置设备,黑白摄像机,剪线钳,水声装置。必要时可配备炸药,用于引爆水雷。


技术性能:采用电缆遥控系统;干重730公斤,尺寸(长×宽×高)为3.2×1.1×1.1米,潜深300米,航速3节,距母船距离500米,提升至母船需要带绞车的升降装置。 


图14:“马耶夫卡”中型遥控无人潜水器


3、“豹+”中型遥控无人潜水器(是Saab Seaeye公司的“豹-XT+”的改进型,研制制造商是俄罗斯Tetis-pro公司)


用途:在深度小于1000米的海域急流处进行复杂的水下技术施工。

专用载荷:2具六档机械手,圆周扫描声纳,彩色摄像机,黑白高感光度摄像机,SIT摄像机,定位声纳系统,工具(圆锯、剪线钳等)。


技术性能:采用电缆遥控系统;干重500公斤,尺寸(长×宽×高)为1.8×1.0×1.2 米,潜深1000米,航速3节,与母船距离1000米。

图15:“豹+”中型遥控无人潜水器


4、 “虎”式轻型遥控无人潜水器(是Saab Seaeye公司的“虎”式潜水器的改进型,研制制造商是俄罗斯Tetis-pro公司)


用途:调查海军在搜索沉没、遇险、水底目标过程中发现的目标;识别和调查水下目标;录制视频和水声信息。


专用载荷:高清彩色照相机,带多普勒计程仪的导航系统,带陀螺仪的惯性导航系统,侧视声纳,海底轮廓水声测定仪,水声通信系统等。Tetis-pro公司提供3种方案(“虎-1T”、 “虎-2T”、 “虎-3T”),其区别在于辅助设备配置不同。


技术性能:采用电缆遥控系统;干重150公斤,尺寸(长×宽×高)为1.0×0.7×0.6 米,潜深1000米,航速3节,行动距离取决于电缆长度,连续工作时间不受限制。

图16:“虎”式轻型遥控无人潜水器 


5、“猎鹰”轻型小尺寸遥控无人潜水器(是Saab Seaeye公司“猎鹰”潜水器的改进型,研制制造商是俄罗斯Tetis-pro公司)


用途:在近岸海区或内水进行搜索和调查工作,为潜水员工作提供保障。


专用载荷:Tritech声纳(包括水面模块中的15英寸监视器),高感光度黑白摄像机,照相机,“抓钩”机械手,带液压机械手和剪线钳的悬吊模块,超声波厚度计,激光测距仪,清洗机等特种设备。


技术性能:采用电缆遥控系统;干重50公斤,尺寸(长×宽×高)为1.0×0.6×0.5 米,潜深300米,航速3节,行动距离取决于电缆长度,连续工作时间不受限制。


6、“视界-150”超轻型小尺寸遥控无人潜水器(研制制造商是俄罗斯Tetis-pro公司)。


用途:搜索水下物体,在近岸海区或内水进行检查和调查工作。可用于安装水声标志器和提升机械手抓住的物体。


专用载荷:彩色摄像机(安装在倾斜角度可调的平台上),罗盘,深度计,温度传感器等。


技术性能:采用遥控系统(通过双扭线和光缆控制),可自动保持航向、深度和航速,干重12公斤,尺寸(长×宽×高)为0.5×0.3×0.3 米,潜深达600米,航速4节,最大作战半径750米。


7、“智能”中型小尺寸自主无人潜水器(研制制造商是俄罗斯科学院远东分院海洋工艺课题研究所,位于符拉迪沃斯托克)


用途:为深水抢险救援工作提供保障。


专用载荷:信息测量系统,包括侧视声纳,全套摄影设备,磁力仪,辐射计,环境传感器,水声导航站发射机,模拟/数字数据存储器。


技术性能:预装程序自主控制系统,可转换为遥控模式;干重1200 公斤,尺寸(长×直径)为4.2×0.7米,潜深6000米,航速2节,连续工作时间6小时。


8、“大键琴-R”中型无人自主潜水器(研制制造商是俄罗斯科学院远东分院海洋工艺课题研究所)


用途:扫描搜索,调查海底物体。


专用载荷:带全球定位系统、多普勒计程仪、陀螺罗盘、无线电调制解调器、水声遥测系统、数字摄像机、电磁海底探测器、环境参数传感器的可更换专用载荷模块,并可接入补充设备。


技术性能:控制系统是按预定程序控制或自动控制的自动驾驶仪,能够从母船上通过水声信道进行修正,干重2511 公斤,尺寸(长×直径)为5.8×0.9米,潜深6000米,航速1.7米/秒,续航力300公里,自主工作时间120小时。


9、以“潜鸟”轻型无人自主潜水器(研制制造商是冰岛Hafmund公司)为原型的机动搜索设备综合系统(研制制造商是俄罗斯Tetis-pro公司)。


用途:搜索,水下技术施工,调查海底设施、管线、港区,对海底进行声纳扫描照相,对海底某区域和水下物体照相,排雷,监控近岸区域,侦察,还可用于输送器材。


专用载荷:彩色高清照相机,带多普勒计程仪的导航系统,带激光陀螺仪的惯性导航系统,侧视声纳,水声海底轮廓仪,水声通信系统等。


技术性能:控制系统为预先加载程序的自主控制系统,干重49公斤,尺寸(长×直径)为1.8×0.2米,潜深1000米,航速5.5节,水声通信距离1200米。


目前俄罗斯海军已装备象“概念-M”(工作深度达1000米)和“枪鱼-350”(图17)这样的自主潜水器。


图17:“概念-M”和“枪鱼-350”无人潜水器 


“概念-M”自主无人潜水器类似于冰岛“潜鸟”自主潜水器,但用国产部件和元件制造,用于取代俄罗斯国防部深水研究总局目前使用的冰岛无人潜水器。


“概念-M”无人潜水器的基本性能:巡视速度4节;调查范围达80平方米;潜深范围10-1000米;定位精度为±3米;在部署区域保持自己位置的精度为±3米;可快速改变配置,能在野战条件下更换模块;能在光缆遥控模式下工作;配备水下遥控系统。


配置:推进模块;电源模块;控制与通信模块;水声通信模块;多射束回声探测器;圆周扫描声纳模块;水下电视设备。


“枪鱼-350”遥控无人潜水器,也由Tetis-pro公司研制,用于在各种工作深度搜索、探测、识别和调查各种水下物体,试验表明其符合海军总司令批准的战术技术要求,并被建议装备俄罗斯武装力量。


该无人潜水器的特点是:机动性高,航向稳定;具有最佳重量和尺寸性能;展开时间最短,使用和维护简便,可靠性高(得益于6具推进器中使用磁性离合器);可以扩展系统和加装设备。


为了与水面模块通信,采用了运动阻力小、浮力接近于零、细而柔韧的光电电缆。数据传输系统可接入大量用于水下施工和搜索的补充传感器和特种设备。潜水器上可加装高分辨率摄像机、多通路声纳、高度表、圆周扫描声纳、水下导航系统、单级机械手及其他补充设备。


可列入成套供应品的水声定位系统能够确定潜水器和目标当前相对于母船的位置,并获得绝对地理坐标数据的映象。


“枪鱼-350”潜水器的基本技术性能如下:重量50公斤,尺寸为840×590×370 毫米,工作深度不超过350米,巡航速度2.5节,工作海况不能超过3级,系统能耗为2.5千瓦。


2016年,Tetis-pro公司应向俄罗斯海军供应5具“枪鱼-350”遥控潜水器,用于进行350米以内深度的搜索工作。


在国产军用海洋机器人技术系统综述的最后,还应说一下从上世纪80年代中期开始研制的“状态”多用途大洋系统。该系统的基础是采用核动力装置的自动推进潜水器,用口径1.4-1.6米的鱼雷发射装置发射。这种自行潜水器不仅能够实施核打击,还能猎杀敌舰,进行侦察等。其由地面指挥所进行控制。


计划用2艘潜艇携带这种自行潜水器,其中一艘是09852型深潜核潜艇“别尔哥罗德”号,另一艘是09851型核潜艇“哈巴罗夫斯克”号,它很可能是潜艇和深水核电站(潜深达1000米)的混血儿。“航行深度约为1000米,航速195公里/小时(95节),续航力可达1万公里。


5

俄罗斯内务部、紧急情况部、联邦安全局

和其他联邦权力执行机关使用的

海洋机器人系统型号


1、“水下检查员”遥控无人潜水器(研制制造商是俄罗斯Ocean-Invest公司,位于莫斯科)


任务:进行综合科学研究,监视海洋大陆架和船体,在深度小于100米的海区开展搜索救援工作。俄罗斯紧急情况部使用。


专用载荷:可更换专用载荷模块,包括广角黑白摄像机(带发光二极管套圈和2个卤素灯),彩色全景摄像机、彩色扫描摄像机、温度传感器、扇形扫描声纳。


技术性能:采用电缆遥控系统,干重139公斤,尺寸(长×宽×高)为1.1×1.1×0.6米,最大潜深200米,航速0.7米/秒。


2、“海豚”超轻型遥控无人潜水器(研制制造商是Tetis-pro公司)


用途:近岸水域和内水搜索,海洋调查,潜在的危险海区调查,水区警戒,为军事技术装备目标提供安全保障,搜索和排除水雷,反水雷制图,侦察,收集情报,探测敌情(图18)。俄罗斯紧急情况部使用。


图18:“海豚”超轻型遥控无人潜水器 


专用载荷:可更换模块,包括全球定位系统,摄像机,多普勒计程仪,罗盘,深度和速度传感器,水声导航系统,无线水声通信系统。


技术性能:控制系统为遥控系统和自动驾驶仪,在水上通过无线电信道,在水下采用水声通信,干重15公斤,尺寸(长×直径)为1.1×0.2米,最大潜深200米,速度4节,远程通信距离4500米。


3、MT-2010中型自主人潜水器(研制制造商是俄罗斯科学院远东分院海洋工艺课题研究所)。


用途:海底地形绘图,对海底进行声纳扫描照相,水底设施、港域调查,环境监视(包括化学和爆炸物质掩埋地),水下潜在危险物体调查。俄罗斯紧急情况部使用。


专用载荷:可更换专用载荷模块,包括彩色和黑白高分辨率摄像机、探照灯、水底轮廓仪、声纳、深度传感器、多普勒计程仪、导航系统、应答浮标。


技术性能:控制系统为按预定程序或自动运行的自动驾驶仪,可通过水声信道修正,干重300 公斤,尺寸(长×直径)为3.0×0.5米,最大潜深3000米,航速3节,自主状态下续航力100公里。


6

俄罗斯国内主动研发的海洋机器人

技术系统型号


1、 西南大学(库尔斯克)研制的水下侦察机器人原型,用于诊断水坝,监控核电站的冷却池,执行紧急情况部、国防部潜水员的工作等等。


预计(根据试验结果),长约1.5米、重40公斤的机器人能在水下以4米/秒的速度航行,并借助于摄像机、生态监视和磁场传感器及其他设备在4小时内对深度小于30米的区域进行侦察(图19)。它能向水下输送小型器材。因为配备了深度和障碍位置传感器,所有上述工作都无须人的参与。可以根据用户的具体需要对机器人的配置进行调整。


图19:俄罗斯西南大学研制的水下侦察机器人


研制者证实,市场上现在没有性能相当、类似于俄罗斯小型自主侦察机器人的装备。库尔斯克西南大学的机器人以其低价格和最佳技术性能应占有一席之地。西南大学机器人技术试验室主任说,原型价格约为100万卢布,仅为外国同类产品的六分之一到五分之一,而且投入批量生产后价格还可降低。同时,西南大学的科学家们准备2015年秋天开始批量生产。


2、“鱼雷形滑翔机”系列自主无人潜水器(研制制造商是圣彼得堡国立海洋科技大学)。


任务:调查水底设施、港域,监视海洋环境。


专用载荷:可更换专用载荷模块,包括环境监视、海洋地理信息收集传感器,水声通信设备,运输模块。通信方式为卫星、短波、超短波通信。


技术性能:控制系统为自动驾驶仪,干重25-1500公斤,尺寸(长×直径)为(2.0-8.0)×(0.2-0.6)米,最大航速2.5节。


图20:“鱼雷形滑翔机”自主无人潜水器


3、“波浪滑翔机”系列中型近表层无人自主潜水器(研制制造商是圣彼得堡国立海洋科技大学)。


用途:调查近岸水域、港域,监视海洋环境。


专用载荷:可更换专用载荷模块,包括环境监视、海洋地理信息收集传感器,水声通信设备,拖曳式水声通信柔性天线,控制信号中继系统。


技术性能:控制系统为自动驾驶仪,空重300-1500公斤,尺寸(长×直径)为7×1.5 米,最大航速3节,连续工作时间6个月。


图21:“波浪滑翔机”系无人自主潜水器


4、“滑翔机-T”模块化近岸多功能自主潜水器(研制制造商是“罗盘”机器制造设计局股份公司)


用途:在复杂气象条件下在无冰层水域执行各种调查任务。


描述:壳体采用耐海水和石油腐蚀的超强度轻型材料。驱动装置采用电动机和机械执行部件,没有外部机械活动零件,能保证具有高度的隐蔽性,不被无线电和水声定位设备探测。潜水器在水中运动并按照指令调整运动方向,指令有多种传输方法。“滑翔机-T”可独立使用,或多个执行相同任务或不同任务的潜水器编队使用。


技术性能:控制系统为惯性控制系统,有效载荷3升,尺寸(长×宽×高×直径)为1.5×1.5×0.3×0.2米,航速达0.3米/秒,工作深度达100米,自持力180昼夜。


5、“领舰-11”多用途无人艇(研制制造商是“海洋信息系统-玛瑙”康采恩,位于莫斯科)


用途:在内水和近岸水域执行综合任务,包括投放潜水员,投放和回收自主或遥控无人潜水器,发射无人机等。


技术性能:控制系统为自主或有人控制系统(编组2人),尺寸(长×宽×高)为11.2×3.6×1.25米,排水量7.8吨,吃水深度0.65米,最大航速40节(2 台发动机,单台功率370马力),续航力200海里,自持力1昼夜,专用载荷取决于用户需求。


图22:“领舰-11”多用途无人艇


7

对军用和特种海洋机器人系统

现有情况资料的分析


水域占地球表面的大部分,因而在展开全球军事行动过程中具有很重要的地缘政治意义,因此预计军用海洋机器人技术装备将得到迅猛发展。但是通过在《世界机器人2014、2015》的统计数据的基础上分析2012-2016年及2020年前世界军用和特种机器人技术装备的市场发展趋势可以得出结论,目前对无人机的需求占绝对多数(开支也是如此)。例如,2013年海洋机器人技术装备订购数量只占军用机器人技术系统(不包括海上系统)订购总数的0.8%(金额是6 %),而无人机占80%。2014年的上述指标分别是1%(金额是6%)和82%。2015-2018则分别是0.7%(金额是5%)和85%。


2014-2018年,与其他军用机器人相比,无人机是主要需求,这也体现在美国国防部的《无人驾驶系统综合路线图FY2013-2038》(Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2013-2038)中。美国计划2014-2018年对军用无人机拨款大约是海上系统的10倍,同时,对海洋机器人技术系统的拨款也是地面机器人系统的10倍。


然而据国外专家基于对世界市场现状的分析预测,在最近的将来,对海上无人驾驶系统的需求只会增长(图23)。预计到2019年前海上无人驾驶系统的总数将比2012年增加1倍。


此外,由图23可见,无人潜水器将获得优先发展,因为其功能比无人艇更强大,军事对抗条件在客观上对其提出了更多的任务。


图23:2020年前全球海上无人驾驶系统市场预测


五角大楼2017年预算计划拨款30亿美元用于对抗中国对美国海军基地的远程袭击,30亿美元用于改进水下系统,30亿美元用于组建人机联合团队和使用小型无人机采取行动,17亿美元用于网络和人工智能电子系统,5亿美元用于军事导演和新技术与构想的其他试验。


武器、作战指挥和通信装备领域的最新成果为战舰舰员编制的最小化和最优化提供了可能。武器和技术设备的自动化为此做出了主要贡献,使舰上所有武器做好使用准备并自动再装填,并借助于舰上高速联合信息网络拟定战斗行动计划和控制武器系统。这样整个武器系统将符合“驾驶员操纵”原则,即将舰员所采取的使武器和技术装备做好直接任务使用准备的行动减到最少。例如,俄罗斯计划2020年前研制装备机器人的第5代核潜艇(首艇 “哈巴罗夫斯克”号(09851型)已于2015年在北方机器制造厂奠基)。第五代潜艇与目前潜艇的区别是采用通用模块化平台,可提高指挥系统和武器效能的未来机器人系统将被整合入其武器组成。


机器人技术得到推广还因为,人员远离与敌人或危险环境的直接接触是一个日益明显的世界趋势,同时,作为战场网络中心媒介,战舰的兼容性在提高。


目前主要国家的海军把研制和使用舰载(包括(潜)艇载)自主无人潜水器或遥控潜水器为海军兵器的优先发展方向之一。


从已经达到的技术水平来看,自主无人潜水器或遥控潜水器现阶段能够有效执行一系列重要任务,使海军人员不必再冒风险。


这些任务包括:

搜索、探测、识别和摧毁大部分类型的触炸或非触炸水雷,包括沉底水雷;

进行水声侦察;

◈ 收集水文地理和深水测量信息;

◈ 查明和调查敌人预定作战区域的抗登陆和反破坏防御体系;

◈ 对水下水利工程建筑和驻泊点的基础设施进行侦察;

◈ 勘察舰(船)体。


鉴于目前已经形成的对无人自主潜水器在水下侦察情报体系中的用途和地位的系统观点,已经可以制定对它们的总体要求,进而统一构造方案的实施和各种设备的组成。


现代化的无人自主潜水器装备了能保障其独立潜航的综合系统和设备。其中大部分采用鱼雷形壳体,并配备由锂离子蓄电池和推进电动机组成的电力装置。按预先输入计算机的程序自主控制,采用惯性导航系统和多普勒计程仪,并定期根据空间无线电导航系统的数据校对位置(上浮状态)。


潜水器上的搜索设备包括:前视声纳,侧视声纳(利用安装在舷侧水声天线,同时探测大范围的水下物体),摄像机,测量海水参数的传感器等。所获得的数据记录在磁盘上,以便无人潜水器返回母船后对其行动结果进行分析。


在半潜状态下使用商用便携式“铱”卫星通信系统的用户设备,可确保无人潜水器和指挥所(操纵员)之间进行双向通讯。潜水器上的设备还包括水下声通信设备。


水面舰船使用潜水器需要尺寸与海运集装箱相同的专用模块。除潜水器、升降设备、辅助设备和可更换的全套蓄电池,模块中还经常包括操纵员自动化工作席位。


美国海军拥有的各种用途的潜水器类型最多。自主无人潜水器的总研制计划(2004年开始)对其分类如下:轻型/便携式(重量小于45公斤,壳体直径76.2-230毫米,自持力10-20小时);小型(小于230公斤,324毫米,40小时),中型(小于1400公斤,533毫米,40-80小时),大型(小于10吨,910-1820毫米,400小时)。


海军专家对得到最广泛推广的轻型/便携式潜水器感兴趣主要是因为它们价格较低(数万美元),使用成本适中。这种潜水器的尺寸和重量不大,使它们既可以自主使用,也可以在综合系统中使用,例如从未配备专业升降装置的各种运载工具(战舰、辅助船、艇、硬式充气艇及直升机)上进行水雷侦察。


因为采用模块化构造,二人战斗编组可在短时间内在不使用专业装配台的情况下就能手工组装潜水器,并对有效载荷的组成进行必要的调整。此外,它们在最大程度上符合特种作战部队的要求,因为它们可以被隐蔽输送至近海水域。


美国、挪威、德国、法国和英国在自主无人潜水器研制和生产领域领先。自主无人潜水器的主要市场特点包括:



◈ 直接根据各国国防部的订货研发现代化自主无人潜水器的所有基础设计,用于执行科考任务的深水潜水器除外;


◈ 在美国,大部分设计先是在大学的科研分部或国家科学研究所研发和有限生产,然后通过建立小型商业企业将项目推至消费市场。军事订货刺激了此类企业的出现,这使美国军方得以通过额外为商业市场生产而降低自主无人潜水器的供货成本;


◈ 2005-2012年,国外自主无人潜水器制造商市场的构成发生了重要变化。理顺了小规模生产的小公司被大公司或由国家控制的控股公司吞并。在大部分情况下,这些过程是为了确保国家安全,包括在没有对相应的出口管制法律法规进行修改之前不允许先进的商用水下技术扩散。



例如,美国特立达因公司2010年收购了冰岛Hafmund公司,后者是“潜鸟”型自主无人潜水器的制造和出口商。这笔交易是在外界获悉Hafmund公司向近东国家和俄罗斯出口了其产品后立即完成的。另一个例子是挪威康斯保公司集团2008年收购了美国Hydroid公司(以REMUS100、REMUS 600、REMUS 6000为原型的军用自主无人潜水器的制造商)。美国政府批准这笔交易是为了两国在北极资源“国际化”领域进行军事技术合作。


对美国海军科研计划内容和预算草案的分析表明,其目前正在实施旨在研发以自主无人潜水器为基础的综合系统的5个大型专项计划,包括:


1.大排水量自主无人潜水器科研计划(LD-UUV :Large Diameter-Unmanned Undersea Vehicle )


1.1.进行实物试验和与“海神”大排水量自主无人潜水器效能评估相关的系列试验工作。“海神”是混合型快速潜水器(速度大于10节的水下运输艇/自主无人潜水器),其使用模式包括:



水下武装运输艇(可搭载7名潜水员);


反水雷自主无人潜水器(携带“海狐”灭雷潜水器和用于搜索及识别水雷的侦察/测量设备);


反潜自主无人潜水器(携带反潜武器(Mk67自航水雷、Mk54鱼雷)和反潜声纳);



1.2.LD-UUV自主无人潜水器未来供电系统研发项目。这个项目是国防部高级计划研究局和海军科研局的订货;


1.3.旨在为LD-UUV自主无人潜水器研发水下非水声通信(激光通信、电磁通信)、新一代合成孔径声纳、磁场参数测量仪、不依赖空气的发动机和电化学发电机的应用研究项目。这个项目是海军科研局的订货;


2.“小刀鱼”反水雷系统(搭乘近海战舰)研制计划;


3.海军近岸水下情况报告系统实施计划(Persistent Littoral Undersea Surveillance(PLUS) System)。该计划是可灵活部署的多阵位潜艇探测系统主要组成部分综合演练工作的最后阶段。美国海军当前计划规定,PLUS系统的机动装备包括6具以REMUS 600为原型研制的自主无人潜水器和5具“海洋滑翔机”自主无人潜水器。该系统试用工作的主要部分已在2014-2015年进行;


4.DASH(Distributed Agile Submarine Hunting)综合工作计划。该计划为高级计划研究局订货,旨在为在近岸水域组织灵活部署的区域水下情况报告(搜索、远程警戒和跟踪潜艇)系统制定技术构想和基本技术装备;


5.用于执行海洋地理调查任务的自主无人潜水器(LBS-UUV)采购计划。在该计划框架内正在研制和购买2个潜水器型号:“水下滑翔机”(LBS-G(Gliders),“斯洛克姆-E200”(特立达因公司研制)被选为其原型;采用电动螺旋桨的(LBS-AUV)鱼雷形自主无人潜水器,其原型是REMUS 600自主无人潜水器。图24是美国海军LBS-UUV计划进度表。


图24:美国海军LBS-UUV计划进度表


LBS-UUV计划在与确保美国在北极和南极地区的国家利益相关的综合措施中占有重要地位。借助于其技术和相应的设备可有效侦察海底,以搜索海底附近的人造设施和天然物体,这使其拥有者相对于其他有关方面具有优势。掌握关于潜在的烃矿区、海底状况及其地理构成的资料,既可为政治目标服务,也可为经济目标服务。


同时,鉴于拟调查的海底面积大,需要使用自主无人潜水器编队。专家认为,编队使用潜水器是以较小的时间和金钱成本采取更有效的水下行动的要求。例如,在一些情况下,一艘潜水器没有能力确定能证明石油或天然气矿床的某些特征是否存在。此外,无人潜水器的生产和使用成本较低。


在新一代自主潜水器研发领域取得成就最大的有美国、英国、挪威、加拿大和日本,也有关于中国在该方向上取得了发展的资料。目前俄罗斯具备水下科学研究能力的潜水器屈指可数,在最近的将来在确保自己在北极大陆架的经济安全方面可能会遇到严重威胁,并可能会输掉预测中的南极地区开发竞赛。


8

结 论


1.2012-2020年世界自主无人遥控器市场规模估计为32亿美元,其中超过70%的市场将在军事订货的基础上形成。美国、德国、法国、英国、中国和挪威海军是这种主要类型的海洋机器人技术装备的主要用户;


2.近年来,国外自主无人潜水器市场的发展速度趋缓。2012年中期以前建成的自主无人潜水器总数估计为1100-1200艘,其中70%是2002-2008年建造的。近85%在用的自主无人潜水器极限工作潜深小于600米。小型无人潜水器(重50-70公斤,价格为6-30万美元)占比最大(65%,不包括水下滑翔机);


3.军队对研制和使用具有超长自主续航时间(从数周到1年)的无人潜水器的兴趣在增加。这种潜水器在执行与大范围测量水层和海底附近环境参数相关的海洋地理研究任务中表现良好。鉴于其构造特点,它们被单独归为一类无人潜水器——水下滑翔机(gliders)。目前国外已经研制了8-10个水下滑翔机型号,其中值得一提的是:“海洋滑翔机”、“斯克洛姆-E”、“斯克洛姆-T”、“喷射滑翔机”、“X射线滑翔机”(图25)、“ANT浅水滑翔机(美国),“斯特恩”(法国)、“佛拉加”(意大利)。


图25:“X射线滑翔机”无人潜水器


水下滑翔机的主要特点是:

◈ 具有超远航程(大于1500公里)和史无前例的自持力(从数周到1年);


◈ 重量、尺寸小(重50-120公斤,长2米),展开灵活,成本低;


◈ 生产和使用成本低,因而可以有效地编队使用;


◈ 具备现代化通讯技术能力(卫星通信、互联网、无线网络、电子邮件和多媒体资料传输系统等),因而测量信息收集和计划任务修正程序简单。


目前世界上已经建成超过550艘水下滑翔机。预计到2020-2025年之前,它将成为执行各种军事任务需求最大的无人潜水器;


4. 截至2012年12月,美军有500艘无人潜水器,其中67%属于自主无人潜水器。到2017年之前美国海军的潜水器将超过700艘,不包括用于灭雷、施放水声干扰、模拟水下目标等的潜水器;


5.在水下环境不明和缺乏高精度导航设备的情况下,同时导航和绘制地图的(Simultaneous Location and Mapping)的构想是比较现实的。同时,与按声纳影像探测和识别重要目标相关的问题以及建立潜水器载地理信息系统(用于储存、处理和提取海量的外部环境数据)的问题尤为重要;


6.现代化的自主无人潜水器一次下潜能自主完成一系列任务,这要求研制以有效的和富于表达力的逻辑为基础的高水平的自主无人潜水器任务说明与给定设备,开发相应的自主无人潜水器控制系统架构及其行为形成方法;


7. 可以通过使用自主无人潜水器编队提高水下工作效能。同时,会出现制定多目标编队任务计划,在环境信息不全面、不准确和有无源及有源障碍的情况下指挥自主无人潜水器编队航行的任务。


9

军用与特种海洋机器人技术系统发展方向预测


2002年美国海军领导人提出了名为“海上力量21”的美国未来海军新构想。该构想包括三个主要行动方向:“海上打击”,“海上盾牌”和“海上驻扎”。这三个方向通过统一的网络构想——“部队网络”(ForceNet)——实施和联合。


“海上打击”是指向世界任何地区转移进攻力量。构想的这一部分旨在改进指挥、通信、侦察、精度、隐蔽和生存能力,以扩大行动范围,提高行动效能。


“海上盾牌”是指通过发展国防能力(陆地和海上)最大限度地扩大美国的海上安全范围。使用该构想能够加强遏制因素,保护盟国联合部队。


“海上驻扎”是在考虑到没有陆上基地的情况下,把海洋作为机动空间来独立使用。该构想将为联合部队领导人提供必要的指挥、地面行动火力支援和物质技术保障,最大限度地减少陆上易受毁伤资源的数量。


“部队网络”为整合以上行动领域服务。它是为在海上遂行作战行动服务的作战构想和结构图,它将军人、传感器、网络、司令部和指挥机关、运载工具和武器整合入相联接的信息网络。


“部队网络”系统的组成部分包括航天器(卫星)、有人驾驶飞机、水面舰艇、潜艇、空中、地面和海上无人值守传感器。在美国及其盟国的近海反潜作战中,正在展开的无人值守传感器(与海上无人艇配合)将得到特别积极的运用。这是因为,这些系统能够为反潜打击部队提供比以前更精确的目标指示情报。


在系统中,无人艇发挥着突出的重要作用。海上网络中心战是指使用能提供敌方领土和水域情报并作为作战平台的无人运载工具之网络。机器人获得的信息被传输至处于“共同信息作战空间”中的参战兵力自动化作战指挥系统的计算机。无人潜水器的发展前景包括高度智能化,这将催生一种能够独立搜索、识别和摧毁敌人水下和水面目标而自身却不会被敌人发现的装备。


尽管“海上力量21”构想是美国军事领导层制定的,但其基本原理对于分析全球海洋机器人技术装备领域都是典型的。


下表列举了《美国机器人技术路线图:从互联网到机器人技术》(A Roadmap for U.S. Robotics From Internet to Robotics)的制定者眼中5、10、15年之后军用海上无人驾驶系统应满足的基本要求。



因此,可以将海洋机器人技术装备未来发展任务划分为功能、技术、服务和组织四个方面。


未来海洋机器人技术装备在舰船内部工作时的功能和任务:


◈ 监视机构和系统的状态及舱内环境参数;

◈ 在舱室内、外进行个别危险和特别危险的工作;

◈ 技术作业和运输作业;

◈ 在水面战舰、潜艇或飞行器无人驾驶运转期间担负舰员的职能 ;

◈ 对危险情况预警并采取消除措施。

未来海洋机器人技术装备在设施表面、水上、水下和水底工作时的功能和任务:

◈ 对水面舰艇、潜艇或无人潜水器(包括收集和传输关于无人潜水器的状态的信息)进行监视和技术维护;

◈ 进行技术作业,为科学研究提供保障;

◈ 执行侦察、监视任务,独立遂行战斗行动;

◈ 排雷,处理具有潜在危险的物体;

◈ 作为导航系统和水文及生态监视系统的组成部分。

未来海洋机器人技术装备研发领域的主要技术任务:

◈ 研发可根据具体任务灵活改变构造的混合型模块化自主海洋机器人技术系统;

◈ 开发机器人编队指挥方法,组织其相互协同;

◈ 研发立体可视化遥控系统(包括实时遥控系统);

◈ 采用信息网络技术指挥海洋机器人技术系统,包括自诊断和自学习技术;

◈ 将海洋机器人技术系统整合入更高级的系统,包括其输送工具,以及为运行提供全面保障;

◈ 组织能够保证自动对海洋机器人技术装备进行编队指挥的人机接口。

在使用海洋机器人技术装备时,主要的服务任务是:

◈ 发展用于演练支援和维护海洋机器人技术系统的地面设施和载具设施;

◈ 研发用于海洋机器人技术系统训练、维护和支持的情况模拟系统、练习器、特种设备和装备;

◈ 确保设备、仪表与系统构造具有适修性和可销毁性。

研发和推广海洋机器人技术装备的主要组织任务包括:

◈ 制定海洋机器人技术装备专项综合计划;

◈ 建立论证和制定海军技术装备自动化专项综合计划的工作机构,其工作包括制定措施计划,拟定竞争性任务清单,鉴定,挑选方案;

◈ 为海洋机器人技术装备在海军中试验和使用采取组织、干部和物质保障措施。


解决以上未来技术任务需要在设计、研发和使用海洋机器人技术装备时贯彻以下发展原则:

◈ 通用化和配置模块化;

◈ 小型化和智能化;

◈ 自动化指挥和编队指挥相结合;

◈ 为机器人技术系统的指挥提供信息支持;

◈ 系统中各种机电一体化模块混合集成;

◈ 分散的维护设施与载具的海上信息支持系统相结合。


海洋机器人技术装备的主要发展方向是解决与“人-机”系统中相互协同相关的一系列军事技术装备复杂化和集约化问题。


在智能化领域需要尽快解决的重要任务包括:


◈ 在关于外部环境和潜水器(或潜水器编队)的信息不全面或不准确的情况下发展高效的导航、指挥和空间定位方法;

◈ 发展用于诊断和鉴定潜水器在极端情况下和在执行任务过程中出现故障时确保安全和生存的性能的方法;

◈ 发展地理信息储存和显示系统,以便交互指挥潜水器和为形成数据库而进行信息后续处理;

◈ 发展用于在不确定的环境中自主高效地综合完成潜水器固有任务的开放的智能控制系统架构;

◈ 发展在不确定的环境中指挥机器人技术系统的多智能体系统。


此外,需要解决高精度航行信息保障、环境信息收集与存储测量设备及一体化技术视觉系统研发、通信信道研发及扩大信道宽度、研发高能安全能源等领域的科技问题。


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