建造无人潜航器有多难
■张 琦 李 博 黎明宇
美国“虎鲸”无人潜航器。资料图片
据外媒报道，前不久，德国海军在波罗的海完成为期两周的“蓝鲸”无人潜航器实验。“蓝鲸”无人潜航器装备有多种摄像头和传感器，可侦察潜艇、水面舰艇、水雷等目标。
作为一种水下无人平台，无人潜航器可搭载多种设备执行特定任务。在极端或危险环境中，无人潜航器能够替代人类作业，具有很高的灵活性和效费比，被视为现代海军的“力量倍增器”。
很多国家都加大了水下无人力量的建设投入，但是能自主建造无人潜航器的国家仍是少数。究竟是什么原因，使建造一型无人潜航器这么难？请看本期解读。
壳体设计需满足多种要求
无人潜航器需要在水下几米到上千米的深度执行任务，潜水深度越深，环境越复杂，对无人潜航器壳体的要求也越高。总体而言，壳体设计需要通过材料选择、水密技术和防腐蚀技术3道最基本的关口。
第一关：材料选择。在水下1000米以内的环境中，无人潜航器多采用铝合金材料作为壳体材料。铝合金材料成本低，机械加工性能好，但抗压强度较差。在水下1000米至3000米的环境中，不锈钢是使用最多的壳体材料。不锈钢的强度比铝合金高，造价和机械加工性能中等。在水下3000米以上的环境中，钛及钛合金是最佳的壳体材料。它们有很好的钝化能力，强度高、加工性能好、有良好的耐蚀性能。美国的“海崖”号深潜器装备了钛观察舱和操纵舱，下潜深度可达6000米。俄罗斯研制的“勇士-D”无人潜航器由钛合金材料制成，曾在马里亚纳海沟海域完成坐底试验。不过由于资源少、成本高，钛的使用存在一定限制。
随着材料技术的发展，人们开始研制高强度固体浮力材料以替代传统材料。固体浮力材料是一种高新技术化工新产品。其低密度型可提供更大的净浮力，高强度型可用于深潜，这为无人潜航器的设计提供了新的可能与方向。
第二关：水密技术。由于无人潜航器航行深度可达数千米，如果密封性能不好，轻则加重部件腐蚀，重则导致无人潜航器沉没。无人潜航器的密封性能通常需要从壳体、光学窗、可拆卸封头3个方面周全考虑。
壳体除了选择抗压性能较好的材料外，还需要注意形状设计。实际运用中，壳体通常被设计为圆筒形，这样既容易制造，又能抵御外压，而且便于在其内部布置设备。
水下光学窗必须用石英玻璃、特种光学玻璃或者有机玻璃等透光性能好、强度高的材料制成。这样既能保证密封性，又能与成像镜头良好配合。
由于壳体内通常装备着各种设备，在完成水下任务后往往要对这些设备进行检修，所以壳体必须有一个可拆卸的封头。这种可拆卸的封头，通常采用“O”形圈密封。它是一个橡胶或其他弹性材料构成的圆环，低压时靠自然弹性，压力增加时“O”形圈会进一步变形，挤满可能泄漏的地方。选用质量上等的密封圈，并保持与壳体上的密封槽配合良好，才能保证密封性。
第三关：防腐蚀技术。海水的强腐蚀性，使得无人潜航器在设计和制造时必须考虑防腐蚀措施。美国国防高级研究计划局于2019年启动的“魔鬼鱼”项目，第一阶段就要通过无人潜航器防腐蚀等多个关键设计审评。防腐蚀设计一般有5种方式。一是采用耐腐蚀的金属、合金或非金属材料。二是将被保护的表面与侵蚀介质隔绝。三是采用有机涂层和无机涂层将被保护平面与侵蚀介质隔绝，有机涂层多为涂料涂层和塑料涂层，无机涂层多为金属涂层和非金属涂层。四是采用电化学保护。五是采用减轻腐蚀的结构设计，比如减轻缝隙腐蚀、减轻应力腐蚀、减轻接触腐蚀等。
电池能量密度要求高
相对陆地而言，海水中缺少空气，各种热机难以工作，无人潜航器大多数情况下需要依赖其他能源。无人潜航器的能源与动力系统必须可靠性高、控制性好、耐高压、耐高温、耐腐蚀。此外，由于无人潜航器体积较小，能源与动力系统还必须有较高的单位重量和单位体积能量密度。
现有的无人潜航器主要依靠锂电池作为动力源。典型的有挪威的HUGIN1000潜航器。该潜航器搭载聚合物锂电池，采用串联方式将单体电池连接起来，每个单体电池容量约为40安时。这款潜航器的首要任务是探测水雷，航速一般为4至6节。
一些国家也在探索使用其他类型的电池，以提高水下航行器的性能。目前，使用较多的主要有铅酸电池、铝硫化铁蓄电池、锂蓄电池等。
铅酸电池成本低廉，技术成熟且维护相对简单。铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。美国的“曼塔”大排量无人潜航器使用的动力源就是铅酸电池。该无人潜航器重14吨，采用泵喷推进，最高航速10节，巡航速度5节，续航时间为4到5小时。“曼塔”大排量无人潜航器主要担负侦察、监视等任务，也可以作为母艇平台，搭载更小型无人潜航器。
铝硫化铁蓄电池以锂铝合金为极板，使用硫化铁固体电解质全密封蓄电池。这种电池能量密度高，输出功率大，能量效率高。
锂蓄电池是美国马里兰州水面战中心正在研究的一种无需加热的新型锂电池。它用固体氧化钴作阳极，氟化砷为电解液，充放电时锂粒子来回穿梭，能量密度较高。该蓄电池充电速度快，而且在充电时不会产生气体，具有较好的安全性。
水下导航技术难度大
导航系统在无人潜航器体系结构中占有举足轻重的地位，它可以为无人潜航器在复杂海洋环境中提供位置、姿态等导航定位信息。这不仅关系到执行任务的成功与否，也关系到无人潜航器的安全。
想在深海寻找正确的道路并非易事。首先，无人潜航器作业时通常会有较大落差的下潜与上浮，需要三维立体导航以应对海底环境。这个难度远远大于传统平面导航。其次，电磁波在海水中衰减十分迅速，无人潜航器又常常处在较深的水下环境中，这导致便捷的无线电导航和雷达都只能作为辅助导航手段。此外，由于对导航数据准确性及实时性高度依赖，必须综合可提供连续信息的内部导航信息以及可获取精确运动轨迹的外部导航信息，才能为无人潜航器导航。
目前，无人潜航器水下导航最常用、最有效的方法是，船位推算法或惯性导航法等内部导航方法与无线电、声学、海洋地球物理学等外部导航方法的结合。
船位推算法是一种低成本的导航方法，它可实时定位并给出载体平台当前和将来的位置。不过，这种方式累计的误差会导致无人潜航器导航系统显示的定位与实际位置不符。
惯性导航系统不受环境、载体机动和无线电干扰的影响，能连续提供全部导航参数，在短时间内具有较高的相对精度。其缺陷是因为陀螺不断漂移，定位误差会随航行时间和距离持续积累和发散。
目前，惯性导航系统虽能满足中近程导航，但无法满足远程、长时间航行的导航要求。因此，无论船位推算法或是惯性导航都需要外部导航来修正误差。比如，使无人潜航器周期性地浮出水面，采用无线电导航修正位置，从而提升导航精度。这样做的缺陷是不利于隐蔽、需要花费额外时间且带来能源问题。
采用声学外部导航方法也是一种解决方案。它利用声学信号在海洋中的良好传播特性，以声学发射器为导航信标，由无人潜航器向声学信标发射声信号并接收返回的声信号，计算相对距离，从而推算出实时位置。美国的REMUS-100无人潜航器是一款微小型潜航器，可选装声学调制解调器、声学图像系统等。2003年，美国海军在伊拉克一个海港运用REMUS-100无人潜航器清扫第一次海湾战争时期伊拉克海军布放的水雷，他们利用该型潜航器装备的侧扫声呐和导航定位系统，准确发现了数枚水雷并进行了图上位置标定。这是世界上第一次成功运用无人潜航器实现反水雷搜索。
此外，海洋磁导航、重力导航、海底地形匹配导航等海洋地球物理学导航的误差，不随航行时间或航行距离增加而积累或发散。这些导航具有精度高、不受时间限制、无需升出水面、隐蔽性强等优点，因此成为无人潜航器较理想的辅助导航手段。这也是近年来许多国家研究的重点之一。
