軍工世界丨建造無人潛航器有多難

建造無人潛航器有多難

■張  琦  李  博  黎明宇

   美國(guó)“虎鯨”無人潛航器。資料圖片

據(jù)外媒報(bào)道，前不久，德國(guó)海軍在波羅的海完成為期兩周的“藍(lán)鯨”無人潛航器實(shí)驗(yàn)?！八{(lán)鯨”無人潛航器裝備有多種攝像頭和傳感器，可偵察潛艇、水面艦艇、水雷等目標(biāo)。

作為一種水下無人平臺(tái)，無人潛航器可搭載多種設(shè)備執(zhí)行特定任務(wù)。在極端或危險(xiǎn)環(huán)境中，無人潛航器能夠替代人類作業(yè)，具有很高的靈活性和效費(fèi)比，被視為現(xiàn)代海軍的“力量倍增器”。

很多國(guó)家都加大了水下無人力量的建設(shè)投入，但是能自主建造無人潛航器的國(guó)家仍是少數(shù)。究竟是什么原因，使建造一型無人潛航器這么難？請(qǐng)看本期解讀。

殼體設(shè)計(jì)需滿足多種要求

無人潛航器需要在水下幾米到上千米的深度執(zhí)行任務(wù)，潛水深度越深，環(huán)境越復(fù)雜，對(duì)無人潛航器殼體的要求也越高。總體而言，殼體設(shè)計(jì)需要通過材料選擇、水密技術(shù)和防腐蝕技術(shù)3道最基本的關(guān)口。

第一關(guān)：材料選擇。在水下1000米以內(nèi)的環(huán)境中，無人潛航器多采用鋁合金材料作為殼體材料。鋁合金材料成本低，機(jī)械加工性能好，但抗壓強(qiáng)度較差。在水下1000米至3000米的環(huán)境中，不銹鋼是使用最多的殼體材料。不銹鋼的強(qiáng)度比鋁合金高，造價(jià)和機(jī)械加工性能中等。在水下3000米以上的環(huán)境中，鈦及鈦合金是最佳的殼體材料。它們有很好的鈍化能力，強(qiáng)度高、加工性能好、有良好的耐蝕性能。美國(guó)的“海崖”號(hào)深潛器裝備了鈦觀察艙和操縱艙，下潛深度可達(dá)6000米。俄羅斯研制的“勇士-D”無人潛航器由鈦合金材料制成，曾在馬里亞納海溝海域完成坐底試驗(yàn)。不過由于資源少、成本高，鈦的使用存在一定限制。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，人們開始研制高強(qiáng)度固體浮力材料以替代傳統(tǒng)材料。固體浮力材料是一種高新技術(shù)化工新產(chǎn)品。其低密度型可提供更大的凈浮力，高強(qiáng)度型可用于深潛，這為無人潛航器的設(shè)計(jì)提供了新的可能與方向。

第二關(guān)：水密技術(shù)。由于無人潛航器航行深度可達(dá)數(shù)千米，如果密封性能不好，輕則加重部件腐蝕，重則導(dǎo)致無人潛航器沉沒。無人潛航器的密封性能通常需要從殼體、光學(xué)窗、可拆卸封頭3個(gè)方面周全考慮。

殼體除了選擇抗壓性能較好的材料外，還需要注意形狀設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)用中，殼體通常被設(shè)計(jì)為圓筒形，這樣既容易制造，又能抵御外壓，而且便于在其內(nèi)部布置設(shè)備。

水下光學(xué)窗必須用石英玻璃、特種光學(xué)玻璃或者有機(jī)玻璃等透光性能好、強(qiáng)度高的材料制成。這樣既能保證密封性，又能與成像鏡頭良好配合。

由于殼體內(nèi)通常裝備著各種設(shè)備，在完成水下任務(wù)后往往要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢修，所以殼體必須有一個(gè)可拆卸的封頭。這種可拆卸的封頭，通常采用“O”形圈密封。它是一個(gè)橡膠或其他彈性材料構(gòu)成的圓環(huán)，低壓時(shí)靠自然彈性，壓力增加時(shí)“O”形圈會(huì)進(jìn)一步變形，擠滿可能泄漏的地方。選用質(zhì)量上等的密封圈，并保持與殼體上的密封槽配合良好，才能保證密封性。

第三關(guān)：防腐蝕技術(shù)。海水的強(qiáng)腐蝕性，使得無人潛航器在設(shè)計(jì)和制造時(shí)必須考慮防腐蝕措施。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局于2019年啟動(dòng)的“魔鬼魚”項(xiàng)目，第一階段就要通過無人潛航器防腐蝕等多個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)審評(píng)。防腐蝕設(shè)計(jì)一般有5種方式。一是采用耐腐蝕的金屬、合金或非金屬材料。二是將被保護(hù)的表面與侵蝕介質(zhì)隔絕。三是采用有機(jī)涂層和無機(jī)涂層將被保護(hù)平面與侵蝕介質(zhì)隔絕，有機(jī)涂層多為涂料涂層和塑料涂層，無機(jī)涂層多為金屬涂層和非金屬涂層。四是采用電化學(xué)保護(hù)。五是采用減輕腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如減輕縫隙腐蝕、減輕應(yīng)力腐蝕、減輕接觸腐蝕等。

電池能量密度要求高

相對(duì)陸地而言，海水中缺少空氣，各種熱機(jī)難以工作，無人潛航器大多數(shù)情況下需要依賴其他能源。無人潛航器的能源與動(dòng)力系統(tǒng)必須可靠性高、控制性好、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕。此外，由于無人潛航器體積較小，能源與動(dòng)力系統(tǒng)還必須有較高的單位重量和單位體積能量密度。

現(xiàn)有的無人潛航器主要依靠鋰電池作為動(dòng)力源。典型的有挪威的HUGIN1000潛航器。該潛航器搭載聚合物鋰電池，采用串聯(lián)方式將單體電池連接起來，每個(gè)單體電池容量約為40安時(shí)。這款潛航器的首要任務(wù)是探測(cè)水雷，航速一般為4至6節(jié)。

一些國(guó)家也在探索使用其他類型的電池，以提高水下航行器的性能。目前，使用較多的主要有鉛酸電池、鋁硫化鐵蓄電池、鋰蓄電池等。

鉛酸電池成本低廉，技術(shù)成熟且維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。鉛酸電池的電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。美國(guó)的“曼塔”大排量無人潛航器使用的動(dòng)力源就是鉛酸電池。該無人潛航器重14噸，采用泵噴推進(jìn)，最高航速10節(jié)，巡航速度5節(jié)，續(xù)航時(shí)間為4到5小時(shí)?！奥贝笈帕繜o人潛航器主要擔(dān)負(fù)偵察、監(jiān)視等任務(wù)，也可以作為母艇平臺(tái)，搭載更小型無人潛航器。

鋁硫化鐵蓄電池以鋰鋁合金為極板，使用硫化鐵固體電解質(zhì)全密封蓄電池。這種電池能量密度高，輸出功率大，能量效率高。

鋰蓄電池是美國(guó)馬里蘭州水面戰(zhàn)中心正在研究的一種無需加熱的新型鋰電池。它用固體氧化鈷作陽極，氟化砷為電解液，充放電時(shí)鋰粒子來回穿梭，能量密度較高。該蓄電池充電速度快，而且在充電時(shí)不會(huì)產(chǎn)生氣體，具有較好的安全性。

水下導(dǎo)航技術(shù)難度大

導(dǎo)航系統(tǒng)在無人潛航器體系結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位，它可以為無人潛航器在復(fù)雜海洋環(huán)境中提供位置、姿態(tài)等導(dǎo)航定位信息。這不僅關(guān)系到執(zhí)行任務(wù)的成功與否，也關(guān)系到無人潛航器的安全。

想在深海尋找正確的道路并非易事。首先，無人潛航器作業(yè)時(shí)通常會(huì)有較大落差的下潛與上浮，需要三維立體導(dǎo)航以應(yīng)對(duì)海底環(huán)境。這個(gè)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)平面導(dǎo)航。其次，電磁波在海水中衰減十分迅速，無人潛航器又常常處在較深的水下環(huán)境中，這導(dǎo)致便捷的無線電導(dǎo)航和雷達(dá)都只能作為輔助導(dǎo)航手段。此外，由于對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性高度依賴，必須綜合可提供連續(xù)信息的內(nèi)部導(dǎo)航信息以及可獲取精確運(yùn)動(dòng)軌跡的外部導(dǎo)航信息，才能為無人潛航器導(dǎo)航。

目前，無人潛航器水下導(dǎo)航最常用、最有效的方法是，船位推算法或慣性導(dǎo)航法等內(nèi)部導(dǎo)航方法與無線電、聲學(xué)、海洋地球物理學(xué)等外部導(dǎo)航方法的結(jié)合。

船位推算法是一種低成本的導(dǎo)航方法，它可實(shí)時(shí)定位并給出載體平臺(tái)當(dāng)前和將來的位置。不過，這種方式累計(jì)的誤差會(huì)導(dǎo)致無人潛航器導(dǎo)航系統(tǒng)顯示的定位與實(shí)際位置不符。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不受環(huán)境、載體機(jī)動(dòng)和無線電干擾的影響，能連續(xù)提供全部導(dǎo)航參數(shù)，在短時(shí)間內(nèi)具有較高的相對(duì)精度。其缺陷是因?yàn)橥勇莶粩嗥疲ㄎ徽`差會(huì)隨航行時(shí)間和距離持續(xù)積累和發(fā)散。

目前，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)雖能滿足中近程導(dǎo)航，但無法滿足遠(yuǎn)程、長(zhǎng)時(shí)間航行的導(dǎo)航要求。因此，無論船位推算法或是慣性導(dǎo)航都需要外部導(dǎo)航來修正誤差。比如，使無人潛航器周期性地浮出水面，采用無線電導(dǎo)航修正位置，從而提升導(dǎo)航精度。這樣做的缺陷是不利于隱蔽、需要花費(fèi)額外時(shí)間且?guī)砟茉磫栴}。

采用聲學(xué)外部導(dǎo)航方法也是一種解決方案。它利用聲學(xué)信號(hào)在海洋中的良好傳播特性，以聲學(xué)發(fā)射器為導(dǎo)航信標(biāo)，由無人潛航器向聲學(xué)信標(biāo)發(fā)射聲信號(hào)并接收返回的聲信號(hào)，計(jì)算相對(duì)距離，從而推算出實(shí)時(shí)位置。美國(guó)的REMUS-100無人潛航器是一款微小型潛航器，可選裝聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器、聲學(xué)圖像系統(tǒng)等。2003年，美國(guó)海軍在伊拉克一個(gè)海港運(yùn)用REMUS-100無人潛航器清掃第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期伊拉克海軍布放的水雷，他們利用該型潛航器裝備的側(cè)掃聲吶和導(dǎo)航定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了數(shù)枚水雷并進(jìn)行了圖上位置標(biāo)定。這是世界上第一次成功運(yùn)用無人潛航器實(shí)現(xiàn)反水雷搜索。

此外，海洋磁導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、海底地形匹配導(dǎo)航等海洋地球物理學(xué)導(dǎo)航的誤差，不隨航行時(shí)間或航行距離增加而積累或發(fā)散。這些導(dǎo)航具有精度高、不受時(shí)間限制、無需升出水面、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為無人潛航器較理想的輔助導(dǎo)航手段。這也是近年來許多國(guó)家研究的重點(diǎn)之一。