未来潜艇什么样？新潜艇将成为发射无人机/无人潜航器的平台
发布时间：2020-07-19 10:21:59来源：华语智库
作者：于宝林目前美国海军发展的重点是倾力建造舰艇，以确保美国海军对无论是远海，还是近岸任何敌人的军事优势，在与其他军种联合作战时为陆上行动提供支援。
根据美国及北约国家海军军事技术政策，核潜艇是夺取制海权和对岸打击的主要组成部分。为顺利完成作战任务，其中包括利用网络武器，在不增加核潜艇排水量的情况下必须大幅增加弹药和有效载荷的数量。
为了提高有效载荷，美国和北约国家展开科学研究和试验设计工作，研究制造未来舰艇模块子系统，其中包括能源系统的可行性，其重量和体积在保持现有功率的情况下大大低于现有装备。潜艇的未来发展取决于对潜艇结构的不断完善。有些方面值得关注，因为将来它们可能会彻底改变潜艇现有构型。这些方面包括提高有效载荷及其目录，以及分阶段实现基于先进技术和布局、先进设计和施工方法的模块潜艇概念。
海军在继续审视提升潜艇战斗潜力，及其更隐秘和快速部署的必要性。专家们认为通过为潜艇装备自主式无人潜航器、载人潜航器和无人飞行器来拓展有效载荷目录可以解决这些问题。不过，目前这类装备的品种和型号多种多样，并且它们的研发不受制于载体本身（也就是潜艇）。因此，在现有潜艇上部署自主式无人潜航器、载人潜航器和无人飞行器存在着诸多技术和结构上的难题。本文探讨的是潜艇部署和使用这些装备的现代概念方案，研究这些创新产品的潜在能力，同时兼顾确保设备内外配置和技术保障的潜艇接口问题。
要完成所规定的任务，设计人员在设计之初就必须研究和确定对未来进行水下战争装备的要求，并分析自主式无人潜航器、载人潜航器和无人飞行器在进行作战时的作用。
根据这个问题，外国设计人员研究了一系列多用途潜艇作为潜航器载体的概念方案。此外，还分析了现有和未来（也就是正在研发中的）全部设备清单。评估配置更多和有效的自主式无人潜航器是一个既严肃，而又困难的课题。
为了更好地认识所面临的任务，外国研发人员研究了自主式无人潜航器性能，并对其诸如速度范围和自主性这样的主要性能进行了评估。根据所获得的自主式无人潜航器、载人潜航器和无人飞行器的技战术性能范围和相应的接口要求，我们可以分析各种潜艇建筑方案。
基于上述分析，成功地获得了几个潜艇子系统（潜艇建筑方案）的外形和空间布局最佳方案。然后将这些方案与自主式无人潜航器、载人潜航器和无人飞行器在所需要的接口兼容性、成本和合乎需要的作战能力指标方面进行了比较。在这个研究阶段，推出潜艇——潜航器载体的不同版本的概念设计。
2035年前的概念目前研制出了很多能够提高潜艇作战能力的潜航器和无人机。但部署和发射自主式无人潜航器和无人飞行器的能力受到潜艇现有的发射装置，首先是533毫米鱼雷发射管（近百年来所有主要外国海军潜艇上的标配）的严重制约。截至今日，潜艇使用的传统武器系统包括重型鱼雷、水雷、反舰巡航导弹和用于摧毁岸上目标的巡航导弹。从533毫米鱼雷发射管和垂直发射装置发射是使用这些系统的主要方案。
“俄亥俄”级改进型弹道导弹核潜艇的坞舱外置，降低了其水动力特性
一、载体系统要求
自主式无人潜航器、载人潜航器需要在提供技术维护的每个阶段和战斗使用时具有不同的系统接口。通过对其整个周期维护和战斗使用的功能分解来更详细的说明对载体接口的要求。
二、维护要求
在自主式无人潜航器、载人潜航器的技术维护要求中有很多共同点。但载人潜航器包括最复杂的系统要求，特别是涉及到干式甲板换乘舱（简称“坞舱”），以保障蛙人和操作人员安全和呼吸的多级供气系统。
在无论是自主式无人潜航器上，还是在载人潜航器上，使用液氧和碳氢化合物的燃料，需要提出有关燃料存取安全的补充要求。如果设备在舱内与武器和弹药一起放置的话，这些问题将更加复杂。
三、布局要求
弗吉尼亚级BlockIII攻击型核潜艇
在核潜艇-载具（西方术语为ShipSubmersibleHostNuclear,SSHN）部署自主式无人潜航器的关键问题是：做出在哪里（内部或外部）和如何部署它们的决定。如果部署在潜艇外部，系统通常位于水中，其中包括在压力增加时和冲击负载作用下。如果系统不部署在潜艇流线体下面的话，它们将会增加阻力和水动力噪声。此外，这些系统也不便于技术维护和移动。在艇体外部署的优势在于可以降低成本和难度，这是因为通过耐压艇体的转接管的数量减少了，纵倾平衡系统、悬挂系统和控制设备简化了，此外也从整体上降低了比较昂贵的耐压艇体的成本。
在不久的将来，在设备部署容积不大的情况下可以实现更大的灵活性（适应性），这一点在舷外系统候选数量及其设计上能够体现出来。
四、对程序、发射和回收系统要求
发射和回收是部署舷外系统时的关键问题。对它们来说预计要求包括：
——降低手控水平（提高自动化）；
——简易（低成本）；
——可靠性；
——灵活性：
——把现有载体的负荷降到最小程度，也就是，在不改变潜艇运动模式的情况下（在其不停车的情况下），能够进行发射和回收。
被推荐的机构（装置）必须能够在自动模式下锁定自主式无人潜航器并借助“机械手”或水下缆控机器人将其装入船舱，或者设备本身应当实施进坞和对接程序，这一点对大型设备而言尤为重要。对简化回收过程有影响的因素包括：相对于舷外系统的载体定位；“机器人手”的接近程度；在潜艇相应的航速情况下，能够操作完成设备锁定和回收到规定储存地点的环绕流体动力条件。
自主式无人潜航器能够遂行很多不同的任务。使用它们可大大提高现役潜艇的战斗潜力
五、鱼雷发射管接口目前所使用的533毫米鱼雷发射管（艇艏）具有能够从中型自主式无人潜航器上进行所有必要操作的控制和发射系统。此外，将武器部署在潜艇舱内的支架上可以为潜航器存储和技术维护创造便利条件。不过，对自主式无人潜航器的直径和长度有限制，存在潜航器回收问题，包括锁定潜航器并将其装入鱼雷发射管规程所需要的潜艇停车和悬停航态的问题（最新型核潜艇能够在定位精确到1米的地方悬停）。为此潜艇必须拥有“机械手”或水下缆控机器人。
这方面的成果可以用瑞典SAAB公司开发的新型机器人SUBROV（潜艇遥控无人潜航器）的例子来说明。SUBROV供瑞典海军新一代A26型潜艇使用。它融合了SAAB公司设备家族中的大部分技术。
SUBROV能够：
——对潜艇艇体进行探伤检查或对潜艇周围区域进行侦察，旨在查明障碍物、海底地形、有无水雷等情况；
—实施无线电通信、监视海情与空情；
—进行扫雷；
—将自主式无人潜航器送到潜艇上；
—执行各种秘密任务。
SUBROV可以最大限度地使用潜艇上的现有接口，比如：蓄电池装载接口、设备发射接口。
艇艏大口径通道——瑞典海军A26型潜艇创新项目之一
该型潜艇最重要的性能之一是它的隐身性。不过，潜艇只要处于潜望镜深度，就会升起升降装置，这时的潜艇易受打击。因为其被发现的几率会急剧增加。如果传感器或天线出现在离位于大深度的潜艇几公里的海面上，那么潜艇被发现的风险会大大降低。根据任务、条件和要求，位于潜艇艏端的无线电电子设备和传感器，如同通信天线一样，可以以各种不同的组合形式进行更换和使用。
瑞典海军新一代A26潜艇所实现的另一个创新项目是采用了艇艏大口径通道（多任务端口）。因而，鱼雷舱配备的设备不仅可以发射鱼雷、导弹和水雷，而且还可以释放自主式无人潜航器、水下缆控机器人、传感器、导航器材和蛙人运输器材。使用大口径通道对用户限制较小，可发射大型自主式无人潜航器，同时还可以作为大型闸室，保障蛙人的进出。
六、垂直发射装置这是一种原则上不改变现代潜艇外形，可进行不同有效载荷配置的方法。大直径垂直管道（发射管）在弗吉尼亚级BlockIII攻击型核潜艇上得到了应用。设置在耐压壳体外面的艇艏发射管可以实现没有水和舷外压力影响的干式储存，同时它们被安装在潜艇的流线型体内。垂直上升装置与Mk-8Mod1型湿式战斗蛙人的投送设备一起进行了测试。目前，正在最终确定用于将浮动运载工具转换为水平位置的机构。在模块中这种机构的配置及其安装可能导致放弃在上层舱将干容器（集装箱）放置在特战部队设备的下面。
借助垂直发射装置发射的无人驾驶飞行器的构型方案
在这种配置下，其中一个问题（潜艇普遍存在的）与项目的某些变化及其改型有关。这是艇艏部的特点所决定的，艇艏部有声呐器材天线和升降舵及其传动装置，以及主压载水舱、拖曳和锚泊设备，还有高压空气瓶。此外，在收放潜水器过程中，围壳可能会形成干扰。而将垂直发射装置安排在围壳后方的耐压艇体内，也有不如人意的地方，但问题不太大，而且可以克服。比如，2019年后，在弗吉尼亚级攻击核潜艇上将加装一个舱段，这个舱段有4个垂直发射管，一共可搭载28枚“战斧”对地攻击巡航导弹。
不过，弗吉尼亚级攻击核潜艇上所加装的发射管数量将受到现有条件的限制。比如：重量、储备浮力、潜艇的（纵倾)平衡和压载、机动性和操纵性。
总而言之，考虑到这些大直径发射装置和为新一代攻击型核潜艇改进垂直发射装置而紧张施工的情况，可以预期的是，对大型潜艇来说，垂直发射装置改进工作将会完成并适用于发射和回收几乎所有武器系统。无论如何，这些武器系统在2035-2040年期间将会装备在美国海军的这些潜艇上。这一点可以用与在PLUSNet计划（当今世界上最先进的水下网络计划之一，即美国“近海水下持续监视网”）框架内俄亥俄级弹道导弹潜艇改装成巡航导弹核潜艇有关的发展结果来说明。巡航导弹核潜艇能够在重要地区附近秘密部署和维护网络的能力是它的一个主要优势。很多自主式无人潜航器和固定模块可以大大提高巡航导弹核潜艇监视和实施秘密通信的能力。
在耐压艇体内部的部署可以确保实现在存储时对设备访问的能力。在现代潜艇中的这种垂直发射系统看来可以作为艇体接合的一部分进行改进，甚至可以将单独的发射管组配成模块，比如，美国海军新一代哥伦比亚级战略导弹核潜艇将采用全新研发的四联装“共同弹道导弹发射模块”（CMC），共计四个模块，不再传统的将发射管焊接在艇体上，以便后续可以灵活地换装各型导弹和独立控制各个模块。
SAAB公司研发的SUBROV水下机器人
2039年后可能实现的概念
总之，由于现有潜艇设计特点和现有接口（界面）所导致的限制，在不久的将来，要从潜艇上实现各种类型和各种级别自主式无人潜航器（特别是大型的）的功能将会有一定困难。
一、在潜艇舯部结构区域实现的接口概念
设计者研究了一系列作为潜航器载具的多用途潜艇方案。其中一个构想是潜艇舯部结构，把系统和设备在艇艏和艇艉的配置减到最少。在这种情况下，最大的难题是在潜航器进入耐压艇体和在耐压艇体中移动时的路线设计。这要在潜艇舯部准备一个隔水的用空间，潜水器从这里进出闸室，接着进入可以操作大排水量潜航器的内部舱室。
针对自主式无人潜航器的返回问题研究了一些方案，在这些方案中潜航器将从艉部靠近舯部接口，并在侧面钩住。然后潜航器被推入潜艇，经过坞室进入用于技术维护或存储的舱室。该内部多用途舱室可确保干燥和可操控的环境，目的是：
——存储潜水系统和辅助设备；
——修理和定期技术维护；
——蓄电池充电或燃油补给；
——程序设计并将数据输入到机载控制系统；
——清洗。
内部舱室也可以维护从艇艏部的533毫米鱼雷发射管控制和发射潜航器的系统，分配自己的防护器材。大直径发射井——–LogisticEscapeTrunk(LET)，适用于自主式无人潜航器的装载和移动并与在潜艇整个生命周期内所提供的设备和武器相互配合、协同动作。
潜艇舯部结构区域的辅助装置可以提供足够空间用于潜航器舱外的长期存放，并根据需要随时进入潜航器。此外，辅助装置可以容纳其他系统，比如无人机或机器人，后者可用作设备回收系统，以及舷外救援和返回系统。
舯部结构接口能够快速和轻松地将大型自主式无人潜航器装入潜艇并可为内部存储4个大型自主式无人潜航器提供巨大的空间，还能在潜艇流线型艇体框架内留下相当大的外部自由空间。此外，还可进行诸如给电池组充电、加注燃料、数据录入和程序设计、不让自主式无人潜航器进入潜艇内部等这样的最低程序的技术维护，通过对潜航器的快速维护和发射将会提升潜航器的能力。这本身也会为潜艇的行动提供更大的自由。
舯部结构接口的缺点是会显著增加潜艇的排水量和成本，这是补充结构及其复杂性造成的。
二、艇艉部接口概念
理论上，艇艉部接口应当提供自主式无人潜航器进入艉端的自由入口，也就是潜艇在固定航向上移动时潜航器返回。该装置由多用途艉舱组成，艉舱入口由进出口闸室提供。与舯部结构接口方案相比，为了最大限度地减少空气/水接口的数量、潜艇的成本和排水量，该项目没有设置艇艏武器舱。大部分攻击任务将由配置在内部舱室的自主式无人侦察潜航器来完成。艇艉部署舱室对纵倾平衡有一定好处。不过，中心线上的大型闸室会严重破坏公认的艇艉设备和系统配置标准。艇艉设备和系统包括：
——主压载系统；
——电动尾舵；
——推进器；
——艉端和与之相关的水动力及特征；
——辅助推进器；
——拖曳天线布放和回收系统。
要在艇艉部署大型闸室和内部舱室必须采用与耐用艇体等强度的结构设计，并在该区域部署主压载水舱，因为双壳耐压艇体不是设计时通用的标准。要在艇艉端设置进出闸室必须采用综合全电力推进作为辅助的，基于环形驱动电机的无轴推进器。
该项概念研究在合适设备接口定向和使接口极小化方面有一定的优势，与SSHN舯部结构概念相比，降低了潜艇的尺寸及其成本。缺点是艇艉内的水压流，后者对锁定潜航器产生不利影响。通过在潜航器驶近或在离潜艇一定距离上锁定它时使用辅助推进器，可以减少这种不利的影响。
三、可快速重组的模块化潜艇项目概念研究
可快速重新组合的潜艇比造价昂贵的多用途潜艇具有更广泛的作战能力。它能够通过缩短潜艇退出现役的时间（与多用途潜艇和专用潜艇相比）能确保实现效率最大化。这一点可能通过设计遂行作战任务的系统加以实现，例如易于更换的系统，其技术维护和更新将变得更加简单，成本更加低廉。如果在武器库中（岸上）有额外的相应模块，那么只需将使用期满的或损坏的，或过时的模块替换成新的就足够了，这样一来，可以使潜艇立即返回战斗序列。然后使用过的模块可以在库里进行技术维护或可以返回生产厂家。这种方法可降低成本和提高完成工作的质量，因为修理和技术维护在岸上，也就是要带着拆卸的模块，而不在潜艇上或水面舰艇上完成，在潜艇上或水面舰艇上工作条件受到限制，无法与工厂条件相提并论，工厂里有全套工具、诊断设备和相应的工作台。
有效载荷模块可以大大地延长潜艇的寿命周期，在整个寿命周期确保其高效运转，也就是消除过时的在役武器系统造成的限制。
进行工程分析时最敏感的问题是模块与载体之间的接口。对潜艇系统来说，这个问题显得更为重要，因为接口要在水下环境中连接，并且很可能是无触点的（也就是通过水连接），在连接和断开过程中操作员极少进行干预。
在设计接口时，必须明确下列内容：
1在舱内系统与有效载荷连接的，穿越耐压艇体的转接器（接头）——这个接口对潜艇寿命是至关重要的，因为这是一种破坏耐压艇体完整性的装置；
2结构——设备和工具，借助它们模块被固定到潜艇上，有效载荷可以转移到艇上；
3几何形状——模块的配置和定位，考虑到所有深度的艇体穿孔和载体结构弯曲，与其他系统元件（诸如平衡舱、发射系统）的兼容性；
4有效载荷专用接口。重点关注技术维护、监测和安全；
5供电；
6通信线路；
7避开振动和冲击载荷的系统；
8生命保障系统（如果需要供气的话）。
最近50年潜艇的建筑布局几乎没有变化，但未来这种情况可能会发生根本变化
艇体结构不仅要保障了模块上艇简便易行和技术维护，而且要有利于模块数量和使用类型的增加，这一点很重要。
例如，双体艇可确保明显增加艇体之间的容积，以部署众多的有效载荷，在舷与舷之间没有任何器具和流线型凸肋。不管怎样，标准化模块建造方法可以大大地简化建筑问题的解决方案。解决建筑问题的理想方案是将艇壳与模块完全分离并确保标准模块能够装配到所设计的艇壳上。
因此，有效载荷的研发在很大程度上可以摆脱潜艇设计程序，潜艇可以根据技术准备程度为自己的目录增补新模块。模块化潜艇的理想方案包括耐压艇体、带有极少量舷外附件的各种插座和插头。所有设备（包括固有的潜艇设备，例如：主推进装置、舵、压载系统）可以被设计成可更换的舷外模块。这会对潜艇全寿命周期的技术维护时间和维护成本产生极大的影响。
终极目标是建设一支能力强、成本适中，变化多样和能有效应对作战系统老化的小型舰队。
远期概念（2073年后）从长远来看，核潜艇-载具的外型将具有巨大的舷外储存空间，可以减少接口系统的数量和复杂程度。预计，有效载荷容器（模块）方案应当具有下列功能和使命（由具体设备和武器决定）：
1遂行反潜任务（其中包括使用伸出的声纳天线、发射器和自主式无人潜航器）；
2利用战术和战略导弹实施打击行动；
3能够对付水面舰艇（其中也包括使用自主式无人潜航器）；
4能够探测、监控、数据处理、侦察和通信（还包括使用自主式和遥控式潜航器）；
5完成运送蛙人的一系列行动（包括潜航器和减压舱）；
6实施反水雷战；
7进行水文观察（包括使用自主式无人潜航器）；
8进行海洋观测（各种传感器，其中也包括使用自主式无人潜航器）；
9投放无线电声呐浮标和自主式无人潜航器，以完成网络系统中闸室的角色；
10使用进坞设备，为提升潜艇自持力的蓄电池充电。
概念载艇必须具有标准的壳体、指挥和控制系统、相应的推进装置和有效载荷的位置。
计划如此进行核潜艇-载具结构的设计和布局：能够从码头或位于艇边的运输船上将带有设备的模块放入舱内，旨在接下来实现这些模块与SSHN的上下对接。
通过对国外主要国家潜艇和潜航器的发展情况进行分析，我们可以得出这样的结论：潜航器不仅可以完成反水雷任务，而且可以远离载体实施作战行动，有利于拓展潜艇的打击范围。同时必须指出的是，潜航器也可以从岸上发射，能够完成很多防御任务，其中包括反潜防御任务和对登陆舰实施打击。改进和调整上艇装置是未来的发展方向。目前最大的瓶颈就是533毫米雷发射管和垂直发射装置及其发射控制系统，这自然会激发出一种愿望，那就是使发射和回收设备工作、以及潜航器在干燥和开放的环境中进行技术维护的所有程序得到简化和实现自动化。
对远期概念分析表明，在引入某些有价值理念并通过模块化和大力拓展潜艇可重新配置的外部空间来适应它们的情况下，概念载艇是有一定发展潜力的。不过，在这种情况下，仍然存在着一些悬而未决的问题，比如：确保设备（潜航器）外部储存可接受的持续时间。从潜艇结构研发角度看，下列传统领域将是问题的关键所在：
1概念设计；
2解决质量、浮力、水动力影响、定压载和纵倾平衡、浮力储备等问题的能力；
3建筑结构和布局；
4水密集成化（特别是在进行排水和对接操作过程中）；
5结构设计；
6水动力、艇体线型（艇型）和特征；
7机动和操纵性（尤其是在回收和发射时）。
潜艇上使用潜航器，无疑将会大大提升潜艇的战斗潜力，而这也将会给近50年来变化极小的现有潜艇建筑布局带来翻天覆地的变化。
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