潛艇目標(biāo)模擬器未來技術(shù)展望

海工

2022年6月30日 14:51

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潛艇目標(biāo)模擬器未來技術(shù)展望的圖1

潛艇目標(biāo)模擬器未來技術(shù)展望

編譯 Whitehead

原文簡(jiǎn)介

本文編譯自：A. S. Amelchenko, P.I. Noviceikhin. Improving Submarine Simulators. Military Thought, 2021 Number 3

隨著潛艇的發(fā)展，反潛問題愈顯突出。當(dāng)潛艇在第一次和第二次世界大戰(zhàn)的作戰(zhàn)行動(dòng)中發(fā)揮巨大作用時(shí)，反潛戰(zhàn)也隨之扮演了重要角色。

然而，反潛資產(chǎn)在1940年代早期取得的迅速改進(jìn)迫使設(shè)計(jì)者探尋能夠提高潛艇作戰(zhàn)穩(wěn)定性的各種方法。

SPSMS性能要求及其實(shí)現(xiàn)途徑

世界先進(jìn)國(guó)家的海軍早就開始研制漂浮式或自航式潛艇誘餌，以干擾敵方艦艇聲吶并規(guī)避反潛自導(dǎo)魚雷的攻擊。

實(shí)際上，開發(fā)自航式潛艇目標(biāo)模擬器（Self-propelled Submarine Simulator，SPSMS）的工作一直在繼續(xù)，SPSMS的作用是將敵方的反潛兵力誘騙到虛假的目標(biāo)區(qū)、對(duì)抗魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)、消滅魚雷。例如，法國(guó)的一型AUV——“卡拉斯”（Calas）潛艇目標(biāo)模擬器，能模擬各種潛艇物理場(chǎng)，再現(xiàn)聲學(xué)圖像，頻率范圍300Hz~800Hz（初級(jí)聲場(chǎng)）和4kHz~33kHz（次級(jí)聲場(chǎng)）。

同類裝備還有美國(guó)的MK30 mod2和AN/BLQ-9SPMS。前蘇聯(lián)海軍在1960~1980年代期間裝備了MG-44、MG-74、MG-104、MG-114自航式潛艇目標(biāo)模擬器，其性能類似于其它國(guó)家的同類產(chǎn)品。

SPSMS（尤其是最新型號(hào)）在對(duì)抗?jié)撏А⒀b有龍骨下水聲站的水面艦艇和反潛飛機(jī)時(shí)相當(dāng)有效，但它們模擬低頻聲場(chǎng)的工作時(shí)間和能力有限，因此SPSMS無法長(zhǎng)時(shí)間、大范圍誘騙敵人并增加他們的作戰(zhàn)壓力，特別是當(dāng)敵方海軍裝備功能強(qiáng)大的水下監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)。

美國(guó)海軍的固定式水聲監(jiān)視系統(tǒng)SOSUS工作在幾Hz到幾百Hz頻率范圍內(nèi)。在SOSUS效果不佳的海區(qū)，就使用基于固定式分布系統(tǒng)（Fixed Distributed System，F(xiàn)DS）和帶有SURTASS長(zhǎng)線拖曳聲吶的“勝利”（Victories）級(jí)和“無暇”（Impeccable）級(jí)水聲偵察船的機(jī)動(dòng)資產(chǎn)來加強(qiáng)水下監(jiān)視，它們也能接收低頻信號(hào)。

當(dāng)要為戰(zhàn)斗群和編隊(duì)建立近程和遠(yuǎn)程反潛警戒幕時(shí)，就使用裝備有戰(zhàn)術(shù)拖曳陣列聲吶系統(tǒng)（頻率范圍：10Hz~1 500Hz）的艦船。

SPSMS可模擬潛艇低頻聲場(chǎng)和其它物理場(chǎng)的信號(hào)，使SOSUS系統(tǒng)將原始探測(cè)數(shù)據(jù)傳回美國(guó)水下偵察與監(jiān)視中心。相應(yīng)地，與SPSMS的接觸可被其它反潛兵力和資產(chǎn)所核實(shí)。

這種SPSMS（AUV）應(yīng)具有下列特性：

*在幾十Hz到3kHz~4kHz頻率范圍內(nèi)，連續(xù)模擬特定低噪聲潛艇的初級(jí)聲場(chǎng)以及次級(jí)聲場(chǎng)，重發(fā)收到的反潛兵力的聲吶信號(hào)；

*按所設(shè)定的參數(shù)保持磁場(chǎng)（當(dāng)執(zhí)行單獨(dú)任務(wù)時(shí)）；

*借助升降天線，在潛望深度進(jìn)行SW、UHF和VHF頻段的無線電通信；

*具有較高的工作時(shí)間、航速和航深指標(biāo)值；

*具備其它任務(wù)能力，如：進(jìn)行偵察（包括水雷偵察），在海床上植入各種裝置等。

在這些特性的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，最復(fù)雜的問題似乎是：一個(gè)相對(duì)較小的水下航行器如何能輻射足夠功率的低頻聲場(chǎng)以及大幅增加工作時(shí)間和航行速度？

解決這些問題的可能途徑有：

*AUV動(dòng)力單元（power unit，PU）的潛力比現(xiàn)有裝備增大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)：全新的可充電電池（rechargeable battery，RB），更大能量密度的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料；水下運(yùn)動(dòng)新原理；在RB使用期間充電的可能性；用化學(xué)或核反應(yīng)堆作為PU；

*同時(shí)使用兩枚或多枚不同類型的或裝備有不同組件的AUV，按所設(shè)定的參數(shù)生成所有或幾艘潛艇的物理場(chǎng)；

*在AUV設(shè)計(jì)中引入?yún)?shù)天線（parametric antennae），形成所需的聲場(chǎng)。

潛艇目標(biāo)模擬器未來技術(shù)展望的圖4 圖1 美國(guó)海軍ORCA超大型UUV（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

多用途水下航行器的設(shè)計(jì)問題

多用途水下航行器的一些設(shè)計(jì)問題如下：

動(dòng)力單元目前主要靠增加容量來提高能力，這將不可避免地增加PU的重量和體積。水面艦船布放的、或錨泊式重型AUV（排水量不小于10t）目前正處于原型階段。

提高533mm口徑AUV（主要由潛艇使用）的PU潛力的工作過去一直在改進(jìn)魚雷性能的框架下進(jìn)行。例如，美國(guó)海軍在Mk48魚雷的最新改進(jìn)型上取得下列標(biāo)志性成果：在高速航行（55~60kn）條件下，在較小深度上的航程達(dá)到20km；在28 kn航速下，航程可達(dá)40km；最大工作時(shí)間約50分鐘。

該型魚雷采用軸向活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，單組元燃料，與二次電池相比，具有更好的動(dòng)力性能。

目前，Mk48顯然代表了533mm口徑航行器的最高水平，但工作時(shí)間和聲發(fā)射功率無法滿足需求。

提高水下航行器PU的能量強(qiáng)度（energy intensity）是另一途徑。在美國(guó)，正在開發(fā)能產(chǎn)生1000 kW/h達(dá)10天之久的PU，以及基于氧和鋁的、能量強(qiáng)度達(dá)200 kW/h~300kW/h的電化學(xué)能源。

他們正在探索用氧作為PU的燃料，而氧則是利用特殊的人工腮從海水中獲取。每升氧的平均功率消耗約為1.33W/h，估計(jì)產(chǎn)出速率可提高到150l/min，這將使內(nèi)燃機(jī)用于AUV成為可能。

美國(guó)西屋電氣公司（Westinghouse Electric Corporation）研究通過殼體與水的邊界層的層化來減少流體阻力，以實(shí)現(xiàn)AUV的增程。

隨著聚氧乙烯（polyox）等微濃度聚合物溶液的應(yīng)用，據(jù)某些估計(jì)，摩擦阻力可減少80%；要獲得對(duì)湍流摩擦阻力的最大減阻效果，溶液中的高分子聚合物濃度僅需0.01%~0.02%。

當(dāng)形成初級(jí)聲場(chǎng)且存在低頻離散部分時(shí)，發(fā)射聲譜的完整部分對(duì)SPSMS而言是必要條件。

在消除了SPSMS目前易被識(shí)別為假目標(biāo)的獨(dú)特特征后，將AUV全部或部分殼體用作諧振發(fā)射器是有利的，在輻射信號(hào)總頻譜中也包括發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳噪聲。

先進(jìn)的AUV必須不僅能模擬特定潛艇的聲學(xué)圖像，也能模擬它面對(duì)反潛兵力時(shí)的逃逸行為。

因此，為AUV開發(fā)人工智能軟件是一個(gè)亟需解決的問題。

模擬潛艇潛望鏡和偽裝無線電信號(hào)也是十分期待的潛艇模擬器功能。

此外，在無線電信號(hào)模擬期間，可以向指揮節(jié)點(diǎn)發(fā)送SPSMS自身以及攜載它的潛艇所獲取的偵察情報(bào)。

如海水足夠透明，可在AUV上裝備能產(chǎn)生水下潛艇視覺錯(cuò)覺的裝置，例如，可采用一段帶有負(fù)浮力的黑色聚乙烯，或從AUV噴射出在溶解于海水前能持續(xù)數(shù)分鐘的黑色懸浮云。

為了給敵人制造更多的虛假信息，AUV在航行時(shí)可噴射能提高海水溫度的化學(xué)制劑，使得反潛飛機(jī)上的紅外探測(cè)裝置能發(fā)現(xiàn)“潛艇”的尾跡圖像。

多功能AUV能執(zhí)行多種任務(wù)，各國(guó)海軍正在開發(fā)這類AUV。例如，美國(guó)在1988年就開始研發(fā)用于在深達(dá)1 000 m的北極盆地實(shí)施反潛和反水雷行動(dòng)的實(shí)驗(yàn)型UUV。

同時(shí)，他們也開始設(shè)計(jì)一般使用概念和具有AI功能的上一級(jí)控制系統(tǒng)，以實(shí)施探測(cè)和定位水雷、在海床上布設(shè)應(yīng)答信標(biāo)、拖曳水聲天線、識(shí)別水聲圖像、規(guī)劃航路、使用遠(yuǎn)程武器等一系列行動(dòng)。該UUV長(zhǎng)11m，直徑1.12m，重6.8t，裝備有攝像裝置、一套觸覺傳感器、聲吶和一臺(tái)為電視攝像照明的激光器。

在試驗(yàn)階段使用的應(yīng)是總重為2.3t的銀鋅二次電池，在4.5kn航速下的航程為360英里（最大航速10kn）。

其他創(chuàng)新舉措

可明顯擴(kuò)展任務(wù)能力（區(qū)域檢查，無線電通信時(shí)AUV無需浮出水面等等）的一項(xiàng)創(chuàng)新舉措是：為AUV裝備自己的專用水下航行器，主要可安裝在大型AUV上，如俄羅斯的Cephalopod、美國(guó)的Manta和Proteus AUV（圖2、3、4）。

另一種方法是在AUV上安裝雷達(dá)對(duì)抗裝置和假雷達(dá)目標(biāo)，以增加模擬潛艇的逼真度。

圖2 Manta AUV（美）

圖3 Cephalopad AUV（俄）

圖4 可發(fā)射巡航導(dǎo)彈、魚雷和UUV的打擊版Proteus AUV（美）

只有大型AUV才能夠長(zhǎng)時(shí)間模擬潛艇并執(zhí)行其它任務(wù)。同時(shí)，考慮到需要從潛艇、水面艦船、飛機(jī)上發(fā)射AUV，魚雷尺度的AUV是便于操作使用的。這些AUV應(yīng)能模擬初級(jí)聲場(chǎng)（3 kHz~4 kHz頻率范圍內(nèi)）和次級(jí)聲場(chǎng)（2.5 kHz~80 kHz頻率范圍內(nèi)）、磁場(chǎng)、潛艇尾流、潛望鏡（有效反射面積0.1 m3~0.5 m3）和無線電通信（SW、UHF和VHF波段）。

航行器的速度必須達(dá)到24 kn，高速機(jī)動(dòng)條件下的目標(biāo)模擬工作時(shí)間必須不少于3~4小時(shí)，低速條件下不少于12小時(shí)。

應(yīng)為AUV設(shè)計(jì)可在船上更換的功能模塊，可根據(jù)外部條件的變化（取決于戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)）選擇（自主或根據(jù)一個(gè)預(yù)設(shè)程序）獨(dú)立的工作模式。

也希望AUV可重復(fù)使用，即能夠返回母船。

建議用機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)AUV，即：信息驅(qū)動(dòng)的、可執(zhí)行各種任務(wù)的復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)具有高度自主性，也能向母艦反饋信息，能夠獨(dú)立作戰(zhàn)或以半自主方式作戰(zhàn)（在通信期間通過無線電指令進(jìn)行遙控）。

先進(jìn)的AUV必須既能模擬特定潛艇的聲學(xué)圖像，又能模擬它面對(duì)敵反潛兵力時(shí)的逃逸行為。

因此，在機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)AUV、在其軟件中引入AI是一個(gè)緊迫的問題。