一、基本情况
其他
美国海军无人潜航器水下充电站进展分析
The following article is from 蓝海星智库 Author 马晓晨 白旭尧
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为解决无人潜航器长期部署和隐蔽作战所面临的能源供应不足、通信难等问题，美国海军正积极研发水下充电站，为无人潜航器充电，获取其情报数据，并下达任务指令。水下充电站还兼具基站作用，可与舰船、飞机等有人平台通信。目前，美国海军已经完成3.5千瓦样机演示，验证了水下发电、储能、水下通信等关键技术。未来，水下充电站将大幅延长无人潜航器部署时间、拓展部署范围，对现有水下战样式产生重要影响。
无人潜航器是未来水下战的重要构成部分，美国海军已经设想了集群作战、与无人机跨域协同、与潜艇构建无人机编组等多种作战概念。目前无人潜航器多以可充电电池为能源，续航力仅数天甚至数小时，严重限制了无人潜航器的部署范围和机动性。为此，美国海军提出在无人潜航器执行任务的间隙，利用水下充电站充电。2015年，美国海军启动了一项名为“前沿部署能源与通信基地”的样机研制项目，计划在约3000米深的海底布设一定数量的水下充电站，可绵延数百千米，使用寿命超过20年。
图1 “前沿部署能源与通信基地”（FDECO）项目构想
水下充电站可由潜艇等布放，在水下数百至数千米预置部署，用潜艇或无人潜航器隐蔽补充能源；为无人潜航器充电、下载其情监侦数据、下达任务指令，并通过中继平台与舰艇、飞机等有人平台通信，反馈情报信息并接收指令。水下充电站的关键技术包括水下发电技术、储能技术、水下通信技术。美国海军水下充电站采用燃料电池发电、铝水储能，试验了对无人潜航器的水声通信对接方案，正在探索利用浮标、滑翔式潜航器等对舰艇、飞机的通信技术。
二、主要进展
（一）开展早期技术探索
美国海军早在2004年就提出了发展水下充电站的想法，随后10年间开展了多项技术探索工作。美国海军空间与海战系统司令部2009年开始研发名为“水下电枢”的样机，2011年利用“金枪鱼”-12无人潜航器完成海试，2014年用样机为“金枪鱼”-12无人潜航器进行了4～6小时的充电和数据传输试验。2015年6月，美国海军海上系统司令部卡迪洛克分部使用直径约12英寸的中型试验无人潜航器进行了水下充电试验，功率约2千瓦。
（二）验证3.5千瓦燃料电池发电技术
美海军已组织完成3.5千瓦样机的水下演示验证，验证了水下充电站的燃料电池发电技术。2018年8月，泰莱达能源系统公司在美海军组织的“先进海军技术演习”中完成“水下悬浮充电节点”样机水下演示验证，成功利用“水下悬浮充电节点”样机在水深7米的环境下为SeaBotix LBV300-5遥控无人潜航器充电。水下充电站总重3370千克，尺寸为3.7米×1.5米×1.2米。试验针对燃料电池发电技术，验证了反应物被动喷射、被动水管理、耐压设计等核心技术。燃料电池使用70兆帕氢气和氧气储存罐，能耐受水下数千米的压力。
图2 左为“水下悬浮充电节点”模型，右为燃料电池系统结构
（三）试验铝水反应储能技术
为解决水下充电站的长期可部署问题，美海军试验了铝水反应储能技术，为燃料电池发电系统提供氢气。2019年3月，通用原子电磁系统公司将其此前研发出的铝动力系统（ALPS）集成至泰莱达公司的燃料电池系统，其中铝动力系统用于产生氢气和氧气，输送至燃料电池发电后，驱动了试验罐设施中的遥控潜航器。铝动力系统使用铝水反应制备氢气，能提供同类电池10倍的能量输出，具有保存期限长、安全性好、比能高等优点。通用原子电磁系统公司表示，演示期间收集的结果和数据将用于继续测试和优化铝动力系统，以满足未来水下平台的能源需求。
（四）探索声光射频等多种通信技术
美国海军已试验了水下充电站与无人潜航器的水声通信对接技术，正在探索与舰艇、飞机、卫星的声、光、射频等多种通信技术。泰莱达能源系统公司的“水下悬浮充电节点”样机使用ATM-900系列声学调制解调器与无人潜航器通信，引导对接，传输距离约2～6千米。扩展网络技术公司已研制出水下能源与信息交互网络模拟器，着重考虑水下充电站与无人机、岸上指控中心、水面舰、潜艇等平台的通信问题，探索了光纤通信、卫星通信、甚低频通信、视距射频通信、自由空间光通信等通信技术。
三、能力分析
（一）可实现隐蔽式预置部署
水下充电站体积较小，难被现有探测设备发现，可长期潜伏在较深位置，为无人潜航器提供充电、通信等服务。水下充电站必要时才与舰艇、飞机等通信，通信频率不固定，隐蔽性较高。此外，若干水下充电站可提前布设在冲突水域，即使个别节点被破坏，也不影响整个网络的运行，持续发挥效力。
（二）可扩大无人潜航器部署范围
无人潜航器由于能源有限，潜伏时间不长，一项任务结束后需要及时回收，以避免动力耗尽后失联，基本无法依靠自身动力远距离潜入敌防区。水下充电站可在全球海底广泛部署，形成水下网络，将无人潜航器水下待机时间延长至数月、甚至数年，使其隐蔽航行数百千米，改变无人潜航器当前仅能工作数天的局面，为其执行任务后提供足够的返航动力，提高部署灵活性、任务成功率，扩大部署范围。
（三）可解决无人潜航器通信难题
水下充电站具备数据存储、通信功能，可作为水下数据交互节点，发挥类似基站的效果。一方面，可为无人潜航器充电的同时获取其情监侦数据，传输至有人平台指控中心；另一方面能获取指控中心下达的指令，为无人潜航器的下一步部署做准备。这种方式能大幅提高无人潜航器数据传输效率，极大促进无人潜航器实战化应用。
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