海战科学技术领域最新发展综述

近年来,世界海战科技领域继续得到各国海军的普遍重视。舰船平台技术保持高热度发展,美、日等国新型舰船不断采用双体船、三体船等新船型,英、法等国相继推出“无畏2050”、 SMX 3.0潜艇等新概念舰船设计方案。...



近年来,世界海战科技领域继续得到各国海军的普遍重视。舰船平台技术保持高热度发展,美、日等国新型舰船不断采用双体船、三体船等新船型,英、法等国相继推出“无畏2050”、 SMX 3.0潜艇等新概念舰船设计方案。燃料电池技术发展速度加快,不断应用于潜艇和无人系统。美国海军继续使用和试验验证替代燃料,加速推进向实战装备的转化应用。信息获取、传输和利用技术取得新进展,新型防空反导雷达、无人系统组网探潜等技术取得突破。美国海军完成无人系统跨域协同技术验证,无人控制系统进展较快,网络空间对抗、电子战等技术发展热度不减。美国海军加紧构建远程反舰导弹体系,制导炮弹技术发展逐步成熟,电磁轨道炮、高能激光武器等新概念武器技术陆续取得重大进展。光学、声学等领域超材料取得较大进展。导航授时系统、水下导航等技术获得快速发展,将对未来海战产生重大影响。



▲英国海军2015年推出的“无畏2050”设计方案采用隐身穿浪三体船型，外形呈扁平多面体，上层建筑为简单的小型多面型椎柱，上层建筑顶部搭载一架四旋翼无人机

新型舰船不断采用新船型

美国海军采用新船型的“朱姆沃尔特”级驱逐舰、近海战斗舰和远征快速运输舰(原称联合高速船)陆续入役。2016年10月15日,“朱姆沃尔特”级驱逐舰首舰“朱姆沃尔特”号服役。该级舰是目前世界上排水量最大的驱逐舰,采用内倾穿浪单体船型,大大增强了航行性能和隐身效果。近海战斗舰采用半滑行单体船型和铝制三体船型两种船型设计,特别是三体船型首次应用于3000吨级的主战舰艇。截至2016年10月,近海战斗舰计划采购32艘,已服役6艘。远征快速运输舰目前也有7艘入役,原计划采购11艘,2015年将建造数量增至12艘。该型舰采用了双体船型,拥有良好的适航性,能在近海区域快速机动,可实现战区范围内舰到舰和舰到岸的快速输送。

日本、印尼等国也在积极发展三体船舰艇。日本始终重视多体船型的技术研发,先是在民船领域发展了1000吨级到万吨级系列双体船,然后在“音响”级小水线面水声监听船等军辅船上实现,近年来又加快了高速多体战斗舰艇的研发步伐,先后启动了3000吨级双体和三体战斗舰艇研制工作,特别是2014年与美国达成合作协议,将在未来6年内完成新型三体近海战斗舰的相关研究,并装备日本海上自卫队。印尼正在建造一艘63米级三体隐身快速导弹巡逻艇(FMPV),计划2017年前后交付,后续将采购19艘。这种采用现代穿浪型的三体船设计,不再被海浪抬升,而是“穿过”海浪,减小了舰艇的升沉和横摇,提高了武器平台的稳定性。

新概念舰船设计方案相继推出

英、法等国积极推出新概念舰船设计方案。英国海军2015年推出的“无畏2050”设计方案,就是一款面向2050年的新型水面主战舰艇设计。该型舰采用隐身穿浪三体船型,外形呈扁平多面体,上层建筑为简单的小型多面型椎柱,上层建筑顶部搭载一架四旋翼无人机。舰体外壳采用有机玻璃,外涂石墨烯涂层,既可有效降低阻力,也能增强隐身性能。舰尾大型可伸缩式机库可搭载多架无人机,飞行甲板可供2架无人机同时起降作业,舰尾飞行甲板周围的上层建筑还可旋转,扩大舰尾空间,供有人直升机起降。舰尾还设置有井甲板,既可搭载两栖登陆装备,也能布放和回收无人潜航器。

2016年10月,法国DCNS公司披露了SMX 3.0新概念潜艇设计方案。该型艇水下排水量3000吨,计划装备垂直发射系统,可发射导弹和水下无人系统。安装新型探测设备、数据管理系统等,具有更好的态势感知能力和网络对抗能力。艇体采用新涂层,具备更好的隐身性能,而且将配备第二代燃料电池AIP系统。

集成桅杆得到广泛应用

上层建筑集成化越来越成为水面舰船设计的一种潮流。美国“朱姆沃尔特”级驱逐舰采用集成上层建筑,将桅杆进行了高度集成,实现了甲板室、烟囱、桅杆等所有上层建筑的一体化,使上层建筑变得极为简洁,减轻了电磁干扰。相比美国,俄、德等欧洲国家尚未掌握美国类似的先进技术,更多的采用综合桅杆技术,实现桅杆的封闭化,优化桅杆结构。德国海军F125级护卫舰采用综合桅杆和内置集成式孔径天线,其首舰“巴登·符腾堡”号于2016年4月开始海试。俄罗斯2016年开始建造的20386型护卫舰,和20380型、20385型护卫舰一样,也采用了综合桅杆技术,但设计经过大幅改良,采用了“金字塔”形封闭综合桅杆,其桅杆顶部采用多面体结构,各个面均为倾斜设计,并且在各面相交处采用圆角过渡。

英、法等国新发展的护卫舰也多采用综合桅杆技术。英国正在研发的26型护卫舰,与45型驱逐舰都采用综合桅杆设计。该型护卫舰已于2016年4月获得英国国防部4.72亿英镑的资金,用于详细设计和采购先期设备。法国海军2016年10月公布的新一代中型护卫舰(FTI)方案,也采用综合桅杆设计。



▲2016年1月，美国海军开始“大绿舰队”演习。这支“大绿舰队”主要由“斯坦尼斯”号航母打击群组成，全部5艘水面舰艇均使用了10：90配比的生物-化石混合燃料燃料电池技术不断应用于潜艇和无人系统

除了德国已经将燃料电池AIP技术应用于214型先进常规潜艇外,俄罗斯也正在推进潜艇燃料电池AIP技术研发。俄罗斯正在为下一代常规潜艇研发燃油重整燃料电池技术,可在潜艇中以燃油为原料进行重整制氢。俄罗斯红宝石海上工程中央设计局已在2015年研发出了柴电潜艇的不依赖空气推进系统,使用重整柴油燃料电池,提高潜艇水下续航力。俄设计局透露,正在建造一型特殊的浮动设施,用于试验艇AIP系统。日本海上自卫队已经宣布,后4艘“苍龙”级潜艇动力系统计划采用先进的锂离子电池和柴油机组合,以替代目前使用的斯特林发动机,目前日本第7艘“苍龙”级潜艇“仁龙”号已经服役,计划采购11艘。

无人系统也将采用燃料电池系统提高续航力。2016年,通用原子公司完成锂离子容错电池的水下载具试验。这种锂离子容错电池目前可用于有人或无人潜航器,能够在水下实现60小时无故障运行。当单电池失效时,故障不会传递至相邻单电池,避免了整个电池组的不可控燃烧等故障问题。此外,美国海军研究实验室还完成了通用汽车公司燃料电池系统用于无人潜航器样机的试验。这种燃料电池借鉴了Gen2燃料电池的相关技术,Gen2燃料电池寿期超过10年,使用300个电池堆栈,效率约为40%。

美国海军加速推进替代燃料技术实用化进程

2016年1月,美国海军开始“大绿舰队”演习。这支“大绿舰队”主要由“斯坦尼斯”号航母打击群组成,全部5艘水面舰艇均使用了10:90配比的生物-化石混合燃料。这种生物燃料属于第二代生物燃料,以废弃动物油脂为原料,可有效降低成本。目前,美国海军生物燃料使用量已从2012年的45万加仑(204.57万升)增加至776万加仑(3527.77万升),占海军全部燃料年消耗量的0.62%;价格则从26美元/加仑(52.72美元/升)降低至2.05美元/加仑(0.45美元/升),与化石燃料相当。

应用研究联盟(ARA)等公司的生物燃料进行了试验。2016年8月,美国海军水面战中心的自防御测试舰完成了ARA公司和雪佛龙-鲁姆斯公司2种替代燃料的最终阶段测试。其中,自防御测试舰添加了2种约3万加仑(13.6万升)的替代燃料,进行了正常巡航,表明这些燃料可实现“滴入式”使用,而且总体性能与化石燃料相同甚至更优。9月,美国海军在帕塔克森特河的海军航空站,成功展示了一种先进生物燃料含量达到100%的燃油在EA-18G电子战飞机上的应用,结果表明EA-18G的飞行表现与使用JP-5航空煤油的飞机没有明显差别。



▲2016年9月，美国海军在新墨西哥州白沙靶场使用F-35B战斗机作为空中传感器节点，在NIFC-CA框架下，首次与“宙斯盾”作战系统进行了协同远程防空拦截实弹验证并取得成功信息获取技术不断推陈出新

美国海军防空反导雷达研制进展顺利,并开始研制双波段替代型雷达工程样机。2016年7月,美国海军首部AMDR-S雷达系统交付太平洋导弹靶场,标志着AMDR项目进入实弹测试阶段。美国海军正在开发的新型“企业对空监视雷达”,将替代双波段雷达,成为“肯尼迪”号航母以及后续“福特”级航母、LHA-88两栖攻击舰的主要搜索雷达。2016年,美国海军还授予美国“系统规划与分析”公司一份合同,用于开发舰载雷达和数字信号处理(DSP)技术,主要涉及AN/SPY-6防空反导雷达、AN/SPQ-9BX潜望镜探测雷达、双波段雷达升级等项目,旨在提升水面舰船防御巡航导弹、弹道导弹、攻击机和潜艇威胁的能力,包括近海杂乱环境、复杂电磁环境中的抗干扰能力和超视距探测能力。

美国海军无人系统组网探潜技术取得突破。2016年5月,DARPA投资研发的分布式敏捷反潜系统完成“猎潜”子系统海试。分布式敏捷反潜系统目的是保护己方航母打击群等高价值目标,手段是利用数十个无人潜航器组网,采取自下而上的探潜模式,能够在6千米潜深仰视18万平方千米的海域,发现试图攻击己方航母打击群等高价值目标的潜艇。此外,美国海军在2016年“无人战士”演习期间演示了“自主无人水面艇”先进的探潜能力。这种“自主无人水面艇”使用搭载有先进声学传感器的滑翔式无人艇,可有效利用波浪能,能够将波浪的上下起伏转化为前进的动力,具备超长的续航力。而且,“自主无人水面艇”能够与P-8A反潜机协同或多个“自主无人水面艇”组网作战,能有效探测安静型常规潜艇和UUV。

跨域信息协同技术完成验证

美国海军完成无人系统跨域协同技术验证。8月,美国海军在“年度海军技术演习”中,成功完成无人机、水面和水下无人系统跨域投放、通信和控制试验。虽然此次试验是在低威胁环境下依托现有成熟无人系统实现,但展现出良好的应用和发展前景。无人系统、技术及概念将进行整合,海上综合作战能力进一步提升。特别是无人系统将在建立跨域探测通信网络、实施海上打击、防御等任务中发挥重要作用。通过此次试验,美国海军进一步验证了无人系统跨域投放、态势感知、控制和协同通信能力,探索了一种全新的跨域控制和通信方式,为全面整合空中、水面和水下无人系统协同作战奠定了重要的基础。

海军指挥控制系统发展平稳

美国海军“海上一体化火控-防空”(NIFC-CA)系统继续取得进展。2016年9月,美国海军在新墨西哥州白沙靶场使用F-35B战斗机作为空中传感器节点,在NIFC-CA框架下,首次与“宙斯盾”作战系统进行了协同远程防空拦截实弹验证并取得成功。该次试验成功,标志着美国海军NIFC-CA系统改进计划取得了重大进展。NIFC-CA系统是美国海军为实现远程交战和超地平线防空拦截,根据“网络中心战”概念,将“协同交战能力”(CEC)系统、E-2D预警机、“宙斯盾”系统和“标准-6”导弹等装备系统集成后所形成的分布式、网络化航母编队防空作战体系。与之前的同类作战体系相比,NIFC-CA在继承CEC系统的基础上,实现了对空传感器、指控系统和拦截武器的整合,使航母编队中的“宙斯盾”舰首次实现对舰载雷达视界之外空中目标的超视距拦截。

无人控制系统进展较快。2016年初,美国海军完成LDUUV无人潜航器通用控制系统软件的测试,表明该系统具备对“大排水量无人潜航器”进行指挥控制的能力,而且该系统还能够适应空中、水面、水下和地面的各类无人系统。2016年,美国海军“卡尔·文森”号航空母舰安装了首套无人机控制中心,将用于操控目前还处于研发阶段的MQ-XX无人作战飞机。雷声公司和美国海军航空系统司令部已经完成MQ-8“火力侦察兵”无人机先进任务控制系统研发,将部署在“科罗拉多”号近海战斗舰上,使其能够在近海区域获得可靠、灵活的任务指示。

信息对抗技术发展热度不减

DARPA将把“X计划”首次交付美军。6月,DARPA发布了“X计划”的产品,美国网络空间司令部作战人员将首次在背靠背“网络卫士”和“网络旗帜”联合演习中使用该产品。据悉,“X计划”最终将于2017年正式移交给美国国防部和美国网络空间司令部。“X计划”始于2012年,旨在实现网络作战战场空间的可视化,研发网络空间作战平台,是国防部像进行陆海空作战那样计划、实施和评估网络空间作战行动。它将为网络空间内作战的人员打造首套通用性作战规划,使士兵可利用其设计的工作流程完成各项作战任务。

美国海军“水面电子战改进计划”(SEWIP)取得多项进展。1月,美国海军授出合同,全面升级SEWIP Block1B3模块。4月,美国海军研究局授出合同,开发“联合光电/红外监视响应系统”,开展SEWIP Block4技术预研。5月,SEWIP Block3通过关键设计评审,转入工程研制阶段。10月,美国海军授出合同,升级SEWIP Block2的天线和接收机,并改进接口配置。



▲美国海军“水面电子战改进计划”在2016年取得多项进展，将全面升级SEWIP Block 1 B3模块，并开展SEWIP Block 4技术预研



▲Mk 295 Mod1制导炮弹在Mk 295 Mod0非制导炮弹基础上加装了制导模块，可在发射后会自主搜寻并打击目标，能够用于应对小型舰艇集群攻击战术舰载导弹技术取得较大发展

美国海军积极拓展多型导弹反舰作战能力,打造分布式、网络化、超视距反舰导弹体系。2016年1月,美国海军改装后的“标准-6”舰空导弹成功完成首次超视距打击靶舰的试验。该型导弹主要升级改造了控制软件系统,加装了GPS制导系统,具备了很强的反舰能力。2月,美国海军启动“战术战斧”对陆攻击巡航导弹改装计划,主要采用新型导引头技术,使其具备打击地面或海上移动目标的能力。2016年7月,舰射型“远程反舰导弹”成功进行第三次飞行试验。此外,美陆军于2016年10月明确提出,进一步拓展LRPF新型战术地地弹道导弹的反舰功能。

俄罗斯海军成功试射世界首款高超声速反舰巡航导弹。2016年3月,俄罗斯海军利用陆基发射装置进行“锆石”新型高超声速反舰导弹试射。根据披露的消息,该导弹射程300～400千米,飞行马赫数5～6。新型导弹完成测试后,将装备俄罗斯第五代攻击型核潜艇以及未来将要升级改造的“彼得大帝”号核动力巡洋舰上,

制导炮弹技术发展逐步成熟

美军不断推动制导炮弹技术发展。2016年3月,美国防部战略能力办公室启动“超高速火炮武器系统”项目,重点研究将“超高速制导炮弹”用于现役舰炮和陆军榴弹炮的防空反导。“超高速制导炮弹”于2012年由美国海军研究局启动研发工作,旨在为电磁轨道炮提供配弹,并兼顾大口径舰炮使用。该型炮弹采用低阻外形和模块化设计,通用性强,速度快,射程远,成本低。

7月,BAE系统公司开始对Mk295 Mod1炮弹的制导系统和导引头进行系列测试。这种新型炮弹在Mk295 Mod0非制导炮弹基础上加装了制导模块,可在发射后会自主搜寻并打击目标,能够用于应对小型舰艇集群攻击战术。

新概念武器技术取得新突破

美国电磁轨道炮电力系统技术取得重大进展。5月,雷声公司开始向美国海军交付脉冲电源集装箱(PPC),进行下一步开发和测试。PPC采用模块化的标准集装箱,包括多个脉冲电力模块。封装了大量电容器和可充电电池,每次可释放18千瓦时的电能。多个脉冲电源封装箱组合之后,可满足电磁轨道炮发射时的电力需求。

高能激光武器技术取得新进步。6月,美国海军授出合同,由诺斯罗普·格鲁曼公司研发百千瓦级“固体高能激光武器验证系统”(LWSD)技术研发,以应对敌方攻击快艇、无人机、情报监视侦察系统。合同分三个阶段执行,第一阶段完成初始设计,第二阶段开展地面试验,第三阶段将在海军自防御试验舰上试验。诺斯罗普·格鲁曼公司将设计、生产、集成1套150千瓦级固体电激光武器系统并承担舰上试验保障工作。另外,德国于2016年2月在海军舰艇上完成了10千瓦级高能激光武器样机的联合试验,验证了样机对无人机、小型水面艇、地面静止目标的跟踪。



▲脉冲电源集装箱采用模块化的标准集装箱，包括多个脉冲电力模块。封装了大量电容器和可充电电池，每次放电功率18千瓦超材料纷纷取得较大进展

光学、声学等领域超材料发展迅速。2016年3月,爱荷华州立大学成功研发一种新型复合材料,具有自然界没有的特性,能够伸缩和调谐。通过伸缩、弯曲聚合物“皮肤”,这种新型超材料可降低较宽频段的雷达波反射强度,能够利用几列的小型液态金属设备覆盖目标,实现雷达隐身。5月,丹麦工业大学(DTU)研制出声学超材料,可抑制声波反射,有望使潜艇不被声纳探测到。声学超材料具有改变声波反射路径甚至内部消耗的能力,到达该材料的声波不产生回波而实现隐身。8月,美国密歇根理工大学的研究人员研制出新型的隐身超材料,能够用于制造太赫兹和可见光波段的“隐身斗篷”。其原理是通过设计光子晶体的周期结构,使照射在物体表面的电磁波偏转,绕过物体传播,实现隐身。

导航授时系统获得快速发展

4月,美国加州大学洛杉矶分校研制出全球首个CMOS芯片级光频合成器,得到了稳定的克尔光梳,频率相对不确定度达到2.7×10-16,将加速光钟的广泛应用,代替原子钟成为互联网、卫星通信等军民用设施及装备的授时工具,同时还可提高光学测距精度及通信速率。9月,DARPA授出合同,正式启动“高稳原子钟”(ACES)项目,总投入达1391.7万美元,旨在开发小体积、轻质、低功耗(SWaP)平台,提高频率和授时精度。这些便携式原子钟上电后,应在最短时间内完成校准,并在军事应用中维持一定的时间和频率精度。

水下导航技术发展得到重视

5月,DARPA授予BAE系统公司“深海定位导航系统”项目第一阶段合同,BAE系统公司将联合华盛顿大学、麻省理工学院、德克萨斯大学奥斯汀分校完成项目第一阶段研发工作。该技术可使潜艇、UUV等水下平台不需定期上浮接收GPS信号就能获得连续高精度的导航信息,不仅降低了暴露自身的风险,而且能够更高效的执行情报、监视、侦察等作战任务。12月,俄罗斯宣称其也在发展先进的水下导航技术,且在导航的同时能够完成信息传输,预计2018年完成该技术的演示验证工作。

作者：李红军

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