DARPA引领无人水下航行器（UUV）电源技术的进步

海军的潜艇舰队和水下战专家是构成深海和海底探索精英小组的重要组成部分。海底和深海是地球上被探索最少的地方，这是美国海军研究办公室（ONR）成员目前寻求在水下战中取得优势的下一个前沿。 海军水下战的创新面向域控制，其中包括两个重要的发展领域。正如ONR全频谱水下战（FSUSW）计划中所述，首先是作战效能的提高，其次是检测能力的提升。

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UUV的供电技术

提高任何水下平台能力的关键是推进其供电技术研发。美国国防部高级研究计划局（DARPA）是领导开发无人水下航行器（UUV）新电源硬件的机构之一。

“蝠鲼”UUV

DARPA及其合作伙伴目前正在研发的技术将不再依赖高密度电池，也不会使用核能。DARPA与ONR在该课题的合作出版物中解释说，“当前和未来海军的UUV任务配置范围更广，需要更持久的隐形推进系统将当前10-40小时的能力延长到几天或几周。仅基于高能量密度电池的当前配置和未来预期技术将无法为任务完成提供足够的续航能力。”先进的UUV电源技术能够以最大功率运行长达4小时，并在理想条件下运行1680小时。与此同时，最新技术有望在发射最小能量密度声波情况下实现，以避免被敌方传感器探测到。

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混合燃料电池解决方案

ONR提议用燃料电池或燃烧技术来替代传统电池。林泰克（Lynntech）公司赞助的一项案例研究也表明，混合燃料电池解决方案是一个可行的选项。

在混合燃料电池系统中，氢燃料电池由传统电池支持。氢燃料电池将使用聚合物电解质膜（PEM）技术，其中阴极和阳极的组合将氢分子的质子和电子分开，PEM迫使电子通过电路来发电。根据Lynntech公布的研究，较小的传统电池将根据有效载荷大小的需要提供补充电力。与此同时，氢燃料电池将“以稳定的速率为基本负载供电，并在低电量间隔期间为小型电池充电。”

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有效载荷和有效载荷运载系统

除了增强型电力系统外，FSUSW追求更高效能的另一种方式是通过创新海军原型（INP）计划的3个2021财年项目，其中的重点项目是有效载荷和有效载荷运载系统。

“有效载荷”可能指的是武器、UUV，甚至是监视或传感器设备。根据ONR将现有的和新开发的硬件和软件相结合的战略，先进的有效载荷运载系统将与现有的或同时开发的UUV集成在一起。在过去的十年中，将新的有效载荷运载系统与海底舰艇上的现有软件集成在一起的重要一步是引入了灵活有效载荷模块（FPM）。FPM方法使用一种新的基于网络的指挥和控制系统，以促进舰艇和各种有效载荷之间的通信，FPM技术代表了有效载荷集成的一种新模式。

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通信

正如FPM所展示的，有效载荷交付的一个关键组成部分是通信。用于水下舰艇（包括UUV和潜艇）和空中支援之间传输信息的主要机制是通过声学通信来完成。声学信号路径包括水、海床和海洋表面。在海面上，声纳浮标通常被用作换能器，或作为将能量从一种形式转换为另一种形式的设备，并充当空中和海底系统之间的节点。在接收节点，数据流从电信号转换成声信号，数据经过放大、调制，然后解码。在发送节点，转换序列与此相反。

海底通信一直是一个持续的挑战，尤其是海底湍流、内波、变化的水团、不平坦的海床和自然的海洋噪音都会对声波传输造成干扰。然而，意大利国家研究委员会智能系统研究所的Sara Pensieri和Roberto Bozzano在《水下声学》中发表文章认为，动荡的海洋环境也可以支持和增强水下声学通信。例如，海洋分成不同的层也是声学传输的一个主要因素。他们描述了昼夜循环、季节和天气条件如何影响海洋温度，进而导致分层。在较冷的季节，表层水变得较冷并下沉，使得较暖的水能够到达表层。这种水团的交换产生了一个“混合层”，在这个混合层中，温度某种程度上是恒定的，均匀的温度区域可形成固定的声速，使得声学传输强度更加一致。

目前的声学和其他海底通信研究考察了在任何条件下实现这种一致性的方法，特别是通过远程和低速通信技术的实验，以及增加与其他观测、通信和有效载荷运载系统的集成。

5SonoFlash声纳浮标

该领域的一项最新进展是泰雷兹公司开发的声纳浮标SonoFlash。SonoFlash代表了下一代基于浮标的海底通信，因为它具有先进的声学技术和多静态反潜战能力。SonoFlash的声学创新使其具有主动和被动声纳功能。被动声学设备“收听”并记录声压级（SPL），然后可用于计算空间数据和地理数据。

SonoFlash声纳浮标

主动声学信号设备以特定频率发射信号，然后量化声波传播以及从障碍物反射时产生的数据。泰雷兹公司水下系统副总裁解释说：“海军将重新思考其方法和作战概念。此外，泰雷斯公司为SonoFlash选择了3到4KHz之间的低频……这为最终用户提供了很大的检测范围。”作为全频谱水下战的一个组成部分，SonoFlash将作为跨平台通信系统的一个不可或缺的节点，应用于诸如近海水下持续监视网络（PLUSNet）系统中。PLUSNet是另一项创新，旨在增加和增强海底控制所需的探测和通信能力。PLUSNet基于分布式传感器领域的理念。它采用移动传感器，如UUV和无人机（AUV），以及Sonobouys这样的固定传感器来创建声学和RF网关信号网络，这些信号持续对环境情况进行报告，并能够适应战术和环境的变化。

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检测能力

与通信齐头并进的探测能力是海底域控制的另一个重要组成部分。从20世纪40年代开始，海洋的浩瀚和几乎不可穿透，再加上技术进步，使得潜艇能够避免被发现。

然而，随着雷达和监视技术变得更加先进，保密也变得更加困难。据防务制造商斯巴顿（Sparton）估计，目前至少有41个国家正在使用潜艇。

正如ONR和华盛顿大学的合作者所写的那样，“为了应对安静的海底威胁，传感系统必须在几天内秘密部署，运行几周到几个月，并适应现场条件以提供与载人平台相媲美的检测、分类、定位、跟踪和移交切换能力。”这就是为什么海军最新的海底计划既要侧重于提高探测能力，又要侧重于利用自己的海底舰艇和平台规避探测。

改进的声学技术有望提升探测能力，该技术使用较低的频率工作，这也是SonoFlash声纳浮标的特点。简而言之，频率是对在给定时间内通过某一点的压力波数量的度量。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的说法，低频信号传播得更远，因为随着声波的移动，它们在周围环境中损失的能量比高频波少，从而使它们能够传播更远的距离。因此，SonoFlash的低频传输增强了用户检测能力，即因为传输范围更远，增加了检测到外来实体的机会。

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磁异常探测器

另一项有助于提高海底能见度的技术是磁异常探测器（MAD）。这些设备能够探测到地球磁场的微小变化，例如由敌方潜艇船体的铁磁材料引起的变化。据华盛顿总部服务采购局称，MAD可以从无人机上部署，截至2019年，美国正在开发一种可以从P-8A飞机上部署的设备。

审核编辑 ：李倩