美國“虎鯨”無人潛航器。資料圖片

據外媒報道，前不久，德國海軍在波羅的海完成為期兩周的“藍鯨”無人潛航器實驗。“藍鯨”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。

作為一種水下無人平台，無人潛航器可搭載多種設備執行特定任務。在極端或危險環境中，無人潛航器能夠替代人類作業，具有很高的靈活性和效費比，被視為現代海軍的“力量倍增器”。

很多國家都加大了水下無人力量的建設投入，但是能自主建造無人潛航器的國家仍是少數。究竟是什麼原因，使建造一型無人潛航器這麼難？請看本期解讀。

殼體設計需滿足多種要求

無人潛航器需要在水下幾米到上千米的深度執行任務，潛水深度越深，環境越復雜，對無人潛航器殼體的要求也越高。總體而言，殼體設計需要通過材料選擇、水密技術和防腐蝕技術3道最基本的關口。

第一關：材料選擇。在水下1000米以內的環境中，無人潛航器多採用鋁合金材料作為殼體材料。鋁合金材料成本低，機械加工性能好，但抗壓強度較差。在水下1000米至3000米的環境中，不鏽鋼是使用最多的殼體材料。不鏽鋼的強度比鋁合金高，造價和機械加工性能中等。在水下3000米以上的環境中，鈦及鈦合金是最佳的殼體材料。它們有很好的鈍化能力，強度高、加工性能好、有良好的耐蝕性能。美國的“海崖”號深潛器裝備了鈦觀察艙和操縱艙，下潛深度可達6000米。俄羅斯研制的“勇士-D”無人潛航器由鈦合金材料制成，曾在馬裡亞納海溝海域完成坐底試驗。不過由於資源少、成本高，鈦的使用存在一定限制。

隨著材料技術的發展，人們開始研制高強度固體浮力材料以替代傳統材料。固體浮力材料是一種高新技術化工新產品。其低密度型可提供更大的淨浮力，高強度型可用於深潛，這為無人潛航器的設計提供了新的可能與方向。

第二關：水密技術。由於無人潛航器航行深度可達數千米，如果密封性能不好，輕則加重部件腐蝕，重則導致無人潛航器沉沒。無人潛航器的密封性能通常需要從殼體、光學窗、可拆卸封頭3個方面周全考慮。

殼體除了選擇抗壓性能較好的材料外，還需要注意形狀設計。實際運用中，殼體通常被設計為圓筒形，這樣既容易制造，又能抵御外壓，而且便於在其內部布置設備。

水下光學窗必須用石英玻璃、特種光學玻璃或者有機玻璃等透光性能好、強度高的材料制成。這樣既能保証密封性，又能與成像鏡頭良好配合。

由於殼體內通常裝備著各種設備，在完成水下任務后往往要對這些設備進行檢修，所以殼體必須有一個可拆卸的封頭。這種可拆卸的封頭，通常採用“O”形圈密封。它是一個橡膠或其他彈性材料構成的圓環，低壓時靠自然彈性，壓力增加時“O”形圈會進一步變形，擠滿可能泄漏的地方。選用質量上等的密封圈，並保持與殼體上的密封槽配合良好，才能保証密封性。

第三關：防腐蝕技術。海水的強腐蝕性，使得無人潛航器在設計和制造時必須考慮防腐蝕措施。美國國防高級研究計劃局於2019年啟動的“魔鬼魚”項目，第一階段就要通過無人潛航器防腐蝕等多個關鍵設計審評。防腐蝕設計一般有5種方式。一是採用耐腐蝕的金屬、合金或非金屬材料。二是將被保護的表面與侵蝕介質隔絕。三是採用有機涂層和無機涂層將被保護平面與侵蝕介質隔絕，有機涂層多為涂料涂層和塑料涂層，無機涂層多為金屬涂層和非金屬涂層。四是採用電化學保護。五是採用減輕腐蝕的結構設計，比如減輕縫隙腐蝕、減輕應力腐蝕、減輕接觸腐蝕等。

電池能量密度要求高

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

現有的無人潛航器主要依靠鋰電池作為動力源。典型的有挪威的HUGIN1000潛航器。該潛航器搭載聚合物鋰電池，採用串聯方式將單體電池連接起來，每個單體電池容量約為40安時。這款潛航器的首要任務是探測水雷，航速一般為4至6節。

一些國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，技術成熟且維護相對簡單。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。美國的“曼塔”大排量無人潛航器使用的動力源就是鉛酸電池。該無人潛航器重14噸，採用泵噴推進，最高航速10節，巡航速度5節，續航時間為4到5小時。“曼塔”大排量無人潛航器主要擔負偵察、監視等任務，也可以作為母艇平台，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。

鋰蓄電池是美國馬裡蘭州水面戰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，而且在充電時不會產生氣體，具有較好的安全性。

水下導航技術難度大

導航系統在無人潛航器體系結構中佔有舉足輕重的地位，它可以為無人潛航器在復雜海洋環境中提供位置、姿態等導航定位信息。這不僅關系到執行任務的成功與否，也關系到無人潛航器的安全。

想在深海尋找正確的道路並非易事。首先，無人潛航器作業時通常會有較大落差的下潛與上浮，需要三維立體導航以應對海底環境。這個難度遠遠大於傳統平面導航。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境中，這導致便捷的無線電導航和雷達都隻能作為輔助導航手段。此外，由於對導航數據准確性及實時性高度依賴，必須綜合可提供連續信息的內部導航信息以及可獲取精確運動軌跡的外部導航信息，才能為無人潛航器導航。

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

船位推算法是一種低成本的導航方法，它可實時定位並給出載體平台當前和將來的位置。不過，這種方式累計的誤差會導致無人潛航器導航系統顯示的定位與實際位置不符。

慣性導航系統不受環境、載體機動和無線電干擾的影響，能連續提供全部導航參數，在短時間內具有較高的相對精度。其缺陷是因為陀螺不斷漂移，定位誤差會隨航行時間和距離持續積累和發散。

目前，慣性導航系統雖能滿足中近程導航，但無法滿足遠程、長時間航行的導航要求。因此，無論船位推算法或是慣性導航都需要外部導航來修正誤差。比如，使無人潛航器周期性地浮出水面，採用無線電導航修正位置，從而提升導航精度。這樣做的缺陷是不利於隱蔽、需要花費額外時間且帶來能源問題。

採用聲學外部導航方法也是一種解決方案。它利用聲學信號在海洋中的良好傳播特性，以聲學發射器為導航信標，由無人潛航器向聲學信標發射聲信號並接收返回的聲信號，計算相對距離，從而推算出實時位置。美國的REMUS-100無人潛航器是一款微小型潛航器，可選裝聲學調制解調器、聲學圖像系統等。2003年，美國海軍在伊拉克一個海港運用REMUS-100無人潛航器清掃第一次海灣戰爭時期伊拉克海軍布放的水雷，他們利用該型潛航器裝備的側掃聲吶和導航定位系統，准確發現了數枚水雷並進行了圖上位置標定。這是世界上第一次成功運用無人潛航器實現反水雷搜索。

此外，海洋磁導航、重力導航、海底地形匹配導航等海洋地球物理學導航的誤差，不隨航行時間或航行距離增加而積累或發散。這些導航具有精度高、不受時間限制、無需升出水面、隱蔽性強等優點，因此成為無人潛航器較理想的輔助導航手段。這也是近年來許多國家研究的重點之一。（張琦 李博 黎明宇）

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