水下充电站:美国海军无人潜航器的"加油站"

2021-04-09 13:31    来源:中国舰船研究

为解决无人潜航器长期部署和隐蔽作战所面临的能源供应不足、通信难等问题,美国海军正积极研发水下充电站,为无人潜航器充电,获取其情报数据,并下达任务指令。水下充电站还兼具基站作用,可与舰船、飞机等有人平台通信。目前,美国海军已经完成3.5千瓦样机演示,验证了水下发电、储能、水下通信等关键技术。未来,水下充电站将大幅延长无人潜航器部署时间、拓展部署范围,对现有水下战样式产生重要影响。

一、基本情况

无人潜航器是未来水下战的重要构成部分,美国海军已经设想了集群作战、与无人机跨域协同、与潜艇构建无人机编组等多种作战概念。目前无人潜航器多以可充电电池为能源,续航力仅数天甚至数小时,严重限制了无人潜航器的部署范围和机动性。为此,美国海军提出在无人潜航器执行任务的间隙,利用水下充电站充电。2015年,美国海军启动了一项名为 “前沿部署能源与通信基地”的样机研制项目,计划在约3000米深的海底布设一定数量的水下充电站,可绵延数百千米,使用寿命超过20年。

图1 “前沿部署能源与通信基地”(FDECO)项目构想

水下充电站可由潜艇等布放,在水下数百至数千米预置部署,用潜艇或无人潜航器隐蔽补充能源;为无人潜航器充电、下载其情监侦数据、下达任务指令,并通过中继平台与舰艇、飞机等有人平台通信,反馈情报信息并接收指令。水下充电站的关键技术包括水下发电技术、储能技术、水下通信技术。美国海军水下充电站采用燃料电池发电、铝水储能,试验了对无人潜航器的水声通信对接方案,正在探索利用浮标、滑翔式潜航器等对舰艇、飞机的通信技术。

二、主要进展

(一)开展早期技术探索

美国海军早在2004年就提出了发展水下充电站的想法,随后10年间开展了多项技术探索工作。美国海军空间与海战系统司令部2009年开始研发名为“水下电枢”的样机,2011年利用“金枪鱼”-12无人潜航器完成海试,2014年用样机为“金枪鱼”-12无人潜航器进行了4~6小时的充电和数据传输试验。2015年6月,美国海军海上系统司令部卡迪洛克分部使用直径约12英寸的中型试验无人潜航器进行了水下充电试验,功率约2千瓦。

(二)验证3.5千瓦燃料电池发电技术

美海军已组织完成3.5千瓦样机的水下演示验证,验证了水下充电站的燃料电池发电技术。2018年8月,泰莱达能源系统公司在美海军组织的“先进海军技术演习”中完成 “水下悬浮充电节点”样机水下演示验证,成功利用“水下悬浮充电节点”样机在水深7米的环境下为SeaBotix LBV300-5遥控无人潜航器充电。水下充电站总重3370千克,尺寸为3.7米×1.5米×1.2米。试验针对燃料电池发电技术,验证了反应物被动喷射、被动水管理、耐压设计等核心技术。燃料电池使用70兆帕氢气和氧气储存罐,能耐受水下数千米的压力。

图2 左为“水下悬浮充电节点”模型,右为燃料电池系统结构

(三)试验铝水反应储能技术

为解决水下充电站的长期可部署问题,美海军试验了铝水反应储能技术,为燃料电池发电系统提供氢气。2019年3月,通用原子电磁系统公司将其此前研发出的铝动力系统(ALPS)集成至泰莱达公司的燃料电池系统,其中铝动力系统用于产生氢气和氧气,输送至燃料电池发电后,驱动了试验罐设施中的遥控潜航器。铝动力系统使用铝水反应制备氢气,能提供同类电池10倍的能量输出,具有保存期限长、安全性好、比能高等优点。通用原子电磁系统公司表示,演示期间收集的结果和数据将用于继续测试和优化铝动力系统,以满足未来水下平台的能源需求。

(四)探索声光射频等多种通信技术

美国海军已试验了水下充电站与无人潜航器的水声通信对接技术,正在探索与舰艇、飞机、卫星的声、光、射频等多种通信技术。泰莱达能源系统公司的“水下悬浮充电节点”样机使用ATM-900系列声学调制解调器与无人潜航器通信,引导对接,传输距离约2~6千米。扩展网络技术公司已研制出水下能源与信息交互网络模拟器,着重考虑水下充电站与无人机、岸上指控中心、水面舰、潜艇等平台的通信问题,探索了光纤通信、卫星通信、甚低频通信、视距射频通信、自由空间光通信等通信技术。

三、能力分析

(一)可实现隐蔽式预置部署

水下充电站体积较小,难被现有探测设备发现,可长期潜伏在较深位置,为无人潜航器提供充电、通信等服务。水下充电站必要时才与舰艇、飞机等通信,通信频率不固定,隐蔽性较高。此外,若干水下充电站可提前布设在冲突水域,即使个别节点被破坏,也不影响整个网络的运行,持续发挥效力。

(二)可扩大无人潜航器部署范围

无人潜航器由于能源有限,潜伏时间不长,一项任务结束后需要及时回收,以避免动力耗尽后失联,基本无法依靠自身动力远距离潜入敌防区。水下充电站可在全球海底广泛部署,形成水下网络,将无人潜航器水下待机时间延长至数月、甚至数年,使其隐蔽航行数百千米,改变无人潜航器当前仅能工作数天的局面,为其执行任务后提供足够的返航动力,提高部署灵活性、任务成功率,扩大部署范围。

(三)可解决无人潜航器通信难题

水下充电站具备数据存储、通信功能,可作为水下数据交互节点,发挥类似基站的效果。一方面,可为无人潜航器充电的同时获取其情监侦数据,传输至有人平台指控中心;另一方面能获取指控中心下达的指令,为无人潜航器的下一步部署做准备。这种方式能大幅提高无人潜航器数据传输效率,极大促进无人潜航器实战化应用。

(蓝海星)