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DARPA引領無人水下航行器電源技術的進步

作者:小編2021-07-04 16:22:46

海軍的潛艇艦隊和水下戰專家是構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中取得優勢的下一個前沿。

海軍水下戰的創新面向域控制,其中包括兩個重要的發展領域。正如ONR全頻譜水下戰(FSUSW)計劃中所述,首先是作戰效能的提高,其次是檢測能力的提升。

一、UUV的供電技術

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


“蝠鲼”UUV

DARPA及其合作伙伴目前正在研發的技術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將無法為任務完成提供足夠的續航能力?!毕冗M的UUV電源技術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,最新技術有望在發射最小能量密度聲波情況下實現,以避免被敵方傳感器探測到。

二、混合燃料電池解決方案

ONR提議用燃料電池或燃燒技術來替代傳統電池。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中,氫燃料電池由傳統電池支持。氫燃料電池將使用聚合物電解質膜(PEM)技術,其中陰極和陽極的組合將氫分子的質子和電子分開,PEM迫使電子通過電路來發電。根據Lynntech公布的研究,較小的傳統電池將根據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>

三、有效載荷和有效載荷運載系統

除了增強型電力系統外,FSUSW追求更高效能的另一種方式是通過創新海軍原型(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。

“有效載荷”可能指的是武器、UUV,甚至是監視或傳感器設備。根據ONR將現有的和新開發的硬件和軟件相結合的戰略,先進的有效載荷運載系統將與現有的或同時開發的UUV集成在一起。在過去的十年中,將新的有效載荷運載系統與海底艦艇上的現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絡的指揮和控制系統,以促進艦艇和各種有效載荷之間的通信,FPM技術代表了有效載荷集成的一種新模式。

四、通信

正如FPM所展示的,有效載荷交付的一個關鍵組成部分是通信。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換為另一種形式的設備,并充當空中和海底系統之間的節點。在接收節點,數據流從電信號轉換成聲信號,數據經過放大、調制,然后解碼。在發送節點,轉換序列與此相反。

海底通信一直是一個持續的挑戰,尤其是海底湍流、內波、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研究所的Sara Pensieri和Roberto Bozzano在《水下聲學》中發表文章認為,動蕩的海洋環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的一個主要因素。他們描述了晝夜循環、季節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,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這種一致性的方法,特別是通過遠程和低速通信技術的實驗,以及增加與其他觀測、通信和有效載荷運載系統的集成。

五、SonoFlash聲納浮標

該領域的一項最新進展是泰雷茲公司開發的聲納浮標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和多靜態反潛戰能力。SonoFlash的聲學創新使其具有主動和被動聲納功能。被動聲學設備“收聽”并記錄聲壓級(SPL),然后可用于計算空間數據和地理數據。


SonoFlash聲納浮標

主動聲學信號設備以特定頻率發射信號,然后量化聲波傳播以及從障礙物反射時產生的數據。泰雷茲公司水下系統副總裁解釋說:“海軍將重新思考其方法和作戰概念。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譜水下戰的一個組成部分,SonoFlash將作為跨平臺通信系統的一個不可或缺的節點,應用于諸如近海水下持續監視網絡(PLUSNet)系統中。PLUSNet是另一項創新,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建聲學和RF網關信號網絡,這些信號持續對環境情況進行報告,并能夠適應戰術和環境的變化。

六、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,再加上技術進步,使得潛艇能夠避免被發現。

然而,隨著雷達和監視技術變得更加先進,保密也變得更加困難。據防務制造商斯巴頓(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,傳感系統必須在幾天內秘密部署,運行幾周到幾個月,并適應現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?!边@就是為什么海軍最新的海底計劃既要側重于提高探測能力,又要側重于利用自己的海底艦艇和平臺規避探測。

改進的聲學技術有望提升探測能力,該技術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通過某一點的壓力波數量的度量。根據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。

七、磁異常探測器

另一項有助于提高海底能見度的技術是磁異常探測器(MAD)。這些設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,美國正在開發一種可以從P-8A飛機上部署的設備。


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