水下无人预置平台的发展现状和启示

张弛,蔡帆

(1. 海装重大专项装备项目管理中心，北京 100071;2. 北京机械设备研究所，北京 100854)

0 引言

近年来，随着智能化、信息化的迅猛发展，战争无人化已成为重要的发展趋势之一。2007—2016年间，美国国防部先后发布了4版《无人系统路线图》[1]，对空、海、陆各类无人系统进行了统一规划并着重强调跨域协同作战。2016年美国又针对水下无人系统进行了补充说明，先后发布了《2025年自主水下航行器需求》[2]、《自主性》[3]和《下一代无人水下系统》[4]等指导性文件，从不同层面和角度给出了军用水下无人系统的总体发展思路，旨在构建系统的、完整的水下无人作战体系。

水下无人预置平台作为水下无人作战体系中的重要一环，由于其隐蔽性好、遂行任务多样及无人员伤亡等优点，能够对水下作战力量形成有益补充，未来可能发展成为一类重要的主战装备。与仅能执行简单地侦察探测、排雷任务的传统UUV相比，水下无人预置平台一般是指配备有无人机、导弹、鱼雷等武器载荷，可依据任务需求接受远程激活或按预定程序遂行潜伏、侦察、打击、战区封锁等作战任务的无人系统。

1 国外水下无人预置平台发展现状

水下无人预置平台作为一种新型的水下攻击武器装备，其功能定位在性能优越、遂行任务多样等方面，其发展目标是全部或部分地替代有人潜艇，具有较高的智能化和作战打击能力，受到美、俄等国的高度重视。其典型代表是美国的Hydra,Manta,LDUUV等水下机动潜行类无人预置平台，以及美国“浮沉载荷UFP”、俄罗斯“赛艇”海底导弹系统为代表的水下升降类无人预置平台。

1.1 水下潜伏式无人预置平台发展现状

1.1.1 UFP水下无人预置平台

美国海军针对海上部署各类武器平台面临的成本和保障问题，2013年，DARPA推出了一类可在关键海域长时间待机部署、能即时唤醒并执行打击任务的无人预置平台，即UFP系统(可升降有效载荷系统)[5],如图1所示。该系统由任务载荷、远程通信装置、浮筒发射装置等组成。通过水面舰艇布放，可在水下4 000 m的深海中待机5年。执行任务时进行远程唤醒，浮筒吊舱浮出水面，快速释放导弹武器、无人机、侦察设备等载荷，执行情报侦察和军事打击等任务。UFP项目自发布以来，已完成样机研制、演示验证试验，目前正在开展实战化演练工作，美海军未来计划将该型水下无人预置武器部署在全球军事活动区域前沿，以应对“区域拒止”类武器的威胁。

1.1.2 赛艇海底导弹系统

俄罗斯最新发布的《2018-2025年国家武器装备计划》中再次明确了核威慑为主要优先发展目标，各军兵种也是围绕这一国家战略实施装备升级换装。俄罗斯海军依靠多年的水下装备技术积累，已具备构建水下非对称战略核打击优势的能力，计划通过在俄领海海域部署配备有核武器的水下预置类无人作战平台，作为俄国家战略打击和防御圈的有效增益，其中典型代表是赛艇海底导弹系统[6]，如图2所示。该系统通过潜艇隐蔽布放在指定海域并可长期待命，接受指令后可从海底发射导弹执行攻击任务。该武器系统装备有俄P-29RM“轻舟”系列潜射弹道导弹,可配备10枚分导式核弹头，射程可达8 300 km。早在2013年，俄海军在白海已完成了赛艇导弹武器系统水下发射试验，据推测现已完成部分战区部署。

图1 UFP“可升降有效载荷系统”概念图Fig.1 Concept map of upward falling payloads(UFP)

图2 赛艇海底导弹系统发射试验Fig.2 Launch test of submarine missile system

1.2 水下机动潜行类无人预置平台发展现状

1.2.1 Hydra水下无人平台

Hydra是DARPA在2013年研发的一种可在浅海部署的水下无人平台[7]，该平台自备动力，可进行机动潜行，如图3所示。平台可搭载无人机、UUV等小型侦察装备，也可装载反舰导弹、对陆攻击导弹、鱼雷等多种武器载荷。能够从水面舰艇、潜艇或飞机上投放，需要时快速唤醒，自主决策，依据任务需要释放作战载荷。

图3 Hydra无人平台概念图Fig.3 Hydra unmanned platform

Hydra无人平台功能强大，具备自主作战和协同作战能力。DARPA也围绕Hydra制定了作战系统构架，可依据作战需要发射无人机和小型UUV,执行跟踪探测任务；也可发射导弹或鱼雷执行打击任务，还能够快速将其他类无人设备隐蔽地运送到指定作战海域进行部署和回收；也可接受来自空中战术指挥机的控制，与战场上其他类无人装备协同作战。2018年Hydra完成了演示验证，并配合美国海军完成了环境对抗战场演习，验证了水下网络节点通信和远程控制技术，这对美国水下无人装备协同作战系统构架具有较强的指导意义,Hydra作战系统如图4所示。

图4 Hydra作战系统Fig.4 Hydra system operation

1.2.2 Manta水下无人平台方案

美国在1996年提出了Manta水下无人平台方案，该平台可根据任务需要携载不同的传感器、武器及对抗设备，执行情报搜集、侦察、监测、反水雷及反潜等多种任务，完成任务后返回，可重复使用Manta的研制分2期进行，排水量56.9 t，长度15 m，宽度5.8 m，高度1.7 m；远期排水量91.7 t，航程2 000 km[8]，如图5所示。目前已完成样机研制，Manta早期目标在于验证平台潜伏待机、远程追踪以及与潜艇的协同作战等“新概念”领域，目前主要是配合美海军开展水下战演练。

图5 Manta水下无人平台Fig.5 Underwater unmanned platform of Manta

1.2.3 LDUUV无人平台方案

大排水量无人潜航器LDUUV项目是美国近期正在研发的一种新型水下无人平台，该平台具备很强的续航力和作战范围，能够提供情报监视与侦察、反潜战、反水雷战以及水面战能力，具备自主航行决策、长航时潜伏待机等功能。LDUUV基于模块化设计，能够在多种平台上进行布放和回收，包括近海战斗舰、“弗吉尼亚”级潜艇以及“俄亥俄”级潜艇等；其开放式架构设计可允许美海军根据任务需要配备包括导弹武器在内的各种载荷。2015年LDUUV项目达到了“里程碑A”节点，验证了连续执行 60 天部署任务的能力。未来美海军将投入更多资源用于提高该项目的成熟度。该型无人平台体现了美海军对于能够遂行多任务平台的偏爱，未来有望成为美海军潜艇的标配。

综上，美国研制以UFP和Hydra为代表的水下预置类无人平台，目的在于确保其水下优势，水下战中主要强调区域部署和多平台协调作战，依托自身技术优势抵消潜在对手的水下作战能力。俄国的发展思路则更多的是服务于本国的战略需要，基于自身水下装备技术特点形成更加强大的威慑能力。

2 水下无人预置平台的特点

美、俄等国对水下无人预置平台类装备的研究侧重虽有不同，但都认识到水下无人预置平台在水下作战方面的优越性，如依托海洋的天然屏障，能够实现大潜深静默式布置，隐蔽性较强。平台无人值守，遂行任务灵活多样等。其特点主要体现在以下几方面：

(1) 无人员伤亡

水下无人预置平台排除人的因素，仅以任务为中心，使得平台性能有很大突破，许多受人体生命保障、生理或其他人为限制因素的技术都可以在水下无人预置平台中大胆使用，比如：使用条件不受核辐射、生化辐射等恶劣战场环境的限制，不需要考虑人员的伤亡和承受力，使战争损耗与政治风险降到最低，可有效替代潜艇和蛙人部队等执行危险、枯燥和超越人体极限的任务。

(2) 隐蔽性好

水下无人预置平台可依据任务需求在深海潜伏数月甚至数年，依托海洋复杂环境以及潜伏状态下目标特征小等优点，具有较强的隐蔽性能。可在关键战区大量部署，长期值守，在接收到作战指令后具备快速唤醒、遂行多种作战任务的能力，平台部署后作为潜在威胁，数量和位置不明，可对关键海域进行战区封锁，具有较强的战略威胁能力。

(3) 遂行作战任务多样

水下无人预置类平台多采用模块化设计，可依据任务需求，携带无人机、UUV和探测传感器等设备执行侦查、跟踪、通信和数据中继等任务，也可携带各类导弹、鱼雷等执行对陆打击、反舰、防空、反潜等攻击任务，甚至可发射潜射型洲际弹道导弹，执行核反击任务。另外，平台还可配合其他无人系统或有人系统，协同作战共同组成水下攻防作战体系。

3 水下无人预置平台的关键技术

未来，水下无人预置类平台的发展更多的是要求平台既能长时间潜伏又能够有一定的机动能力，能够胜任侦察、打击、中继、运输等多重角色，平台的功能强大会导致技术难度的急剧攀升，如需要考虑任务载荷的装载释放空间、动力系统空间、能源保障空间以及平台的有效续航、机动航行和平台隐身性能等因素之间的相互制约关系，平台设计需要兼顾功能和性能的平衡。

现阶段，水下无人预置平台面临的主要问题是对于协同作战的概念尚未有全面和清晰的规划，水下前沿技术在水下无人预置平台上的应用有待进一步落地。上述问题主要涉及协同互操作技术、自主控制技术、能源自持及管理技术、远程通信技术、载荷发射技术以及深海环境适应性技术等关键技术，这些关键技术的突破有望给水下无人预置平台带来革命性的变化。

3.1 协同互操作性技术

协同互操作性技术是实现联合作战和网络化作战的前提。未来战争中体系化对抗将是主要形态，美国在2016年发布的无人系统发展路线图中明确了各型无人系统联合作战模式，即通过综合应用空天、水面、水下、海底等立体多节点资源，构建攻防兼备、协调一致的水下攻防力量体系。在信息化高度发达和日益强调联合作战的今天，多平台之间的协同互操作性已成为水下战致胜的关键因素。对于水下无人预置平台而言，协同互操作性技术是其融入水下攻防作战网的关键，水下无人预置类平台可利用自身的作战优势，与其他系统科学配组，形成单平台所不具备的合力，实现目标感知、态势共享，能够提升配组平台的生存力和持久作战能力。水下无人预置平台与其他平台之间实现协同互操作性的途径主要是通过建立数据标准、接口标准、通信标准以及控制标准，明确各个平台在水下攻防作战体系中的定位，提升水下无人预置平台类装备的协同互操作等级，打造可互操作、开放、可扩展的、更加广泛的网络中心环境，实现未来信息化条件下的高效协同作战。

3.2 自主控制技术

自主控制技术是确保多平台协同作战的核心技术之一。水下无人预置平台受环境限制，其探测、导航以及通信等能力受限，需要通过多平台的协同互操作实现对目标的态势感知，而自主控制技术将是其实现功能拓展的关键。自主控制技术可实现水下无人预置平台自身的故障分析和自适应，使平台拥有容错、故障诊断和排除功能，具备对失效传感器和错误数据的自适应性；也可从外部信息中感知和推断环境状态，评估环境中其他行动者的意图。这些功能的实现主要依靠多源传感器识别、强大的信息处理能力以及科学的系统算法等。未来自主控制技术重要的方向是引入人工智能，使水下无人预置平台的目标实现不局限于控制系统运行，而是通过编制规则容许平台自主决策，最终实现自主选择并达到人工指定的目标。

3.3 能源自持及管理技术

能源自持及保障技术是制约水下无人预置平台长时间待机和遂行作战任务的主要因素之一。水下无人预置平台类装备一直在寻求能量密度大、比能高、安全性好、能够适应复杂水下环境并且能够长时间工作的高效能源，目前大规模使用的能源主要是燃料电池系列和锂/锂离子电池系列。对于水下无人预置平台而言，未来有望广泛采用的能源主要有金属燃料电池、质子交换膜燃料电池、微生物燃料电池等，这些电池能源由于其安静性好、水下适应性好以及维护成本低等特点与水下无人预置平台的需求极为贴合，且部分能源技术有望在短期内实现突破。另外，核电池技术[9]也是水下无人设备追求的高效能源之一，但是其在安全性、小型化等工程应用方面的技术壁垒短时间内无法克服。另外，海洋温差能发电技术[10]、水下无线充电技术等外部能源补充方案也有望成为水下无人预置平台的能源备选方案。

另外，在能源管理方面，平台内设备在待机休眠和正常工作时负载差异大，如何降低平台内软硬件的能耗，最大程度提高电源的待机时间也是一项重要的研究方向。当前主要是针对平台内部的电气器件、组网、信息处理、传输以及决策算法等软硬件的电源管理模块进行智能化分配，对待机与正常工作两种状态下的电源输出特性进行智能调节，采用调节算法、分阶段输出等手段来实现能源管理分配的最优化。另外，设计能耗更低的信息处理模块和新的信息能源分配算法也是降低能耗的有效技术途径。

3.4 远程通信技术

远程通信技术一直是制约水下无人预置平台作战信息链闭合的核心关键技术。由于海洋环境对数据信息的传输速率、误码率有较大影响，如何实现对深海环境下远距离、高速率以及链路可靠的水下信息传输一直是困扰各国的难题。目前，使用较为广泛的是多节点中继通信技术[11]，利用水下网络-浮标-卫星中继等方式，通过多个移动节点之间的相互通信,构建水下移动声学网络,实现水下无人预置平台与卫星/舰面/基地指挥的通信,从而实现海空天三位一体协同工作。典型代表是美国TUNA系统(水下战术网络体系结构)[12]，该系统通过多个浮标和光缆接力的方式，形成有线链路，跨越高对抗海区，将水下无人设备通过浮标中继与常规战术通信网络连接，这种中继通信方式数据率高，抗干扰能力强，但是存在大规模组网不便，节点较为脆弱等不利因素。对于水下无人预置平台而言，高效的水声通信仍是最为简便的通信方式。当前，随着信号处理技术、调制与编码技术、信道模型与仿真技术的不断提高，新的前沿水声通信技术如水下压缩通信技术、水下激光通信技术[13]、中微子通信技术[14]、多入多出通信网络技术[15]以及远程高速动态通信技术等均取得了长足的进步，这些技术距离工程应用虽有一段距离，但是一旦实现，必将给基于水声通信技术的水下体系化作战带来极大变革。

3.5 载荷发射技术

该技术是实现水下无人预置武器作战效能的关键。水下无人预置平台载荷发射一般采用2种方式，一种是平台在待机深度直接释放任务载荷，如俄罗斯的赛艇海底弹道导弹系统；另一种是平台上浮至指定深度或浮出水面进行发射，如UFP无人预置平台。水下无人预置平台的载荷发射技术面临的核心问题是如何平衡压差以及降低发射后坐力，以确保发射过程中平台姿态的稳定。当前，水下无人预置平台在大深度条件下实现载荷发射的主要途径是海压平衡发射、外置动力推动以及正浮力干式运载器等手段。发射后坐力较小的载荷如深水炸弹、探测型UUV、小型声诱饵以及携带小型无人机/防空导弹的干式运载器等可选择这一方式；对于发射后坐力可传递至海底任务载荷的也可采用，如海底固定式发射装置等。部分发射后坐力较大的武器载荷，仍推荐近水面或上浮发射，采用自力热发射或燃气发生器冷弹射分离方案均可，如远程反舰、对陆打击等攻击型导弹武器。对于水下无人预置平台而言，其待机深度通常在几百甚至上千米，该条件下实施发射对于环境压力的克服以及平台、载荷的结构强度设计要求极为苛刻，从难易程度和成本等角度出发，平台上浮至指定深度或浮出水面进行发射仍将是未来一段时间的主流做法。

3.6 深海环境适应性技术

该技术直接影响水下无人预置平台的长时待机性能。水下预置武器长期潜伏布置在数百米甚至数千米的深海环境，且待机时间达数年之久。海水是天然的电解质溶液，水下无人预置平台的金属壳体在电解质溶液中容易发生电化学腐蚀，对结构造成不可逆的腐蚀破坏。另外，海生物附着在设备壳体上，会分泌有机酸或还原形成二氧化硫、硫化氢等强腐蚀性物质，从而对水下无人预置平台壳体造成从微观到介观、再到宏观的跨尺度复合损伤，会出现设备结构壁厚减薄，局部区域甚至会出现深坑或穿孔，将极大地影响平台结构强度及刚度储备。目前，主要的环境适应性手段仍是从材料和防护两方面着手，在材料上选用强度高、韧性高、焊接性好、耐海水腐蚀好的高性能材料。而最主要的还是选用合适的保护方案，如Al-Zn-In系牺牲阳极保护以及涂装防护等，这也是舰船钢结构防腐蚀的主要手段。目前深海环境适应性技术中关于防腐防污课题仍是集中在涂料的性能研究方面。

4 发展趋势

水下无人预置平台涉及多学科交叉，需要大量的基础科学和前沿技术支撑，其发展趋势涉及因素较多难以完全囊括，以下仅从部分角度着手分析：

(1) 长航时自备动力将成趋势

水下潜伏式无人预置平台较机动式无人预置平台相比，其控制区域能力和遂行任务的灵活性较差，而自备动力的无人预置平台能够进一步将各种载荷运输、部署到需要的地方，扩大了导弹类作战武器的打击范围和战术隐蔽性。具备机动能力有利于平台主动配合舰面、空中力量，可提前进行部署形成突然打击能力，能够更好地遂行目标侦察、打击、信息中继、战后评估等多样化的任务，这也是美国继UFP后大力推行LDUUV和Hydra等项目的原因之一。

(2) 应用模式侧重于体系作战

当前，随着信息化和智能化的快速发展，包括水下无人预置类武器在类的各种新型武器装备不断涌现，武器装备的发展也促进了作战理论的变化，催生了全新的作战概念和作战样式。对于水下无人预置平台类装备，不能仅停留在单机执行“枯燥、污染、危险”任务的层面，更多是需要在规划和设计阶段将其纳入水下联合作战体系中，从体系的角度去审视它们的作用。对于目标一致、跨域协同的作战模式，体系的能力大于个体能力之和，多平台融入体系作战可成为战场上的力量倍增器。对水下无人预置平台类装备应用模式的探索，也是充分挖掘其作战潜力和军事效益的重要研究方向。

(3) 相关前沿技术的应用会带来全新变革

当前，生物科学与工程、材料科学以及计算机与信息科学等前沿科学领域的发展带动了无人系统的发展。如上文提到的能源技术中的质子交换膜燃料电池技术有望在未来5-10年内实现工程化应用，其高功率密度较现有锂电池有数倍提升，该技术的突破意味着未来水下无人预置平台可实现更长的潜伏待机时间、更远的活动距离以及更大的威慑范围；部分水声通信技术一旦实现，现有中继通信将会很快被替代，其高效的通信速率将为作战模式带来深远的影响；另外，人工智能技术将在未来扮演重要角色，这也许是未来实现弯道超车的技术突破点。相关基础科学类的前沿技术发展应用，也将给水下无人预置平台类装备带来脱胎换骨的变革。

5 相关启示

当前，信息化带来的军事变革日益显现。美国是发展水下无人预置平台的引领者，美国依据自身战略目的需求，多次修改水下无人作战系统的发展规划。2006年发布的执行规划中，明确将检查/识别海域感知、反水雷以及反潜作为水下无人系统的优先任务[16]，主要是在当时的国际环境下，非国家主体造成的恐怖袭击给美国带来极大影响，因此在水下无人系统的发展规划中将反恐作为最优先级别战略目标；而到了2013年左右，恐怖主义的威胁得到了有效抑制，加上水下平台技术门槛高，来自水下的恐怖威胁几乎没有出现。另外，美国为遏制中国海军力量扩张，计划通过水下战进一步加大岛链封锁力度。在这样的国际背景下，美国发布了新一轮的水下无人平台规划，对水下无人平台使命任务优先级进行了调整，将反水面战、打击、特种战以及水雷战等任务需求放在前列。结合作战需求，美国重点扶持了UFP和Hydra等水下无人预置平台装备，计划以强大的水下战力量对我国实施近海压制。相关计划的顺利执行主要是依赖美国长年的技术积累，美国在水下高精度定位、深水载荷释放、抗海水腐蚀、能源自持保障、远程唤醒激活以及可靠信息链路通信等水下无人预置平台核心技术方面具有深厚的技术积累，并在不断补齐能力短板，积极推行无人平台自主能力提升、多系统间的互操作性等前沿技术的应用。

综上，针对我国的水下无人预置平台规划，在借鉴美国的发展规划经验的同时，应从以下几个方面着手准备。

(1) 多平台协同发展，将水下无人预置平台纳入水下攻防体系内进行统一规划

应及时将水下无人预置平台等新型作战力量纳入我国海军水下攻防作战体系的总体战略规划中，开展顶层设计，将水下无人预置平台、无人水面船、无人机等无人设备结合起来统筹考虑，制定各军兵种协同发展的统一规划以及水下攻防作战体系标准，加强通用化、系列化和模块化设计，实现水下攻防作战体系内各平台之间的互联、互通和互操作目标。

(2) 把握战略需求和武器装备建设要求，规划水下无人预置平台的发展

海军对于能够实现稳固近海、突破岛链封锁以及实施区域制止的装备需求迫切，而水下无人预置平台类装备凭借其自身隐蔽性、兵力零战损、区域控制能力、遂行任务灵活多样等优点，有望成为未来水下攻防作战中发挥重要作用，成为我海军实现稳固近海、突破岛链、大洋存在、袭击敌岸的重要助力。

(3) 进一步加强前沿技术跟踪研究，积累经验，提升水下无人预置平台技术储备

应以海军战略需求为主导，充分发挥国防工业部门的主力军作用，对水下无人预置平台类新型作战装备，探索其作战概念，挖掘在水下攻防作战体系中的应用模式，加强对能源保障、通信技术、载荷发射、海洋防护等涉及能源科学、计算机与信息科学以及材料科学等前沿科学领域的预先研究。既要对存在的技术难点进行重点攻关，也要在人工智能、网络化作战等新的研究方向上开拓创新，力争厚积薄发。

6 结束语

当前，我国水下无人预置平台技术已开展一些研究工作，部分科研单位和高校已取得一些水下无人预置平台原理样机、长时待机测试以及控制系统等方面的科研成果，但是缺乏大思路和顶层统筹规划牵引，技术进步较为缓慢，距离我国海军未来体系化作战的需要存在较大差距。

鉴如此，在借鉴国外先进经验的同时，不能亦步亦趋，需要从自身战略需求出发：开展顶层设计工作，将水下无人预置平台纳入水下攻防作战体系中来统筹考虑；把握国内战略需求和武器装备建设需求，整合国内优势研发力量，形成合力；加强关键技术重点攻关，开展前沿技术应用转化，牵引、推动我国海军水下无人作战系统的发展，最终实现水下无人预置平台类装备的实战化部署。