机器人潜艇投入战斗。第 2 部分：海军的 AUV

笼罩在一层令人不寒而栗的面纱之下
雨中，在夜幕的掩护下，几名海豹突击队员从一艘船上下来，乘坐一艘小橡皮艇。他们开着船驶向附近的港口，发动引擎，轻轻地将三个鱼雷形状的物体放入水中。任务是什么？找到两栖作战的宿敌：海底水雷。但今晚，海军依靠的不是通常由经过专门训练的海豚或人类潜水员来完成这项工作，而是机器人。

这一幕最近在圣地亚哥、西雅图、夏威夷和地中海多次上演。这是一次测试场景，是实战的彩排。海军专家不愿透露他们的新型智能无人潜艇（即自主水下航行器 (AUV)）是否会在近期被派往敌方港口——这是机密——但他们确实对这些机器的表现深表满意。

美国海军建立其主导地位的信念是规模越大越好，但战争的性质正在发生变化。在后科尔号时代，很明显，最强大的力量在划艇上的几个人面前也毫无作用。在海湾战争初期，的黎波里号和普林斯顿号军舰被水雷炸开——这种装置价值数千美元，造成数百万美元的损失。海军陆战队无法登陆，不得不空运。水雷和其他易于获得的技术（如巡航导弹和弹道导弹）意味着，今天任何国家，无论技术多么落后，都可以有效地阻止美国军队进入其海岸线。在军事术语中，这个问题被称为“大范围拒止”。

海军提高敏捷性的一个方法是使用无人潜艇，这种技术在过去十年中在大学研究实验室中蓬勃发展，并由小型衍生公司商业化[见 2 月“深海机器人”]。但是，尽管海军资助了一些早期的 AUV 开发，但与大多数大型官僚机构一样，它在将新奇事物纳入长期规划方面进展缓慢。2000 年 4 月，海军委员会警告说，机器人潜艇技术已在全球市场上出现，如果该机构不醒悟过来，就会落后。该委员会的报告概述了未来 AUV 舰队的四项理想“标志性能力”——侦察、海底搜索和调查、通信和导航以及反潜战——海军自此加强了其 AUV 的研究和开发。

制造这些设备并不容易。虽然一些 AUV（如海豹突击队在扫雷试验中使用的 AUV）已经投入使用，但它们的能力远远低于军事规划人员的最终设想。在 AUV 发挥其潜在作用之前，还需要更好的传感器、信号处理、能源和导航方法。

操作无人潜艇比驾驶“捕食者”等无人飞机更具挑战性，去年，“捕食者”由远程飞行员控制，在阿富汗成功执行了任务。问题不仅仅在于自主性。“水下的一切都对你不利，”圣地亚哥太空与海军作战系统中心 (SPAWAR) 海洋系统部的长期 AUV 支持者罗伯特·沃恩利 (Robert Wernli) 说。在海洋中，能见度比在空中低得多。洋流会使车辆偏离预定航线。海水会腐蚀它们。无线电信号和 GPS 无法穿透深水，这使导航和通信特别具有挑战性。

但 AUV 所承诺的军事效益几乎肯定值得付出这些努力。它们几乎无法被探测到——它们完全潜入水中，声学和磁场特征很低——它们可以被派去进行监视或为入侵做准备，而不会让敌军感到不安。它们的体积足够小，可以从几乎任何船只、潜艇或飞机上发射——有些甚至轻到可以通过联邦快递运送——因此可以在常规船只无法到达的浅水中执行任务。它们的生产成本相对低廉，因此在危险或不方便的情况下不需要回收。它们将充当“力量倍增器”，处理可编程任务，释放载人战舰以执行更复杂的任务。它们还可以执行最危险的任务，帮助水兵和海军陆战队员远离危险。

目前，海军主要将 AUV 用作扫雷器。但从长远来看，它们的作用不只是将人从雷区中救出。AUV 将绘制洋流和海底地图，帮助载人潜艇和船只安全航行。它们将被秘密派往敌对国家的海岸线，监视敌人的行动并通过卫星报告。它们将充当信标，使其他水下设备无需浮出水面接收 GPS 信号即可保持方位。它们还将确定敌方潜艇何时在附近，进行跟踪，并在必要时将其炸毁。“它们扩大了海军系统的覆盖范围，”弗吉尼亚州阿灵顿海军研究办公室海洋工程和海洋系统项目负责人汤姆·斯文说。“多亏了 AUV，也许有一天，很少有人参与暴力行动。”

今天：寻找地雷

当今的海军是一支远洋力量——其优势在于深海，而非浅海——但它正在为棕水之战做准备。波斯湾 74% 的水域水深不足 180 英尺。海军所称的极浅水域——从大约 40 英尺到海浪开始破碎的 10 英尺深——水雷的威胁尤其严重。在船只和载人潜艇无法涉足的水域，海军传统上依靠海豚来寻找和标记水雷，依靠人类潜水员在附近设置炸药，然后在炸药爆炸前游走。这项工作非常缓慢且危险。

这就是为什么军事规划人员更愿意派出一队 AUV。海豹突击队测试的 AUV 在投入水中之前就已编程。每辆车都专注于港口的某个独立区域，通过一系列平行运行覆盖该区域——这种策略被称为“割草”。机器人潜艇用声纳扫描每个方向 150 英尺，记录所有类似水雷的物体的位置。为了保持方位，它们不断向海豹突击队在预定位置投入水中的两个应答器发送信号。（潜艇经过编程，知道应答器的位置，因此通过评估信号反射回来所需的时间，它们可以确定自己的位置。）几个小时后，当机器人潜艇覆盖了整个港口后，它们会聚集在指定地点等待回收。

此次行动中使用的 AUV 是 Remus（远程环境监测单元系统），最初于 1994 年由伍兹霍尔海洋研究所为非军事调查工作而开发。该研究所的商业子公司 Hydroid Inc. 现在生产用于军事用途的特殊版本。

Remus 长 63 英寸，直径 7.5 英寸。它可以在水下停留长达 22 小时，擅长在 10 至 40 英尺的水下作业，非常适合墨西哥湾的浅水区作业。海军将多辆 Remus 组合成一套名为 Sculpin 的系统。每辆车都可以装在一个金属箱中，重量不到 150 磅，这是联邦快递快速商业快递的最大重量：Sculpin 的搬运工比大多数摄制组人员的体型都要轻。目前，Sculpin 系统仅用于探测水雷；人类潜水员将负责处理爆炸。

位于马萨诸塞州剑桥的 Bluefin Robotics 公司正在为海军开发战场准备 AUV (BPAUV)，其作业深度在 40 至数百英尺之间。BPAUV 长 10 英尺，直径 21 英寸，重约 500 磅，可谓不小。但 Bluefin 公司的首席技术官 Scott Willcox 表示，他们正在开发一种更小、更易于管理的版本。BPAUV 和 Remus 都使用侧扫声纳设备来搜索海底或海底下的地雷。车辆侧面的传感器会发出一束细小的声波，像扇形一样向外延伸 150 英尺。

弗吉尼亚州怀特马什的海洋声波技术公司（Marine Sonic Technology）的道格·布拉哈（Doug Blaha）是 Remus 侧扫声纳的制造商，他认为声学传感器最适合这项工作，因为沿海水域通常很浑浊。“如果你走进一个烟雾弥漫的房间，你可能看不到房间另一边的某个人，”布拉哈说，“但你肯定能听到他的声音。”

浅水不仅浑浊，还被人类的废弃物堵塞，这些废弃物在世界大多数海岸线上溅起。“最大的挑战是在这些杂乱无章、到处都是人类垃圾（汽车、垃圾、旧冰箱）的地区找到水雷，”华盛顿特区海军濒海与水雷战项目执行办公室的项目经理罗布·西蒙斯说。为了帮助 AUV 区分水雷和热水器，海军正在开发更强大的声纳，以提供更高分辨率的声学图像。AUV 还在考虑安装磁梯度仪（使用内部磁铁检测金属物体引起的局部磁场变化的传感器）和化学传感器，用于检测从劣质水雷中​​渗出的爆炸物。

水雷在深海中也是一种危险。这种水雷通常漂浮在水面附近，系在海底的电缆上。目前，这种水雷探测不是由海豚和潜水员进行的，而是由拖曳水下声纳滑橇的船只或直升机进行的。但这两种系统都不是理想的：船只在布满水雷的水域航行会面临危险，而直升机在水面上飞行缓慢，很容易成为敌方炮手的目标。海军希望有一天 AUV 可以代替它完成这项工作。要覆盖的区域非常广阔，因此这种 AUV 需要在水下停留很长时间。

28 英尺长的海马是专为深海扫雷而制造的，将于今年投入使用。它可以使用电池行驶 300 海里，电池可使其运行长达 72 小时。虽然海马可在水下 100 至 1,000 英尺处工作，现在已经准备就绪，但海军正在努力在 2004 年前开发另一种深海 AUV。波音公司目前正在开发的长期水雷侦察系统由两台 20 英尺长、21 英寸直径的车辆组成，将通过鱼雷管发射和回收。LMRS 使用前视声纳（像电影放映机一样发出声波）来发现浮动水雷，并在巡逻时避开它们和其他障碍物。每台 LMRS 车辆将一次出海数天，每天绘制距离潜艇 100 海里范围内 50 平方英里的地图。

由于 AUV 是“增值”设备，可以增加海军的整体兵力，因此它将使军队更加积极主动。用军事术语来说，AUV 将增强“战场准备”。它们可以被派往潜在冲突地区的海底地图绘制区——提前识别水雷、危险洋流和理想的着陆路线，而不会让敌对国家知道他们的海岸是他们感兴趣的。密西西比州斯坦尼斯航天中心海军海洋学办公室的海洋学家玛莎·海德说：“我们希望在战争爆发前完成必要的测绘。”如今，这种准备工作是由大型海洋学船只完成的，这使得它成本高昂、人力密集，而且远非隐蔽。斯文说，将这项工作转移到小型、无人驾驶、消耗性、可以不引起注意地接近敌对海岸的船只上，将至少将效率提高一个数量级。

明天：引爆地雷等

探雷的目的是寻找进出路线——既能找到船只进港的通道，也能找到特种部队登陆海滩的通道。除了探测水雷的位置，还需要确定哪里没有水雷：最好的策略往往是绕开威胁，而不是直面威胁。但当水雷位于战略要地时，就必须将其排除，而最好的方法通常是将其炸毁。

制造能够发现疑似水雷物体的水下机器人是一回事。这就是海军目前所处的状态。制造能够确定物体是水雷还是价值数百万美元的海洋设备，然后在必要时将其摧毁的水下机器人则要复杂得多。这就是海军的最终目标。

军事规划人员认为，未来可能能够摧毁水雷的车辆之一是 Surf Zone Crawler，这是佛罗里达州巴拿马城海​​军海岸系统站正在开发的一种不同寻常的 AUV。这些小型、方形、类似坦克的车辆不到一英尺高，拥有宽阔的履带，使其能够穿越岩石密布的海洋地形。与游泳式 AUV 相比，爬行式 AUV 不易受洋流影响，这使它们成为近距离识别水雷的理想选择。但它们距离准备就绪还有很长的路要走。“到了最后，我们把机器人放到水里，有时会被困在泥里，”海岸系统站工程师查克·伯恩斯坦说。

另一个问题是：用于炸毁水雷的 AUV 很可能在爆炸中被摧毁。Wernli 认为，每摧毁一枚水雷就牺牲一辆 Remus 或类似的车辆是合理的：“如果我能花 10 万美元拆除一枚水雷，那就值得了。”但到目前为止，海军已经习惯于建造它不想失去的复杂载人飞行器，因此制造一次性飞行器的想法代表着一种范式转变。随着 AUV 变得越来越复杂，配备新型传感器和通信系统，这个想法就成了一个问题。AUV 拥有的装备越多，成本就越高，而且它越不适合执行神风特攻队任务。Simmons 的经验法则是：“如果你承受不起丢失它，就不要把它放到水里。”

解决这个问题的一个办法是采用一种称为“合作自主”的概念。例如，在扫雷场景中，高端 AUV 可以释放更便宜、更原始的机器，这些机器可以自行安装在目标地雷旁边，等待命令引爆。“你仍然可以完成这项工作，但每辆车不必那么智能，”伯恩斯坦说。

通信将是此类合作安排的关键组成部分。威尔科克斯说，Bluefin 正在为 BPAUV 配备水下服务器，使其能够从船舶接收新的任务计划并将其转发给水下的 AUV。BPAUV 将通过短距离声学与水下机器人进行通信，但当它需要发送或接收任务关键信息时，它将使用一种新的长波长天线，在海面上方发射无线电波。凭借这种能力，BPAUV 可以安静地与 60 海里的船舶通话。

另一种节约成本的方法是制造可执行多种功能的模块化 AUV，而不是制造一整套专用设备。SPAWAR 工程师正在设计一种可重新配置任务的 AUV。目标是制造一种多功能、远距离的车辆，从潜艇的鱼雷发射管发射和回收，能够执行从通信到侦察等各种任务。如果潜艇操作员想在敌方海岸线附近监视无线电信号，“你就给它装上天线来监听、收集情报，然后回到深海的安全地带，将信息转交给那些可以使用它的人，”SPAWAR 工程师 Barbara Fletcher 说。改变有效载荷，该车辆可以进行扫雷或跟踪敌方潜艇。这种下一代 AUV 的初步版本预计将于 2009 年加入舰队。

下一步：技术障碍

自主性可能是机器人潜艇最具挑战性的方面。AUV 必须避开潜在威胁、评估传入信息并调整任务优先级，所有这些都无需直接人工干预。要实现所有这些，必须改进传感器（声纳、磁传感器和光学传感器），以便 AUV 能够在更远的距离收集更高分辨率的图像。一种可以实现这一目标的技术是合成孔径声纳，这是雷达技术的水下改进版。对于海底的给定点，侧扫声纳会发出和接收单个脉冲，但合成孔径声纳会在潜艇移动时反复扫描同一点。实际上，这将声纳的孔径从 12 英寸扩大到 100 码。弗吉尼亚州阿灵顿 Dynamics Technology 公司的 Enson Chang 表示，新技术可以分辨一公里外钱包大小的物体。

另一个需要改进的领域是推进能源。目前，小型 AUV（如 Remus）可以运行长达 22 小时，大型 AUV（如 Seahorse）可以运行长达 72 小时，但军事规划人员需要能够独立运行更长时间的车辆。为小型 AUV 设计更好的电池，并为大型 AUV 设计其他电源（如燃料电池）是关键。了解当前的系统有多么原始：Seahorse 使用 9,216 节碱性 D 型电池，这种电池通常用于手电筒。Head 说，目前这是最有效的方法，因为 D 型电池的能量密度高于目前可用的可充电电池。

在理想世界中，海军科学家希望做更多的事情。他们希望建造的 AUV 能够像鲑鱼一样对水化学敏感，并且使用聚合物外壳推动 AUV，就像章鱼通过其波浪形的皮肤向前移动一样。他们还希望 AUV 声纳更像海豚的声纳，海豚的宽带声波传输范围约为 30 至 100,000 赫兹。负责 SPAWAR 生物声纳项目的帕特里克·摩尔 (Patrick Moore) 说：“海豚可以检测到仅 0.2 毫米厚的铝制圆柱壁的差异——这太棒了。”

未来：机器人战斗机

海军未来战争愿景中最具未来感的元素——因其圆润的三角形状而被称为“蝠鲼”——正在罗德岛州纽波特的海军水下作战中心分部成型。蝠鲼的母舰将是一种新型潜艇，其船体像一条巨大的金属鲨鱼一样覆盖着“智能外壳”，武器安装在外部。几台 100 英尺长的蝠鲼将被流线型设计，嵌入这艘新潜艇船体的凹陷中；虽然它们连接在一起，但它们将成为这艘大型潜艇不可分割的一部分。然而，一旦下水，它们将与母舰进行声学连接，将母舰的触角延伸到潜艇无法跟踪的峡谷和浅滩。

母潜艇停在离岸很远的地方，将部署其巨大的 AUV 进行侦察巡逻和近海勘测，充当保护主力部队的防御哨兵，使用潜艇的全部武器袭击敌舰和岸上设施。但 Mantas 本身就是母舰。就像隐身的俄罗斯套娃一样，它们会发射自己的小型 AUV 和无人机群。而且，据推测，这些较小的机器人将能够派出自己的更小的 AUV 群。

为此，纽波特的工程师们设计了一艘三分之一大小的 Manta 测试船。这艘船形似一架略微加满油的协和式飞机，重 8 吨，时速可达 10 海里，下潜深度可达 800 英尺，可携带多种有效载荷。该船于 1999 年开始在纳拉甘西特湾进行海上试验，此后展示了部署和与小型 AUV 通信等技能。看到 Manta 测试船在海湾中穿行，让人想起尼斯湖水怪；但对于海底战士来说，它更像是未来。n

卡尔·波西（Carl Posey）是弗吉尼亚州亚历山大市的一位作家。