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    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    編者按

    隨着遠程反艦導彈技術的不斷發展,集中大批高價值目標的以航空母艦作戰群為代表的海上集中式編隊正受到越來越大的威脅。從目標價值上看,裝備相對廉價的先進制導導彈的進攻方整體耗費遠低於美軍艦艇編隊,從而具備了非對稱優勢。針對這種技術發展趨勢,美國海軍正逐漸改變自身的戰術,將在多個作戰領域應用無人系統,實現分布式無人作戰,增強綜合戰鬥能力,提高效費比。而隨着人工智能技術和導航技術的進步,無人系統的功能也更加全面,可執行偵察、探測、干擾、打擊、評估等一系列作戰任務,在軍事應用領域中的地位愈加重要,未來將在海上戰場上承擔越來越重要的作戰任務。

    無人系統在美國海軍中的作戰應用研究

    作者:plus評論員 張昊

    一、無人作戰系統簡介

    海用無人系統主要包括無人作戰飛機、無人艦以及無人艇等,從功能上涉及情報監視偵察、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等多種任務。

    (1)無人飛行器項目

    美國海軍非常重視在艦載無人飛行器方面的研究工作,其開發的主要目標為具備ISR能力(情報、監視和偵察)、自主控制、有效打擊和空中加油能力的一系列無人機系統。但是,美軍項目發展過程並非一成不變,而是根據自身作戰需求和預算平衡方面的考慮,對開展的項目進行調整。下面將對美海軍開展的無人飛行器典型研究項目和裝備進行簡述。

    UCLASS項目

    UCLASS「艦載無人空中偵察和打擊系統」項目是美國海軍於2010年開展的一項研究計劃,計劃研製一種可完成空中偵察和打擊任務的艦載無人作戰系統。針對該計劃,諾斯羅普·格魯曼公司提出了X-47B無人攻擊機概念,這是一款具備低可探測性的無尾翼艦載無人空戰系統,從該概念的提出就引起了世界各國的密切關注。該機型其初始設計目標是全身全頻譜隱身特性,即寬帶、全向的低可探測性,同時還應具備較強的ISR能力。

    但美軍於2016年對UCLASS項目進行了調整,美國將開展「艦載無人空中加油系統(CBARS)」項目,其定位為艦載無人加油機,代號為MQ-25「黃貂魚」無人機,同時海軍也明確要求其應具備執行情報、偵察和監視任務的能力。根據美國海軍於2017年10月公布的MQ-25的招標文件,其儲油量可達6.8噸左右,將會使得美艦載機戰鬥群作戰半徑延伸560至740千米,使航母作戰群作戰範圍達到1300千米。波音、洛馬和通用原子航空公司參與了競標活動,目前波音公司已經公布了其原型方案。

    UCLASS方案的調整可能是由於多方面原因導致的:1. X-47B無人機集合了眾多先進技術,這意味着其單價必然不菲,對美國防預算造成了不小的壓力;2. 無人戰鬥機的研製涉及到目標探測、識別、鎖定、打擊、評估等多方面的技術需求,同時其戰鬥機性質將對飛機敏捷性、自主控制性提出了更高的要求,增大了技術難度;3. MQ-25項目可應用X-47B等項目的相關技術,縮短了研製周期,在降低技術難度的同時,MQ-25的快速研製服役還可為艦載大型固定翼無人機的使用積累更多的經驗,有利於無人作戰系統的進一步研發進步。

    TERN「戰術偵察節點」項目

    TERN「戰術偵察節點」項目是美國預先研究計劃局(DARPA)和海軍研究辦公室(ONR)聯合開展的研究項目,其目標是研發可從前沿部署小型艦艇的甲板上發射與着陸的飛機,以提供遠程情報、監視與偵察能力及其它能力。

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    TERN無人飛行器ISR載荷約為600磅左右,其作戰範圍可達900海里,飛行高度為10~25000英尺,根據設計要求,TERN系統應具備以下四種技術能力:1. 垂直發射/回收能力;2. 情報、監視、偵察(ISR)能力以及電子戰和輕當量攻擊能力;3. 具備晝夜、各種天氣情況下行動的能力;4. 具備電子戰/通訊節點功能。

    根據招標文件,TERN項目可分為三個研製階段。TERN項目前兩個階段的研發重點在於系統的初步設計和風險降低,並對各種先進技術能力進行整合,以創新方式實現項目目標。而第三個階段合同目前已被授予諾格公司,該公司將開始建造全規格尺寸的演示原型機並進行海上試飛。據稱該無人機起飛時採用直升機起降方式,然後切換至機翼飛行,在完成任務後,無人機返回艦艇,切換回垂直起降模式。

    「火力偵察兵」無人機

    「火力偵察兵 」MQ-8無人機是美國諾斯羅普·格魯曼公司為美國海軍研製的艦載垂直起降戰術無人機,用於執行偵查和瞄準任務。美海軍希望該無人機平台能夠成為一種多功能武器系統,以承擔海上巡邏偵察、反潛、反艦及反水雷作戰任務。

    「火力偵察兵」無人機是一種低成本、高可靠性的作戰系統,可依託海軍戰術控制系統軟件(TCS)、數據鏈以及通訊中繼能力來進行控制。該裝備的基本型載荷包括光電/紅外傳感器和激光測距探測器等,可對發現、識別並跟蹤敵方目標,能夠為戰艦等打擊平台提供精準的目標信息,並可進行作戰效果評估。從整個C4ISR體系來看,「火力偵察兵」無人機承擔了通訊節點的功能,將會提高作戰體系中其它平台的作戰效率和適應性。

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用
    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    光電成像(上)與紅外成像(下)效果圖

    從單裝備作戰能力上來看,該型無人機已經具備了較強的自主作戰能力,主要體現在以下幾點上:1.發射和回收階段不需要操作人員在迴路中進行控制;2.具備飛行中進行任務更新的能力;3.拓展飛行包絡;4.對載船作戰的影響最小化;5. 對維護支持人員要求最小化。下圖展示了「火力偵察兵」無人機的作戰概念圖,展示了無人機與海軍、陸軍、海軍陸戰隊之間進行實時數據共享、協同作戰的能力,通過將無人系統前置偵察,將有人系統暴露在敵方火力下的時間最小化,在保障作戰效率的同時,減小可能出現的人員傷亡。

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    火力偵察兵無人機已經出現了三種改型,最新型號為MQ-8C,相對於之前型號,其體積更大、續航能力更強(可達12小時)、載重量更大(可達2650磅),這意味着MQ-8C將能夠攜帶更多傳感器載荷。目前,MQ-8C傳感器載荷還是以光電載荷為主,但據諾格公司稱,未來將會在該機上裝備海面探測雷達和COBRA水雷探測器,並將配備Link-16數據交換系統和飛行中目標更新能力。此外,在武備方面,美國海軍已經將BAE公司的先進精確殺傷武器系統(激光制導火箭)整合到了MQ-8B中,並計劃將其整合到MQ-8C上。

    目前,美海軍正在試驗將MQ-8C無人機與西科斯基的MH-60R或MH-60S「海鷹」有人駕駛直升機進行「有人-無人戰術協同」,使得這兩個平台可實現優勢互補:一個作為觀察者,一個付諸於行動,其基本作戰流程是:「火力偵察兵」出發並探測目標,實現跟蹤識別,然後有人直升機與可水面目標交戰。

    (2) 無人艇/潛航艇項目

    美國在無人艇和無人潛航器方面近來有了長足的發展,這類系統具備無人化、低成本特點,適合進行前突布置作戰,能夠承擔戰術偵察、電子戰、反潛戰、水面戰、水面防空以及島礁防護等多元化任務。下面將針對幾種美軍近年來重點研發的項目進行詳細介紹。

    ACTUV無人水面艇項目

    反潛艇追蹤無人駕駛船(ACTUV)是由DARPA主持的一項重點無人水面艇項目,該工程的目的是研發一種無人操縱,一次可在海面數千平方公里範圍內自動追蹤敵方低噪聲柴電潛艇的無人艦艇,其續航時間應在2~3個月。該項目重點關注無人駕駛、超長續航和自動跟蹤搜索三方面功能,順應了人工智能技術的應用潮流。該工程採用大量民用艦船技術,配備各種民用導航、定位技術,有效降低了生產成本,價格將控制在5000萬美元以下。

    第一艘ACTUV原型艇已於2016年1月下水,被命名為「海上獵人」號,採用三體船型,長40米,寬12.19米,重達140噸,可在5級海況下持續巡航。目前,DARPA已經在該原型艇上測試「空中拖曳式海軍系統」(TALONS)樣機,以提升ACTUV的探測能力。作為一種新型載荷,TALONS通過滑翔傘將傳感器等有效載荷提升至300米的高度,具備低成本、大探測範圍的優勢。整個測試過程中,TALONS樣機通過線纜與航行中的無人艇進行了通信測試,相對於傳統的直接將傳感器安裝在無人艇上的方式,其傳感器及射頻設備的工作範圍得到了大幅度拓展。TALONS作為TERN項目(見上文)的一部分,TALONS在ACTUV上的成功整合標誌着DARPA跨項目協作的成功,同時為兩個項目的魯棒性和互操作性測試提供了機會。

    分布式敏捷反潛項目(DASH)

    DARPA開展的分布式敏捷反潛項目(DASH)旨在通過開發無人系統水下感知能力,來增強對敵方潛艇的探測能力,以扭轉潛艇裝備在海戰中的非對稱性優勢。

    DARPA認為,未來反潛可通過在開闊海面不同深度部署深海聲吶節點以完成對潛艇的大範圍探測監視任務。每個聲吶節點將類似於太空中的衛星系統,以對水下進行有效探測。聲吶節點具備低噪聲、寬「視野」的特點,可對其數量進行拓展,構建協同探測平台網絡,實現在大海域範圍內對潛艇目標進行探測跟蹤。而在廣闊的淺層大陸架區域,項目將採用分布式移動傳感器,但與上述不同,此時系統主要將應用非聲學傳感器對目標進行探測。

    整個計劃將開發兩個原型樣機系統,分別為轉換可靠聲學路徑系統(TRAPS)和分先潛艇控制系統(SHARK)。其中TRAPS是一種固定式被動聲吶節點,旨在通過利用深海底作業的優勢實現大面積海域探測監視覆蓋。該項目由科學應用國際公司(SAIC)進行研發,其設計部署深度為6千米,可收集探測經過潛艇的聲學特徵,並將其發射至水面節點上以進行數據傳輸;而SHARK系統則是一種新型水下無人潛航器,其設計目標為提供移動主動聲吶平台,以便在初步探測到潛艇後方便對其跟蹤。目前,SHARK系統已經完成海試,該型UUV長7米,重量在1.5噸左右,可下潛至水下600米的深度,航速為3.5節,將採用安裝在艏部的遠距離主動聲納和側面的接收陣列進行探潛。在實戰中,系統可接替多艇交互的方式進行輪流作戰,或者由多個無人艇進行結構重組,形成類似柵欄的形狀,對敵方潛艇進行探測。SHARK系統將使用聲學調製解調器向水面無人艇和衛星發送數據,而無人水面艇作為通信中繼節點,將數據發送至衛星和岸基設備。未來SHARK的作戰形態將會將4~6個無人艇安置在一個集裝箱中,由艦船運載,這樣可在預定區域放置多個SHARK系統,提高作戰效率。

    大排水量無人潛航器LDUUV

    LDUUV大排水量無人潛航器是美國海軍研究辦公室(ONR)於2011年開始研製測試的一款具備察打一體能力的大直徑重型無人潛航器。該系統採用模塊化設計,能夠裝備不同的傳感器及作戰模塊,具備反潛、反水雷、偵察、跟蹤、自主作戰、智能打擊多元化任務能力。LDUUV續航時間可達70天之久,滿足長時間、大航程的任務需要。此外,潛航器具備較強的戰場適應能力,在既可搭載於美國現役核潛艇、頻海戰鬥艦平台,又可獨立使用,其武器裝備主要包括各種類型的導彈和反潛用的深水炸彈等,具備較強的火力投射能力。

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    LDUUV-INP原型機

    美國海軍研究辦公室的LDUUV革新海軍原型機(LDUUV innovative naval prototype, LDUUV-INP)於2015年進行了首次測試。整個項目的關鍵攻關技術包括電站、燃料與電池技術、水下避撞技術、水下數據傳輸網絡等,將最大程度地提升其任務能力。ONR計劃目前有4個原型機,最先製造出的兩艘將被送至無人系統項目辦公室,其中一個是空殼主要用於展覽,另一個將被送至UUVron中隊來增加作戰經驗。至於剩下的兩艘原型機,ONR將繼續對其應用軟件和自主性進行研究,對其進行成熟化,最終在合適的節點將樣機轉交至無人海用系統項目辦公室。

    超大無人潛航器項目(XLUUV)

    超大無人潛航器項目(XLUUV)是美國海軍的重點關注項目,主要用於研發一種超大排水量長航程自主平台。與LDUUV項目類似,該項目也將採用模塊化、開放式系統,可搭載不同載荷,能夠完成多種任務。與其他無人潛航器不同,XLUUV將不會以各類潛艇和艦艇作為母艦,而是直接從碼頭出發進入焦點區域。其基本招標要求為:長度超過38米,容積高於9.2立方米,航程不低於2000海里。該系統可作為布雷艇深入數百公里進入敵方航道,也可在海戰中作為誘餌,在己方潛艇發動攻擊時引誘敵人。此外,其自身也具備偵察、跟蹤、反水雷及反潛能力,可進行前置部署對海域進行戰場警戒。

    波音公司和洛馬公司目前是該項目的主要競標對象,海軍於2017年10月分別給予洛馬公司4320萬美元,波音公司4230萬美元的合同,用於對該項目系統的設計和技術數據交付工作。

    波音公司的XLUUV方案將主要基於其研製的「Echo Voyager」新型無人潛航器,並將對其進行一系列改進以滿足軍方的要求。目前該系統已經在南加州達納角港進行了短時間近岸測試,進行了離岸航行(少於1小時)。下表給出了Echo Voyager系統的具體參數,可由此對XLUVV性能參數進行初步參考。

    重量

    4.545噸

    尺寸

    5.6m×1.3m×1.3m

    最大潛深

    3000米

    最大速度

    14.5千米/時

    最小速度

    2.8千米/時

    最適應航速

    4.6~5.6千米/時

    續航能力

    28~150小時(取決於電池種類)

    二、無人系統主要作戰模式

    目前DARPA針對海上無人作戰系統已於2015年提出了跨域海上監視與瞄準項目(CDMaST),將美軍現有的集中式的戰鬥群模式轉變為一種分布化、敏捷化作戰模式,將作戰系統分布在100萬平方公里範圍的海域內,降低系統的整體風險。這種模式把各種作戰功能分散到各個低成本系統中,通過各種功能的有人/無人系統構建「系統之系統」體系,實現對水面敵方艦船和水下潛艇大面積、跨域(海下、海面和空中)進行監視和定位的能力,增強感知能力,有效實施打擊。CDMaST項目目的是將分散化的有人/無人系統及各類傳感器系統利用起來,使用較低成本獲得最大化的作戰效率,使得敵方作戰耗費遠高於己方,更加經濟地達成作戰目的。根據DARPA的項目構想,體系應具備大區域(可達100萬平方公里)、分散化、跨域(海下、海面和空中)、自適應性及彈性的特點。DARPA給出了CDMaST項目概念圖。

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    從上圖可看出,系統之系統可應用於武器系統、移動無人系統、固定的無人值守系統(海底)和有人系統等。其中,移動無人系統包含無人無人機、無人艇、無人潛航器等裝備;武器系統包括美軍新型遠程反艦導彈LRASM、重型魚雷等;在固定無人值守系統方面,則包含海底部署的各類載荷、傳感器等裝置;在有人系統方面,則包括常規的艦船、潛艇、作戰飛機等。整個CDMaST系統之系統架構將能夠為不同類型裝備提供通訊、能源、信息管理和定位/導航及授時(PNT)等服務,提升整體作戰水平。DARPA認為,該項目應具備有效、可部署、成本低、持續性強以及自適應性等特性,滿足未來海面作戰的需求。

    DARPA認為CDMaST項目的任務組成應覆蓋殺傷鏈的每一環節,保證各環節高速、有效,提高打擊性能。一條完整的殺傷鏈應包括發現(Detect)、識別(Classify)、定位(Localize)、跟蹤(Target)、交戰(Engage)、評估(Assess)六大任務單元。下圖展示了殺傷鏈流程和完整殺傷鏈所需的CDMaST功能支撐圖。

    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用
    「原創」無人系統在美國海軍中的作戰應用

    總體上看,CDMaST項目的目標不是開發某項技術,而是開發並演示新型海上系統之系統,即(SoS)作戰概念。它將結合新型通信、作戰管理、指揮控制、定位導航授時、後勤、傳感器、有人/無人系統、武器等裝備技術,全面提升空中、水面、水下目標探測、跟蹤與打擊能力。該項目主要優勢包括三點:

    • 無人系統大規模應用提升整體作戰能力。美軍目前在無人機、無人艇、無人潛航器方面目前已經有了大量的技術積累,隨着人工智能等技術的不斷發展,無人平台作戰水平將不斷進步,將會具備更加完善的探測、打擊一體化能力。無人系統具備長時間待機值守能力,可布置在整個體系最前方執行前沿探測、打擊任務,降低有人系統的危險性,通過與有人系統協同作戰,有效提升己方感知、通信、指控、打擊能力。

    • 分布式部署大大提升有效作戰範圍。未來DARPA將會把各種有人、無人系統和海底預置系統整合集成為CDMaST分布式網絡,相對於傳統的作戰方式,其探測、作戰範圍被大大拓展,達到100萬平方公里,可實現更大面積海域的作戰優勢。這種分布式作戰理念將現有編隊的集中式防空、反艦、反潛模式轉化為在更大海域範圍內的分布式、靈活性、動態化打擊樣式,迫使對手投入更多的資源開展體系對抗。

    • CDMaST技術結合傳統作戰平台所具備的目標監視與目標指示能力將為新型武器開發需求提供牽引作用。由於CDMaST作戰需要,未來很可能將開發出低成本、高效費比、可大規模應用的水面/水下平台、傳感器、武器設備。

    三、應用影響

    無人系統的大量應用,對降低海軍作戰成本、提高探測範圍、增強系統作戰自主性有着深刻的影響。在單一平台裝備方面,美國主要對其自主性、續航性進行了研究,並試圖降低裝備成本,增強裝備間協同作戰能力,提高作戰效費比;在體系建設方面,美國試圖建設以CDMaST體系為代表的跨域協同作戰網,將無人飛行器、無人艦艇以及各類傳感器通過「系統之系統」架構有機結合起來,擴大作戰範圍,增強體系作戰能力。總體而言,美國正試圖通過無人系統的體系化應用,顛覆傳統的艦隊打擊群的海戰模式,將大大擴張了海域探測監視範圍,具備更強的作戰靈活性和打擊效率,這種革新化作戰模式值得我國對此高度關注。

    (全文完)

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