英國(guó)“鸚鵡螺”-100 新概念潛艇研究

韓小溪，盛 立，蘇 強(qiáng)，楊清軒

(1.海軍裝備部，北京 100036；2.海軍研究院，北京 100161；3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

2017 年8 月，英國(guó)海軍公布了“鸚鵡螺”-100 挑戰(zhàn)賽獲勝方案，該方案為一系列未來概念潛艇及UUV，包括“鸚鵡螺”-100載人潛艇、“鰻魚”UUV、“飛魚”UUV 和可溶解微型UUV。英國(guó)海軍官方網(wǎng)站報(bào)道稱，“鸚鵡螺”-100 挑戰(zhàn)賽獲獎(jiǎng)方案模擬了真實(shí)的海洋生物，并將顛覆未來50 年水下戰(zhàn)的作戰(zhàn)形式。

1 “鸚鵡螺”-100 新概念潛艇方案

1）“鸚鵡螺”-100 潛艇

“鸚鵡螺”-100 潛艇設(shè)計(jì)采用仿生技術(shù)，平臺(tái)形狀類似蝠鲼，由超強(qiáng)合金和丙烯酸樹脂3D 打印制成，可下潛至1 000 m，表面可以變形?！胞W鵡螺”-100 潛艇具有很高的智能化、自動(dòng)化以及人機(jī)匹配水平，艇員將采用先進(jìn)的腦機(jī)（brain-computer）技術(shù)控制潛艇系統(tǒng)，艇員編制為20 名，僅為傳統(tǒng)艇員編制的1/6；有效負(fù)載上，“鸚鵡螺”-100 潛艇可攜帶用于不同任務(wù)的傳感器、釋放UUV，并可與海底基站對(duì)接，補(bǔ)充魚雷、無人系統(tǒng)及傳感器負(fù)載。此外，據(jù)報(bào)道，“鸚鵡螺100”潛艇表面還敷設(shè)有納米級(jí)石墨烯鱗片以提升水下聲隱蔽性。

動(dòng)力系統(tǒng)上，“鸚鵡螺”100 使用藻類生物質(zhì)能與儲(chǔ)能電池相結(jié)合的藻-電混合動(dòng)力系統(tǒng)，推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)原理與“戴森”無葉風(fēng)扇類似?！胞W鵡螺”-100 采用2 種推進(jìn)方式，在航速不超過30 kn 的情況下，通過從艇首吸水并從船尾排水的方式推進(jìn)潛艇，可隱蔽巡航（據(jù)英國(guó)海軍官網(wǎng)報(bào)道報(bào)道，巡航近乎無聲）數(shù)千英里；另一種用于在戰(zhàn)斗或應(yīng)急情況下短期高速航行，航速可高達(dá)150 kn。

圖1 “鸚鵡螺”-100 潛艇概念設(shè)計(jì)Fig.1 Concept design of Nautilus 100 submarine

圖2 “鸚鵡螺”-100 與水下基地互動(dòng)的概念圖Fig.2 Conceptual diagram of Nautilus-100 interacting with an underwater base

2）“鰻魚”UUV

“鰻魚”UUV 是由“鸚鵡螺”-100 潛艇的武器艙發(fā)射，采用正弦波推進(jìn)法（類似鰻魚魚類水下游動(dòng)方式）在接近靜默狀態(tài)行駛數(shù)百英里；“鰻魚”UUV 完全自主執(zhí)行任務(wù)，通過投放傳感器負(fù)載以形成基于藍(lán)綠激光技術(shù)的水下通信網(wǎng)絡(luò)以及偵測(cè)水下區(qū)域，或投放大量可溶解微型UUV 執(zhí)行偵察等任務(wù)；“鰻魚”UUV 隱蔽性強(qiáng)，面對(duì)傳統(tǒng)水下探測(cè)系統(tǒng)，“鰻魚”UUV 特征與普通海洋生物無異。

圖3 “戴森”無葉風(fēng)扇Fig.3 Dyson leafless fan

圖4 “鰻魚”UUVFig.4 Eel UUV

3）“飛魚”UUV

“飛魚”UUV 可代替魚雷，提供具有適應(yīng)性的武器系統(tǒng)以攻擊船舶、潛艇甚至陸地目標(biāo)。該UUV 可攜帶各種模塊化載荷，比如沖擊波發(fā)射器、電磁脈沖武器、集束導(dǎo)彈、或單個(gè)彈頭。同時(shí)，該UUV 可在水面上方作業(yè)，由于海浪噪聲，它將很難被雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。如果被發(fā)現(xiàn)，“飛魚”UUV 將潛入安全深度。

圖5 “飛魚”UUVFig.5 Flying fish UUV

4）可溶解微型UUV

可溶解微型UUV 由“鰻魚”UUV 發(fā)射，可以用來阻塞敵方艦船的進(jìn)水口和出水口，使其無法工作，并且可執(zhí)行偵察、跟蹤及承擔(dān)護(hù)航等任務(wù)。該UUV 由鹽水可溶解聚合物制成，可在保密需要時(shí)溶解。

圖6 可溶解微型UUVFig.6 Dissolvable micro UUV

2 前沿技術(shù)解析

“鸚鵡螺”-100 方案采用了水下仿生、腦機(jī)融合、藻類發(fā)電、特種功能材料等大量前沿科技技術(shù)。與傳統(tǒng)潛艇平臺(tái)相比，其平臺(tái)總體、潛艇控制、動(dòng)力系統(tǒng)、作戰(zhàn)方式出現(xiàn)了概念創(chuàng)新突破或性能大幅提升。

1）水下仿生技術(shù)

傳統(tǒng)水下平臺(tái)推進(jìn)器往往采用螺旋槳和葉輪等機(jī)械設(shè)備，存在水下機(jī)動(dòng)反饋滯后、運(yùn)行不靈活且對(duì)水下物理場(chǎng)環(huán)境擾動(dòng)大等缺點(diǎn)，不利于在復(fù)雜、促狹的環(huán)境中應(yīng)用。與機(jī)械水下平臺(tái)相比，海洋生物具有更高超的水中運(yùn)動(dòng)能力，其運(yùn)動(dòng)效率、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性等大幅優(yōu)于當(dāng)前的水下航行平臺(tái)，如鲹科魚類的推進(jìn)效率超過90%，海豚可以實(shí)現(xiàn)450°/s 的高速轉(zhuǎn)向且其轉(zhuǎn)彎半徑僅為體長(zhǎng)的11%～17%，鰩科魚類通過改變鰭面波從而完成在復(fù)雜水環(huán)境下的高超雜技動(dòng)作。因此采用仿生技術(shù)，模擬水生生物優(yōu)越的推進(jìn)機(jī)理和生理結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)、研制高性能水下平臺(tái)的一大熱點(diǎn)方向。

其中“鸚鵡螺”-100 方案基于水下仿生技術(shù)，模擬蝠鲼（俗稱魔鬼魚）進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝠鲼是目前利用胸鰭擺動(dòng)方式游動(dòng)的最大海洋生物，其身體柔軟，游動(dòng)方式與鳥類拍打翅膀飛行類似，在游動(dòng)過程中身長(zhǎng)和身寬兩方向均呈波浪狀，胸鰭上下不對(duì)稱擺動(dòng)，快速游動(dòng)時(shí)最高可躍出水面1.5 m，具有優(yōu)越的水下機(jī)動(dòng)能力。據(jù)美國(guó)西切斯特大學(xué)聯(lián)合佛吉尼亞大學(xué)對(duì)蝠鲼游動(dòng)采用試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與數(shù)值仿真結(jié)合的試驗(yàn)結(jié)果，蝠鲼推進(jìn)效率可達(dá)89%，顯著高于傳統(tǒng)螺旋槳的60%。

2）腦機(jī)融合技術(shù)

腦機(jī)融合概念最早于1973 年提出，該技術(shù)原理是通過腦機(jī)接口將人腦與計(jì)算機(jī)交互連接，使人腦部與外接設(shè)備之間建立交流通道，在該通道中外接設(shè)備通過提取特定的大腦活動(dòng)的神經(jīng)信號(hào)，并根據(jù)腦信號(hào)生成符合人的意圖的控制命令，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)人腦直接控制被控對(duì)象。

腦機(jī)接口系統(tǒng)可分為有創(chuàng)與無創(chuàng)兩類。目前有創(chuàng)的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要通過向大腦植入電極陣列、提取神經(jīng)活動(dòng)的電信號(hào)而實(shí)現(xiàn)；無創(chuàng)腦機(jī)接口系統(tǒng)主要通過記錄、解碼腦電等無創(chuàng)腦成像技術(shù)所采集到的神經(jīng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，具有操作簡(jiǎn)便、無創(chuàng)傷等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療康復(fù)、智能監(jiān)控、安全監(jiān)測(cè)、軍事裝備、娛樂及商業(yè)活動(dòng)領(lǐng)域具有十分廣闊的發(fā)展前景。

圖7 蝠鲼游動(dòng)建模仿真Fig.7 Manta Ray swimming modeling and simulation

圖8 典型的腦機(jī)控制流程Fig.8 Typical brain-computer control process

目前武器控制方式主要通過人員操作鼠標(biāo)、鍵盤、按鈕、控制桿或者語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)對(duì)武器裝備操作。而“鸚鵡螺”-100 潛艇通過腦機(jī)融合技術(shù)，可以充分發(fā)揮人腦的智能，并利用自動(dòng)控制技術(shù)將艇員從繁重的操作任務(wù)中解放出來，使人與機(jī)器高效結(jié)合，將大腦的思維直接變成看得見的任務(wù)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)“隨心所動(dòng)”的智能化操作，做到感知即決策，極大提升裝備的打擊效能和自動(dòng)化、智能水平。

發(fā)展情況上，英國(guó)于2013 年研發(fā)出首款用于控制飛船模擬器的“腦機(jī)接口”裝置，操作員將其戴在頭上后便可通過人腦思維控制飛船模擬飛行；2019 年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)出世界上首款無創(chuàng)腦控機(jī)器人手臂，機(jī)械手臂可解析操作者腦電神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行作業(yè)。

圖9 操作者腦控機(jī)械手臂跟蹤屏幕上光標(biāo)Fig.9 Operator brain-controlled robotic arm tracks cursor on screen

3）藻類發(fā)電技術(shù)

藻類發(fā)電的原理是基于藻類細(xì)胞的光合作用產(chǎn)生電流進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)也可以對(duì)藻類后期進(jìn)行燃燒發(fā)電，通過立體光反應(yīng)培養(yǎng)器生產(chǎn)藻類，隨后制成藻粉作為燃料經(jīng)過燃燒進(jìn)行發(fā)電，在此過程中藻類可回收循環(huán)利用二氧化碳。目前藻類發(fā)電是世界上僅次于風(fēng)力發(fā)電的可再生能源發(fā)電技術(shù)。

由于藻類發(fā)電本質(zhì)是基于藻類的光合作用，因此“鸚鵡螺”-100 潛艇動(dòng)力系統(tǒng)理論上可實(shí)現(xiàn)水下充電、供能且能源可再生，此外電池產(chǎn)能過程中無噪音、紅外等明顯物理特征，具有較強(qiáng)隱蔽性。

圖10 藻類發(fā)電裝置Fig.10 Algae power plant

英國(guó)在藻類發(fā)電技術(shù)上具有較高的研發(fā)水平，其中劍橋大學(xué)在2014 年開始研發(fā)基于藻類和苔蘚光合作用產(chǎn)生能源的生物光電（BPV）裝置；2018 年，劍橋大學(xué)成功研發(fā)出藻類燃料電池，其功率密度為0.5W/m2（約為傳統(tǒng)太陽(yáng)能燃料電池的1/10），下一步劍橋大學(xué)將進(jìn)行藻類燃料電池小型化研究。

4）特種功能材料技術(shù)

特種功能材料是以物理性能為主的工程材料，一般指在電、磁、聲、光、熱等方面具有特殊性能，或者在其作用下表現(xiàn)出特殊功能（如變形、水溶等）的材料。特種功能材料是新材料技術(shù)領(lǐng)域的核心，涉及納米材料、高分子材料、復(fù)合材料等技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)高新技術(shù)裝備的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用。

其中“鸚鵡螺”-100 潛艇方案采用了超強(qiáng)合金和丙烯酸樹脂特種功能材料，該材料為高分子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料，經(jīng)常用于水下仿生機(jī)器人制造。高分子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料結(jié)合了高分子聚合物和金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，一方面高分子聚合物質(zhì)量較輕，對(duì)外部環(huán)境的影響適應(yīng)性好，能承受一定程度的變形；另一方面金屬材料硬度大，耐壓性好，能使裝備更加適應(yīng)水下環(huán)境。

“鸚鵡螺”-100 潛艇方案中的可溶解微型UUV 還采用有水溶性高分子材料，該材料主要為水溶性聚合物和樹脂等，具有較強(qiáng)的親水性能。在實(shí)際運(yùn)用中，微型UUV 可在需要時(shí)發(fā)生溶解反應(yīng)，以隱蔽執(zhí)行任務(wù)。此外，美國(guó)亦提出類似作戰(zhàn)概念，2019 年美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)提出“瞬間自毀”聚合物材料研究項(xiàng)目，該材料具有“低上限溫度”特性，當(dāng)溫度超過一定閾值時(shí)，材料就會(huì)迅速分解。通過該特性，“瞬間自毀”材料可用于部署電子傳感器或秘密運(yùn)送軍事裝備，在需要時(shí)可通過光敏催化劑等措施使材料迅速分解、“消失”，并不留痕跡。

3 后續(xù)發(fā)展

圖11 具有“瞬間自毀”功能的特種材料Fig.11 Special materials with instant self-destruction function

圖12 英國(guó)超大型UUV 概念圖Fig.12 Conceptual map of the British super-large UUV

目前英國(guó)為“鸚鵡螺”-100 潛艇項(xiàng)目提供了8 億英鎊的預(yù)算，以探索及實(shí)現(xiàn)該方案的前沿裝備設(shè)想。同時(shí)，英國(guó)也加大了無人系統(tǒng)研發(fā)力度。2019 年4 月，英國(guó)政府的國(guó)防與安全加速器（DASA）部門啟動(dòng)了一項(xiàng)長(zhǎng)期裝備競(jìng)標(biāo)項(xiàng)目，以研發(fā)大型水下航行器裝備。按照英國(guó)海軍要求，該超大型無人潛航器能夠承載不同的有效載荷和傳感器，將用于水下數(shù)據(jù)收集、情報(bào)、監(jiān)視、目標(biāo)、捕獲、偵察（ISTAR）等任務(wù)，其中超大型無人潛航器將儲(chǔ)備艙應(yīng)達(dá)2 m3以上，有效載荷可達(dá)2 t 以上。此外，英國(guó)國(guó)防部還要求該超大型無人潛航器能自主運(yùn)行，自持力不少于3個(gè)月，航程可達(dá)3 000 nmile，主要用于情報(bào)信息收集任務(wù)，并具有支持反潛戰(zhàn)的能力。