海戰科學技術領域最新發展綜述

近年來,世界海戰科技領域繼續得到各國海軍的普遍重視。艦船平台技術保持高熱度發展,美、日等國新型艦船不斷採用雙體船、三體船等新船型,英、法等國相繼推出「無畏2050」、 SMX 3.0潛艇等新概念艦船設計方案。燃料電池技術發展速度加快,不斷應用於潛艇和無人系統。美國海軍繼續使用和試驗驗證替代燃料,加速推進向實戰裝備的轉化應用。信息獲取、傳輸和利用技術取得新進展,新型防空反導雷達、無人系統組網探潛等技術取得突破。美國海軍完成無人系統跨域協同技術驗證,無人控制系統進展較快,網路空間對抗、電子戰等技術發展熱度不減。美國海軍加緊構建遠程反艦導彈體系,制導炮彈技術發展逐步成熟,電磁軌道炮、高能激光武器等新概念武器技術陸續取得重大進展。光學、聲學等領域超材料取得較大進展。導航授時系統、水下導航等技術獲得快速發展,將對未來海戰產生重大影響。

▲英國海軍2015年推出的「無畏2050」設計方案採用隱身穿浪三體船型，外形呈扁平多面體，上層建築為簡單的小型多面型椎柱，上層建築頂部搭載一架四旋翼無人機

新型艦船不斷採用新船型

美國海軍採用新船型的「朱姆沃爾特」級驅逐艦、近海戰鬥艦和遠征快速運輸艦(原稱聯合高速船)陸續入役。2016年10月15日,「朱姆沃爾特」級驅逐艦首艦「朱姆沃爾特」號服役。該級艦是目前世界上排水量最大的驅逐艦,採用內傾穿浪單體船型,大大增強了航行性能和隱身效果。近海戰鬥艦採用半滑行單體船型和鋁製三體船型兩種船型設計,特別是三體船型首次應用於3000噸級的主戰艦艇。截至2016年10月,近海戰鬥艦計劃採購32艘,已服役6艘。遠征快速運輸艦目前也有7艘入役,原計劃採購11艘,2015年將建造數量增至12艘。該型艦採用了雙體船型,擁有良好的適航性,能在近海區域快速機動,可實現戰區範圍內艦到艦和艦到岸的快速輸送。

日本、印尼等國也在積極發展三體船艦艇。日本始終重視多體船型的技術研發,先是在民船領域發展了1000噸級到萬噸級系列雙體船,然後在「音響」級小水線面水聲監聽船等軍輔船上實現,近年來又加快了高速多體戰鬥艦艇的研發步伐,先後啟動了3000噸級雙體和三體戰鬥艦艇研製工作,特別是2014年與美國達成合作協議,將在未來6年內完成新型三體近海戰鬥艦的相關研究,並裝備日本海上自衛隊。印尼正在建造一艘63米級三體隱身快速導彈巡邏艇(FMPV),計劃2017年前後交付,後續將採購19艘。這種採用現代穿浪型的三體船設計,不再被海浪抬升,而是「穿過」海浪,減小了艦艇的升沉和橫搖,提高了武器平台的穩定性。

新概念艦船設計方案相繼推出

英、法等國積極推出新概念艦船設計方案。英國海軍2015年推出的「無畏2050」設計方案,就是一款面向2050年的新型水面主戰艦艇設計。該型艦採用隱身穿浪三體船型,外形呈扁平多面體,上層建築為簡單的小型多面型椎柱,上層建築頂部搭載一架四旋翼無人機。艦體外殼採用有機玻璃,外塗石墨烯塗層,既可有效降低阻力,也能增強隱身性能。艦尾大型可伸縮式機庫可搭載多架無人機,飛行甲板可供2架無人機同時起降作業,艦尾飛行甲板周圍的上層建築還可旋轉,擴大艦尾空間,供有人直升機起降。艦尾還設置有井甲板,既可搭載兩棲登陸裝備,也能布放和回收無人潛航器。

2016年10月,法國DCNS公司披露了SMX 3.0新概念潛艇設計方案。該型艇水下排水量3000噸,計劃裝備垂直發射系統,可發射導彈和水下無人系統。安裝新型探測設備、數據管理系統等,具有更好的態勢感知能力和網路對抗能力。艇體採用新塗層,具備更好的隱身性能,而且將配備第二代燃料電池AIP系統。

集成桅杆得到廣泛應用

上層建築集成化越來越成為水面艦船設計的一種潮流。美國「朱姆沃爾特」級驅逐艦採用集成上層建築,將桅杆進行了高度集成,實現了甲板室、煙囪、桅杆等所有上層建築的一體化,使上層建築變得極為簡潔,減輕了電磁干擾。相比美國,俄、德等歐洲國家尚未掌握美國類似的先進技術,更多的採用綜合桅杆技術,實現桅杆的封閉化,優化桅杆結構。德國海軍F125級護衛艦採用綜合桅杆和內置集成式孔徑天線,其首艦「巴登·符騰堡」號於2016年4月開始海試。俄羅斯2016年開始建造的20386型護衛艦,和20380型、20385型護衛艦一樣,也採用了綜合桅杆技術,但設計經過大幅改良,採用了「金字塔」形封閉綜合桅杆,其桅杆頂部採用多面體結構,各個面均為傾斜設計,並且在各面相交處採用圓角過渡。

英、法等國新發展的護衛艦也多採用綜合桅杆技術。英國正在研發的26型護衛艦,與45型驅逐艦都採用綜合桅杆設計。該型護衛艦已於2016年4月獲得英國國防部4.72億英鎊的資金,用於詳細設計和採購先期設備。法國海軍2016年10月公布的新一代中型護衛艦(FTI)方案,也採用綜合桅杆設計。

▲2016年1月，美國海軍開始「大綠艦隊」演習。這支「大綠艦隊」主要由「斯坦尼斯」號航母打擊群組成，全部5艘水面艦艇均使用了10：90配比的生物-化石混合燃料

燃料電池技術不斷應用於潛艇和無人系統

除了德國已經將燃料電池AIP技術應用於214型先進常規潛艇外,俄羅斯也正在推進潛艇燃料電池AIP技術研發。俄羅斯正在為下一代常規潛艇研發燃油重整燃料電池技術,可在潛艇中以燃油為原料進行重整制氫。俄羅斯紅寶石海上工程中央設計局已在2015年研發出了柴電潛艇的不依賴空氣推進系統,使用重整柴油燃料電池,提高潛艇水下續航力。俄設計局透露,正在建造一型特殊的浮動設施,用於試驗艇AIP系統。日本海上自衛隊已經宣布,后4艘「蒼龍」級潛艇動力系統計劃採用先進的鋰離子電池和柴油機組合,以替代目前使用的斯特林發動機,目前日本第7艘「蒼龍」級潛艇「仁龍」號已經服役,計劃採購11艘。

無人系統也將採用燃料電池系統提高續航力。2016年,通用原子公司完成鋰離子容錯電池的水下載具試驗。這種鋰離子容錯電池目前可用於有人或無人潛航器,能夠在水下實現60小時無故障運行。當單電池失效時,故障不會傳遞至相鄰單電池,避免了整個電池組的不可控燃燒等故障問題。此外,美國海軍研究實驗室還完成了通用汽車公司燃料電池系統用於無人潛航器樣機的試驗。這種燃料電池借鑒了Gen2燃料電池的相關技術,Gen2燃料電池壽期超過10年,使用300個電池堆棧,效率約為40%。

美國海軍加速推進替代燃料技術實用化進程

2016年1月,美國海軍開始「大綠艦隊」演習。這支「大綠艦隊」主要由「斯坦尼斯」號航母打擊群組成,全部5艘水面艦艇均使用了10:90配比的生物-化石混合燃料。這種生物燃料屬於第二代生物燃料,以廢棄動物油脂為原料,可有效降低成本。目前,美國海軍生物燃料使用量已從2012年的45萬加侖(204.57萬升)增加至776萬加侖(3527.77萬升),占海軍全部燃料年消耗量的0.62%;價格則從26美元/加侖(52.72美元/升)降低至2.05美元/加侖(0.45美元/升),與化石燃料相當。

應用研究聯盟(ARA)等公司的生物燃料進行了試驗。2016年8月,美國海軍水面戰中心的自防禦測試艦完成了ARA公司和雪佛龍-魯姆斯公司2種替代燃料的最終階段測試。其中,自防禦測試艦添加了2種約3萬加侖(13.6萬升)的替代燃料,進行了正常巡航,表明這些燃料可實現「滴入式」使用,而且總體性能與化石燃料相同甚至更優。9月,美國海軍在帕塔克森特河的海軍航空站,成功展示了一種先進生物燃料含量達到100%的燃油在EA-18G電子戰飛機上的應用,結果表明EA-18G的飛行表現與使用JP-5航空煤油的飛機沒有明顯差別。

▲2016年9月，美國海軍在新墨西哥州白沙靶場使用F-35B戰鬥機作為空中感測器節點，在NIFC-CA框架下，首次與「宙斯盾」作戰系統進行了協同遠程防空攔截實彈驗證並取得成功

信息獲取技術不斷推陳出新

美國海軍防空反導雷達研製進展順利,並開始研製雙波段替代型雷達工程樣機。2016年7月,美國海軍首部AMDR-S雷達系統交付太平洋導彈靶場,標誌著AMDR項目進入實彈測試階段。美國海軍正在開發的新型「企業對空監視雷達」,將替代雙波段雷達,成為「肯尼迪」號航母以及後續「福特」級航母、LHA-88兩棲攻擊艦的主要搜索雷達。2016年,美國海軍還授予美國「系統規劃與分析」公司一份合同,用於開發艦載雷達和數字信號處理(DSP)技術,主要涉及AN/SPY-6防空反導雷達、AN/SPQ-9BX潛望鏡探測雷達、雙波段雷達升級等項目,旨在提升水面艦船防禦巡航導彈、彈道導彈、攻擊機和潛艇威脅的能力,包括近海雜亂環境、複雜電磁環境中的抗干擾能力和超視距探測能力。

美國海軍無人系統組網探潛技術取得突破。2016年5月,DARPA投資研發的分散式敏捷反潛系統完成「獵潛」子系統海試。分散式敏捷反潛系統目的是保護己方航母打擊群等高價值目標,手段是利用數十個無人潛航器組網,採取自下而上的探潛模式,能夠在6千米潛深仰視18萬平方千米的海域,發現試圖攻擊己方航母打擊群等高價值目標的潛艇。此外,美國海軍在2016年「無人戰士」演習期間演示了「自主無人水面艇」先進的探潛能力。這種「自主無人水面艇」使用搭載有先進聲學感測器的滑翔式無人艇,可有效利用波浪能,能夠將波浪的上下起伏轉化為前進的動力,具備超長的續航力。而且,「自主無人水面艇」能夠與P-8A反潛機協同或多個「自主無人水面艇」組網作戰,能有效探測安靜型常規潛艇和UUV。

跨域信息協同技術完成驗證

美國海軍完成無人系統跨域協同技術驗證。8月,美國海軍在「年度海軍技術演習」中,成功完成無人機、水面和水下無人系統跨域投放、通信和控制試驗。雖然此次試驗是在低威脅環境下依託現有成熟無人系統實現,但展現出良好的應用和發展前景。無人系統、技術及概念將進行整合,海上綜合作戰能力進一步提升。特別是無人系統將在建立跨域探測通信網路、實施海上打擊、防禦等任務中發揮重要作用。通過此次試驗,美國海軍進一步驗證了無人系統跨域投放、態勢感知、控制和協同通信能力,探索了一種全新的跨域控制和通信方式,為全面整合空中、水面和水下無人系統協同作戰奠定了重要的基礎。

海軍指揮控制系統發展平穩

美國海軍「海上一體化火控-防空」(NIFC-CA)系統繼續取得進展。2016年9月,美國海軍在新墨西哥州白沙靶場使用F-35B戰鬥機作為空中感測器節點,在NIFC-CA框架下,首次與「宙斯盾」作戰系統進行了協同遠程防空攔截實彈驗證並取得成功。該次試驗成功,標誌著美國海軍NIFC-CA系統改進計劃取得了重大進展。NIFC-CA系統是美國海軍為實現遠程交戰和超地平線防空攔截,根據「網路中心戰」概念,將「協同交戰能力」(CEC)系統、E-2D預警機、「宙斯盾」系統和「標準-6」導彈等裝備系統集成后所形成的分散式、網路化航母編隊防空作戰體系。與之前的同類作戰體系相比,NIFC-CA在繼承CEC系統的基礎上,實現了對空感測器、指控系統和攔截武器的整合,使航母編隊中的「宙斯盾」艦首次實現對艦載雷達視界之外空中目標的超視距攔截。

無人控制系統進展較快。2016年初,美國海軍完成LDUUV無人潛航器通用控制系統軟體的測試,表明該系統具備對「大排水量無人潛航器」進行指揮控制的能力,而且該系統還能夠適應空中、水面、水下和地面的各類無人系統。2016年,美國海軍「卡爾·文森」號航空母艦安裝了首套無人機控制中心,將用於操控目前還處於研發階段的MQ-XX無人作戰飛機。雷聲公司和美國海軍航空系統司令部已經完成MQ-8「火力偵察兵」無人機先進任務控制系統研發,將部署在「科羅拉多」號近海戰鬥艦上,使其能夠在近海區域獲得可靠、靈活的任務指示。

信息對抗技術發展熱度不減

DARPA將把「X計劃」首次交付美軍。6月,DARPA發布了「X計劃」的產品,美國網路空間司令部作戰人員將首次在背靠背「網路衛士」和「網路旗幟」聯合演習中使用該產品。據悉,「X計劃」最終將於2017年正式移交給美國國防部和美國網路空間司令部。「X計劃」始於2012年,旨在實現網路作戰戰場空間的可視化,研發網路空間作戰平台,是國防部像進行陸海空作戰那樣計劃、實施和評估網路空間作戰行動。它將為網路空間內作戰的人員打造首套通用性作戰規劃,使士兵可利用其設計的工作流程完成各項作戰任務。

美國海軍「水面電子戰改進計劃」(SEWIP)取得多項進展。1月,美國海軍授出合同,全面升級SEWIP Block1B3模塊。4月,美國海軍研究局授出合同,開發「聯合光電/紅外監視響應系統」,開展SEWIP Block4技術預研。5月,SEWIP Block3通過關鍵設計評審,轉入工程研製階段。10月,美國海軍授出合同,升級SEWIP Block2的天線和接收機,並改進介面配置。

▲美國海軍「水面電子戰改進計劃」在2016年取得多項進展，將全面升級SEWIP Block 1 B3模塊，並開展SEWIP Block 4技術預研

▲Mk 295 Mod1制導炮彈在Mk 295 Mod0非制導炮彈基礎上加裝了制導模塊，可在發射後會自主搜尋並打擊目標，能夠用於應對小型艦艇集群攻擊戰術

艦載導彈技術取得較大發展

美國海軍積極拓展多型導彈反艦作戰能力,打造分散式、網路化、超視距反艦導彈體系。2016年1月,美國海軍改裝后的「標準-6」艦空導彈成功完成首次超視距打擊靶艦的試驗。該型導彈主要升級改造了控制軟體系統,加裝了GPS制導系統,具備了很強的反艦能力。2月,美國海軍啟動「戰術戰斧」對陸攻擊巡航導彈改裝計劃,主要採用新型導引頭技術,使其具備打擊地面或海上移動目標的能力。2016年7月,艦射型「遠程反艦導彈」成功進行第三次飛行試驗。此外,美陸軍於2016年10月明確提出,進一步拓展LRPF新型戰術地地彈道導彈的反艦功能。

俄羅斯海軍成功試射世界首款高超聲速反艦巡航導彈。2016年3月,俄羅斯海軍利用陸基發射裝置進行「鋯石」新型高超聲速反艦導彈試射。根據披露的消息,該導彈射程300～400千米,飛行馬赫數5～6。新型導彈完成測試后,將裝備俄羅斯第五代攻擊型核潛艇以及未來將要升級改造的「彼得大帝」號核動力巡洋艦上,

制導炮彈技術發展逐步成熟

美軍不斷推動制導炮彈技術發展。2016年3月,美國防部戰略能力辦公室啟動「超高速火炮武器系統」項目,重點研究將「超高速制導炮彈」用於現役艦炮和陸軍榴彈炮的防空反導。「超高速制導炮彈」於2012年由美國海軍研究局啟動研發工作,旨在為電磁軌道炮提供配彈,併兼顧大口徑艦炮使用。該型炮彈採用低阻外形和模塊化設計,通用性強,速度快,射程遠,成本低。

7月,BAE系統公司開始對Mk295 Mod1炮彈的制導系統和導引頭進行系列測試。這種新型炮彈在Mk295 Mod0非制導炮彈基礎上加裝了制導模塊,可在發射後會自主搜尋並打擊目標,能夠用於應對小型艦艇集群攻擊戰術。

新概念武器技術取得新突破

美國電磁軌道炮電力系統技術取得重大進展。5月,雷聲公司開始向美國海軍交付脈衝電源集裝箱(PPC),進行下一步開發和測試。PPC採用模塊化的標準集裝箱,包括多個脈衝電力模塊。封裝了大量電容器和可充電電池,每次可釋放18千瓦時的電能。多個脈衝電源封裝箱組合之後,可滿足電磁軌道炮發射時的電力需求。

高能激光武器技術取得新進步。6月,美國海軍授出合同,由諾斯羅普·格魯曼公司研發百千瓦級「固體高能激光武器驗證系統」(LWSD)技術研發,以應對敵方攻擊快艇、無人機、情報監視偵察系統。合同分三個階段執行,第一階段完成初始設計,第二階段開展地面試驗,第三階段將在海軍自防禦試驗艦上試驗。諾斯羅普·格魯曼公司將設計、生產、集成1套150千瓦級固體電激光武器系統並承擔艦上試驗保障工作。另外,德國於2016年2月在海軍艦艇上完成了10千瓦級高能激光武器樣機的聯合試驗,驗證了樣機對無人機、小型水面艇、地面靜止目標的跟蹤。

▲脈衝電源集裝箱採用模塊化的標準集裝箱，包括多個脈衝電力模塊。封裝了大量電容器和可充電電池，每次放電功率18千瓦

超材料紛紛取得較大進展

光學、聲學等領域超材料發展迅速。2016年3月,愛荷華州立大學成功研發一種新型複合材料,具有自然界沒有的特性,能夠伸縮和調諧。通過伸縮、彎曲聚合物「皮膚」,這種新型超材料可降低較寬頻段的雷達波反射強度,能夠利用幾列的小型液態金屬設備覆蓋目標,實現雷達隱身。5月,丹麥工業大學(DTU)研製出聲學超材料,可抑制聲波反射,有望使潛艇不被聲納探測到。聲學超材料具有改變聲波反射路徑甚至內部消耗的能力,到達該材料的聲波不產生回波而實現隱身。8月,美國密歇根理工大學的研究人員研製出新型的隱身超材料,能夠用於製造太赫茲和可見光波段的「隱身斗篷」。其原理是通過設計光子晶體的周期結構,使照射在物體表面的電磁波偏轉,繞過物體傳播,實現隱身。

導航授時系統獲得快速發展

4月,美國加州大學洛杉磯分校研製出全球首個CMOS晶元級光頻合成器,得到了穩定的克爾光梳,頻率相對不確定度達到2.7×10-16,將加速光鐘的廣泛應用,代替原子鐘成為互聯網、衛星通信等軍民用設施及裝備的授時工具,同時還可提高光學測距精度及通信速率。9月,DARPA授出合同,正式啟動「高穩原子鐘」(ACES)項目,總投入達1391.7萬美元,旨在開發小體積、輕質、低功耗(SWaP)平台,提高頻率和授時精度。這些攜帶型原子鐘上電后,應在最短時間內完成校準,並在軍事應用中維持一定的時間和頻率精度。

水下導航技術發展得到重視

5月,DARPA授予BAE系統公司「深海定位導航系統」項目第一階段合同,BAE系統公司將聯合華盛頓大學、麻省理工學院、德克薩斯大學奧斯汀分校完成項目第一階段研發工作。該技術可使潛艇、UUV等水下平台不需定期上浮接收GPS信號就能獲得連續高精度的導航信息,不僅降低了暴露自身的風險,而且能夠更高效的執行情報、監視、偵察等作戰任務。12月,俄羅斯宣稱其也在發展先進的水下導航技術,且在導航的同時能夠完成信息傳輸,預計2018年完成該技術的演示驗證工作。

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