固定翼无人机反潜战概念及典型反潜战载荷

苏金涛 222061江苏自动化研究所,江苏 连云港

Chinese Journal of Ship Research - - Contents -

要:固定翼无人机(UAV)具有成本低、留空时间长、机动性能好、搜索范围广等特点,在反潜战(ASW)领域摘有着广阔的应用前景,但在反潜战的理论和工程实践应用方面才刚刚起步,在作战概念开发、作战流程设计、反潜战载荷集成等方面仍面临一系列挑战。介绍国外固定翼反潜无人机的发展现状,概述固定翼无人机反潜战概念及其承担的反潜战任务,分析固定翼反潜无人机的运行控制,描述“搜攻潜一体化”固定翼无人机典型反潜战载荷的基本组成和功能,结果可为固定翼反潜无人机系统的论证、开发、设计和使用提供借鉴及参考。关键词:舰载无人机;反潜战;作战概念;载荷

ASW concept of fixed-wing UAV and typical load

SU Jintao Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China Abstract:There is broad prospect of the fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle(UAV)in the application of the Anti-Submarine Warfare(ASW)because of its characteristics, such as low cost, long endurance, good maneuverability and wide range of searching. But the ASW theory and engineering practice for the fixed-wing UAV has just started, still facing a series of challenges in the development of the operation concept, the design of the operation process and the integration of the ASW loads. Here we introduce the development of the fixed-wing anti-submarine UAV in foreign countries, summarize the ASW concept and ASW missions of the fixed-wing UAV, analyze the operational control of the fixed-wing anti-submarine UAV, describe the basic composition and functions of the typical ASW loads of the "search-attack-submarine" type fixed-wing UAV, and thus provide reference for the demonstration, development, design and use of the ASW fixed-wing UAV. Key words:ship-based Unmanned Aerial Vehicle(UAV);Anti-Submarine Warfare(ASW);operational concept;load

0引言

自潜艇问世以来,反潜战(ASW)便成为各国海军面临的难题。为此,相继使用了水面舰艇、飞艇、固定翼飞机、直升机、潜艇、声呐监听系统、海底预置武器等与潜艇对抗,但反潜时由于海洋面积大、搜索范围广、反潜装备昂贵以及潜艇声隐身性能不断提升、水下续航力增大、武器杀伤力升级 等因素,对海上作战平台和岸上重要军事、经济设施造成的威胁持续增长。随着无人作战平台技术的发展,武器装备的无人化趋势明显,各国海军的变[1]。未来反潜作战迫切反潜战模式也在发生改需要在更远距离、更广范围、更长时间内,以更低的成本来探测、定位、跟踪及攻击潜艇。美国等国海军已经突破了固定翼无人机(UAV)在大型水面舰艇上的起降、指挥控制及保障等基础性技术问

题[2],成本低、留空时间长、搜索范围广、机动性能好的固定翼无人机逐渐成为各军事大国在反潜装备领域研究的重点。但就当前的发展而言,固定翼无人机应用于反潜战领域的研究尚处于起步阶段,在实际应用于反潜战之前,尚需要克服诸如作战概念开发、与现有反潜战体系交联论证、反潜战载荷设计、任务自主执行能力提升、环境适应性和工作稳定性提高等方面的一系列挑战。

1 国外发展现状

针对固定翼反潜无人机系统,世界各国广泛开展了论证、开发和试验验证工作。其中,美国、英国和阿联酋等国家在研发与应用验证方面走在了前列,比较典型且代表当前发展水平的产品有MQ-9“死神”(Reaper)无人机和阿联酋的美国的40”(United 40)反潜无人机。“联合2017 10年 月,美国海军在一次海上演习中验MQ-9证了 无人机发现潜艇并对其进行持续跟踪的能力。MQ-9 1 3(图[ ]无人机 )由美国通用原子航空系统(GA-ASI)公司生产,针对试验验证需要,在该无人机上加装了声呐浮标信号接收处理设备。在验证中,由舰载直升机布放声呐浮标, MQ-9无人机接收声呐浮标信号,处理后将信号MQ-9发送到数百英里外远离目标区域的 无人机地面控制站[4]。此外,美国超电子(Ultra Electronics) MQ-9公司还为 无人机开发了可携带声呐浮标的特种吊舱,用于该无人机自主布放声呐浮标,使其可以更快速地覆盖更大的海域面积。虽然在此次MQ-9试验中未演示 无人机的攻潜能力,但其展示的搜索、跟踪能力和情报共享能力是美国海军将固定翼无人机纳入其有人/无人协同反潜体系作战的具体体现。 ADCOM 2011阿联酋 系统公司在 年展示了其40”无人机(图2),基于该型无人机,研发的“联合该公司与意大利芬梅卡尼卡集团下属的怀特·阿莱尼亚水下系统(WASS)公司合作,共同研制了一2015型承担反潜作战任务的衍生机型,并于 年首 40”反潜型无人机的全尺寸模次对外展示了“联合40”反潜型无人机的带载能力为1 050 kg,型“。联合可以携带声呐浮标和轻型鱼雷,在布放声呐浮标1后,仍可携带 枚轻型鱼雷继续在任务区域巡航16h 40”反潜型无人机可协同工作,。多架“联合针对某个探测区域共同布放声呐浮标,直接处理和分析声呐浮标接收到的声音信息,然后根据作5]。战需要通过数据链在协同作战平台间分发[ ADCOM 40”反潜型无人系统公司还设想将“联合机作为专用反潜武器投放平台,将轻型鱼雷投放到目标威胁区域,使有人反潜平台保持在潜艇危2015 40”反潜型险区域之外,并于 年完成了“联合无人机投放声呐浮标和轻型鱼雷的相关试验验证。 此外,英国、加拿大等国家也开展了固定翼反2012潜无人机系统的研究。早在 年,英国国防部就开始寻求研制新一代海上反潜无人机,该无人机将具备侦察及携带反潜导弹攻击潜艇的能力。TD100加拿大利用 无人机,通过磁力计等传感器探测了水下潜艇目标,在陆地和海上开展了多次相关试验[7]。综合国外固定翼反潜无人机及其他无人反潜作战平台的发展现状,可以预测,在今后一段时期内,固定翼反潜无人机系统将向长航时探潜、“搜攻潜一体化”、自主反潜作战的方向发展。

2 固定翼无人机反潜战概念 2.1 概念描述

固定翼无人机反潜战与水面舰艇、固定翼反潜机、潜艇等传统反潜战具有相似的基本特征,即在反潜作战体系的统一指挥控制下,利用自身携带的探潜装备和攻潜武器,对潜艇等水下目标实施搜索和攻击。但固定翼无人机的自身特点决定了它与传统平台的反潜战有着不同之处,主要体现在集群或与其他系统的协同作战、自主作战、搜攻一体等方面。

首先,虽然固定翼反潜无人机系统可以单独完成反潜作战任务,但囿于目前的带载能力,一架固定翼无人机难以有效实现反潜作战的目的,不过固定翼无人机系统成本低,可以组成大机群实施反潜作战。美国、英国、阿联酋等国固定翼无人机的反潜应用验证表明,固定翼无人机作为反潜作战体系中的组成部分,集群作战和与其他反潜系统的强交联是其本身固有的属性。其次,由于成本低,固定翼反潜无人机系统可以对作战海域保持大范围、长时间的有效控制,故相比于其他反潜兵力,无人机有着明显的优势。为了实现低成本、大范围、长航时的系统特点,固定翼反潜无人机需要具备一定的自主作战能力,使其能在作战过程中自主完成协同控制、任务规划、飞行控制、情报分析、载荷控制和故障诊断处理等一系列工作,以减少对通信和控制端的过分依赖。最后,潜艇、无人潜航器等水下目标以隐身见长,若固定翼无人机探测到水下目标后再进行反潜火力召唤,将使水下目标有了逃脱的窗口期。对于固定翼无人机反潜作战而言,搜攻一体尤其具有战术意义。固定翼无人机在携带攻潜武器或潜艇对抗器材的情况下,可实现对潜艇等时敏类目标的“察打一体”和“发现即打击”,因此,武器化是固定翼反潜无人机的基本特点。基于以上分析,固定翼反潜无人机系统的作战概念可以归纳为:固定翼反潜无人机系统采取航母或岸基部署,集群协同并与其他反潜作战系统强交联,一定程度上可自主地在作战海域长时间留空和布放探潜器材及攻潜武器,收集反潜战场信息,搜索、跟踪和攻击潜艇。3 4图 和图 所示分别为固定翼无人机系统在舰载和岸基情况下的反潜作战概念图。

2.2 任务定义

在固定翼反潜无人机系统反潜战概念的基础上,结合固定翼无人机平台和反潜战载荷的技术现状,目前及今后一段时间内,其反潜战任务可具体定义如下: 1)潜艇等水下目标信息收集和分发。由反潜作战体系中其他兵力(例如,反潜机、反潜直升机等)布放声呐浮标,利用固定翼反潜无人机(群)可长时间留空的特点,实施声呐浮标探测信息的收集和处理,并将信息分发至反潜作战指挥控制中心及其他反潜作战平台。2)探潜器材布放和潜艇等水下目标信息收集。固定翼反潜无人机(群)可长时间留空,自身携带有声呐浮标,可根据反潜作战指挥控制中心的指令或自主地在既定海域布放浮标,并收集和处理浮标探测信息,然后将信息分发至反潜作战指挥控制中心和其他反潜作战平台。3)探潜器材和反潜武器投放。固定翼反潜无人机(群)携带深弹、轻型鱼雷、诱饵等攻潜武器或对抗器材,根据反潜作战指挥控制中心的指令,或根据自身布放的声呐浮标探测的潜艇目标信息,投放攻潜武器或对抗器材,协同对既定目标实施驱离、攻击或干扰、欺骗。

2.3 运行控制

5个固定翼无人机的反潜作战过程一般分为阶段,即离场、巡航(前往作战海域)、搜攻潜作业、5巡航(返回基地)、进场。图 所示为固定翼无人机反潜作战的典型飞行剖面。当固定翼无人机具有足够的航程余量、探潜器材或攻潜武器余量时,还会根据反潜战的需要转场,即从一个作战区域转移至下一个作战区域继续遂行反潜作战任务。固定翼无人机的离场和进场与其他固定翼飞机基

本相同。巡航阶段和搜攻潜作业阶段中的转场需根据作战海域己方的防空情况区别对待,必要时,可以采用规避或突防战术。在搜攻潜作业阶段,需要根据探潜器材和反潜武器的使用要求,保持一定的飞行姿态、高度和航速。由于不用担心人员伤亡,可以保持在较低的飞行高度,因此有利于探潜器材和反潜武器的使用。 当固定翼反潜无人机跟随编队反潜时,其主要承担远程反潜作战任务。按照世界范围内航母编队或两栖编队反潜防御圈的一般设定原则[8], 300 km。当固定翼无人机反潜作战半径至少需要固定翼反潜无人机基于岸基反潜时,理论上其作战半径越大越好,但受固定翼无人机飞行特性、携油带载能力和作业飞行要求等方面的限制,其作战半径设计应综合考虑各方面的因素。反潜作战不仅是反潜装备与潜艇目标的较量,也是反潜装备与时间的较量,保持对作战海域大范围、长时间的有效控制是取得反潜作战最终胜利的关键。考虑到声呐浮标的最大有效工作时间一般能达到15h 9],搜以上[ 潜时声呐浮标布放区域视情一般AIP可达上千平方公里,可覆盖经济航速下 潜艇数小时的机动范围[10],因此,固定翼反潜无人机在作战海域的作业时间还需要不断延长。传统反潜机或其他有人反潜作战平台的控制过程,是典型的强“人在回路”控制,系统与操作人员之间直接的、不间断的、实时的交互是反潜作战过程实现的前提条件。无人在现场、作战环境下的不确定性和反潜任务的复杂性等因素决定了固定翼反潜无人机系统控制是一项具有挑战性的技3 4术难题。如图 和图 所示,固定翼反潜无人机系统不仅包含固定翼无人机本身,还包含舰载或岸基指挥控制部分、保障部分等,因而系统控制过程就涉及到了无人作战系统人机融合的问题。从 “人+机器”的大系统角度看,固定翼反潜无人机控制是特殊的“人在回路中”或“人在回路上”的控制6方式,如图 所示。固定翼反潜无人机系统的控制有别于反潜机和其他有人反潜作战平台控制的最主要的标志是“人在回路中(上),不在机上” [11]。 随着固定翼反潜无人机自主能力的变化,其与舰载/岸基控制站在“大系统”中承担的任务也相应发生了变化。当固定翼反潜无人机自主化水平高时,一般由无人机自主完成反潜任务规划、集群协同控制、飞行控制和载荷控制等工作,舰载/岸基控制站仅起到“大系统”的运行监督作用,必要时辅助无人机决策,“大系统”所需的通信带宽载/岸基控制站小,控制站工作量小,可以实现舰对固定翼反潜无人机集群的控制;当固定翼反潜无人机自主化水平低时,“大系统”的反潜任务规划、集群协同控制一般由舰载/岸基控制站完成,无人机仅负责飞行控制和载荷控制,“大系统”所需的通信带宽大,控制站工作量大,对无人机集群的控制需要多舰载/岸基控制站完成。随着无人机系统智能化控制水平的提高,舰载/岸基控制站对无人机的控制逐渐变少,其工作模式已开始从遥控向自主化方向发展,并不断取得进展。

3 固定翼无人机反潜战载荷

反潜战载荷是固定翼反潜无人机遂行搜攻潜任务中最重要的组成部分。目前,可应用于固定翼无人机的搜潜器材主要包括对海雷达、光电探测仪、声呐浮标和磁异探测仪等;可应用于固定翼无人机的攻潜武器主要包括航空深弹和鱼雷。大型岸基固定翼无人机能够携带较多的搜攻潜设备,对反潜战载荷重量敏感度较低,而中、小型岸基无人机和舰载固定翼无人机一般都对反潜战载荷的重量较为敏感。因此,固定翼无人机的反潜战载荷应遵循模块化设计理念,采用“搭积木”的

方式构建,并且,根据固定翼无人机反潜任务的不同,应能够敏捷地构建反潜战载荷,以及便捷地将 2固定翼无人机典型的反潜战载荷包括 个部分:机上反潜任务系统和舰载/岸基反潜任务遥控台。机上反潜任务系统由反潜战术任务单元、悬挂物管理单元、声呐浮标信号接收处理单元、雷达、光电、挂架、声呐浮标、深弹/鱼雷武器组成。其中反潜战术任务单元主要完成固定翼无人机反潜战术计算及浮标、鱼雷/深弹投放参数计算和投放控制,以及雷达、光电搜索区域计算及控制等功能;悬挂管理单元主要完成浮标、鱼雷、深弹、雷达和光电的状态管理及控制;浮标信号接收处理单元主要完成布放的浮标信号接收及接收信号的处理,以供反潜战术任务单元战术计算使用;雷达和光电设备主要完成对潜望镜状态或海面航行潜艇的搜索、探测和跟踪;挂架主要完成浮标、鱼雷、深弹的挂载和投放;声呐浮标布放后,主要完成作战海域水文环境测量和潜艇目标测量;深弹和鱼雷主要用于对捕获的潜艇目标进行攻击,深弹和鱼雷均应采用小口径、轻量化、自导化设计,以提高固定翼无人机携带的便利性和对潜攻击的有效性。舰载/岸基反潜任务遥控台主要完成舰载/岸基控制系统操作人员在无人机反潜任务控制环路中的控制,或操作人员在反潜任务控制环路上的控制功能。

4结语

无人化反潜作战是各国反潜部队追求的方向,固定翼反潜无人机系统因其特有的优势,必将在反潜战态势感知和对潜直接作战中发挥不可或 7反潜战载荷集成到无人机平台上。图 所示为典型的搜攻一体固定翼无人机反潜战载荷。 缺的作用,成为构建未来有人/无人多系统协同反潜作战体系的重要组成部分。固定翼无人机反潜理论和工程实践才刚刚开始,不仅涉及反潜战模式的定义,还牵涉到作战使用、装备实现等多个方面的挑战,这也是后续需开展深入研究的内容。

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2 40”无人机[6]图 “联合Fig.2 The United 40 UAV[6]

1图Fig.1 MQ-9无人机[3] The MQ-9 UAV[3]

图3 舰载固定翼无人机反潜战概念Fig.3 The shipborne ASW concept of fixed-wing UAV

图4 岸基固定翼无人机反潜战概念Fig.4 The shore-based ASW concept of the fixed-wing UAV

图5 固定翼无人机反潜作战的典型飞行剖面Fig. 5 The typical flight profile for ASW of the fixed-wing UAV

固定翼无人机平台控制 固定翼无人机反潜任务控制舰载/岸基控制站图6 固定翼反潜无人机系统控制方式Fig.6 The control method for the ASW fixed-wing UAV

图7 固定翼无人机典型反潜战载荷示意图Fig.7 A typical configuration for ASW loads of the fixed-wing UAV

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