美國「反潛戰持續跟蹤無人艇」對反潛戰的影響

▲ACTUV技術驗證艇採用三體船的總體構型，包括應用複合材料的細長船體和兩側通過舷外支架連接的浮筒

ACTUV項目的啟動主要是源於美國海軍應對先進靜音潛艇的需要。進入新世紀以來,隨著先進常規潛艇靜音技術的快速發展和作戰性能的不斷提高,加之先進常規潛艇不斷在更多國家擴散,而且先進常規潛艇能夠在一定程度上有效應對傳統的反潛手段,這對美國未來水下戰場構成了威脅,美國海軍逐漸感到反潛戰形勢的嚴峻,特別是跟蹤潛艇的任務變得更加困難。此前,美國海軍通常需要消耗大量的反潛作戰力量,特別是派出部分造價昂貴的攻擊型核潛艇,去跟蹤一艘敵方已部署的靜音潛艇,但這也是一項極其艱巨的任務,跟蹤效果一般。為此,DARPA希望開發出一種較低成本的無人水面艇,能夠出海巡邏,在海上獨自航行數千千米,一次可巡邏數月,探測並跟蹤先進常規潛艇,這就是「反潛戰持續跟蹤無人水面艇」(ACTUV)。

ACTUV是基於DARPA2009年提出的「超長航時無人水面艇」(ELEUSV)概念。ELEUSV旨在利用先進的機器人技術與自動控制技術,探索開發一種具有極長續航時間的先進無人水面艇,最大限度地減少人力需求,使其一次部署可以長達數年時間在海上執行任務。這種新型水面艇將攜帶獨特的載荷系統,能夠從海上環境獲取能源提供長時間續航所需的動力,可由全球遠程操作監視系統實現指揮與控制,自動排除故障,並具有自我維護功能。這一概念構想在反水雷、反潛戰,以及情報監視與偵察方面都展示出其巨大的發展潛力。

2011財年,ELEUSV更名為「反潛戰持續跟蹤無人水面艇」(ACTUV),其任務是在無需人為干預下全程跟蹤安靜型常規潛艇,並提出了最早的設計構想圖,如圖1所示。

2011年12月,DARPA發布「跨機構公告」(BAA),要求工業部門2012年2月底前提交ACTUV項目的競標書,遂開始ACTUV設計、製造和測試。期間,諾斯羅普·格魯曼公司、科學應用國際公司(SAIC)和奎奈蒂克北美技術解決方案集團分別提出了各自的系統概念設計方案,完成了與潛艇跟蹤感測器和海上自主控制等相關的風險降低測試工作。在參與關鍵技術研究和驗證的技術團隊中,華盛頓大學應用物理實驗室對探測與跟蹤潛艇目標的高頻主動聲吶進行了相關試驗,空間綜合系統公司對無人船跟蹤潛艇的自主演算法以及航道的匹配規則進行了研究和演示。

2012年8月,DARPA在經過全面評估后,授予科學應用國際公司一份價值5850萬美元的合同,用於設計、建造並測試一艘ACTUV樣機,同時披露了全新的概念設計構想圖。此後,ACTUV項目進入到樣機設計、樣機建造和樣機測試等階段。其中,樣機設計階段進行系統詳細設計,包括硬體、感測一器、軟體以及運行和支持該平台的控制站和所需的後勤保障系統,同時進行風險降低、零部件測試、全尺寸模型測試及替代平台測試。還包括關鍵設計評審和製造準備審查,從而評估合同商是否準備開始進行系統製造。樣機建造階段進行平台建造,完成軟體開發和進行初步海試,以驗證平台性能及艇載感測器功能,重點是交付 ACTUV平台、保障系統和系統文檔。樣機測試階段主要進行系統測試,驗證技術及作戰性能,通過模擬更為惡劣的環境,對ACTUV的自主性、反潛戰能力和續航力進行測試。

2016年1月27日,首艘ACTUV技術驗證艇「海上獵手」號下水。4月7日,美國國防部副部長鮑勃·沃克專程來到俄勒岡州波特蘭市,參加了「海上獵手」號無人水面艇的命名儀式,標誌著ACTUV項目的船廠建造工作基本結束。此後,「海上獵手」號進行了海上試驗,驗證了機動性、穩定性、適航性、加速/減速及燃油消耗等設計目標,特別是該艇安裝的自主套件,可使其在遵循海上安全航行相關法律與慣例的條件下安全航行。

▲從採購成本來看，美國弗吉尼亞級攻擊型核潛艇的建造成本高達數十億美元，P-8A反潛巡邏機的生產成本也有2.5億美元之多

ACTUV是美國海軍全新設計的新一代反潛作戰平台,突出穩定性、續航力、自主導航等性能設計,同時注重性價比設計,確保經濟可承受性。

採用三體船設計,穩定性好

ACTUV技術驗證艇採用三體船的總體構型,包括應用複合材料的細長船體和兩側通過舷外支架連接的浮筒。三體船對惡劣海況的適應性強,具有極佳的航行穩定性。ACTUV最早的初始設計構想圖採用特殊的艇體形狀,水動力設計複雜,要求具有很強的操控能力,在執行任務過程中,主要依靠前部的主動浮力和舵控制來實現定深航行,需要重點研究無人艇高速航行或在強海流及惡劣天氣情況下的穩定性問題,而三體船設計解決了這一問題,不僅簡化了總體結構設計,而且實現了穩定航行。據媒體報道,「海上獵手」的最大速度27節(50千米/小時),可以在5級海況下穩定航行,甚至可以在7級海況下航行時都不會傾覆。

總體尺寸大,續航力突出

根據美國海軍《無人水面艇主計劃》,無人水面艇主要分為X級小型無人艇、海港級無人艇(7米)、通氣管級無人艇(7米半潛艇)和艦隊級無人艇(11米),其中艦隊級無人艇的尺寸最大,是一種專用艇。但ACTUV技術驗證艇的尺寸遠遠超出了艦隊級無人艇,其最大長度為39.62米,寬14.3米,吃水1.52米,滿載排水量152噸,標準排水量102噸,是目前全球最大的無人水面艇。總體尺寸的增大,意味著ACTUV可以攜帶更多的有效載荷,其中包括最多可裝載40噸的燃油,這使得該型具有十分出眾的巡航能力,最大巡航力9000海里/15節或4000海里/18節,能夠在海上持續航行約70天,完全具備了現役反潛機、水面戰艦和潛艇的廣域作戰能力,甚至可以在無人維護的條件下長期在海上部署。

自動化程度高,具有完全自主導航能力

ACTUV無人水面艇配備有高精確態勢感知感測器,具有自適應控制體系結構,以及高精度內部狀態監控和優化能力,這使得該型艇在巡航過程中很少受到人為干預,可在任務區隱蔽待命,收到指令后可自主識別跟蹤敵方潛艇。在遠程指控中斷期間,仍可繼續執行任務。航渡期間,能夠自主規避未識別目標。而且,具有重新捕獲目標的能力,可再次捕獲跟丟的潛艇。特別是ACTUV安裝有專門的導航軟體,可進行自主導航、識別並自動避開其他船隻和目標。此前,DARPA曾經採用1艘12.19米長的模擬船測試過這款自主導航軟體,在海上試驗中成功驗證了這套系統可遵守國際海事章程中有關避碰的航行規則。

採購和運行成本低,性價比高

性價比高是ACTUV無人水面艇用於反潛的明顯優勢。從採購成本來看,美國弗吉尼亞級攻擊型核潛艇的建造成本高達數十億美元,P-8A反潛巡邏機的生產成本也有2.5億美元之多,而ACTUV技術驗證艇的建造成本大約在2200萬～2300萬美元之間(不包括設計和軟體的費用),再加上批生產的規模效應和精益生產,將具有極大的成本優勢。從運行成本來看,ACTUV技術驗證艇每天的使用成本大約為1.5萬～2萬美元,遠遠低於美國海軍現役阿利·伯克級驅逐艦每天70萬美元的運行成本。這對於美國海軍來說,也具有極大的吸引力。隨著ACTUV無人水面艇的服役,美國海軍有人反潛作戰平台將從大量複雜、危險、枯燥、艱苦的對潛搜索跟蹤任務中解脫出來,集中精力去完成更重要的攻潛任務。

▲先進常規潛艇可以利用隱蔽性好、突擊威力大、打擊能力強的特點，對前沿部署的美國海軍水面作戰艦艇構成潛在威脅

一旦ACTUV無人水面艇服役部署后,將對美國海軍反潛體系作戰能力、反潛作戰樣式以及無人反潛裝備技術發展等產生重要影響。

大幅提升美國海軍反潛體系作戰能力

隨著越來越多國家海軍裝備先進常規潛艇,包括伊朗裝備的基洛級潛艇和加迪爾級小型潛艇,朝鮮自行研發的玉高級、山高級等小型潛艇,這些潛艇都可以利用隱蔽性好、突擊威力大、打擊能力強的特點,對前沿部署的美國海軍水面作戰艦艇構成潛在威脅,同時對美國原先倚重的攻擊型核潛艇、反潛巡邏機等作戰平台的作戰性能產生較大影響。隨著ACTUV無人水面艇加入現役,美國海軍能夠通過構建衛星和水下網路源頭監視、反潛無人水面艇過程持續跟蹤、P-8A反潛飛機防區外打擊的閉環反潛體系,基本實現對對手潛艇出航、航渡、大洋活動等全過程、全航態、全方向的立體反潛,實現多種反潛作戰兵力的接力運用,大幅提升反潛體系作戰能力。

實現與其他作戰平台聯合作戰

ACTUV無人水面艇不僅能夠在戰區或全球獨立部署,獨立實施反潛作戰,而且能夠與其他作戰平台進行聯合作戰。在有人-無人聯合方面,ACTUV無人水面艇能夠將跟蹤潛艇過程中獲取的潛艇水聲特徵等情報,為有人反潛作戰平台提供情報支持,或者是接收水面艦艇、潛艇、反潛直升機與海上巡邏機等作戰平台傳遞的敵方潛艇目標數據,從而形成由無人水面艇負責搜索和跟蹤、有人平台負責精確摧毀的高效反潛模式,在一定程度上緩解美國海軍攻擊型核潛艇和水面艦艇數量不足的困境。在無人-無人聯合方面,ACTUV無人水面艇能夠與其他無人平台聯合作戰。2016年11 月,DARPA完成了「海上獵手」號搭載「海上系統空中拖曳升力平台」( TALONS)的協同試驗。當時,TALONS系統從「海上獵手」號起飛,升至約300米高度,並在此位置測試其感測器及通信裝備。與艇載感測器及無線電相比,空中漂浮的TALONS系統有效作用範圍大幅提升。該試驗還驗證了兩種平台的適配性,並探索了單獨試驗任何其中一個項目都無法完成潛在的未來用途,可見ACTUV無人水面艇能夠與其他無人平台很好的進行協同作戰。

不斷推動無人反潛裝備技術的發展

無人作戰平台人工交互要求高,必須具有高度的自主性,才能減少對操作人員和分析人員的依賴。提高自主性的關鍵,是推動多感測器數據融合、信息處理與分發、自主協作等關鍵技術的發展。提高自主性不僅要提高其自主功能,還要使其更易於為操作人員所掌控,更加安全而可靠,目的是讓操作人員「操控任務」,而不是「操作系統」。ACTUV技術驗證艇運用了大量先進的無人裝備關鍵技術,使其在動力系統、航行控制、探測跟蹤等方面自主化程度很高。經過測試驗證,這些技術將進一步成熟,必將對無人水面艇和無人潛航器的自主化進程,起到巨大的推動作用,促使無人平台在海軍的應用進入「自主作戰」階段,大大降低作戰人員在未來海戰中可能面臨的風險。

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