2020, Vol. 42
2. 海军研究院，北京 100161;
3. 中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101
2. Naval Research Academy, Beijing 100161, China;
3. The 714 Research Institute of CSSC, Beijing 100101, China
2017年8月，英国海军公布了“鹦鹉螺”-100挑战赛获胜方案，该方案为一系列未来概念潜艇及UUV，包括“鹦鹉螺”-100载人潜艇、“鳗鱼”UUV、“飞鱼”UUV和可溶解微型UUV。英国海军官方网站报道称，“鹦鹉螺”-100挑战赛获奖方案模拟了真实的海洋生物，并将颠覆未来50年水下战的作战形式。
1 “鹦鹉螺”-100新概念潜艇方案1）“鹦鹉螺”-100潜艇
“鹦鹉螺”-100潜艇设计采用仿生技术，平台形状类似蝠鲼，由超强合金和丙烯酸树脂3D打印制成，可下潜至1 000 m，表面可以变形。“鹦鹉螺”-100潜艇具有很高的智能化、自动化以及人机匹配水平，艇员将采用先进的脑机（brain-computer）技术控制潜艇系统，艇员编制为20名，仅为传统艇员编制的1/6；有效负载上，“鹦鹉螺”-100潜艇可携带用于不同任务的传感器、释放UUV，并可与海底基站对接，补充鱼雷、无人系统及传感器负载。此外，据报道，“鹦鹉螺100”潜艇表面还敷设有纳米级石墨烯鳞片以提升水下声隐蔽性。
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图 1 “鹦鹉螺”-100潜艇概念设计 Fig. 1 Concept design of Nautilus 100 submarine |
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图 2 “鹦鹉螺”-100与水下基地互动的概念图 Fig. 2 Conceptual diagram of Nautilus-100 interacting with an underwater base |
动力系统上，“鹦鹉螺”100使用藻类生物质能与储能电池相结合的藻-电混合动力系统，推进装置的设计原理与“戴森”无叶风扇类似。“鹦鹉螺”-100采用2种推进方式，在航速不超过30 kn 的情况下，通过从艇首吸水并从船尾排水的方式推进潜艇，可隐蔽巡航（据英国海军官网报道报道，巡航近乎无声）数千英里；另一种用于在战斗或应急情况下短期高速航行，航速可高达150 kn。
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图 3 “戴森”无叶风扇 Fig. 3 Dyson leafless fan |
2）“鳗鱼”UUV
“鳗鱼”UUV是由“鹦鹉螺”-100潜艇的武器舱发射，采用正弦波推进法（类似鳗鱼鱼类水下游动方式）在接近静默状态行驶数百英里；“鳗鱼”UUV完全自主执行任务，通过投放传感器负载以形成基于蓝绿激光技术的水下通信网络以及侦测水下区域，或投放大量可溶解微型UUV执行侦察等任务；“鳗鱼”UUV隐蔽性强，面对传统水下探测系统，“鳗鱼”UUV特征与普通海洋生物无异。
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图 4 “鳗鱼”UUV Fig. 4 Eel UUV |
3）“飞鱼”UUV
“飞鱼”UUV可代替鱼雷，提供具有适应性的武器系统以攻击船舶、潜艇甚至陆地目标。该UUV可携带各种模块化载荷，比如冲击波发射器、电磁脉冲武器、集束导弹、或单个弹头。同时，该UUV可在水面上方作业，由于海浪噪声，它将很难被雷达系统发现。如果被发现，“飞鱼”UUV将潜入安全深度。
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图 5 “飞鱼”UUV Fig. 5 Flying fish UUV |
4）可溶解微型UUV
可溶解微型UUV由“鳗鱼”UUV发射，可以用来阻塞敌方舰船的进水口和出水口，使其无法工作，并且可执行侦察、跟踪及承担护航等任务。该UUV由盐水可溶解聚合物制成，可在保密需要时溶解。
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图 6 可溶解微型UUV Fig. 6 Dissolvable micro UUV |
“鹦鹉螺”-100方案采用了水下仿生、脑机融合、藻类发电、特种功能材料等大量前沿科技技术。与传统潜艇平台相比，其平台总体、潜艇控制、动力系统、作战方式出现了概念创新突破或性能大幅提升。
1）水下仿生技术
传统水下平台推进器往往采用螺旋桨和叶轮等机械设备，存在水下机动反馈滞后、运行不灵活且对水下物理场环境扰动大等缺点，不利于在复杂、促狭的环境中应用。与机械水下平台相比，海洋生物具有更高超的水中运动能力，其运动效率、机动性、稳定性等大幅优于当前的水下航行平台，如鲹科鱼类的推进效率超过90%，海豚可以实现450°/s的高速转向且其转弯半径仅为体长的11%~17%，鳐科鱼类通过改变鳍面波从而完成在复杂水环境下的高超杂技动作。因此采用仿生技术，模拟水生生物优越的推进机理和生理结构是设计、研制高性能水下平台的一大热点方向。
其中“鹦鹉螺”-100方案基于水下仿生技术，模拟蝠鲼（俗称魔鬼鱼）进行设计。蝠鲼是目前利用胸鳍摆动方式游动的最大海洋生物，其身体柔软，游动方式与鸟类拍打翅膀飞行类似，在游动过程中身长和身宽两方向均呈波浪状，胸鳍上下不对称摆动，快速游动时最高可跃出水面1.5 m，具有优越的水下机动能力。据美国西切斯特大学联合佛吉尼亚大学对蝠鲼游动采用试验监测与数值仿真结合的试验结果，蝠鲼推进效率可达89%，显著高于传统螺旋桨的60%。
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图 7 蝠鲼游动建模仿真 Fig. 7 Manta Ray swimming modeling and simulation |
2）脑机融合技术
脑机融合概念最早于1973年提出，该技术原理是通过脑机接口将人脑与计算机交互连接，使人脑部与外接设备之间建立交流通道，在该通道中外接设备通过提取特定的大脑活动的神经信号，并根据脑信号生成符合人的意图的控制命令，对外部设备进行操控，实现人脑直接控制被控对象。
脑机接口系统可分为有创与无创两类。目前有创的脑机接口系统主要通过向大脑植入电极阵列、提取神经活动的电信号而实现；无创脑机接口系统主要通过记录、解码脑电等无创脑成像技术所采集到的神经信号来实现，具有操作简便、无创伤等优点，在医疗康复、智能监控、安全监测、军事装备、娱乐及商业活动领域具有十分广阔的发展前景。
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图 8 典型的脑机控制流程 Fig. 8 Typical brain-computer control process |
目前武器控制方式主要通过人员操作鼠标、键盘、按钮、控制杆或者语音控制实现对武器装备操作。而“鹦鹉螺”-100潜艇通过脑机融合技术，可以充分发挥人脑的智能，并利用自动控制技术将艇员从繁重的操作任务中解放出来，使人与机器高效结合，将大脑的思维直接变成看得见的任务结果，实现“随心所动”的智能化操作，做到感知即决策，极大提升装备的打击效能和自动化、智能水平。
发展情况上，英国于2013年研发出首款用于控制飞船模拟器的“脑机接口”装置，操作员将其戴在头上后便可通过人脑思维控制飞船模拟飞行；2019年，美国卡内基梅隆大学研发出世界上首款无创脑控机器人手臂，机械手臂可解析操作者脑电神经信号进行作业。
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图 9 操作者脑控机械手臂跟踪屏幕上光标 Fig. 9 Operator brain-controlled robotic arm tracks cursor on screen |
3）藻类发电技术
藻类发电的原理是基于藻类细胞的光合作用产生电流进行发电，同时也可以对藻类后期进行燃烧发电，通过立体光反应培养器生产藻类，随后制成藻粉作为燃料经过燃烧进行发电，在此过程中藻类可回收循环利用二氧化碳。目前藻类发电是世界上仅次于风力发电的可再生能源发电技术。
由于藻类发电本质是基于藻类的光合作用，因此“鹦鹉螺”-100潜艇动力系统理论上可实现水下充电、供能且能源可再生，此外电池产能过程中无噪音、红外等明显物理特征，具有较强隐蔽性。
英国在藻类发电技术上具有较高的研发水平，其中剑桥大学在2014年开始研发基于藻类和苔藓光合作用产生能源的生物光电（BPV）装置；2018年，剑桥大学成功研发出藻类燃料电池，其功率密度为0.5W/m2（约为传统太阳能燃料电池的1/10），下一步剑桥大学将进行藻类燃料电池小型化研究。
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图 10 藻类发电装置 Fig. 10 Algae power plant |
4）特种功能材料技术
特种功能材料是以物理性能为主的工程材料，一般指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性能，或者在其作用下表现出特殊功能（如变形、水溶等）的材料。特种功能材料是新材料技术领域的核心，涉及纳米材料、高分子材料、复合材料等技术领域，对高新技术装备的发展起着重要的推动和支撑作用。
其中“鹦鹉螺”-100潜艇方案采用了超强合金和丙烯酸树脂特种功能材料，该材料为高分子聚合物-金属复合材料，经常用于水下仿生机器人制造。高分子聚合物-金属复合材料结合了高分子聚合物和金属材料的优点，一方面高分子聚合物质量较轻，对外部环境的影响适应性好，能承受一定程度的变形；另一方面金属材料硬度大，耐压性好，能使装备更加适应水下环境。
“鹦鹉螺”-100潜艇方案中的可溶解微型UUV还采用有水溶性高分子材料，该材料主要为水溶性聚合物和树脂等，具有较强的亲水性能。在实际运用中，微型UUV可在需要时发生溶解反应，以隐蔽执行任务。此外，美国亦提出类似作战概念，2019年美国国防部和美国化学学会提出“瞬间自毁”聚合物材料研究项目，该材料具有“低上限温度”特性，当温度超过一定阈值时，材料就会迅速分解。通过该特性，“瞬间自毁”材料可用于部署电子传感器或秘密运送军事装备，在需要时可通过光敏催化剂等措施使材料迅速分解、“消失”，并不留痕迹。
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图 11 具有“瞬间自毁”功能的特种材料 Fig. 11 Special materials with instant self-destruction function |
目前英国为“鹦鹉螺”-100潜艇项目提供了8亿英镑的预算，以探索及实现该方案的前沿装备设想。同时，英国也加大了无人系统研发力度。2019年4月，英国政府的国防与安全加速器（DASA）部门启动了一项长期装备竞标项目，以研发大型水下航行器装备。按照英国海军要求，该超大型无人潜航器能够承载不同的有效载荷和传感器，将用于水下数据收集、情报、监视、目标、捕获、侦察（ISTAR）等任务，其中超大型无人潜航器将储备舱应达2 m3以上，有效载荷可达2 t以上。此外，英国国防部还要求该超大型无人潜航器能自主运行，自持力不少于3个月，航程可达3000 nmile，主要用于情报信息收集任务，并具有支持反潜战的能力。
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图 12 英国超大型UUV概念图 Fig. 12 Conceptual map of the British super-large UUV |
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Imagining The Future of Submarines[C]. 2019.
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Royal navy unveils radical new submarine concepts[C]. 2019.
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Royal navy submarines of the future conceptualised[C]. 2017.
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刘珍娜. 浅谈仿生水下机器人的发展现状[J]//山东工业技术, 2018.
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| [6] |
张琛. 打开思维之门的脑机接口技术[J]// 世界科学, 2019.
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