文：李 丽，周文文(哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001)
摘要：超大型无人潜航器作为突破传统水下作战模式的关键力量，已成为水下信息化、无人化和新型作战模式的“水下黑马”，其高度自主性、长期续航性以及强大的载荷能力等已成为水下制权的重要指标。研究美俄两国优势以及澳大利亚、日本等其他国家重要进展，围绕国际超大型无人潜航器能源技术的最新进展，通过能源技术综合对比，结合水下无人作战最新需求，对未来超大型无人潜航器的应用拓展和作战运用发展态势进行分析研究,以期为国家超大型无人潜航器研发和助力我国海军装备建设提供一定的参考和依据。
关键词：超大型无人潜器;能源技术;续航能力;水下无人作战
超大型无人潜航器以其卓越的自主性、持久的续航力和多任务处理能力，已成为全球各国海军高度关注的焦点。其广泛应用将极大地提升海上作战效能，并彻底改变传统的水下作战模式。作为海上网络中心战的关键组成部分，这些潜航器在水下战场上担任多重角色，包括侦察、中继通信、特种作战力量投送信息战及远程打击等。目前，各国正处于研究和海试阶段，个别超大型无人潜航器已开始逐步投入现役。
在此领域的研究中，多国取得了重大进展，特别是美国和俄罗斯。最近，美国进行了“虎鲸”（Orca）和“蝠鲼”（Manta Ray）两款大型无人潜航器的海试，而俄罗斯也公布了最新的超大型无人潜航器“替代者-V”（Surrogate-V）的相关细节。无人潜航器的大型化发展已成为水下武器装备研发的必然趋势。大排量无人潜航器的性能和作用在很大程度上取决于续航能力，因此动力与能源是大排量无人潜航器发展面临的瓶颈问题[3]。本文将介绍国外超大型无人潜航器的最新成果，并对相关的能源技术进行深入分析，以期为大型无人潜航器能源技术的未来方向探索提供一定参考和借鉴依据。
1.1 美国
1.1.1 “蝠鲼”
诺斯罗普·格鲁曼公司在美国国防高级研究计划局（DARPA）主导下，成功打造“蝠鲼”无人潜航器（见图 1）的全尺寸原型。设计初衷是实现大载荷运输和超长距离续航，研发目标是提升长时间水下运行的能量管理、成本效益、持续导航能力以及环境友好性等方面性能，着力推动新一代海军无人潜航器技术的发展。
DARPA 近期发布消息称“蝠鲼”原型于2024年2月和3月在南加州海岸完成全尺寸水下测试，主要是针对其使用浮力、螺旋桨、控制面等推进，转向模式的水下操作等海上流体动力学性能进行验证。目的是评估其在真实海洋环境中的流体动力学性能、推进系统和控制系统的有效性。测试结果显示，“蝠鲼在浮力调整、滑翔性能、推进系统以及控制系统方面均达到了预期的性能标准，确保其在复杂海洋环境中的可靠性和稳定性。
尽管其尺寸细节尚未披露，但其多功能性和卓越性能备受瞩目。“蝠鲼”能够携带多样化的有效载荷，执行海底地形测绘、水雷探测和水下监视等关键任务，同时，其内部空间宽敞具备小型无人潜航器母舰的潜力，甚至可携带潜射武器，展现多用途性。“蝠鲼”的自主性极高，能够在无人操控独立完成作战任务，这得益于其先进的自主控制系统。同时，其低能耗设计允许它在海底锚定，并在低功耗状态下休眠，显著提高能源利用效率，确保长时间自主运行。
为了进一步提升“蝠鲼”续航能力，诺斯罗普·格鲁曼公司与 Seatrec 公司正合作研发 “无限任务 UUV 站”的创新能量回收系统，有望为“蝠鲼”及其他无人潜航器提供持续能源供应，理论上实现几乎无限的续航能力，Pacmar 技术公司也计划年内对该系统进行测试，进一步提升其性能。
1.1.2 “虎鲸”
美国海军正在将水下无人作战力量作为其海上优势战略的核心要素进行深入推进，其中“虎鲸”超大型无人潜航器因其卓越性能已成为关键的战略资产，'虎鲸”重约 80 t，长达 24.4 m，能以最高8 kn 的速度在水下航行，并能够达到超过3300m的最大潜深。“虎鲸”采用高度模块化设计，继承“回声旅行者的柴油机-锂电池混合动力系统、X型尾舵和泵喷推进系统，具备超静音状态下的航行能力。其超过6个月的续航能力和1.2x104km 的航程，在纯电动模式下可连续航行超过 50h，纯电航程可达150nmile，在海上的独立运行时间可长达半年，展现的动力和续航特性出色。“虎鲸”将配备 MK 48 和 MK 46 鱼雷，执行侦察、排雷、电子战和敌舰打击等多种任务。美国海军已签署了5 艘“虎鲸”的订购合同，并计划到 2027年至少拥有6艘，至 2040年左右，将拥有40余艘超大型无人潜航器。为提升潜航器的战斗能力，美国海军进行远征基地舰等平台改装工作，以便携带和投放先进的无人潜航器。
“虎鲸”未来的发展将集中在智能化与网络化、模块化与多功能化，以及自主决策与智能化升级方面[4]。通过引入先进的人工智能技术，进一步精细化模块化设计、提升模块任务转换效率，进一步提升自主决策能力、协同作战效率和应对复杂战场环境能力，实现更高层次的自主操作和战场适应性，引领水下无人作战力量的未来发展。
1.2 俄罗斯
1.2.1 “波塞冬”
俄罗斯海军的创新之作——“波塞冬”超大型无人潜航器，以其划时代的深海战略能力，成为海洋强国的显著标志。“波塞冬”以其鱼雷般的外形，紧凑而高效的设计，长度约 24 m，直径为 1.6 m，重量近40 t，展现出深海作战的卓越性能。“波塞冬”能够深入1 000 m 的海底，执行长达 10 000 km 的远程打击任务，同时可配备常规弹药或核弹药，能够摧毁敌方基础设施以及航空母舰群[5]。2022 年 7 月，俄罗斯海军迎来“别尔哥罗德”号，专门为“波塞冬”设计的多用途潜艇，标志着俄罗斯海军力量的又一次重要提升。今年1月，“别尔哥罗德”号成功完成“波塞冬”模型的投放试验，为潜艇的实战化部署莫定了基础，该潜艇能携带多达6艘“波塞冬”，预计将在2026 年后形成战斗力。
“波塞冬”的问世，不仅代表了俄罗斯海军力量的飞跃，更预示着未来海洋无人作战的新篇章。随着无人潜航器技术与军事应用的深度融合，这些深海利器正从单一的侦察角色，向多面手的战斗角色转变。未来，超大型无人潜航器将通过与无人机、无人舰队的协同作战，构建起一个高度集成的海上无人作战网络，将成为海洋作战的新常态。这种革命性的作战模式，将彻底重塑海战的面貌，引领海洋战略的全新变革。
1.2.2“替代者-V
2022年8月，在俄罗斯“军队2022”国际军事技术论坛上，俄罗斯首次展示“替代者-V”超大型无人潜航器(见图2)。与之前版本相比,“替代者-V’体型更小，排水量减少至约40t，全长 17 m，排水量约 40 t，5 kn 航速下最大纯航里程约 600 nmile，最大航速超过 24 kn，最大潜深600m。作战范围可达800 nmile，巡航速度为 5 kn，最大速度为24 km，采用大型潜艇常见的泵喷推进器，由锂离子电池提供动力，能够在载运船内和底部充电站进行充电。
替代者-V”具备多种任务能力，包括搜索水雷、冰封水域侦察以及执行地形测绘等对载人船舶来说危险或耗时的任务。其特点是能够模仿载人核潜艇和柴电潜艇的噪声特征，误导敌方，使其追踪无人潜航器而非载人潜艇。预计“替代者-V”将用于俄海军的实战和反潜训练。该潜航器不仅结构更加简单、成本更低廉，还能模拟北约潜艇的水下声纹信号，充当有效的“潜艇替身”，协助俄海军进行反潜对抗训练，提升整体作战能力。
1.3 澳大利亚
1.3.1“幽灵鲨”
2024年4月，美国安杜里尔公司与澳大利亚皇家海军联合推出“幽灵鲨”超大型无人潜航器原型机(见图3)，标志着澳大利亚国防创新体系转型的重要里程碑。该潜航器长约6m，宽高约2.5m，排水量在 30~40t，采用柴电动力，最大航速6kn，可连续潜航 10 d，并能在6000 m深的水下执行任务。“幽灵鲨”以其模块化设计，能够执行多种任务，包括情报搜集、基础设施检查、监视、侦察和目标捕获。最大的亮点在于其集成人工智能技术，在对抗性环境中能过够展现出卓越的自主执行任务能力，不仅提升澳大利亚海军的作战实力，也引领了无人潜航器技术向新领域发展。该潜航器的灵活性体现在其能够携带并灵活配置大型有效载荷的模块化船体设计上，允许潜航器快速调整以适应多变的任务需求，增强在多样化的战场环境中的适应性。
在近期的环太平洋(RIMPAC)联合军演上，美国海军对外首次展出，安杜里尔公司表示其首次亮相就博得业界广泛好评，并且公司正在着手将一系列新型军用和商业有效载荷整合进潜航器的设计方案。现阶段开发项目正在美国本土积极推进，旨在提高潜航器的整体性能，以更好地适应多变的海洋任务需求。块化和灵活性增强，预示着它将有效应对当前海洋战略的挑战，并为未来技术发展奠定坚实的基础。
1.4 日本
1.4.1 “长航时无人潜航器’
三菱重工与 ATLA 海军系统研究中心合作开发的“长航时无人潜航器”，是一款正在测试中的超大型无人潜航器(见图4)。这款10m长的无人潜航器具备先进的模块化架构，由核心控制单元、能量供应模块以及推进系统三大部分组成。其动力来源于先进的锂离子电池，预计能在水下以 10 kn的速度连续作业一周。为了进一步提升其自主性和续航力，研发团队正致力于将燃料电池或空气独立推进(AIP)技术整合进该系统。
该潜航器的模块化设计不仅增强了其适应性，还允许通过附加模块来执行多样化任务，如携带传感器、通信节点的“水下设备安装模块”，以及专门用于海洋研究的“海洋观测模块”。此外，还计划开发包括“水面发射模块”和“海洋监视模块”在内的其他功能模块，以扩展其应用范围。在定位和探测技术方面，这款潜航器融合了惯性导航系统和多普勒测速仪，确保了水下精确导航。其声呐系统能够在水面和水下环境中进行有效的目标探测和识别。当潜航器浮出水面时，主动声呐系统将被激活，以增强探测能力。此外，人工智能技术的集成赋予了潜航器自主执行任务和识别目标的能力，这进一步增强了其在深海任务中的潜力和应用前景。
1.5 国外超大型无人潜器对比情况
1.5.1 优势国家无人潜器研究对比情况与传统武器装备不同，无人潜器作为新兴战力的崛起，备受各国关注，并已成为大国博弈的重要方面，未来传统海军装备与潜艇战斗群协同作战已成为重要趋势，而超大型无人潜器的研制实力将成为博弈成败的关键要素。目前，世界领先的超大型无人潜器对比情况和重要参数对比，详见表1。
1.5.2 其他国家进展情况
英国 BAE 公司与法国、德国合作研制“ETC”超大型无人潜器;法国在本国海军展览会展出全比例超大型无人潜器;加拿大研制了长续航氢燃料电池“Solus-XR”超大型无人潜航器配备意大利联合比利时开发蓝鲸”以满足未来海战需求;德国正在研制与美国“虎鲸”长度相同、“可改装水下艇”的氢燃料电池动力、超大型无人潜器。
亚太国家也不甘落后，日、韩超大型无人潜器相继展出，印度已于2023 年批准建造可与美俄美的超大型无人潜器;朝鲜以摧毁敌方舰艇群和港口为目标的“海啸2型”进行实验;菲律宾接受美国“前线部署”成立无人艇部队;泰国新任海军拟扩大潜艇采购计划:越南也展示出提升潜艇作战能力的决心等。
2.1 柴油-锂电池混合动力
船舶混合动力系统不是各主要动力源简单的叠加，而是原动机与电机、蓄电池等关键设备的有效集成]。柴油-锂离子电池混合动力系统结合了柴油发电机的持久性和锂电池的即时能量释放能力。该系统的核心在于其能量转换机制:在潜航器执行任务时锂电池可直接提供直接动力，而当电量降至预设闯值时柴油发电机便自动介人，为电池补充能量。柴电混合动力系统具备延长续航时间、提高能源效率、以及经济性和可靠性等优势，应用实例见表2。
2.2 锂离子电池
锂离子电池作为一种主要的蓄电池，广泛应用于当前的无人潜航器能源系统。其紧凑、轻便、可充电和高可靠性的特点使其备受青睐。然而，锂电池也存在一些不足之处:目前无人潜航器普遍使用蓄电池动力，需要经常打捞无人潜航器进行充电或更换电池组，大幅限制了无人潜航器在水下的实际航行时间和任务执行能力，已经成为限制无人潜航器部署范围的瓶颈问题。此外，电池需要存放在昂贵的金属压力容器中，这不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能带来电池泄漏或故障时的安全隐患，应用实例见表3.
“替代者-V”配备的锂电池可将该型潜航器续航能力提高至 1 288 km，续航时间可达 15～16 h。俄罗斯红宝石设计局还在开发一种基于电化学发生器的新发电装置，无人自主潜航器将在母艇内和母艇底部充电站进行充电。
2.3 燃料电池
燃料电池是一种把燃料所产生的化学能直接转换成电能的化学装置四。当前的燃料电池技术主要聚焦于氢燃料电池。现代燃料电池通常采用质子交换膜(PEM)技术，该技术通过电化学反应将氢气和氧气的化学能转化为电能，而非直接燃烧氢气和氧气来产生热能。燃料电池的工作机制是将氢气和氧气引人聚合物膜电解质和铂基电极，生成电能，同时产生热量和水作为副产品。相比传统锂电池，氢燃料电池的能量密度更高。氢燃料电池由阴极、阳极和电解质组成，其中阳极使用氢气作为燃料，阴极使用氧气，反应产物为纯水。由于氢燃料电池的内部反应不依赖于热机转换过程，因此不受卡诺循环的限制，具有高能量转换效率，并且无需大型机械运转设备，噪声低发热少，具备优异的红外和噪声特性，特别适合军用，应用实例见表 4。
2.4 核动力
核动力系统是通过核裂变或核聚变在反应堆中释放出巨大能量，再经过热交换和动力转换过程，将这份能量转化为机械能或电能，为潜航器提供着几乎无限的续航能力四。这种高能量密度的能源解决方案让潜航器能够执行跨越深海和远洋的长期任务，无需担忧能源补给问题，提升了其自主性、隐蔽性和任务灵活性。同时，核动力系统的稳定性和可靠性使其在极端海洋环境中也能保持高效运行，且其清洁的能源特性，几乎不产生温室气体排放，对海洋环境的影响微乎其微，展现了核能作为一种高效、持久且环境友好的能源选择，极大扩展了无人潜航器的应用范围和任务能力，应用实例见表 5。
2.5海洋温差能发电
美国 2009 年研发出 SOLO-TREC无人潜航器，是世界首个温差能驱动的无人潜航器，主要用于环境监测、海洋科学勘察、海洋学研究等。海洋温差能发电的原理是利用海面温暖的混合水和下方较冷水之间的温差，提取能量并将其转化为电能。将这种技术应用于无人潜航器时，其显著优势在于提供稳定和持久的能源供应，使潜航器能够长时间、连续运行，无需频繁返回基地补充能源。此外，相较于海浪和风力发电，海洋温差能发电的功率变化小，设备利用率高不受自然条件剧烈波动的影响，能够提供24h持续稳定的电力输出。
为了进一步提升“蝠鲼”无人潜航器的续航能力，诺斯罗普·格鲁曼公司与 Seatrec 公司合作，正在研发一种名为“无限任务 UUV站”的创新能量收集技术。该技术通过结合海洋温差能发电的热能吊舱和新型水下电连接器，为潜航器提供动力。这不仅为“蝠鲼”无人潜航器，也为整个无人潜航器技术的发展开辟了新的可能性，预示着水下作战能力的一次革命性提升。目前,“无限任务 UUV 站”仍是一个概念性方案，但也代表着未来的一种发展方向。
1) 经济性更强
超大型无人潜航器的成本结构是多元化的，主要包括制造成本、维护成本以及日常运行成本。在这三大成本中，日常的维护和运行耗费往往占据更为显著的份额。随着技术的进步，国外在超大型潜航器的能源技术领域正向提供近乎“无限动力”的方向发展这是一个旨在大幅度延长潜航器续航能力并减少能源补给频率的创新举措。这种“无限动力”的能源技术，不仅能够显著降低由于频繁维护和能源补给所带来的成本，还能提高潜航器的自主性和灵活性，使其能够在执行复杂或长期的水下任务时更加稳定可靠。此外，通过减少对外部能源的依赖，这种技术还能提升潜航器在极端环境下的适应能力和生存率。
2)绿色更清洁
锂离子电池虽然普及，但在续航力和安全性上存在局限，特别是在极端环境下问题更为严重。为了解决这些问题，研究正在转向更环保的能源选项。锂硫和固态电池因其更高的能量密度而成为研究焦点，预计能显著提高潜航器的续航能力并增强其安全性。氢燃料电池以其清洁能源的优势，为潜航器提供了一种高效且环境友好的电力解决方案。海洋温差能发电技术，利用海洋温度差异产生电力，为潜航器的持续运行提供了一种新的绿色能源途径。这些技术的发展，预示着超大型无人潜航器在提升性能的同时，也将更加注重环境的可持续性。
3)长续航能力
核能技术和燃料电池技术的主要优势在于它们能够提供长时间的续航能力。对于超大型无人潜航器来说，由于常需要在深海环境中执行长达数月的任务，续航能力成为其设计和应用的关键需求。具备这种能力不仅确保了潜航器可以完成长期的深海探索与监测任务，还能够显著减少因能源补给而导致任务中断的风险，从而增强任务的连续性和可靠性。
4)高效集成与模块化设计
在无人潜航器的前沿设计中，提升性能的关键在于能源系统的整合与模块化创新。通过将能源供应与潜航器的主要功能，如推进、导航和通信系统，进行深度结合，可以显著优化能源消耗并减少能源的浪费。这种集成方式不仅提高了能源利用效率，还能增强整体系统的协同作业能力。目前，大多数无人潜航器依赖于单一的能源解决方案，如锂电池，这些系统通常独立运作，未能实现与其他系统的协同。各国正在积极实施智能能量调度算法，并与精确的控制系统相结合，以实现对各系统需求的动态响应，促进能源分配的高效率。这种智能化的能源管理方法能够显著提升能源的利用效率，并延长潜航器的续航能力。
模块化设计的灵活性不仅体现在能源模块的快速更换上，也体现在系统升级与维护的便捷性上。通过采用标准化接口和模块化结构，潜航器的各个功能单元可以独立更新和优化，而无需对整个系统进行大规模改动。这种灵活的设计策略使潜航器能够快速适应新技术的发展，保持技术领先。同时，这种设计还简化了维护和修理过程，只需更换故障模块即可恢复系统功能，降低了维护成本和停机时间。这些特性使得模块化设计在无人潜航器的发展中扮演着越来越重要的角色，为其在不断变化的海洋任务中提供持续的性能保障。
5)小型化和高能量密度电池
电池技术的进步，特别是在小型化方面，正通过材料创新和结构优化实现，尤其在固态电池、锂硫电池和锂空气电池等尖端技术领域取得了一定的实验成果。这些成果不仅预示着这些技术在未来具有巨大的应用潜力，而且已经展现出其在安全性、稳定性以及能量密度方面的显著优势。这些技术不仅在提供高能量密度的同时，还具备了卓越的安全性和环境适应性，完全符合无人潜航器在执行长期深海任务时对能源的特殊需求。随着技术的不断成熟和成本效益的提高，预计这些电池技术将在未来超大型无人潜航器的应用中发挥重要作用，显著提升其续航能力、任务适应性和整体性能。
随着对经济性、绿色能源、续航能力以及模块化和集成设计等技术的深入研究，特别是小型化和高能量密度电池技术的突破，超大型无人潜航器的整体性能将得到显著改善。降低运行和维护成本是经济性改进的核心，绿色能源则有助于减少环境影响，符合可持续发展要求。较强的续航能力能够确保潜航器在深海环境下执行任务时的连续性和可靠性，而模块化与集成设计则提高了潜航器的适应能力，使其能灵活应对不同的任务需求。随着电池技术向小型化和高能量密度方向的发展，潜航器将获得更加安全且高效的能源供应。这些技术的进步和融合将使超大型无人潜航器在未来的深海任务中发挥关键作用，提升其自主性和任务效率，同时拓展应用范围。
本文整理自《船舰科学技术》期刊 2025年3月 第47卷 第5期，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。
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