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水下無人系統發展現狀及其關鍵技術
2018-01-05 13:06 海軍/美國
水下無人系統
水下無人系統(unmanned undersea system, UUS)是指具有自主航行能力, 可完成海洋/海底環境信息獲取、固定/移動目標探測、識別、定位與跟蹤以及區域警戒等任務的各類無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)、水下無人作戰平臺及其所必要的控制設備、網絡和人員的總稱。其研究領域涵蓋情報收集、水下及水上偵查監視、作戰打擊和後勤支援等諸多領域, 具有重要的軍事價值, 已成為世界各國海軍裝備的重要研究方向[1]。UUV主要包括自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)和遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV), 其中軍事領域重點發展AUV, 民用領域重點發展ROV。
近年來, 隨著各國對戰場低傷亡率的追求, UUS在海上戰爭中發揮的作用愈發顯著。相比水下有人系統, UUS能夠代替人執行「枯燥的、惡劣的和危險的」(dull, dirty, dangerous, 3D)任務, 具有機動性強、適應能力和生存能力高、無人員傷亡風險、製造和維護成本低等優點, 極大地擴展海軍的作戰能力, 被視為現代海軍的「力量倍增器」。
1 UUS發展現狀
1.1 國外研究現狀
近年來, 世界各主要海軍大國都加快了UUV的研究步伐, 並取得了重要進展。隨著新材料、新能源、人工智慧等技術的不斷進步, 大深度、遠航程、大載荷、自主回收成為UUV的發展趨勢[2-3]。
1.1.1 美國
UUS是現代海軍裝備的重要組成部分, 是海軍裝備中新概念、新技術應用最為廣泛的領域。美國歷來對軍事高科技保持著高度的敏感性, 並針對UUS制定了一系列的發展規劃。
2000年, 美國海軍綜合考慮未來50年需求情況制定了一個中、遠期發展規劃, 即《無人水下航行器(UUV)總體規劃》[4], 確定了未來UUV優先發展的4個特徵能力: 1) 潛艇跟蹤和追獵; 2) 海事偵察; 3) 水下搜索和調查; 4) 通信和導航援助。2004年, 美國海軍對該規划進行了修訂, 將UUV的任務最終調整為9項, 包括情報/監視/偵察、反水雷戰、反潛戰、檢查與識別、海洋調查、通信/導航網絡節點、負載投送、信息作戰、時敏打擊, 並提出了多UUV的概念[5]。之後, 美國海軍未單獨針對UUV再次發布規劃, 而是由美國國防部對陸、海、空各類無人系統進行統籌規劃。2007年, 美國國防部發布了《2007-2032年無人系統發展路線圖》[6], 首次提出了地面、水下、空中統一的無人系統總體發展戰略規劃, 並表示未來25年美國將逐步建立一支完善而先進的無人作戰部隊。2009年、2011年、2013年美國國防部又先後對無人系統發展路線圖進行了修訂, 進一步強調了陸海空各無人系統的協同工作能力。2016年10月, 美國國防科學委員會發布了《下一代水下無人系統》報告, 對於美國國防部在下一個10年及以後如何維持水下優勢提出了重要建議[7]。
由美國制定的系列發展規劃可以看出, UUV正由單個系統朝向集群化趨勢發展, 並與其他無人系統組網協同, 通過網絡化無人平臺的分布式態勢感知和信息共享, 提高作戰效能。目前, 美國已基本解決了單個UUV技術, 並正在向多UUV自主集群協同及海陸空集群協同發展。縱觀美國UUS的發展, 體系化、集群化以及對新概念水下航行器的探索成為其顯著特點。
1) UUV向體系化發展
美國海軍空間和海戰系統司令部(space and naval warfare systems command, SPAWAR)的先進無人搜索系統(advanced unmanned search system, AUSS), 最大潛深6 000 m, 最大速度5 kn, 一次充電可在深海進行10 h的搜索活動, 攜帶的水聲通信設備可保證在6 000 m的水下向水面傳送電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)電視或側視聲吶數據。
美國在研發水下航行器的過程中, 還特別注重體系化發展。比如由伍茲霍爾海洋研究所設計的REMUS(remote environmental monitoring units)系列化水下航行器(見圖1)。
(a) REMUS 100
(b) REMUS 600
(c) REMUS 6000
圖1 REMUS系列化無人水下航行器
該系列具體包括REMUS 100、REMUS 600、REMUS 3000、REMUS 6000等型號, 可用於反水雷、航道偵察、港口警戒、地形測繪以及深水取樣等任務, 目前有超過150艘REMUS水下航行器在北約國家中使用[8]。該系列水下航行器主要技術參數參見表1。
表1 REMUS系列化水下航行器主要技術參數
型號長度/m直徑/m重量/kg最大工作深度/m續航力/h REMUS1001.320.1903710015(3 kn) REMUS6003.250.32424060070(5 kn) REMUS30003.700.3563353 00044(4 kn) REMUS60003.840.718646 00022(4 kn)
2) 新概念型水下航行器研究
美國新一代水下航行器「曼塔」 (Manta)主要用於新概念及新技術的試驗[9]。該航行器採用非常規的扁平外形設計, 懸掛在潛艇外部, 由潛艇釋放自主執行任務(見圖2)。Manta採用模塊化結構設計, 可根據任務需要攜載不同的傳感器、武器及對抗設備, 執行情報搜集、偵察、監測、反水雷及反潛等多種任務, 完成任務後返回, 可重複使用。Manta的研製分2期進行, 近期排水量56.9 t, 長度15 m, 寬度5.8 m, 高度1.7 m; 遠期排水量91.700 t, 航程2 000 km。
圖2 美國「曼塔」水下航行器
新一代翼身融合水下滑翔機(X-Ray)由華盛頓大學應用物理實驗室在美國海軍研究辦公室(office of naval research, ONR)資助研發[10]。該滑翔機創造性地採用翼身融合布局外形, 在為能源和有效載荷提供足夠空間的同時, 還能實現高升阻比和大滑翔比(見圖3)。X-Ray翼展6.1 m, 滑翔速度1~2 kn, 用於探測和跟蹤淺水域的安靜型潛艇。美國軍方宣稱X-Ray可以在指定區域內迅速部署並進行長達數月的運行, 監測範圍超過1 000 km。Z-Ray是X-Ray的下一代產品, 具有更好的水動力性能, 其所有子系統在2010年3月進行了不同深度(最大深度300 m)的海洋試驗, 試驗結果十分理想。
(a) X-Ray
(b) Z-Ray
圖3 翼身融合水下滑翔機
「深海浮沉載荷」(upward falling payloads, UFP)是由美國國防高級研究局(defense advanced research projects agency, DARPA)提出的一種水下預置無人系統[11]。該系統為在4 000 m深海布置的密封吊艙, 內置傳感器、無人機、飛彈等有效載荷, 潛伏期長達數年, 並在需要時遠程遙控激活, 吊艙浮出水面, 釋放有效載荷, 執行軍事任務。UFP項目研究分為3個階段: 概念測試階段(2013年)、樣機開發階段(2014年)、演示驗證階段(2015年~2016年)。美海軍計劃於2017年進行UFP實戰化部署。圖4為UFP概念圖。
圖4 「深海沉浮載荷」概念圖
3) UUS的集群化發展
隨著各類水下航行器潛深、航程越來越大, 功能越來越多樣化, UUS集群也取得了突飛猛進的發展。美國先後開發了多型海陸空聯合作戰網絡體系, 利用UUV作為水下移動節點, 與其他固定/移動節點構成水下預警系統, 實現海洋數據採集、軍事偵察及信息對抗等任務[12-14]。
美國海軍自1998年起多次進行廣域海網(Seaweb)的海底水聲通信試驗, 旨在提升未來海軍作戰能力。Seaweb是一種典型的海底水聲傳感器網絡, 通過水聲通信鏈路將固定節點、移動節點和網關節點連接成網(見圖5)。美國在2001年的Seaweb2001演習中共布設了40個通信節點, 並利用潛艇「USS Dolphin」號在布網區域中現場進行有關網絡性能的測試。
圖5 海網示意圖
可部署自主分布式系統(deployable autono- mous distributed system, DADS)是美國ONR和SPAWAR聯合研發的未來海軍瀕海防雷反潛項目, 如圖6所示。美國海軍在2001年6月進行了DADS應用的艦隊作戰(FBE-I)試驗。該試驗系統由14個固定節點及數個移動節點組成, 包括2個傳感器節點、2個浮標網關節點和10個遙控聲吶中繼節點, UUV作為移動節點加入網絡, 網絡伺服器部署在岸基指揮中心。
圖6 可部署自主分布式系統示意圖
先進可布放系統(advanced deploymental sy- stem, ADS)由美國洛克希德-馬丁公司設計和開發。每個ADS由4個互聯的陣列安裝模塊組成, 每個安裝模塊可釋放UUV, UUV沿預設路線展開體內的光纜和水聽器陣列(見圖7), 實現對潛艇和水面艦船的探測跟蹤, 監測水雷布放活動。ADS之間還可以通過浮標相互通信, 形成更大的水下探測網絡(見圖8)。
先進可布放系統布放展開過程示意圖
水下持續監視網(persistent littoral underwat- er surveillance network, PLUSNet)於2006年開始研製, 它以巡航飛彈核潛艇為母節點, 以核潛艇攜帶的UUV為移動子節點, 以水下潛標、浮標、水聲探測陣為固定子節點, 構成一種潛布式海底固定加機動的水下網絡, 如圖9所示。
圖8 ADS示意圖
圖9 水下持續監視網示意圖
該系統可獲取海洋環境信息、探測水下目標,為水下作戰提供支撐, 已於2015年形成作戰能力。美國電船公司基於巡航飛彈核潛艇, 已經為PLUSNet開發了一種新型搭載系統進行隱蔽布放(見圖10)。美國海軍計劃通過PLUSNet和ADS一起構成未來水下反潛網絡[15]。
圖10 美國電船公司開發的新型搭載系統PLUSNet
4) 其他新項目的研發
2015年, 美國加大了該領域的研究力度, 並發布了多個新項目的研發計劃[2]。
美國科學應用國際公司為DARPA研製的反潛戰持續追蹤無人艇(ASW continuous trail unma- nned vessel, ACTUV)項目, 旨在應對未來安靜型柴電潛艇的威脅。該艇具有探測、跟蹤、告警及規避功能, 能夠進行無線和衛星等多種通信。艇體採用複合材料, 暴露在水面上的部分以及雷達反射截面較小, 具有很好的隱蔽性和淺海航行能力。航速達到27 kn, 作戰半徑達到3 000 km, 續航時間為3個月, 具有極佳的前沿部署能力及大範圍反潛能力。
大直徑無人水下航行器(large displacement unmanned undersea vehicle, LDUUV)具有掃雷、跟蹤、情報偵察、自主工作、智能化攻擊的能力, 可搭載各種類型的飛彈、炸彈甚至核彈進行自主攻擊; 既可獨立使用, 也可在包括巡航飛彈核潛艇、維吉尼亞級攻擊核潛艇和水面艦艇等多種平臺上部署。該潛器計劃2017年服役, 2020年具備完全作戰能力。
2016年5月, 英國BAE公司開始為DARPA研發「深海導航定位系統」(POSYDON)項目。該系統由固定部署在海底的大量水聲傳感器組成, 水下航行器無需浮上水面尋求GPS定位, 也無需釋放任何射頻傳輸信號, 即可根據傳感器的坐標推算出自身位置信息, 因此可最大限度地降低被探測的風險、成本和動力消耗。該項目研製時間暫定48個月, 分3個階段進行。
1.1.2 俄羅斯
近年來, 俄羅斯大力發展UUV顛覆性技術。2015年11月, 俄披露了正在研發的一種水下高速自主航行器——「海洋多用途系統Status-6」, 該航行器可攜帶核彈頭, 並可在沿海地區破壞敵方重要經濟區域, 造成大範圍的放射性汙染。該航行器下潛深度約1 000 m, 速度可達56 kn, 續航約10 000 km。該航行器預計於2019年生產出原型機[2]。
1.1.3 歐洲
瑞典薩博(SAAB)公司一直致力於UUV的研究, 在2015年的英國防務展上, 該公司展出了該領域的多項研發成果。其中, AUV62-MR水雷探測系統具有水雷探測、反水雷、遠程作業與高階自主能力, 採用模塊化設計, 可執行多種任務; 多功能水下航行器SUBROV則是一種最新型的遠程操作UUV, 可被任何潛水艇運載發射, 適於21英寸標準級魚雷發射管; 海黃蜂(Sea Wasp)是一種水下非常規爆炸處理裝置, 採用模塊化設計, 具有優異的適航性, 可執行多任務[2]。
英國南安普敦海洋中心研製的海洋調查與監視水下航行器AutoSub是一個大潛深、遠航程的多用途水下航行器, 最大工作深度1 600 m, 航程500 km。
德國阿特拉斯電子公司研製的無人水下偵察航行器DeepC, 重2.4 t, 續航時間達60 h, 最大航程400 km, 巡航速度4 kn, 最大航速6 kn, 有效載荷300 kg, 最大潛深4 000 m。
1.2 國內發展現狀
近年來, 我國針對單UUV技術的研究已取得突出進展, 中國科學院瀋陽自動化研究所、哈爾濱工程大學、西北工業大學、天津大學、上海交通大學等單位都在該領域進行了大量研究。
中國科學院瀋陽自動化研究所研製的系列化水下航行器, 包括「探索者」號航行器、「CR01」航行器、「CR02」航行器、「潛龍一號」、「潛龍二號」航行器等。其中「潛龍二號」在「潛龍一號」的基礎上, 在機動性、避碰能力、快速3D地形地貌成圖、浮力材料國產化方面均有較大提高, 為我國海底多金屬硫化物調查和勘探提供高效、精細、綜合的先進手段。
哈爾濱工程大學在「十二五」國家863計劃支持下, 完成了300 kg級小型自主水下航行器(智水-Ⅳ)的研製, 在蓬萊海域實現了自主連續航行110 km和自主布放等多項功能演示, 最大潛深達1 000 m。
西北工業大學在「十一五」、「十二五」期間分別研製了「300 m航深、300 km航程」和「500 m航深、500 km航程」遠程智能水下航行器, 突破了航行器低速橫向平移與迴旋、水下懸停矢量推進與操縱、新型稀土永磁推進電機等關鍵技術, 具有航路自主規劃和安全布放回收能力。此外, 西北工業大學還研製了50 kg級可攜式水下航行器, 航程50 km, 最大工作水深200 m, 具有安全可靠、便於操作、易於維護等優點, 可快速靈活擴展功能模塊, 滿足海洋環境探測和水下觀測的需求。
天津大學研製的「海燕」號水下滑翔機, 採用變浮力滑翔、螺旋槳推進的混合運動模式, 在南海北部水深大於1500 m海域不間斷工作30天, 最大航程超過1 000 km, 創造了中國水下滑翔機無故障航程最遠、時間最長、剖面運動最多、工作深度最大等諸多紀錄。
目前, 國內的研究主要集中於單UUV技術階段, 在航行器集群協同方面開展了一些前期研究, 同時需具備航程數千公裡、最大工作水深數千米指標的UUV。此外, 還應重視產品的體系化發展, 研發遠離岸基、自主遠程隱蔽航渡、自行展開軍事對抗的關鍵裝備, 加強對新概念航行器的探索。
2 UUS關鍵技術
UUS是多學科交叉、融合的綜合系統, 蘊涵著大量的基礎科學和前沿技術, 是一個龐大的系統工程。圍繞解決UUS「自主性、互操作、數據鏈、多平臺協同」等核心問題, 需要重點突破以下共性關鍵技術。
2.1 自主航行技術
為了確保UUS能夠在複雜海洋環境中自主協同地完成各項任務, 必須解決環境自適應、自主對接與回收、編隊協同控制、協同導航與定位等技術問題。
1) 環境自適應技術
UUV執行任務時, 能夠根據海洋環境、任務需求、運動約束、通信約束等多時空約束, 合理規劃出最優的航跡或者航路點, 以節約能源、規避危險區域等。航行過程中, 由於海洋環境的變化, UUV根據實時測量信息, 需要避開在其航行路徑上的障礙物或者危險區域, 因此UUV還要求有自主避障的能力, 以適應環境的變化。
此外, 一些任務中UUV要在海底隱蔽航行, 為了保證UUV的安全性, 要求能夠與海底保持一定的高度航行, 因此, 在海底起伏的情形下, UUV要能夠根據海底地形自主調節距底高度。
2) 自主對接與回收技術
為了實現UUV能源補給、數據傳輸的功能, 必須解決UUV與水下基站的自主對接與回收問題。目前, 美國已經實現了在自主海洋採集網絡(autonomous ocean sampling network, AOSN)中通過固定的水下回收器收集UUV的數據並對其補充能量。國內中科院瀋陽自動化研究所和哈爾濱工程大學已經進行了一些水面艦船和潛艇通過釋放回收器實現UUV回收的研究, 西北工業大學則開展了潛艇發射管回收UUV時的流體動力和微速控制方面的研究[16-17]。
為此, 圍繞UUV在複雜海洋環境下長時間作業的需求, 應重點解決水下自主對接非定常力學特性分析、水下自主對接過程微速操縱性分析、基於聲學/光學信息融合的水下對接目標定位與定向等關鍵技術。
3) 編隊協同控制技術
多UUV協作過程中, 需能夠自主進行任務分配。巡航過程中, UUV通過與其他平臺的信息交互, 使多個平臺之間保持一定的距離航行, 並隨時共享相互間的探測信息, 當UUV探測到環境信息變化需要改變隊形時, UUV能夠通過相互之間的協調來自主完成隊形變換。當對目標進行協同攻擊時, UUV之間能夠根據指定的方式對目標實施打擊。圖11為UUV編隊協同控制示意圖。
4) 協同導航與定位技術
高精度的導航定位是多UUV系統完成任務的基礎。通過UUV間導航信息的共享, 即多UUV間的協同導航, 在提高系統整體導航定位精度的同時, 既可降低導航定位成本, 還可擺脫基陣/母船的束縛, 使用區域靈活。目前, 協同導航與定位主要有領航跟隨式和分布式2種。領航跟隨式中, 領航UUV配置高精度導航傳感器, 跟隨UUV配置低精度導航傳感器, 領航UUV的數量一般2～4個, 理論上跟隨UUV數量不受限制; 跟隨UUV一般需與領航者通信, 並且領航UUV間需要具備配合能力。分布式中, 每個UUV具有相同的導航傳感器配置與同等地位, 一般要求UUV與多個鄰居通信, 由於目前世界先進的美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研製的水聲通信系統Modem較可靠的通信率也只有32 Bytes/10 s, 故適合於UUV數量較少的場合。
2.2 水下數據鏈通信技術
為了實現UUV多平臺間的數據共享, 必須解決水下遠程高速動態通信、水下網絡與空中網絡互聯等技術問題。
1) 水下遠程高速動態通信技術
在執行大範圍、遠航程任務時, 航行器之間以及航行器與母平臺之間需要進行遠程高速動態通信, 以實現信息傳輸與共享。為了實現水下遠程高速動態通信, 重點需要突破深海聲信道遠程通信技術、遠程低誤碼率指令信息傳輸技術以及信息傳輸抗截獲技術等。
2) 水下網絡與空中網絡互聯技術
UUV主要以聲學通信為主, 然而水聲通信存在著水聲信道時域和空域不斷變化、多途效應擴展嚴重、具有頻率選擇性信道衰落、可用頻帶資源有限等限制, 使得UUV的通信距離和帶寬受到限制, 並且誤碼率高。為了實現水下網絡與空中網絡的互聯, 重點需要突破基於移動節點的水聲組網通信技術、水下中繼水聲通信技術、水下網絡-浮標-衛星中繼通信技術等。通過多個移動節點之間的相互通信, 構建水下移動聲學網絡, 將水面浮標作為中繼, UUV可以與衛星實現通信, 從而實現海空天三位一體協同工作。
圖11 水下航行器編隊協同控制
3 結束語
海洋是我國經濟可持續發展的重要戰略空間, 更是國家安全的重要屏障。UUS作為海洋防衛的重要裝備, 是我國現代海軍崛起、建設藍水海軍的重要組成部分。
當今各軍事大國都在加緊各類UUS的研製和開發, 美國在該領域的研究更在體系化、集群化以及對新概念水下航行器的探索等方面凸現其技術優勢。相比而言, 我國尚需在系統的集群協同、超遠航程與超大潛深、自主隱蔽作戰等方面加大投入和研發。
鑑於UUS的發展趨勢, 未來研究方向及重點應基於以下幾方面: 1) 仿生技術、人工智慧技術將在UUS中扮演越來越重要的角色, 也是我國實現彎道超車的技術突破點; 2) 應儘快召集國內相關技術優勢單位, 在充分調研的基礎上, 制定我國UUS的發展路線圖, 指導相關技術研究; 3) 將UUV與無人水面船、無人地面車輛、無人機等無人系統統籌考慮, 同時開展多種異構無人平臺的聯合協同作戰研究。
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美國海軍水下無人潛航器展望 指揮控制將日趨完善
2017年11月15日，阿根廷海軍「聖胡安」號潛艇失聯。多國開展聯合搜救行動。美海軍派出水下無人潛航器第1中隊的1艘「藍鰭金槍魚（Bluefin）12D」無人潛航器和3艘「艾弗（Iver） 580」無人潛航器參與搜救。這兩型潛航器都裝有側掃聲吶，可以對大範圍海床區域進行成像掃描。此次行動是對美海軍水下無人潛航器執行任務能力的一次重要檢驗。
美軍認為，水下無人潛航器技術的進步將給美國海上作戰帶來革命性變化，極大地增強美海軍的水下行動能力。美國是世界上水下無人潛航器發展最全面最成熟的國家。1994年，美海軍正式將無人潛航器發展列入計劃，提出優先發展無人潛航器的水雷偵察、情報監視偵察和海洋調查能力。2000年、2004年、2011年美海軍先後發布了三版《無人潛航器主計劃》，為水下無人潛航器的發展確定了多層次、全方位、體系性的基本框架。總體而言，目前美海軍水下無人潛航器正處於快速發展的重要階段。
一、規劃指導
近年來，美國結合作戰需求在理論層面對水下無人潛航器的發展進行了全方位的指導。
（一）第三次抵消戰略
對美海軍來說，無論是瀕海水域的反水雷、反快艇「蜂群」和反潛作戰，還是公海大洋的反潛反艦作戰，水下無人潛航器都可以發揮非常重要的作用，而與有人艦艇的協同是當下的重中之重。如何利用通用化的信息傳輸接口，實現對水面、水下的態勢全感知，形成體系化的無人作戰體系，是美海軍當前水下無人潛航器發展的關鍵。
2014年，美國推出以「創新驅動」為核心、以發展能夠「改變未來戰局」的顛覆性技術群為重點的第三次「抵消戰略」。該戰略特別提出，「先進有人/無人作戰編組」是未來重點發展的五大技術領域之一。2016年3月，美國國防部副部長羅伯特·沃克宣布將在2017財年投入120至150億美元用於支持該「抵消戰略」。無人系統發展在美軍得到了政策和資金的支持。
（二）主計劃文件
美海軍針對水下無人潛航器發展無後發布了3版《水下無人潛航器主計劃》。前兩版均已公開，但第3版還處於保密狀態。
2000年，第1版主計劃文件發布，提出水下無人潛航器將擔負情報監視偵察、反水雷、海洋調查、通信導航、反潛戰、武器平臺、後勤補給與支援等7項任務。水下無人潛航器裝備體系依據直徑、排水量、續航力及有效載荷等分為便攜型、輕型、重型和巨型四種類型。2004 年，第2版主計劃文件發布，將無人潛航器的任務調整為9項，包括情報監視偵察、反水雷、反潛戰、探察與識別、海洋調查、通信/導航節點、設備運送、信息作戰和時敏打擊。2011年，第3版主計劃文件制定，但未發布，不過任務領域並未做調整。
（三）無人系統路線圖
美海軍在制定3版《水下無人潛航器主計劃》之後，再未專門就水下無人潛航器發展制定專門文件，而是將其納無人系統整體發展指導框架之中。
2007年12月，美軍頒布《2007-2032年無人作戰系統發展路線圖》，首次提出統一的無人作戰系統總體發展戰略規劃，強調有人系統以及無人作戰系統之間的無縫連結，強調無人系統在動態環境中既可獨立承擔任務，也可與其他作戰單元協作完成複雜任務。
2016年10月，美海軍開始起草軍種級的無人系統路線圖，以便將無人技術整合到海軍現有的採辦、規劃或作戰計劃中，實現空中優勢、水下優勢和地面優勢。該路線圖將說明2030年前無人系統如何使用、2030年前無人系統在技術、法律、倫理、政策面臨的困難以及行動計劃等問題。
二、發展現狀
（一）任務定位
雖然根據《水下無人潛航器主計劃》的規定，水下無人潛航器可以執行情報監視與偵察、反潛、反水雷等九大任務，但是目前美海軍絕大多數水下無人潛航器主要擔負搜尋敵方水雷和海洋測繪與研究兩項任務。其它任務仍然處於試驗和拓展階段。
和有人平臺相比，水下無人潛航器執行任務有很多好處。首先是成本效益較高。它們無需配備滿足人需要的各類設備，可以更長時間地開展行動。其次是可以到達大型艦船無法到達的水域（例如淺水水域或法律不允許的水域），或者在很狹窄的水域執行任務。第三是可讓海軍水兵遠離直接戰鬥與可能的傷亡。第四是可以減輕有人潛艇的負擔，使它們可以專注於更重要的任務。
（二）主要項目
美海軍在無人潛航器方面有多型裝備在研製或者試驗，其中己有部分型號的裝備已經投入實戰使用。
1、REMUS系列水下無人潛航器
REMUS全稱為「遠程環境監測單元（Remote Environmental Monitoring Unit）」，是由康士伯海事公司旗下子公司水螅蟲（Hydroid）公司研製生產的一種外形象魚雷的低成本自主式水下無人潛航器，主要包括REMUS 100、REMUS 600和REMUS 6000三型及衍生產品。
（1）REMUS100
REMUS 100是一款重量輕的緊湊型自主式水下無人潛航器，重38.5公斤，長1.5米，直徑0.19米，下潛深度可達100米，續航力為8-10小時，採用直流無刷電機和3葉螺旋槳作為動力裝置，配備有都卜勒航位推算裝置、慣性導航系統和全球定位給系統，最高航速達4.5節。該潛航器可以根據客戶需求靈活配置傳感器和系統配件，執行反水雷、港口安全、搜救行動、水文測量、環境監視以及科學取樣和繪圖等多種任務。2003年「伊拉克自由行動」期間，美海軍使用REMUS 100 無人潛航器在烏姆卡斯爾（UmmQasr）港口附近清掃航道。這是無人潛航器的首次作戰運用。2013年8月15號，美海軍對REMUS 100無人潛航器進行升級，增加多種功能。2017年9月，新一代REMUS 100水下無人潛航器正式交付，使客戶在執行任務時有更多的自主權和更高的能力。
（2）REMUS 600
REMUS 600水下無人潛航器重240公斤，長3.25米，航速4.5節，潛深600米，續航時間為24小時，可裝備多種傳感器設備（如側掃聲吶、攝像機等），主要擔負情報、監視與偵察任務。目前美國、英國、日本等國海軍都在使用該型潛航器。2012年6月，日本開始採購REMUS 600水下無人潛航器系統用於反水雷作戰。2012年初日本已經購買了4部REMUS 100水下無人潛航器，用於調查和繪製海底汙染物擴散和反水雷圖像。2015年7月25日，美海軍「維吉尼亞」級核潛艇「北達科他州」號成功在水下發射並回收REMUS600型無人潛航器。
（3）REMUS 6000
REMUS 6000是水螅蟲公司研製的下潛深度最深的自主式水下無人潛航器，最大直徑71釐米，最大長度3.84米，空重862千克，可持續工作22小時，航速4至5節，軟體和電子系統與REMUS 100和REMUS 600相同，但在下潛深度、續航力及有效載荷方面允許在6000米深的水下執行任務，主要用於美海軍深海作戰任務。2012年3月，水螅蟲公司向美海軍交付第一套REMUS 6000水下無人潛航器系統。
2、MOCCA水下無人潛航器
2017年7月，美國國防高級研究計劃局授權BAE系統公司460萬美元的合同，研製「機動式艇外秘密通信和進入（MOCCA Mobile Off board Clandestine Communications&Approach）」水下無人潛航器。該潛航器由攻擊型核潛艇運載投放，有兩大特點。一是裝備主動聲吶而非被動聲吶，可遠離母艇進行探測，既保證了母艇的安全，又延伸了反潛搜索半徑。二是可將探測信息實時傳回母艇。這相對於「由人工回收後對其載荷艙內收集的數據進行下載和分析，或者上浮至水面，通過天線將數據傳輸回母艇」的傳統方式而言是一項重大突破。BAE系統公司將分階段研製該系統，第一階段著力提升聲納的探測距離和目標識別能力，第二階段探索如何增強水下通信的可靠性、穩定性，並降低可探測性，這可能需要整合衛星遙測技術。目前該系統尚未有服役時間表。
3、「蛇頭（Snakehead）」大型水下無人潛航器
美海軍自2011年起積極推進大型無人作戰潛航器的研發工作，並逐步確定戰技術要求、必要的技術研究清單、生命周期成本。美海軍希望大型水下無人潛航器可以執行多種類型的情報、監視與偵察任務，包括搜集關於敵軍艦船和岸上基礎設施的情報；在重要水域巡邏；在海軍作戰或兩棲作戰之前搜集關於水體、灘岸的情報信息。
美海軍設想，大型無人作戰潛航器長6米，直徑1.6-1.8米，在小於250米工作深度時航速小於6節 ，可攜帶4枚324毫米魚雷和16個外置水聲傳感器，可在不少於70晝夜的時間內（包括展開和返回駐地時間）在遠方海區執行作戰和特種任務。該潛航器可從岸上站點上使用，也可從水面艦船、多用途核潛艇以及「俄亥俄」級巡航飛彈核潛艇上使用。
2014年8月22日，美海軍第5潛艇發展中隊（CSDS Submarine Development Squadron）下屬水下無人潛航器分隊，接收了大型訓練平臺（LTV Large Training Vehicle）38（也稱「海星Sea Stalker」水下無人潛航器）。大型訓練平臺38長27英尺，直徑38英寸，最大潛深為1000米，續航72小時，採用全壓力艇體，能夠進行視距和超視距通信，可以通過聲學傳感器進行有限的自動觸碰規避機動。這是該分隊接收的第1艘水下無人潛航器，也是未來「蛇頭」大型水下無人潛航器的備選之一。根據計劃，「蛇頭」大型水下無人潛航器原型機將於2019年下水。
最終版的「蛇頭」大型水下無人潛航器將攜載武器或者電子戰設備，可使敵水下傳感器和水雷失去作用，也可以攻擊敵水下平臺、水面艦船甚至岸上目標，具體要看最終的配置。運用方式，可能有多艘大型水下無人潛航器組成「蜂群」編隊，或者與其它用途的小型水下無人潛航器組合成網絡，與有人潛艇、水面艦船甚至飛機相連結。
4、「藍鰭12D」和「刀魚」水下無人潛航器
「藍鰭（Bluefin）12D」是一種可交換有效載荷的模塊化自主式水下航行器，直徑0.32米，長4.32米，重260公斤，潛深1500米，3節航速標準負載可持續航行30小時，最高航速達5節，可裝備側掃聲吶或數位相機，執行近海調查、搜索打撈、環境保護和監測、水雷對抗以及尋找未爆彈藥等任務。「藍鰭12D」曾經是美海軍「戰場空間預備自主水下潛航器（BPAUV Battlespace Preparation Autonomous Underwater Vehicle）」的一部分，用於瀕海戰鬥艦的淺水水雷戰。2003年6月美海軍研究局用獵雷艦進行了驗證。2010年海軍研究局向佛羅裡達理工大學海洋工程系捐贈了BPUAV。2014年4月該潛航器曾被用於搜索馬航MH370航班。
2012年，美海軍授權通用動力公司在「藍鰭12D」水下無人潛航器基礎上之，用5年時間研製一種名為「刀魚（Knifefish）」的水下無人潛航器，作為瀕海戰鬥艦水雷戰任務包的組成部分，主要用於探測和識別水雷。該潛航器於2017年8月底完成承包商試航，2017年10月進行承包商主導的最後的海上接收試航，後續由美海軍實施獨立的發展測試和作戰評估。
「刀魚」水下無人潛航器外形很像一顆魚雷，長約5.8米，重約771千克，由水面艦船攜載並投放，用鋰電池供電，充滿電後可一次性潛行大約16小時，能夠發出低頻電磁波來掃描物體（比如魚雷），然後把圖像發回母艦供分析。美海軍計劃在2034年裝備30艘「刀魚」水下無人潛航器，將把它們作為艦外傳感器在雷區作業，使母艦遠離雷區，大幅降低海軍人員和艦艇風險。
5、「海神（Proteus）」雙模水下無人潛航器
2017年8月，亨廷頓英格爾斯工業公司（HII）研製的「海神（Proteus）」雙模式水下無人潛航器在2017年高級海軍技術演習（ANTX）期間成功完成了對抗性戰鬥空間的無人任務測試。該水下無人潛航器也是美海軍大型水下無人潛航器的選項之一。所謂「雙模」，是指既可以完全自主運作，也可以由人來駕駛行動。該潛航器重3.7噸，有效載荷1.6噸，航速6節時持續工作時間為92小時，以5-9節的平均速度移動時續航力達600公裡，最大航速10節，有人模式潛深45米，無人模式潛深60米。
「海神」水下無人潛航器配備了水聲和數據聲學通信系統、銥衛星通信系統以及語音和無線電系統，配備了完全一體化的導航系統，使用GPS進行基礎定位。該潛航器可以執行多種任務：從預定水域巡邏到隱蔽跟蹤彈道飛彈核潛艇。潛航器裡配置了貨艙，可搭載180公斤載荷，包括各種傳感器、通信設備、爆炸裝置（物）等，還可以攜帶MK67水下機動水雷或MK54魚雷，因而在必要時能對所跟蹤的目標實施打擊。
6、「虎鯨（Orca）」超大型水下無人潛航器
2017年10月，美海軍分別與波音公司、洛克希德馬丁公司籤署「虎鯨（Orca）」超大型水下無人潛航器的設計階段合同。美海軍希望該潛航器是一種裝備可重新配置有效載荷艙的多用途水下無人潛航器，有效載重艙至少達325立方英尺（9100公升），航程至少要達2000海裡，可以遠赴數百英裡外執行布雷任務；可以偵察敵方艦隊或海岸線，部署能偵測電磁放射的天線，以供日後分析數據。同時它還能攻擊敵方水面戰艦，或甚至與美海軍潛艇合作，緊盯敵方潛艦，並充當誘餌，讓攻擊潛艇實施伏擊。美海軍將選定一種設計方案製造5艘原型機，計劃於2020年交付海試。
洛克希德·馬丁公司將以「馬林（Marlin）」自主式水下無人潛航器為基礎研製。該型無人潛航器長10英尺，可執行結構調查、管道檢查、底部碎片調查和海底設施檢查等任務，能夠可快速生成準確、高解析度、三維地理參考模型，使用戶能夠清楚地看到海底結構。波音公司將以「回聲旅行者（Echo Voyager）」 水下無人潛航器為基礎研製。該潛航器長16米，重50噸，潛深3300米，作戰時間為6個月，續航力達數千海裡，在沒有特種支援船的情況下攜載約20噸重的傳感器或其它裝備，執行偵察、深海探索以及軍事任務。該潛航器2017年6月已經開始海試。
大型和超大型水下無人潛航器都可以執行情報、監視和偵察任務。前者從「維吉尼亞」級攻擊潛艇或水面艦船投放，是這些有人平臺的延伸。後者將從港口出發部署，獨立行動。根據海軍水下無人潛航器發展構想，超大型水下無人潛航器首先聚焦的是負載整合和水雷戰，但最終要可以投入水雷對抗、反潛戰、反水面戰、電子戰和打擊作戰等多領域任務。大型水下無人潛航器剛開始主要是情報、監視與偵察平臺，但未來也將擔負這些任務。
（三）編制體制
為了推動無人作戰力量的發展，美海軍作戰部於2015年10月組建了無人作戰系統局（OPAVN99），並同時成立海軍部長助理辦公室（DASN）無人系統辦公室。但到了2017年2月，按照有人/無人整合的發展思路，無人作戰系統局被轍消，各無人系統項目移交各領域作戰部門，如遠徵戰（OPNAV N95）、水面戰（OPNAV N96）、水下戰（OPNAV N97）和空戰（OPNAV N98）等部門。總體而言，水下無人潛航器的發展一直有強有力的頂層指導。
作戰部隊方面，美海軍早在1997年就組建了專門的水下無人潛航器分隊，駐紮於華盛頓州班戈潛艇基地，隸屬於潛艇發展第5中隊，先後就「短期獵雷」（NMRS Near—Term Mine Reconnaissance） 系統、「長期獵雷（LMRS Long—Term Mine Reconnaissance）」 系統以及REMUS系統等潛航器開展試驗。2014年8月該分隊正式接收首個水下無人潛航器——大型訓練平臺38。
2017年9月，水下無人潛航器分隊擴編為水下無人潛航器第一中隊（UUVRON 1 Unmanned Undersea Vehicle Squadron One）。自此，美海軍水下無人潛航器部隊的編制由分隊級擴大至中隊級。該中隊現有30人，計劃在2020實現全部作戰能力，2024年配備95名工作人員和45艘水下無人潛航器。這些潛航器主要包括三類：瀕海作戰空間的自主水下機器人（潛艇的變體），是一種中型水下無人潛航器；「蛇頭」大型水下無人潛航器；「虎鯨」超大型水下無人潛航器。
三、未來趨勢
（一）體系化、模塊化和通用化
美海軍在可預見的未來發展水下無人潛航器將尋求體系化、模塊化和通用化。所謂體系化，即針對不同的水下環境和作戰需求，根據人機結合的基本原則，發展成體系的水下無人潛航器，涵蓋多種類型的作戰任務，匹配相應的水面艦船、潛艇乃至航空平臺。所謂模塊化，即強調水下無人潛航器「可搭載多種負載」，既可以提升執行任務的靈活性，也可以減少維修保養的複雜度，降低總體成本。所謂通用化，即最大程度地減少水下無人潛航器的種類。這三大趨勢是一個前後相繼、循序漸進的過程。目前美海軍發展的重點還只是打造完備的水下無人潛航器作戰體系。模塊化已經有所起步，通用化還只是遠期目標。
（二）指揮控制將日趨完善
過去大多數無人潛航器都需要操作人員進行實時控制，執行比較單一的任務，但隨著水下無人潛航器的種類和數量越來越多，執行的任務越來越複雜，其指揮控制問題日漸成為難題。一方面水下無人潛航器要實現長時間自主獨立行動，能夠和環境發生交互作用，以便在水中執行任務時，能有效地探測和識別水下物體、取樣、或完成各種人力無法勝任的水下工作，必須實現更高的智能化水平。另一方面，未來無人潛航器之間，無人潛航器和有人平臺之間，都將實現行動的高度協同，共享傳感器和地圖信息，形成無縫對接的作戰系統。美國在不斷加強水下無人作戰系統的通用性，使水下無人作戰系統在系統控制、通信、數據處理和數據鏈等方面具備更廣泛的互操作性，包括為水下無人作戰系統建立安全可靠的通用數據鏈通信系統。2015年5月，美國海軍研究局提出了可服務於各軍種的軍用地面、空中以及水下無人系統的遠程控制主計劃。該數據模型軟體可促進通用控制系統的發展，通用控制系統則由許多不同的通用控制服務構成。
（三）電池充電問題或有新突破
除了指揮控制障礙外，美軍水下無人潛航器也受到缺乏高能長效電池的困擾。目前無人潛航器是以電池為動力來源，必須在電力耗盡前返回到就近友軍港口或海上船艦充電，因此執行任務範圍受限，而且增加被敵搜獲的機率。美海軍在這方面正在做大膽的嘗試。2017年3月，美海軍與Aerojet Rocketdyne公司籤署了一份總額為160萬美元的合同，發展一套可以對無人潛航器進行水下充電的驗證系統。這是美國海軍研究局「前沿部署能源和通信哨所（FDECO Forward-Deployed Energy and Communications Outpost）」計劃的一部分。該計劃的核心是為無人潛航器在海底設立「後勤站」，無人潛航器可以在這裡充電，使用寬頻的傳輸技術，從這裡上傳它所搜獲的資料並下載新的任務指令。藉此，無人潛航器不僅大大提升獨立行動的能力，還能擔負更加隱蔽性的任務。（作者署名：知遠戰略與防務研究所/陳傳明）