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艦船裝備

美國海軍無人潛航器水下充電站進展分析

發布日期: 2021-03-19 來源:馬曉晨 白旭堯 藍海星智庫 訪問量:



為解決無人潛航器長期部署和隱蔽作戰所面臨的能源供應不足、通信難等問題,美國海軍正積極研發水下充電站,為無人潛航器充電,獲取其情報數據,并下達任務指令。水下充電站還兼具基站作用,可與艦船、飛機等有人平臺通信。目前,美國海軍已經完成3.5千瓦樣機演示,驗證了水下發電、儲能、水下通信等關鍵技術。未來,水下充電站將大幅延長無人潛航器部署時間、拓展部署范圍,對現有水下戰樣式產生重要影響。

一、基本情況

無人潛航器是未來水下戰的重要構成部分,美國海軍已經設想了集群作戰、與無人機跨域協同、與潛艇構建無人機編組等多種作戰概念。目前無人潛航器多以可充電電池為能源,續航力僅數天甚至數小時,嚴重限制了無人潛航器的部署范圍和機動性。為此,美國海軍提出在無人潛航器執行任務的間隙,利用水下充電站充電。2015年,美國海軍啟動了一項名為“前沿部署能源與通信基地”的樣機研制項目,計劃在約3000米深的海底布設一定數量的水下充電站,可綿延數百千米,使用壽命超過20年。

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圖1  “前沿部署能源與通信基地”(FDECO)項目構想

水下充電站可由潛艇等布放,在水下數百至數千米預置部署,用潛艇或無人潛航器隱蔽補充能源;為無人潛航器充電、下載其情監偵數據、下達任務指令,并通過中繼平臺與艦艇、飛機等有人平臺通信,反饋情報信息并接收指令。水下充電站的關鍵技術包括水下發電技術、儲能技術、水下通信技術。美國海軍水下充電站采用燃料電池發電、鋁水儲能,試驗了對無人潛航器的水聲通信對接方案,正在探索利用浮標、滑翔式潛航器等對艦艇、飛機的通信技術。

二、主要進展

(一)開展早期技術探索

美國海軍早在2004年就提出了發展水下充電站的想法,隨后10年間開展了多項技術探索工作。美國海軍空間與海戰系統司令部2009年開始研發名為“水下電樞”的樣機,2011年利用“金槍魚”-12無人潛航器完成海試,2014年用樣機為“金槍魚”-12無人潛航器進行了4~6小時的充電和數據傳輸試驗。2015年6月,美國海軍海上系統司令部卡迪洛克分部使用直徑約12英寸的中型試驗無人潛航器進行了水下充電試驗,功率約2千瓦。

(二)驗證3.5千瓦燃料電池發電技術

美海軍已組織完成3.5千瓦樣機的水下演示驗證,驗證了水下充電站的燃料電池發電技術。2018年8月,泰萊達能源系統公司在美海軍組織的“先進海軍技術演習”中完成“水下懸浮充電節點”樣機水下演示驗證,成功利用“水下懸浮充電節點”樣機在水深7米的環境下為SeaBotix LBV300-5遙控無人潛航器充電。水下充電站總重3370千克,尺寸為3.7米×1.5米×1.2米。試驗針對燃料電池發電技術,驗證了反應物被動噴射、被動水管理、耐壓設計等核心技術。燃料電池使用70兆帕氫氣和氧氣儲存罐,能耐受水下數千米的壓力。

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圖2  左為“水下懸浮充電節點”模型,右為燃料電池系統結構

(三)試驗鋁水反應儲能技術

為解決水下充電站的長期可部署問題,美海軍試驗了鋁水反應儲能技術,為燃料電池發電系統提供氫氣。2019年3月,通用原子電磁系統公司將其此前研發出的鋁動力系統(ALPS)集成至泰萊達公司的燃料電池系統,其中鋁動力系統用于產生氫氣和氧氣,輸送至燃料電池發電后,驅動了試驗罐設施中的遙控潛航器。鋁動力系統使用鋁水反應制備氫氣,能提供同類電池10倍的能量輸出,具有保存期限長、安全性好、比能高等優點。通用原子電磁系統公司表示,演示期間收集的結果和數據將用于繼續測試和優化鋁動力系統,以滿足未來水下平臺的能源需求。

(四)探索聲光射頻等多種通信技術

美國海軍已試驗了水下充電站與無人潛航器的水聲通信對接技術,正在探索與艦艇、飛機、衛星的聲、光、射頻等多種通信技術。泰萊達能源系統公司的“水下懸浮充電節點”樣機使用ATM-900系列聲學調制解調器與無人潛航器通信,引導對接,傳輸距離約2~6千米。擴展網絡技術公司已研制出水下能源與信息交互網絡模擬器,著重考慮水下充電站與無人機、岸上指控中心、水面艦、潛艇等平臺的通信問題,探索了光纖通信、衛星通信、甚低頻通信、視距射頻通信、自由空間光通信等通信技術。

三、能力分析

(一)可實現隱蔽式預置部署

水下充電站體積較小,難被現有探測設備發現,可長期潛伏在較深位置,為無人潛航器提供充電、通信等服務。水下充電站必要時才與艦艇、飛機等通信,通信頻率不固定,隱蔽性較高。此外,若干水下充電站可提前布設在沖突水域,即使個別節點被破壞,也不影響整個網絡的運行,持續發揮效力。

(二)可擴大無人潛航器部署范圍

無人潛航器由于能源有限,潛伏時間不長,一項任務結束后需要及時回收,以避免動力耗盡后失聯,基本無法依靠自身動力遠距離潛入敵防區。水下充電站可在全球海底廣泛部署,形成水下網絡,將無人潛航器水下待機時間延長至數月、甚至數年,使其隱蔽航行數百千米,改變無人潛航器當前僅能工作數天的局面,為其執行任務后提供足夠的返航動力,提高部署靈活性、任務成功率,擴大部署范圍。

(三)可解決無人潛航器通信難題

水下充電站具備數據存儲、通信功能,可作為水下數據交互節點,發揮類似基站的效果。一方面,可為無人潛航器充電的同時獲取其情監偵數據,傳輸至有人平臺指控中心;另一方面能獲取指控中心下達的指令,為無人潛航器的下一步部署做準備。這種方式能大幅提高無人潛航器數據傳輸效率,極大促進無人潛航器實戰化應用。

(藍海星:馬曉晨 白旭堯



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