美開發無人裝備進行水下監控 回收可由潛艇負責

2020-12-22 中國網

使用無人系統和分布式遠程傳感器進行戰場感知越來越常見。其中有些系統提供有關潛在目標的信息,也有一些系統提供準確的環境數據。在數據源非常有限的海域獲取此類信息,是有挑戰性的。

當1艘艦船或者潛艇需要到其它地方去時,它們可以利用多種工具和平臺,幫助進行興趣海域的持久水下監測和數據收集。無人水面艇(USV Unmanned surface vehicle)和無人水下航行器(UUV unmanned underwater vehicle)有多種形狀和大小,可擔負各種任務。

作為監視平臺,其效用可能會受到電力、持久性或有效載荷的限制。其中有一些可能是由一個母平臺進行部署和回收(或者拖曳或者自動化),另外有些可以在很長一段時間內獨立行動。

全球海洋實時觀測網(Argo)

持久性的海洋環境數據收集是分析和預測全球氣候、了解海洋環境的關鍵,這對研究以及多種作戰和教育應用都非常重要。衛星可以從上面長時間監視。但及時的海洋態勢報告,需要專門長時間部署於海上的系統,搜集和送回有用的信息。

根據美國加州大學聖地牙哥分校斯克裡普斯海洋學研究所(Scripps Institution of Oceanography )的物理海洋學家迪恩 羅歐米奇(Dean Roemmich)的說法,全球海洋實時觀測網絡中3000多個行動浮標正在搜集海洋環境垂直剖面的數據:溫度、鹽度和速度,幾乎覆蓋世界海洋的每一部分(永久性冰雪覆蓋下的海域除外)。這些數據有助於科學家了解大洋特徵的影響和發展預測。所有全球海洋實時觀測網絡數據是免費的,可以通過Argo的網站www.argo.net立即獲得。

全球海洋實時觀測網絡計劃匯集了近30個國家的50個研究和業務機構。根據全球海洋實時觀測網站的說法,美國貢獻了陣列中大約一半的浮標。該項目由國際全球海洋實時觀測網絡指導小組(International Argo Steering Team)和一個數據管理小組(Data Management Team)負責,這兩個小組由提供浮標的國家代表組成。全球海洋實時觀測網絡從2000年開始部署,陣列建設完成於2007年11月。

根據Argo網站的數字,為了保持該陣列3000以上的浮動能力,該計劃每年需要更換部署約800個浮標,總計約2400萬美元。浮標更換費用是由其貢獻的國家來支付的。

Argo浮標系統是一個漂流浮標,可以潛水、與水流並進,然後可以浮出水面來搜集和傳輸環境數據用於科學研究。

監測網絡陣列中的單位浮標有10天的周期,潛水至1000米,為期9天的漂流,然後下降到2000米,上升的同時獲取有關溫度和鹽度的數據。在水面上,這個單元的天線傳輸其位置信息和搜集到的2000米深處到水面的數據。這些數據被發送到國家海洋和大氣管理局的衛星上,然後傳輸到一個數據搜集中心。

當在1000米處漂流的時候,這個浮標一天可以移動1公裡,在水流強的時間可以移動30公裡。在像環極南大洋急流這樣的地方,移動200公裡都不止。

下潛漂移可能更安全。羅歐米奇說:「Argo浮標在水面的時候可能會遇到很多不好的情況,如撞上了船、被漁民撈起來或者傳感器被油染,所以浮標在海面上的時間越少越好。」

浮力滑翔器(Buoyancy Gliders)

噴射式滑翔器(Spray gliders)是一種水下自動化載具,就像浮標一樣,獲得垂直剖面的數據,讓科學家更清楚地了解一個特定領域的海洋溫度、鹽度和濁度。但它們也可以被編程引導到航點,並根據變化的需要重定向。

根據斯克裡普斯(Scripps)一位海洋學教授丹 魯德尼克(Dan Rudnick)的說法,每臺噴射滑翔器長2米(6.5英尺),翼展1.2米(3.9英尺)。這種滑翔器沒有外部移動部件或電機。相反,它們是根據預編程的航線在水中進行水平和垂直方向移動的,主要通過抽取兩個氣囊之間的礦物油,一個在內部,另一個在艦體外部。礦物油的移動和外部氣囊的後續下沉減少了滑翔器的體積。這一行動改變滑翔器的體積,使其密度高於或者低於周圍的水。上載的電子和通信的電源來自鋰電池。數據傳送到美國國家海洋和大氣管理局的國家數據浮標中心位於密西西比州聖路易斯灣斯坦尼斯航天中心。

滑翔器是通過岸上或才通過1艘佐迪亞克(Zodiac)船來進行部署的。一次任務可能會持續三至五個月。

魯德尼克說:「我們把它們放出去持續幾個月的時間。他們不是消耗品。我們回收它們,經過處理之後再把它們放出去。每一次我們收回一個的同時,放出一個。」

這種滑翔器已經在太平洋海域廣泛使用,從美國西海岸的蒙特裏海灣(Monterey Bay)、所羅門海(Solomons Sea)再到帛琉群島(Palauan Islands),去年深水地平線漏油事件中在墨西哥灣在海水中尋找石油。

無人值守的後果

根據位於麻薩諸塞州貝德福特(Bedford)的iRobot海事系統公司的業務發展總監,愛迪生 哈德森(Edison Hudson)透露,滑翔機用於提供持久監視。iRobot公司海洋滑翔器(Sea Glider)可以提供超過9個月的持續海上無人值守檢測。由於其固有的靜變量浮力推進,它有一個非常低的噪音特徵,是一個很好聽的任務平臺,記錄和跟蹤海洋哺乳動物。

哈德森說:「滑翔器作為聲學傳感器平臺非常好用,它裝備了包括都卜勒廓線儀和回聲測深儀在內的多種設備。幾個滑翔器的聲學傳感器現在正在開發當中,幾個已經在滑翔器上進行了研究應用。」

哈德森說:「我們正在為海洋滑翔器開發新的被動聲學監聽系統,使用了低功耗數位訊號處理技術,可以區分聲學特徵,並與多個配備精密計時器的滑翔器相配合,可以探測和測量從0到500 kHz的聲源。類似的逆作法使用多個已知的聲源,如固定的位置、水下和冰下航行聲信標。」

滑翔器也能夠使用電場和磁場檢測方法,大部分靠的是低功耗、高增益傳感器。由於傳感器縮小,並提高能源效率,它們成為了一種更具吸引力的平臺。滑翔器部署正在測試一系列新的化學傳感器。

哈德森表示,滑翔器可作為聲通信網關和中繼節點與其他類型的自主水下航行器,或在水柱中或底部的傳感器一起使用。

他說:「滑翔器可以接收來自其他自主水下航行器的數據,並通過衛星中繼和傳輸數據。垂直移動時,它翼展產生的升力使其水面移動,所以潛的越深,其潛的水平距離越遠。深度可設置,以避免觸及底部,但可能根據任務需求調節深度。」

斯克裡普斯海洋物理實驗室的研究地球物理學家傑拉爾德 斯班(Gerald D』Spain)說:「滑翔器就像一個紙飛機。它進入海水,下沉然後向前『飛行』。當我們把水抽出的時候,它就上升了。」

但是,並非所有的滑翔器都是一樣的。

斯班提到的ZRay滑翔器是世界上飛行翼展最大的滑翔器。其設計目標是在每個水平「漂泊的軌跡」上儘可能地遠。許多滑翔機有較短的翼展,橫向到縱向移動的比率是2-1或者4-1。這已到35比1的比例。它有很大的翼展。它可以移動很遠的距離,並在機翼前緣攜帶像聲納這樣的傳感器。它目前正用於對海洋哺乳動物的實時監測,在板載信號處理器幫助下可以檢測和區分。

波能滑翔器

波能滑翔器,由位於加利福尼亞州矽谷的液體機器人公司(Liquid Robotics)開發,利用波浪能源進行推進,太陽能發電為平臺提供電力。和使用電池和燃料的平臺相比,其續航力將增加一倍。

在一般的海洋條件下,波能滑翔器可以保持1到1.5節的前進速度。儘管推進力來自波能,但是其行動方向是不受制于波流方向的。太陽能電池板和可充電電池為電子通信和傳感器提供電力。波能滑翔器是通過衛星通過或者一個Internet連接進行遠程控制的。

目前海軍正在試驗一種稱為SHARC的軍用型,全稱是傳感器承載自動化遠程艇(Sensor Hosting Autonomous Remote Craft)。這種無人水下航行器不同於浮力驅動滑翔器,它的浮動水面浮標同一個水下滑翔器相連,輪流向上和向下的「平臺升沉」向前地推動運動的浮標。這意味著它有可能無限期地不依靠電池或其他電源的驅動浮標。

傳感器承載自動化遠程艇組裝了一個由下潛的百葉簾裝置拉動的滑水板。和浮力的滑翔器一樣,它總體安靜的推進機制,使其成為多種聲學傳感器和拖曳陣列的主要搭載平臺。

傳感器承載自動化遠程艇可以擔負海上攔截作戰和反潛任務,如探測自走式半潛式和全潛式毒品運送行為,也可以作用其它水面上或者水下的傳感器的通信中繼器。

根據液體機器人公司首席技師斯科特威爾考克斯(Scott Willcox)的說法,傳感器承載自動化遠程艇續航力很強,具備低可探測性,是搭載特定任務載荷和提供持久通信網關服務(向一系列艦外傳感器、有人和無人平臺)的理想平臺。它可以分散地部署瀕海戰場傳感器陣列,並作為一個通信網關。

液體機器人公司已經設計了一套系統,讓一艘飛彈潛艇在一個飛彈發射管攜帶多達16 套傳感器承載自動化遠程艇,在下潛狀態和航行中時發射出去。這時傳感器承載自動化遠程艇無人水下航行器形成一個聲學外圍網絡,當它們檢測到一個目標時,可以提供潛艇。

威爾考克斯說:「實踐已經證明,傳感器承載自動化遠程艇無人水下航行器的執行任務範圍和續航力是其它無人系統沒有辦法相比的。獨特的波浪式推進系統成就了這一長續航力,可以連續運行一年之久,這是一個簡單的而純粹的機械機制。這意味著它是高度可靠和更實惠的。」

最近海軍斯坦尼斯航天中心(Stennis Space Center)的滑翔器行動中心(Glider Operations Center)進行的一次驗證活動中,傳感器承載自動化遠程艇的遙控性能已經得到成功驗證。

由潛艇回收

瑞典薩伯公司的AUV62 無人水下航行器像魚雷,可以由潛艇發射和回收。潛艇可以發射AUV62到一個更安全的地區,或去進行另一項任務,稍後再回收。

中性浮力、模塊化的AUV62無人水下航行器有著幾種不同的配置,如AUV62機動聲學目標用於反潛訓練或系統校準——它有一個「尾巴」,使目標的大小看起來很真實;AUV62 MR則用於水雷偵察。

瑞典薩伯水下系統公司負責市場和銷售的主官卡爾 馬科斯 若門(Carl-Marcus Remen)說:「該系統可以放在一個貨櫃裡進行船運,可以由艦船、潛艇或者從岸上發射出去。」

當從潛艇發射時,AUV62可以使用薩伯公司的潛艇遙控航行器(SUBROV submarine-based remotely operative vehicle)來進行回收,這是一種可以由潛艇發射和回收的系留系統。潛艇遙控航行器可以由發射管發射,潛艇可以通過一個開放式的魚雷發射管來捕捉和回收AUV62,然後返回到最初的發射管中。那麼潛艇遙控航行器和AUV62可以被移掉裝進艦船中,那麼發射管就可以裝載魚雷了。

美國海軍研製了AN/BLQ-11長期水雷偵察系統,從688級潛艇的魚雷發射管中發射和回收。其續航力在40小時以上。

海軍海上系統司令部一位發言人莫妮卡 麥考伊(Monica McCoy)表示,其他的發射和回收方法也得到了驗證。直升機回收是使用一具Mk-30箱具來驗證的;水面艦艇的發射是通過1個A型起重機或伸縮式魚雷完成的;水面艦艇回收是使用是A型起重機完成的。

該系統的載具、回收系統和其它裝置佔據了潛艇大量的空間,這些空間本可以用來裝載魚雷。此外該系統及其鋰亞硫醯氯電也非常昂貴。所以主承包商波音公司2010年放棄了這個方案。

根據若門的說法,薩伯公司的『雙頭鷹(Double Eagle)』潛艇遙控航行器是一種半自式航行器,可以轉移到一個無人水下航行器中,實現真正的雙用途功能。

若門表示,目前有許多國家的海軍正將「雙頭鷹」航行器用於反水面作戰,新的無人水下航行器功能使它在對抗海中的水雷時,更為靈活。

他說:「丹麥海軍是第一個將這種新功能投入作戰的,以一個自動化模式使用『雙頭鷹』航行器,丹麥人通過兩種模式來使用它,使他們能夠使用同樣的載具來執行反水雷任務。」

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