過去幾年中,科技的光環讓很多人認為無人潛航器會徹底改變反潛戰爭。在2016年年初,英美安全信息委員會(BASIC)發布了一份報告,旨在影響英國對于替換搭載三叉戟導彈的核動力潛艇的辯論。這份報告認為,空中無人機和無人潛航器能力不斷增強,水下非聲探技術不斷發展,處理海量數據的能力不斷提升,將導致潛艇沒有藏身之處。
無處藏身是夸大
其實,據《簡氏國際海軍》2月指出,英美安全信息委員會的這份報告僅收集了無人潛航器技術的進展,而沒有權衡海洋龐大的規模,和考量在一個敵對、不均衡和不確定的環境中操作可能遇到的種種困難,其所做出的結論——海洋將變得無處藏匿,是過分簡單和夸大的。
毫無疑問,技術進步將帶來新的攻防方式,同時改變水下戰場的作戰模式。
核攻擊潛艇發展已經有超過60年的歷史,其特點為速度快、潛航續航能力無限,巨大的能源儲備保證船體搭載大量多套復雜的傳感器、數據處理系統和能執行多重任務的武器。美國海軍的核動力潛艇已經逐步其降噪和隱形能力。
自冷戰結束以來,核攻擊潛艇面對的通常是實力比它弱得多的對手,其主要功能——在公海中尋找、跟蹤并最終摧毀敵方潛艇——已經極大擴展,現在情報、監視和偵察(ISR),混編入特種部隊,和使用巡航導彈對陸地進行攻擊已經成為其關鍵角色,并且這些任務已經拓展到沿海水域。
直到最近,對核攻擊潛艇最具威脅的情況才出現,來自淺海水域的空中,部署聲納浮標的海上巡邏機,或者吊放聲吶的直升機。盡管如此,這些平臺的續航能力和海域搜索能力都是有限的,這極大地削弱了其威脅。
潛艇盡管具有強大的進攻能力,但其自衛能力仍非常有限,并且主要依靠隱身能力來生存。潛艇的反制手段和誘餌提供了一定程度上挫敗攻擊的能力,但和水面艦艇沒法比。
此外,低頻聲納(LFAS)已經證明是在公海尋找潛艇的有效手段,但在深海和復雜海洋環境中卻遠未如此。
低頻聲納對有爭議領域進行更全面的海底掃描,更好的海洋圖形建模和更精細的信號處理都歸功于,增加潛艇在沿海水域被探測到的風險。中國已重資投入低頻聲納,用可變深度和拖曳聲納來裝備越來越多的驅逐艦、護衛艦和巡洋艦。試驗已經開始探索無人地面車輛(USV)的適配性系統,在海上提供擴展型持續監測。
磁異探測,激光雷達,弱探測和其他非聲學傳感器并不是新技術,而且迄今為止在反潛戰中影響極小。
然而,他們的潛力可能通過小型化而實現,減少能源需求,提高信號處理,使它們為無人駕駛飛行器(UAV)提供更多的有效載荷。通過快速轉換和空中平臺協同互聯,這可以在有限而多變的區域提供持續監視。
這些傳感器也可能適合安裝在海底。自1950年代初聲監測系統首次部署后,海底聲學傳感器成為美國反潛戰的關鍵部分。據信,俄羅斯和中國目前已經具有類似的系統部署。早在十年前,美國展示了先進部署系統的可移動臨時版本概念,以向沿海地區和港口公開部署無人潛航器。在2015年年底的一個展覽,中國船舶工業集團公司展示的模型表明,海底聲學陣列和其它傳感器極其可能和武器都已聯網。
海底已經成為反潛戰環境中日益重要的要素。這些變化有可能限制核攻擊潛艇操作,需要接受沿岸海域無法進入的決定,或盡量適應能夠減少威脅和風險的平臺。這不是潛艇戰的新現象。以往,通信攔截、雷達和聲納技術方面的進步,都威脅到潛艇的生存能力,但潛艇每一次都能自我演化以降低威脅。
未來道路
從反介入/區域拒止的觀點看,美國無法在沿岸水域操作,這將影響潛艇艦隊的任務和更廣泛的部署,尤其是兩棲和艦載航空。美國因此設置課程,以適應其平臺和能力來維持在沿海的水下作戰能力,其他國家的海軍也不得不對其未來做出決定。
在很大程度上,核攻擊潛艇的風險與它的大小有關,這是由其核動力決定的,需要部署大量各型設備,裝配大型的足夠的武器,以產生長期而重要的影響,還需要足夠的人員來操作和維護所有的系統。
嚴格來說,無人潛航器能力有限,只能是核攻擊潛艇的一部分。它們在聲、磁或可視方面不起眼,因此難以發現。即便這樣的潛航器被發現或摧毀,也無關緊要。核攻擊潛艇是一種非常昂貴的資產,需要大約100人操作,如果被摧毀,對環境的破壞是長期的。因此,十多年來,海軍對核攻擊潛艇到高風險沿海部署無人潛水器任務相當謹慎。
然而,無人潛航器的發展明顯滯后于無人機,在很大程度上因為環境的障礙。最重要的因素是海水介質,在低頻不支持電磁波的傳播。兩個重大的挑戰:如何遠距離控制發射后的潛航器;以及如何傳輸收集的數據。
動力挑戰
開發實用型潛航器的第三大挑戰是可用的電源,表現在推進動力和武器載荷。
電池或燃料電池技術的功率限制影響無人潛航器的速度和續航能力,比如環境型波浪推動滑翔機,如2016年12月被中國發現的斯洛克姆G2。水下潛航器似乎有無限期的潛力,續航時間極長,但速度緩慢。
水下滑翔機的兩種基本設計已成為主流:一采用低阻力的流線型外殼,水下翅膀然后轉換為前進運動;第二組潛航器臍帶附有浮漂利用海水膨脹運動傳輸到底部,進而機翼產生浮力產生向前的運動。
盡管這樣的滑翔機有很強的巡航能力,但速度只有1節,他們遵循側通過特性。這限制了它們在戰術上的效用,但適合海洋數據采集等任務,按預定程序可跟蹤、傳感和記錄海洋特征如溫度、鹽度、和其它數據,可用于改善聲納性能建模。
缺乏戰術機動性使得水下滑翔機無法滿足核攻擊潛艇的要求。與魚雷類似,無人潛航器的設計選擇主要圍繞儲能電池或燃料推進裝置,如Otto燃料發動機,或混合動力。
然而,除非他們是一次性的,而且成本低廉,無人潛航器使用液體燃料具有挑戰性。大多數常規動力無人潛航器的重點是電力推進,使用鋰離子和其他先進的電池技術。
雖然無人水下潛航器的電池能用幾個小時或幾天,它必須是受距離和傳感器負荷的影響,它們需要充電。無人水下潛航器的回收將帶來新的難度和位碼頭、感應充電選項正在研究中,如在海底創建基礎設施。這是海軍研究辦公室的計劃概念,也是DARPA的“水螅”計劃重要部分。
無人水下潛航器流體動力學表明,速度翻倍,所需能量要增加8倍。更高效、更慢的速度顯然需要更長的時間,才能達到操作區域。性能的妥協導致大多數無人潛航器目前運行在5節之內。類似的權衡需要優化能量存儲和負載之間的關系,如大小、動力和續航。
在與母艇保持足夠的距離的同時,水下潛航器要求50-100節的發射平臺,對網絡和數據傳輸提出了真正的挑戰。
無人潛航器一直用于危險的任務,如在近海獵雷/清雷,一般都與母艇相連,而不是遠程操作,并非真正的無人潛航器。
深海海洋調查需要做出合乎邏輯的選擇,復雜的環境和任務需要更高層次的人工智能。
潛艇的能力取決于許多傳感器,靠處理器強大的計算機,仍然需要相對龐大的團隊和人員,來解釋和過濾信息。
復制所有態勢中感知的圖像對于小型無人潛航器是一個巨大的挑戰,雖然自主水下航行器能只提供核攻擊潛艇的子傳感器。
水的光通信可以支持更高的數據速率,但目前受限于短視線范圍。聲學通信距離較長,但不能支持高數據速率,嚴重限制了無人潛航器水下搜集的情報。
運載工具
從部署的角度,核攻擊潛艇可以作為無人潛航器的母船,但是它將對潛航器短期和中期的設計產生不利影響。無人潛航器的尺寸和形狀必須兼容母艇的運輸和發射設施,這受限于潛艇設計。
無人潛航器可以從船內信號發射裝置發出,圓柱形裝置直徑約為100毫米,長度約為500毫米。略大的炮彈(直徑約200毫米和長度1.5米)可以部署在潛艇的反制發射口,但這些必須事先加載。
中型水下潛航器可以利用潛艇的魚雷發射管。重量級的魚雷是通常直徑約533毫米,長約7米,所以能兼容水下潛航器。俄羅斯潛艇裝備有650毫米管,美國海狼級核攻擊潛艇有直徑660毫米的發射管。
弗吉尼亞級核攻擊潛艇有12個單獨的戰斧巡航導彈垂直發射管,被兩個87英寸的多用途弗吉尼亞載荷管(VPT)替換。這種設計是為了重構戰斧發射管,以部署大型無人潛航器。俄亥俄級潛艇攜帶巡航導彈的導彈發射管提供了更大有效載荷,最重要的是能夠在核潛艇船體部署更長的水下機器人。
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