潜艇目标模拟器未来技术展望
潜艇目标模拟器未来技术展望
编译 Whitehead
本文编译自：A. S. Amelchenko, P.I. Noviceikhin. Improving Submarine Simulators. Military Thought, 2021 Number 3
SPSMS性能要求及其实现途径
世界先进国家的海军早就开始研制漂浮式或自航式潜艇诱饵，以干扰敌方舰艇声呐并规避反潜自导鱼雷的攻击。
实际上，开发自航式潜艇目标模拟器（Self-propelled Submarine Simulator，SPSMS）的工作一直在继续，SPSMS的作用是将敌方的反潜兵力诱骗到虚假的目标区、对抗鱼雷制导系统、消灭鱼雷。例如，法国的一型AUV——“卡拉斯”（Calas）潜艇目标模拟器，能模拟各种潜艇物理场，再现声学图像，频率范围300Hz~800Hz（初级声场）和4kHz~33kHz（次级声场）。
同类装备还有美国的MK30 mod2和AN/BLQ-9SPMS。前苏联海军在1960~1980年代期间装备了MG-44、MG-74、MG-104、MG-114自航式潜艇目标模拟器，其性能类似于其它国家的同类产品。
SPSMS（尤其是最新型号）在对抗潜艇、装有龙骨下水声站的水面舰艇和反潜飞机时相当有效，但它们模拟低频声场的工作时间和能力有限，因此SPSMS无法长时间、大范围诱骗敌人并增加他们的作战压力，特别是当敌方海军装备功能强大的水下监视系统时。
美国海军的固定式水声监视系统SOSUS工作在几Hz到几百Hz频率范围内。在SOSUS效果不佳的海区，就使用基于固定式分布系统（Fixed Distributed System，FDS）和带有SURTASS长线拖曳声呐的“胜利”（Victories）级和“无暇”（Impeccable）级水声侦察船的机动资产来加强水下监视，它们也能接收低频信号。
当要为战斗群和编队建立近程和远程反潜警戒幕时，就使用装备有战术拖曳阵列声呐系统（频率范围：10Hz~1 500Hz）的舰船。
SPSMS可模拟潜艇低频声场和其它物理场的信号，使SOSUS系统将原始探测数据传回美国水下侦察与监视中心。相应地，与SPSMS的接触可被其它反潜兵力和资产所核实。
这种SPSMS（AUV）应具有下列特性：
*在几十Hz到3kHz~4kHz频率范围内，连续模拟特定低噪声潜艇的初级声场以及次级声场，重发收到的反潜兵力的声呐信号；
*按所设定的参数保持磁场（当执行单独任务时）；
*借助升降天线，在潜望深度进行SW、UHF和VHF频段的无线电通信；
*具有较高的工作时间、航速和航深指标值；
*具备其它任务能力，如：进行侦察（包括水雷侦察），在海床上植入各种装置等。
在这些特性的技术实现方面，最复杂的问题似乎是：一个相对较小的水下航行器如何能辐射足够功率的低频声场以及大幅增加工作时间和航行速度？
解决这些问题的可能途径有：
*AUV动力单元（power unit，PU）的潜力比现有装备增大1~2个数量级：全新的可充电电池（rechargeable battery，RB），更大能量密度的发动机燃料；水下运动新原理；在RB使用期间充电的可能性；用化学或核反应堆作为PU；
*同时使用两枚或多枚不同类型的或装备有不同组件的AUV，按所设定的参数生成所有或几艘潜艇的物理场；
*在AUV设计中引入参数天线（parametric antennae），形成所需的声场。
图1 美国海军ORCA超大型UUV（图片来自网络）
多用途水下航行器的设计问题
多用途水下航行器的一些设计问题如下：
动力单元目前主要靠增加容量来提高能力，这将不可避免地增加PU的重量和体积。水面舰船布放的、或锚泊式重型AUV（排水量不小于10t）目前正处于原型阶段。
提高533mm口径AUV（主要由潜艇使用）的PU潜力的工作过去一直在改进鱼雷性能的框架下进行。例如，美国海军在Mk48鱼雷的最新改进型上取得下列标志性成果：在高速航行（55~60kn）条件下，在较小深度上的航程达到20km；在28 kn航速下，航程可达40km；最大工作时间约50分钟。
该型鱼雷采用轴向活塞发动机，单组元燃料，与二次电池相比，具有更好的动力性能。
目前，Mk48显然代表了533mm口径航行器的最高水平，但工作时间和声发射功率无法满足需求。
提高水下航行器PU的能量强度（energy intensity）是另一途径。在美国，正在开发能产生1000 kW/h达10天之久的PU，以及基于氧和铝的、能量强度达200 kW/h~300kW/h的电化学能源。
他们正在探索用氧作为PU的燃料，而氧则是利用特殊的人工腮从海水中获取。每升氧的平均功率消耗约为1.33W/h，估计产出速率可提高到150l/min，这将使内燃机用于AUV成为可能。
美国西屋电气公司（Westinghouse Electric Corporation）研究通过壳体与水的边界层的层化来减少流体阻力，以实现AUV的增程。
随着聚氧乙烯（polyox）等微浓度聚合物溶液的应用，据某些估计，摩擦阻力可减少80%；要获得对湍流摩擦阻力的最大减阻效果，溶液中的高分子聚合物浓度仅需0.01%~0.02%。
当形成初级声场且存在低频离散部分时，发射声谱的完整部分对SPSMS而言是必要条件。
在消除了SPSMS目前易被识别为假目标的独特特征后，将AUV全部或部分壳体用作谐振发射器是有利的，在辐射信号总频谱中也包括发动机和螺旋桨噪声。
先进的AUV必须不仅能模拟特定潜艇的声学图像，也能模拟它面对反潜兵力时的逃逸行为。
因此，为AUV开发人工智能软件是一个亟需解决的问题。
模拟潜艇潜望镜和伪装无线电信号也是十分期待的潜艇模拟器功能。
此外，在无线电信号模拟期间，可以向指挥节点发送SPSMS自身以及携载它的潜艇所获取的侦察情报。
如海水足够透明，可在AUV上装备能产生水下潜艇视觉错觉的装置，例如，可采用一段带有负浮力的黑色聚乙烯，或从AUV喷射出在溶解于海水前能持续数分钟的黑色悬浮云。
为了给敌人制造更多的虚假信息，AUV在航行时可喷射能提高海水温度的化学制剂，使得反潜飞机上的红外探测装置能发现“潜艇”的尾迹图像。
多功能AUV能执行多种任务，各国海军正在开发这类AUV。例如，美国在1988年就开始研发用于在深达1 000 m的北极盆地实施反潜和反水雷行动的实验型UUV。
同时，他们也开始设计一般使用概念和具有AI功能的上一级控制系统，以实施探测和定位水雷、在海床上布设应答信标、拖曳水声天线、识别水声图像、规划航路、使用远程武器等一系列行动。该UUV长11m，直径1.12m，重6.8t，装备有摄像装置、一套触觉传感器、声呐和一台为电视摄像照明的激光器。
在试验阶段使用的应是总重为2.3t的银锌二次电池，在4.5kn航速下的航程为360英里（最大航速10kn）。
其他创新举措
可明显扩展任务能力（区域检查，无线电通信时AUV无需浮出水面等等）的一项创新举措是：为AUV装备自己的专用水下航行器，主要可安装在大型AUV上，如俄罗斯的Cephalopod、美国的Manta和Proteus AUV（图2、3、4）。
另一种方法是在AUV上安装雷达对抗装置和假雷达目标，以增加模拟潜艇的逼真度。
图4 可发射巡航导弹、鱼雷和UUV的打击版Proteus AUV（美）
只有大型AUV才能够长时间模拟潜艇并执行其它任务。同时，考虑到需要从潜艇、水面舰船、飞机上发射AUV，鱼雷尺度的AUV是便于操作使用的。这些AUV应能模拟初级声场（3 kHz~4 kHz频率范围内）和次级声场（2.5 kHz~80 kHz频率范围内）、磁场、潜艇尾流、潜望镜（有效反射面积0.1 m3~0.5 m3）和无线电通信（SW、UHF和VHF波段）。
航行器的速度必须达到24 kn，高速机动条件下的目标模拟工作时间必须不少于3~4小时，低速条件下不少于12小时。
应为AUV设计可在船上更换的功能模块，可根据外部条件的变化（取决于战术态势）选择（自主或根据一个预设程序）独立的工作模式。
也希望AUV可重复使用，即能够返回母船。
建议用机器人系统技术改进AUV，即：信息驱动的、可执行各种任务的复杂作战系统应具有高度自主性，也能向母舰反馈信息，能够独立作战或以半自主方式作战（在通信期间通过无线电指令进行遥控）。
先进的AUV必须既能模拟特定潜艇的声学图像，又能模拟它面对敌反潜兵力时的逃逸行为。
因此，在机器人技术的基础上开发AUV、在其软件中引入AI是一个紧迫的问题。
结束语
总之，目前世界上尚没有哪个国家的海军已设法解决SPSMS性能改进的问题，因此也无法在全球海洋的广阔地区，将敌方反潜力量长时间分散在错误的方向上（以增加他们的作战压力）。
文章来源于水下无人系统前沿科技，作者Whitehead
