无人潜艇崛起，或许意味着航母时代的结束
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2024-11-05 08:35
上海
人类海战的主导力量从战列舰转变为航空母舰，这是众所周知的历史转折。现在，随着无人潜艇的出现，另一种转变正在进行中。
俄乌战争被很多军事评论专家认为是第一场真正意义上的“无人机”战争，成千上万的改装无人机在战场上对传统武器装备（如坦克、装甲车辆）、物资据点、有生力量等造成高效杀伤袭扰，一度起到扭转战局的作用。无人机的大规模实战应用，彻底颠覆了常规作战思维，让人们得以初见未来战场新形态：投入最少的人类士兵和最多的无人化装备。无人化装备从战场配角向主角转换，它们往往能够出其不意，以小搏大，对现代空战和陆战的影响已十分明显。与无人机的高光时刻不同，无人潜艇作为新兴战力的崛起，被各国视为海战的下一件大事，它们可能成为传统军舰、航母和潜艇战斗群的一大克星，一个潜在深海水面下的军事战术新时代正在拉开帷幕。图：各国大型自主无人潜艇示例。｜来源：LatentSpace
无人潜艇，是指无人驾驶、靠遥控或自动控制在水下自主航行执行任务的智能化装置，具有隐蔽性强、智能化程度高、活动受限小、作战成本低等特点，被称为现代海军的“力量倍增器”。无人潜艇属于自主水下载具（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV）。AUV最大的优势是无需用电缆连接到母船或外部操作者，依靠内部控制器编程自动执行其目标任务。由于所有工作都是自动的，AUV更适合长期性、例行性或具危险性的工作，例如勘探油田、探索深海、海洋学研究等，改造为军事化和特种作战变体后，可用于排布水雷、声纳跟踪以及攻击舰艇。无人潜艇是无人潜航器（Unmanned underwater vehicles，简称UUV）的一个重要子类别和发展方向。UUV在军用、科研和民用领域均有广泛应用，除了无人潜艇，UUV还包括其他非自主、需要带缆远程操作的水下机器人（ROV），自主遥控水下机器人（ARV）以及可载人的智能潜水器（HOV）等。图：美国UUV发展规划与类别。｜来源：hisutton据报道，世界上第一部水下无人潜航器是法国人第米特里·瑞比克夫（Dimitri Rebikoff）于1953年发明的，属于ROV，而最早将UUV投入军事用途并有公开纪录的是美国海军。1957年，由美国海军研究办公室注资，华盛顿大学应用物理实验室曾开发出一种水下专用研究载具（SPURV），开发目的是为了在水下进行扩散效应、声学传递等军事研究实验，SPURV当时最大下潜深度为3600米，工作深度为3000米，电池动力每次续航约四至五小时，一直被使用到1970年代。后来，基于SPURV也衍生过很多水下滑翔机产物，采用可变浮力推进的AUV设备，具有更远的航程与续航能力，能够将海洋任务从数小时延长到数周或数个月以及数千公里的海域范围。人类对于潜艇的设想和应用年代则更早。据记载，潜艇最早可追溯到15世纪的列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci），他曾在书中构思出一种“可水下航行的船”，但由于感觉其天生具有“邪恶性”，达·芬奇最终没有付诸实际建造。但到16世纪之后，人类真实意义的潜艇还是出现了，且在战争中成为凶名赫赫的杀人利器。图：陈列于海边供人参观的德国U995号U型潜艇。｜来源：wikipedia第一次世界大战中，德国克虏伯日耳曼尼亚造船厂开发的U型潜艇是个代表，曾击沉协约国船舰数百万吨当量。到了二战期间，尝到甜头的德国一度扩建了1150余艘各类改进U型潜艇，以损失807艘的代价，击沉盟军商船与战斗舰2882艘，合计约1440万吨，此外受到U型潜艇重创的盟军战舰还有264艘，在潜艇海战史上留下浓墨重彩的一笔。20世纪50年代至90年代，美苏冷战逐年升温，核动力潜艇逐渐替代传统柴电动力潜艇，电解海水补充氧气的技术也让潜艇的水下工作时间更长。目前，最先进的潜艇如中国的094型、美国的俄亥俄级、俄罗斯的北风之神级等弹道导弹核潜艇，犹如战略大国隐藏在深海中的“达摩克利斯之剑”，是毁灭级的战争武器，在水下枕戈待旦。在各国海军军备领域，未来AUV和潜艇技术结合是个必然趋势，一个凸显的好处是大幅降低成本。无人潜艇的建造和维护相比载人潜艇要便宜得多，而将人类从变量中删除后，便不用担心潜在的战斗损失和船员们在深海封闭空间内的作战压力，执行高风险任务只是输入代码指令的事，剩下的就由AI系统接管完成。图：不同类型UUV规划可执行任务。｜来源：船舶科学技术无人潜艇可以超越传统潜艇在海中停留更长时间（取决于动力源），它们永远不知疲倦、无需食物供给，这意味着执行长期监视或偏远地区的任务变得轻而易举；且由于它们体积较小，很容易突破现有反潜防御，潜入目标海域，在不被发现的情况下对任务目标进行锁定探测或攻击，成为传统海军资产的力量倍增器。如同无人机在俄乌战场发挥的效能一样，大规模、集群化部署的无人潜艇可能会在实战中搅乱乃至威胁到一个比自身火力强大数十倍的传统海军舰艇作战群的存亡。可以预见，未来无人潜艇会由单一装备、传统装备向族系化、集群化、体系化、协同化、智能化的趋势发展。同时，为满足海陆空联合作战需求，越来越先进的超大型无人潜艇是未来水下无人系统的重点技术方向，多型号设备协作形成的海军无人作战编队战力不可小觑。
一些有趣的无人潜艇已经公开亮相，如美军的Orca、Manta Ray等项目。Orca无人潜艇是一款自主超大型无人潜航器（XLUUV），旨在满足日益增长的海底作战意识和有效载荷投送需求。美国海军想要利用Orca XLUUV发挥水雷对抗、反水面战、反潜战、电子战和打击任务等潜在能力，该设备可以在海上独立运行数月。图：美军Orca XLUUV效果图与实景照片。｜来源：hisutton、boeing据相关报道，2017年9月，美国海军选定波音公司和洛克希德马丁公司联合负责XLUUV项目的第一阶段设计。至2023年12月，波音完成验收测试后交付了首艘Orca无人潜艇，该设备采用模块化设计，15米长有效载荷部分可容纳约8吨的载重量，采用动力电池和船用柴油发电机混合驱动，续航里程可达6500海里。值得关注的下一代无人潜艇可能还要具备仿生隐形等特性，尺寸变大却更节能高效、自主性更强，能够在无人监督的情况下全天候独立行动，如同现在的高空无人隐形侦察机。图：Manta Ray“蝠鲼”潜水器测试海上流体动力学性能。｜来源：NorthropGrumman
2024年5月，美国国防高级研究计划局（DARPA）曾对外公布了一款由诺斯罗普·格鲁曼公司开发的水下设备：Manta Ray（代号蝠鲼），称该设备于2024年2月和3月在南加州海岸完成了全尺寸水下测试。据悉，DARPA正在与美国海军合作，研究该技术的下一步测试和应用过渡，有网友发现Manta Ray在美国加州文图拉郡海军基地的怀尼米港（Port Hueneme）频频现身。此外，早在2011年，DARPA就协助美军着手设计分布式敏捷潜艇狩猎（DASH）计划，DARPA公布的数据称，单个UUV设备潜于海底6000米监测直径可达55～75公里，50台设备协作通过跨域通信链路即可完成对18万平方公里海域的布防任务，如今可能正在加速布局实现。图：Manta Ray无人水下载具停泊在港口的卫星图像。｜来源：Google Eatrh
在俄、英、法、德等国，无人潜艇也是军事装备的研发“热点”。进入21世纪后，俄罗斯的新一代无人潜艇已经建成体系，主要有“大键琴”系列大型无人潜艇、专门用于模拟潜艇物理特征的“赝品”无人潜艇、“朱诺”小型无人潜艇等。而最具威慑力的，无疑是“波塞冬”核动力无人潜艇，具有长时间水下航行能力和巨大的打击力，主要用于海上战略威慑和战略打击等。英、法、德等国根据自身国力和海军发展需要，也发展了多型无人潜艇。英国主要发展了Autosub系列、“护身符”系列以及“鲸鱼”超大型无人潜航器。法国目前主要有“阿利斯特”系列、“奥利斯特”无人潜艇。德国阿特拉斯电子公司研制了“海獭”系列、DeepC侦察型无人潜艇。隐藏在水下的无人潜艇往往比水面上的舰船更具威胁性。虽然我们目前还没看到任何关于无人潜艇电子战或火力对抗的实战效果报道，但俄乌战争中无人快艇的杀伤效果已经足见一斑，这些无人系统的复杂性和战场灵活性取得了前所未有的进展。据相关报道，乌克兰在近海岸部署了很多能够携带约300至800公斤爆炸物的多型号海上无人快艇对抗俄罗斯黑海舰队，突显了致命效率和突防能力。乌克兰国防部情报总局曾对外宣称，利用这种无人快艇成功摧毁了俄军最新型舰船之一“谢尔盖·科托夫”号护卫舰，而这艘大型战舰一艘造价就要超过6000多万美元，不断增加的船舰战损迫使俄罗斯黑海舰队撤离克里米亚塞瓦斯托波尔港。图：乌克兰“海军”配备的各类无人攻击快艇。｜来源：Twitter
来自西点军校利伯研究所的一些军事专家对此表示，无人系统已彻底改变了海战的战场动态和平衡性，并对海上敌对行为提出了全新的法律和伦理挑战，势必极大影响未来海军的战略思维，以及进攻和防御战术。
目前，美国是世界上无人潜艇技术发展比较领先的国家。1994年，美海军正式将无人潜航器发展列入计划。2000年、2004年、2011年美海军先后发布了三版《无人潜航器主计划》。——侦察情报。无人潜艇能够搭载包括声呐、光学摄像头等在内的各种传感器设备，在敌方领海内进行长期隐蔽地侦察，了解目标区域的海底地形、敌方军事设施、舰船活动等情况，为决策者提供重要的情报支持。——主动攻击。在实际作战行动中，后方有人平台可充当无人潜艇的“母船”。无人潜艇作为“母船”的传感器，对敌方海上目标进行全方位立体探测、跟踪，甚至攻击。而且，多艘无人潜艇一起组成集群，彼此间可以共享探测信息，进一步扩大“母船”探测范围，增强反潜、攻击能力。有些携带鱼雷、导弹等武器的无人潜艇，一旦发现敌方大型潜艇、航空母舰等高价值目标，还可以立即激活战斗模式，对目标实施近距突击，取得出其不意的作战效果。——反水雷/布雷作战。一方面，无人潜艇可以对敌方布放的水雷进行有效探测、定位，一些先进的无人潜艇还可以携带激光或水下机械臂等工具，执行排雷任务；另一方面，无人潜艇可以远程自主隐蔽航行至敌人基地、港口和航道等区域布放水雷。——水下通信与作战网络构建。传统的水下通信设备受限于固定的布设和传输距离，而无人潜艇可以作为移动节点，充当中继站的角色，实现水下通信信号的传输和扩散。从技术角度看，无人潜艇是一个典型的多学科复杂机电系统，虽然不及常规潜艇身躯庞大，但类似的动力系统与流体力学设计、水下通信链路、水下定位导航、水下探测技术等缺一不可，很多元器件要做微型化精密化，从软件系统到硬件材料，涉及诸多技术功课要突破。整体参数化与多学科建模优化设计。相比传统大型潜艇，无人潜艇后期在数量上势必需要大规模的批量高效模块化生产流程，此类设备优势在于整体改造和测试起来要便捷得多，更像是生产一批大型的“数码产品”，因此前期设计阶段十分关键。传统大型舰艇串行工程设计迭代方法并不适宜，因此无人潜艇的设计需要构建起一套相关的子学科计算模型系统，把各模型模块关联起来，根据建模参数的输入和调整实时评估预测产品性能，进而灵活优化产生最优投产方案。防护结构与材料创新。无人潜艇的外壳结构和材料是内部核心元器件的主要屏障，一旦防护结构出现问题舱室进水没有人工抢修机会，势必会造成内部仪器、电力系统等短路失灵崩溃。如何结合其使用特点、工作强度，在给定的工作深度范围选择合适的轻质、高强、耐腐蚀、无磁或低磁材料设计出匹配的壳体结构需要系统化分类考量，由于无人潜艇的检修频次和工作方式与大型潜艇截然不同，很多相对具有性价比的新型合金和复合材料（如碳纤维、陶瓷基复合材料）有待研发，此外，透声材料、浮力材料、耐热阻燃材料、隐身材料等都需要根据无人潜艇的特性进行适配优化。混合动力系统与推进技术。与现役大型潜艇采用的核动力驱动不同，无人潜艇体积虽然小但却要保障其实现远超民用的续航能力、大潜深、超静音等高标准要求，所以多种能源供给和管控、电机/发动机、推进器等是核心所在。业内较新的研究方向目前有燃料电池−动力锂电池的混合能源技术、水下无线充电、高功率密度推进电机、低噪声和高机动的仿生/滑翔/泵喷推进设计以及更为小型化的核动力装置研发等。图：波音Echo Voyager原型机。｜来源：Boeing Co. photo.多维水下定位与导航。无人潜艇由于没有人工进行信息甄别和判断，往往需要更多维度的水下定位导航技术和数据支撑其自主行动能力，目前惯性导航和声学定位系统仍是水下导航常用技术，各类元器件在小型化的同时，精度需要不断提升才能满足实际需求，未来可能还要融合海洋地磁辅助导航、海底地形匹配导航、重力辅助导航，建立多维一体的导航信息库，最终形成协同导航、组合导航技术系统，这样，无人潜艇在自主行动的同时，也能更好地辅助常规大型舰艇编队的军事行动，起到力量倍增器效果。水下通信与探测。目前，各类水下潜航器通信方式主要还是依靠“声光电”，而探测通信系统的轻量化、小型化、一体化、智能化、低能耗是无人潜艇的发展刚需，相关技术还要最大化克服海洋带来的强多普勒、高背景噪声干扰和信道时变等问题。近年来，主要技术突破在实现电声、声电转换的换能器方面，很多科研机构也在深入研究水声通信、水下光通信、磁感应通信等，以完善和强化水下通信链路系统。另外，激光光电探测、合成孔径声纳、智能避障等技术赛道也是日新月异，是很多国家军工的重点研究方向。AI技术加持。随着近年来多目标优化算法、机器学习等AI技术介入，无人潜艇的指挥控制可能更多依靠内嵌的智能化模块“大脑”进行模型解算、信息甄别、规则分析后完成，最终实现自主航行、自行编组、自主决策、信息共享等自控能力。此外，AI技术对于无人潜艇在高速运动状态下突破强背景噪声进行信号处理、异构多源信息融合分析等能力进行加持，最终有望促使无人潜艇的“大脑”做出比肩乃至超越人类军官水平的战术判断和决策。未来水下无人作战编队的战力如何，本质是一场群雄逐鹿的多学科技术创新融合竞赛，已在广袤的海洋深处无声展开。[1] https://cenjows.in/wp-content/uploads/2022/05/Chinese-Autonomous-Underwater-Vehicles-HSU-001-09-Oct-2019.pdf
[2] https://reportify-1252068037.cos.ap-beijing.myqcloud.com/media/production/s_f5053365_f5053365c976051fbdbfcd120995edda.pdf[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BD%9B%E8%89%87[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%A1%E4%BA%BA%E6%B0%B4%E4%B8%8B%E8%BC%89%E5%85%B7[5] https://www.ship-research.com/cn/article/pdf/preview/10.19693/j.issn.1673-3185.02939.pdf[6] https://www.darpa.mil/news-events/2024-05-01[7] https://www.boeing.com/defense/xluuv#gallery[8] http://www.hisutton.com/USN_XLUUV.html[9] https://www.reddit.com/r/drydockporn/comments/uy4wic/hsu001_autonomous_underwater_vehicles_auv_peoples/[10] http://www.81.cn/yw_208727/16303868.html
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