试验与验证：美海军在“UxS IBP 21”演习中的无人系统（上）
编译 Whitehead
本文编译自：Kelvin Wong. Test and verify: US Navy advances unmanned integration at 'UxS IBP 21’. Jane’s International Defence Review. August 2021
原文导读
虽然美国海军（USN）在无人系统开发方面渊源已久，但直到最近其领导层才开始承诺要增加海军无人系统项目的规模和范围。这种对无人系统的热情出现在官方《兵力结构评估》以及一系列《未来舰队结构研究》报告中。
2021年4月，美国在加利福尼亚海岸外举行了史上最大规模的无人系统舰队演习——“UxS IBP 21”，近30型空中、水面、水下无人系统与有人平台一同参加了此次演习。
本文详细分析介绍了参加此次演习的“海上猎人”（Sea Hunter）和“海鹰”（Seahawk）USV、MARTAC公司的T38“蝠鲼”（Devil Ray）USV、Ocean Aero公司的“人鱼”（Triton）混合型航行器、美国海军陆战队开发的远程无人水面艇、海陆空技术公司（SeaLandAire Technologies）的ADARO USV、GA-ASI公司的MQ-9A“死神”（Reaper）UAV、和Platform Aerospace公司的“香草”（Vanilla）超远航程UAV。
由于本文篇幅较长，将其分为两部分连续刊出以便阅读。此次介绍的是“海上猎人”（Sea Hunter）和“海鹰”（Seahawk）USV、MARTAC公司的T38“蝠鲼”（Devil Ray）USV、和Ocean Aero公司的“人鱼”（Triton）混合型航行器。
引言
2021年4月，USN首次完成了旨在展示多领域有人和无人作战潜在优势的大型演习，展示了其加速将无人系统集成到舰队中的愿望。
演习名为“无人系统集成战斗问题21”(Unmanned Systems Integrated Battle Problem 21, UxS IBP21），由第3舰队于2021年4月19~26日在加利福尼亚州圣迭戈海岸外执行，旨在探索一支覆盖各种计划和作战想定/场景的混合兵力结构所能形成的潜在优势和挑战。
UxS IBP 21由位于圣迭戈的第3舰队联合作战中心控制。演习以4月25日进行的一次集成超视距（beyond-line-of-sight，BLOS）实弹射击结束。“阿利·伯克”级导弹驱逐舰“芬恩”号（USS John Finn）利用有人和无人资产提供的信息，对一个小型水面目标发射了一枚“标准-6”（SM-6）增程导弹，据称导弹在250海里距离外被摧毁。
UxS IBP 21开始时集中于3个独立的作战场景想定——集中作战（focused warfighting）、反潜战和超视距导弹打击——在大多数具有挑战性的作战场景中，允许将无人和有人能力相集成。
在UxS IBP 21期间，USN部署了将近30个不同型号的无人系统，主要是无人水面艇（USVs）和无人水下航行器（UUVs），还有几型无人机（UAVs）。海军并未公布所有参加演习的系统，但官方声明中强调了水面平台，如“海上猎人”（Sea Hunter）和“海鹰”（Seahawk）中排量无人水面艇（Medium-Displacement Unmanned Surface Vehicles，MDUSVs）、一艘由金属鲨公司（Metal Shark）为美国海军陆战队（US Marine Corps，USMC）建造的远程无人水面艇（Long-Range USV，LRUSV）、海上战术系统公司（MARTAC Systems）的MANTAS T38“蝠鲼”（Devil Ray）（也称“魔鬼鱼”）USV、海空公司（Ocean Aero）的“人鱼”（Triton）水面/水下混合型自主航行器、以及海陆空技术公司（SeaLandAire Technologies）的ADARO USV。
图1 UxS IBP 21演习期间，一艘SeaLandAires公司的ADARO USV正在“独立”级濒海战斗舰“奥克兰”号（USS Oakland）一旁航行。该型X级USV用于海上情报和监视行动，其细节尚未公开。
其中的水下资产包括先进声学概念公司（Advanced Acoustic Concepts）的“琵琶鱼” （Angler）水雷战遥控潜航器（ROV）和华盛顿大学应用物理实验室（APL-UW）的“卡瑞娜”（Carina）水下滑翔机。航空情报、监视和侦察（ISR）及反潜战（ASW）支援力量主要由下列无人机提供：诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）的MQ-8B“火力侦察兵”（Fire Scout）垂直起降（Vertical Takeoff and Landing，VTOL）飞机，通用原子航空系统有限公司（General Atomics Aeronautical Systems, Inc，GA-ASI）的MQ-9A Block 5中空长航时（Medium-Altitude Long-Endurance，MALE）无人机，以及航空平台公司（Platform Aerospace）的“香草”（Vanilla）超远程UAV。
“朱姆沃尔特”（Zumwalt）级导弹驱逐舰“迈克尔·蒙索尔”号（USS Michael Monsoor，DDG 1001）为这些多域无人系统和参演的有人水面作战平台之间的协调提供支援。
第三舰队司令罗伯森（Robertson）称：“UxS IBP 21将无人能力集成到指挥控制（C2）中，探索无人系统集成后的战术、技术和程序（Tactics, Techniques, and Procedures，TTPs），使操作人员获得在海上作战环境下对无人系统的使用经验”。“这次演习直接告诉作战人员、战争中心和开发商，海军将进一步把无人能力嵌入到日常舰队作战和战斗计划中”。
罗伯森司令说，“这次作战演习为作战人员提供了一个与前沿无人资产一同工作的第一手经验，展现了这些系统集成后的作战优势。从这次演习中获得的深刻认识将推动无人资产在全海军的集成”。
“海上猎人”（Sea Hunter）和“海鹰”（Seahawk）USV
在UxS IBP 21期间部署的最大的无人平台是USN的“海上猎人”和“海鹰” MDUSVs。两者都装备有各种未公开的任务载荷，并参与了演习中的ASW行动。USN的影像显示，“海鹰”配置了一条轻型拖曳阵声呐，但海军未透露具体性能指标。
MDUSV由美国国防部高级研究计划局（DARPA）的早期项目“反潜战持续跟踪无人艇”（Anti-Submarine Warfare Continuous Trail Unmanned Vessel，ACTUV）发展而来，该项目最初是要开发一种远程、自持力强的无人平台，它可以在稀疏远程监控C2模型下作战，由岸基监控人员提供高级任务目标，并通过间歇超视距通信链监控其自主性能。
第一艘“海上猎人”原型由俄勒冈州的造船商Vigor Industrial建造，莱多斯公司（Leidos）为主合同商和牵头集成商。项目在2016年1月启动后转由海军研究办公室（ONR）负责，并被USN用作MDUSV项目的试验与评估资产。
“海上猎人”于2018年10月到达珍珠港西卡姆（Hickam）联合基地，被海军水面战和水雷战开发中心（Naval Surface and Mine Warfighting Development Center，SMWDC）用于“水面战先进战术训练”（Surface Warfare Advanced Tactical Training，SWATT）演习，测试海上航行器与导弹驱逐舰之间的互操作性以及它实施电子战（Electronic Warfare，EW）的能力。
2019年1月，“海上猎人”完成了从圣迭戈到珍珠港的自主返航航渡，耗时10天，航程大于4,500海里，艇上无人，中途仅有一艘护航船上的人员短暂登艇检查电力和推进系统。
图2 参加UxS IBP 21演习的Leidos公司中排量USV。该型USV最初设计用于ASW作战，但现在已发展为可执行更广泛的任务。
“海上猎人”采用40 m长的三体船型，一个中央主艇体和两个细长的悬臂艇体，满载排水量大约131吨，可在最大5级海况下作战。它由一对柴油发动机推进，每台发动机单独驱动一根轴，最大艇速为27 kn，12 kn时的巡航航程可达10,000海里。
雷神公司（Raytheon）早先在ACTUV项目中提供了它的“模块化可扩展声呐系统”（Modular Scalable Sonar System，MS3），作为主要的ASW传感器。MS3系统是一型中频（7.5 kHz）舰壳主动声呐，可在无人操作的情况下提供搜索、探测、被动威胁滤除、定位和跟踪能力。
在一份金额为3,550万美元的“成本+固定费用”合同下，海军于2017年12月向Leidos公司订购了第二艘MDUSV——“海鹰”。该艇由位于密西西比州格尔夫波特（Gulfport）的美国海洋有限公司（Unite States Marine Inc，USMI）建造，于2021年4月交付。
Leidos公司根据 “海上猎人”的实操经验，经过评估，改进了“海鹰”的设计，加强了能力。在Leidos公司和USN联合评估的基础上，对“海鹰”进行了升级，改进了电力系统、载荷安装系统、以及试验操作员控制站。“海鹰”的满载排水量大约146吨，包括14,000加仑柴油（译注：1美制加仑接近3.8升）。
图3 参加“UxS IBP 21”演习的“海鹰”（Seahawk）中型USV（图片来自于Michael Fabey. Remote running: USN sets out to prove mettle of unmanned systems. Janes Navy International. June 2021）
MARTAC公司的T38 “蝠鲼”（Devil Ray）USV
MARTAC公司的T38 “蝠鲼”（Devil Ray）USV在UxS IBP 21期间表现亮眼，其采用双体船型，长11.5 m，是MARTAC“远征级”（“Expeditionary Class”）USVs家族中的成员之一。
MARTAC的首席技术官及海军结构和海洋工程高级工程师杰克·洛雷（Jack Rowley）称，USN在演习中热衷于展现“蝠鲼”的原因之一是，“蝠鲼”早期较小的“表兄弟”——MANTAS在USN和海军陆战队过去几年的演习、实验和演示验证中表现良好。
这些演习包括：“环太平洋”（Rim of the Pacific，“RIMPAC”）、“三叉戟勇士”（“Trident Warrior”）、“大胆美洲鳄”（“Bold Alligator”）、“勇敢之盾”（“Valiant Shield”）等演习。“蝠鲼”最近一次参加的是USN的“三叉戟勇士’2020”演习。
根据MARTAC的说法，T38“蝠鲼”USV由一对高速柴油发动机驱动，采用矢量推进，巡航速度25 kn，最大速度超过80 kn。据称，以巡航速度航行时，航程可达3,000海里以上。
该型海上航行器可在5级海况下工作，作为舰-岸后勤补给艇，它可在艉甲板上携带最大4,500 lb（2,041 kg）的载荷。艇体的模块化甲板/遮蔽物布局使得它具备在水面和水下任务场景下执行多任务的能力，如果配置一个中甲板月池，还可增加其它能力。
T38“蝠鲼”也能够发射和回收UUVs及USVs，并可在后部井型甲板处操作拖鱼和ROVs。无论总体布局如何，该型USV都将保留在主甲板上携载和部署多旋翼UAVs的能力。
在UxS IBP 21期间，T38“蝠鲼”被用于演示从圣迭戈到圣克莱门特（San Clemente）岛之间的高速自主往返航行，以作为无人ISR和高速负载投送的一种能力展示和概念验证。它是在3级海况下执行这两项任务的。
当在对抗环境下面对日益强大的对空监视和防御系统时，传统上用于ISR任务的有人和无人航空资产都是相当脆弱的。与此相反，一个高速、隐身的水面资产，如T38 USV，能够以较小的被探测和摧毁的风险执行侦察海岸线和港口之类的任务。
“蝠鲼”能够高速航渡到任何作战区（Area of Operation，AOR），抵达后USV能够减速到任何速度执行任务，包括在海上待机。在全面辐射控制（Emissions Control，EMCON）或通信静默的态势下，USV仍能依靠预编程的任务参数继续发挥作用。这种方式能够使USV自主执行任务，无需通过任何射频传输手段与母船或岸上的监控人员进行交互。
借助高精度陀螺稳定摄像机，“蝠鲼”能够用视频和数据将任务的关键环节记录下来，待EMCON时间结束或返回基地后，再将其回放给任务控制者。
图4 MARTAC公司的T38“蝠鲼”（Devil Ray）USV航渡到演习区，执行水面情报和侦察任务。
MARTAC公司的杰克·洛雷认为，鉴于USN在各个领域发展大型、中型和小型无人系统装备的雄大计划正在受到国会的质疑，减轻这些担心的方法之一可能是：更积极地推进部署那些已在USN和USMC的演习、实验和演示验证中经过广泛试验的、已被验证的现有商用系统。USV的11 m尺度正好与许多USN舰船所携带的刚性充气艇（Rigid-Hull Inflatable boat，RHIB）一致。用这种方法可以立即为舰队和海军陆战队无延迟地交付所需的能力。
Ocean Aero公司的“人鱼”（Triton）混合型航行器
在演习期间，USN也对Ocean Aero公司的“人鱼”（Triton）自主水下/水面航行器（Autonomous Underwater and Surface Vehicle，AUSV）进行了评估，虽未透露Triton AUSV在UxS IBP 21中担负的角色，但可能测试了这种混合型海洋航行器在水面/水下执行扩展ISR和数据收集任务的能力。
在水面配置模态下，长4.4 m、重350 kg的Triton AUSV采用了一组双片刚性翼帆（two-element rigid wingsail），当以风帆形式为主推进方式航行且航速超过5 kn时，水线以上的总高度达到3 m。用一台SeaBotix推进装置作为第二推进动力，为翼帆提供补充推进方式，在低风速条件下的推进速度可达2 kn，并用于布放与回收作业。
翼和扑翼（flap）由航行器上的处理器利用来自风速计、超声船速传感器、惯性测量单元（IMU）和全球导航卫星系统天线的环境数据来进行控制。根据任务需要，用专门的算法来确定目标航路点之间最高效的路线。
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