DARPA引領(lǐng)無人水下航行器（UUV）電源技術(shù)的進步

海軍的潛艇艦隊和水下戰(zhàn)專家是構(gòu)成深海和海底探索精英小組的重要組成部分。海底和深海是地球上被探索最少的地方，這是美國海軍研究辦公室（ONR）成員目前尋求在水下戰(zhàn)中取得優(yōu)勢的下一個前沿。 海軍水下戰(zhàn)的創(chuàng)新面向域控制，其中包括兩個重要的發(fā)展領(lǐng)域。正如ONR全頻譜水下戰(zhàn)（FSUSW）計劃中所述，首先是作戰(zhàn)效能的提高，其次是檢測能力的提升。

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UUV的供電技術(shù)

提高任何水下平臺能力的關(guān)鍵是推進其供電技術(shù)研發(fā)。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）是領(lǐng)導開發(fā)無人水下航行器（UUV）新電源硬件的機構(gòu)之一。

“蝠鲼”UUV

DARPA及其合作伙伴目前正在研發(fā)的技術(shù)將不再依賴高密度電池，也不會使用核能。DARPA與ONR在該課題的合作出版物中解釋說，“當前和未來海軍的UUV任務配置范圍更廣，需要更持久的隱形推進系統(tǒng)將當前10-40小時的能力延長到幾天或幾周。僅基于高能量密度電池的當前配置和未來預期技術(shù)將無法為任務完成提供足夠的續(xù)航能力?！毕冗M的UUV電源技術(shù)能夠以最大功率運行長達4小時，并在理想條件下運行1680小時。與此同時，最新技術(shù)有望在發(fā)射最小能量密度聲波情況下實現(xiàn)，以避免被敵方傳感器探測到。

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混合燃料電池解決方案

ONR提議用燃料電池或燃燒技術(shù)來替代傳統(tǒng)電池。林泰克（Lynntech）公司贊助的一項案例研究也表明，混合燃料電池解決方案是一個可行的選項。

在混合燃料電池系統(tǒng)中，氫燃料電池由傳統(tǒng)電池支持。氫燃料電池將使用聚合物電解質(zhì)膜（PEM）技術(shù)，其中陰極和陽極的組合將氫分子的質(zhì)子和電子分開，PEM迫使電子通過電路來發(fā)電。根據(jù)Lynntech公布的研究，較小的傳統(tǒng)電池將根據(jù)有效載荷大小的需要提供補充電力。與此同時，氫燃料電池將“以穩(wěn)定的速率為基本負載供電，并在低電量間隔期間為小型電池充電?！?/p>

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有效載荷和有效載荷運載系統(tǒng)

除了增強型電力系統(tǒng)外，F(xiàn)SUSW追求更高效能的另一種方式是通過創(chuàng)新海軍原型（INP）計劃的3個2021財年項目，其中的重點項目是有效載荷和有效載荷運載系統(tǒng)。

“有效載荷”可能指的是武器、UUV，甚至是監(jiān)視或傳感器設(shè)備。根據(jù)ONR將現(xiàn)有的和新開發(fā)的硬件和軟件相結(jié)合的戰(zhàn)略，先進的有效載荷運載系統(tǒng)將與現(xiàn)有的或同時開發(fā)的UUV集成在一起。在過去的十年中，將新的有效載荷運載系統(tǒng)與海底艦艇上的現(xiàn)有軟件集成在一起的重要一步是引入了靈活有效載荷模塊（FPM）。FPM方法使用一種新的基于網(wǎng)絡(luò)的指揮和控制系統(tǒng)，以促進艦艇和各種有效載荷之間的通信，F(xiàn)PM技術(shù)代表了有效載荷集成的一種新模式。

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通信

正如FPM所展示的，有效載荷交付的一個關(guān)鍵組成部分是通信。用于水下艦艇（包括UUV和潛艇）和空中支援之間傳輸信息的主要機制是通過聲學通信來完成。聲學信號路徑包括水、海床和海洋表面。在海面上，聲納浮標通常被用作換能器，或作為將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的設(shè)備，并充當空中和海底系統(tǒng)之間的節(jié)點。在接收節(jié)點，數(shù)據(jù)流從電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、調(diào)制，然后解碼。在發(fā)送節(jié)點，轉(zhuǎn)換序列與此相反。

海底通信一直是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)，尤其是海底湍流、內(nèi)波、變化的水團、不平坦的海床和自然的海洋噪音都會對聲波傳輸造成干擾。然而，意大利國家研究委員會智能系統(tǒng)研究所的Sara Pensieri和Roberto Bozzano在《水下聲學》中發(fā)表文章認為，動蕩的海洋環(huán)境也可以支持和增強水下聲學通信。例如，海洋分成不同的層也是聲學傳輸?shù)囊粋€主要因素。他們描述了晝夜循環(huán)、季節(jié)和天氣條件如何影響海洋溫度，進而導致分層。在較冷的季節(jié)，表層水變得較冷并下沉，使得較暖的水能夠到達表層。這種水團的交換產(chǎn)生了一個“混合層”，在這個混合層中，溫度某種程度上是恒定的，均勻的溫度區(qū)域可形成固定的聲速，使得聲學傳輸強度更加一致。

目前的聲學和其他海底通信研究考察了在任何條件下實現(xiàn)這種一致性的方法，特別是通過遠程和低速通信技術(shù)的實驗，以及增加與其他觀測、通信和有效載荷運載系統(tǒng)的集成。

5SonoFlash聲納浮標

該領(lǐng)域的一項最新進展是泰雷茲公司開發(fā)的聲納浮標SonoFlash。SonoFlash代表了下一代基于浮標的海底通信，因為它具有先進的聲學技術(shù)和多靜態(tài)反潛戰(zhàn)能力。SonoFlash的聲學創(chuàng)新使其具有主動和被動聲納功能。被動聲學設(shè)備“收聽”并記錄聲壓級（SPL），然后可用于計算空間數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)。

SonoFlash聲納浮標

主動聲學信號設(shè)備以特定頻率發(fā)射信號，然后量化聲波傳播以及從障礙物反射時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。泰雷茲公司水下系統(tǒng)副總裁解釋說：“海軍將重新思考其方法和作戰(zhàn)概念。此外，泰雷斯公司為SonoFlash選擇了3到4KHz之間的低頻……這為最終用戶提供了很大的檢測范圍?！弊鳛槿l譜水下戰(zhàn)的一個組成部分，SonoFlash將作為跨平臺通信系統(tǒng)的一個不可或缺的節(jié)點，應用于諸如近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)（PLUSNet）系統(tǒng)中。PLUSNet是另一項創(chuàng)新，旨在增加和增強海底控制所需的探測和通信能力。PLUSNet基于分布式傳感器領(lǐng)域的理念。它采用移動傳感器，如UUV和無人機（AUV），以及Sonobouys這樣的固定傳感器來創(chuàng)建聲學和RF網(wǎng)關(guān)信號網(wǎng)絡(luò)，這些信號持續(xù)對環(huán)境情況進行報告，并能夠適應戰(zhàn)術(shù)和環(huán)境的變化。

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檢測能力

與通信齊頭并進的探測能力是海底域控制的另一個重要組成部分。從20世紀40年代開始，海洋的浩瀚和幾乎不可穿透，再加上技術(shù)進步，使得潛艇能夠避免被發(fā)現(xiàn)。

然而，隨著雷達和監(jiān)視技術(shù)變得更加先進，保密也變得更加困難。據(jù)防務制造商斯巴頓（Sparton）估計，目前至少有41個國家正在使用潛艇。

正如ONR和華盛頓大學的合作者所寫的那樣，“為了應對安靜的海底威脅，傳感系統(tǒng)必須在幾天內(nèi)秘密部署，運行幾周到幾個月，并適應現(xiàn)場條件以提供與載人平臺相媲美的檢測、分類、定位、跟蹤和移交切換能力。”這就是為什么海軍最新的海底計劃既要側(cè)重于提高探測能力，又要側(cè)重于利用自己的海底艦艇和平臺規(guī)避探測。

改進的聲學技術(shù)有望提升探測能力，該技術(shù)使用較低的頻率工作，這也是SonoFlash聲納浮標的特點。簡而言之，頻率是對在給定時間內(nèi)通過某一點的壓力波數(shù)量的度量。根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的說法，低頻信號傳播得更遠，因為隨著聲波的移動，它們在周圍環(huán)境中損失的能量比高頻波少，從而使它們能夠傳播更遠的距離。因此，SonoFlash的低頻傳輸增強了用戶檢測能力，即因為傳輸范圍更遠，增加了檢測到外來實體的機會。

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磁異常探測器

另一項有助于提高海底能見度的技術(shù)是磁異常探測器（MAD）。這些設(shè)備能夠探測到地球磁場的微小變化，例如由敵方潛艇船體的鐵磁材料引起的變化。據(jù)華盛頓總部服務采購局稱，MAD可以從無人機上部署，截至2019年，美國正在開發(fā)一種可以從P-8A飛機上部署的設(shè)備。

審核編輯 ：李倩