海军武器装备技术重大发展方向

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导读:伴随着以信息技术为代表的多项重大基础学科技术领域取得关键突破,以及海军作战思想和装备发展思路的改变,进入新世纪以来,海军武器装备发展取得了一系列重大的甚至是划时代的技术突破。这些重大技术正在改变着新一代海军装备的面貌,将对海军武器装备的发展和未来海上作战产生革命性的影响。 1、舰艇总体技术领域 (1)水面舰艇综合隐身 现代战场要求舰艇必须具备电磁、红外、声、磁、光、水压及尾流等综合隐身能力。隐身性能已成为现代新型舰艇研制中优先权最高的重要战技指标之一。2000年瑞典全隐身近海护卫舰建成,标

伴随着以信息技术为代表的多项重大基础学科技术领域取得关键突破,以及海军作战思想和装备发展思路的改变,进入新世纪以来,海军武器装备发展取得了一系列重大的甚至是划时代的技术突破。这些重大技术正在改变着新一代海军装备的面貌,将对海军武器装备的发展和未来海上作战产生革命性的影响。

1、舰艇总体技术领域

(1)水面舰艇综合隐身

现代战场要求舰艇必须具备电磁、红外、声、磁、光、水压及尾流等综合隐身能力。隐身性能已成为现代新型舰艇研制中优先权最高的重要战技指标之一。2000年瑞典全隐身近海护卫舰建成,标志着一个新的开端。多数国家准备建造的新一代战舰大多是隐身舰。美、俄、英、德等不少国家推出了以雷达波隐身为主要特点的新型水面舰艇设计方案或构想,出现了集成上层建筑、综合天线桅杆、X型桅杆,以及武器、电子设备和舰艇上部结构的共形设计等一系列新的隐身措施。

从各国新型舰艇研制和科研计划的发展趋势来看,水面舰艇隐身已经从雷达隐身为主,发展到要求控制舰船的声、电、磁等众多物理场特性,形成全谱舰船目标特性控制。

隐身作为一种复杂的属性,采用单项技术是无法实现的,它涉及基础理论和机理、应用技术、系统综合和集成等方面,只有从设计之初开始,通过总体、系统和设备的每个层次、每个环节协调地优化,舰艇目标特性控制、综合集成的效果才是最好的,否则可能会恶化目标特性控制的整体效果。当前,国外正利用系统工程方法,采用舰船全谱物理特性控制技术体系,控制舰船主动和被动产生的物理场,实现舰船的综合隐身。

(2)集成上层建筑

舰艇上层建筑部分是影响全舰作战性能和舰艇隐身性能的最主要方面。信息时代对舰艇不断增长的信息能力需求要求在舰艇上不断增加新的装备与能力。在已往的上层建筑状态与设计方法下,舰艇每增加一个新系统,而且要使新系统性能最佳,都会引发一系列问题。从而使设计过程实际上成为各种工程评估问题,如结构、气流、电磁、武器有效范围和效应、发现目标/阻断、安全等,此外,还需要完成整舰评估,如整体监视能力、可承受能力以及顽存性、可维性、可靠性等。由于舰上装载的系统数量多、种类多,复杂性高,实际上无法真正做到在加装新系统后使整舰性能最佳。这已成为现代舰艇设计中的主要矛盾之一。

集成上层建筑技术采用系统工程方法,综合运用多功能结构设计技术、复合材料技术、平面阵天线技术、联合孔径技术、系统集成技术等,同时提高全舰性能和舰艇的隐身性能,并降低舰艇全寿期费用,使隐身设计与舰艇上部结构设计技术有机地统一起来,是水面舰艇发展历史上一项划时代的技术突破,将改变21世纪水面舰艇的面貌。

美国于90年代中期开始相关概念与技术研究,英国也随后开展了相关领域的研究。现在,美、英两国已经都有能够直接应用到新型舰艇上的技术与产品。以美国DD(X)驱逐舰为代表的新一代水面舰艇将采用光滑、多面塔式结构上层建筑取消传统桅杆式上层建筑,基本消除了角反射、边缘和各种腔体反射效应,同时综合采用了红外抑制、降噪等技术。

(3)平台信息化

舰艇平台信息化是在平台自动化技术的基础上发展起来的,旨在对舰艇进行一体化综合监控与管理,以预测、实时发现和控制事故与故障,提高应对突发事件的能力和舰艇的生存能力,对平台实施自动化、智能化管理;为舰艇本舰及远程信息交互提供信息基础平台,改善适居性,支持灵活训练和远程保障能力,为新的作战使用提供基础;降低平台对人员数量的需求,大幅降低平台的全寿期费用。

美国、英国、意大利、法国、西班牙等国一直都在致力于提高舰艇平台的信息化。美国海军从20世纪90年代中期就开始“智能舰”技术研究,共采用了61项创新性技术,其中7项被称为“核心”技术,分别为光纤局域网络(LAN)、机械控制系统(MCS)、综合舰桥系统(IBS)、综合状态评估系统(ICAS)、损管系统(DCS)、燃油控制系统(FCS)、无线通信系统(WICS)。经过信息化改造的

“提康德罗加”级巡洋舰已基本实现平台管理自动化,舰上每周工作量减少30%。美国海军已决定在新一代驱逐舰和航母上采用最新的“智能舰”技术。预计DD(X)的首舰将降为175人的编制,后续舰最终将减少到125人编制;尚在论证阶段的CVN78和CVN79下一代航母将相对于“尼米兹”级航母分别减少400和800人。

平台信息化的进一步发展将能够获得舰上所有必须控制的各级各点的信息,并实施控制。当前,平台机动、导航定位、动力装置控制、能源输配、航行姿态实时控制和显示、平台综合隐身控制、损管等都已纳入平台信息化及综合管理范畴,正处于不断改进监测与信息采集技术的阶段,信息管理和控制还采用集中的方式,真正意义上的分布式自动监测、判断、反应是下一步发展的目标。平台信息化的发展还将为新的作战应用提供高信息容量、灵活的基础信息平台,为在水下战、侦察和监视、战斗空域控制等方面提供新的作战使用能力。

(4)船型多样化

在未来较长的时期内,大型水面舰艇仍将采用单体船型。但采用新型球鼻艏、水线以上部分内倾、采用小水线面等复合船型将会大大改善单体船型的适航性,提高作战性能。

多体船型的研究是21世纪海洋水面平台技术中最有活力与明显的战略发展前景的部分,全系统创新的多体船将有可能改变21世纪水面船舶的面貌。经过几十年的发展,多体、复合船型正从小型、实验型向大型化、实用型发展。英国、美国、澳大利亚等国都正在从事新型多体复合船型在军用领域中的实用化研究与设计工作,预计2015年前后将有多种多体复合船型进入实际军事应用。

(5)提高生命力

提高舰艇的生命力需要在多个技术领域采取综合措施,包括损管、防弹抗沉结构、抗冲击结构、分布式系统结构、主被动装甲,以及隐身性、主被动防御技术等。以美国为代表的先进国家正在研究新一代舰艇生命力设计、评估与试验方法。例如美国海军正以“美国”号航母作为试验平台进行相关研究与试验。

(6)电磁飞机弹射系统

电磁飞机弹射系统(EMALS)是一种利用电磁力将飞机加速到起飞速度的弹射系统,是航母电气化的重要内容之一。

电磁飞机弹射系统可弹射各种各样的飞机,扩展了航母使用飞机的能力范围,并且很容易简化为满足短距起降飞机起飞的助跑系统,并能很好地与滑跃跑道形状配合,可用于轻型航母或两栖攻击舰上,甚至能够用在任何采用综合电力系统的舰艇上。应用电磁弹射系统占用空间小,航母对动力装置没有要求,使航母的设计更灵活,便于舱室布置。

电磁飞机弹射系统另一个重大优势是可以充分依靠并带动相关的民船工业基础,涉及关键技术主要有直线感应电动机技术、电力调节系统技术、舰载储能装置技术、控制系统技术等,可以大范围借用民用技术。在民用领域相关技术的推动下,电磁飞机弹射系统将迅速变得廉价。目前美国已决定在其新型航母上采用电磁飞机弹射系统,预计未来将在英国、法国等更多国家在航母、两栖舰等更大范围内得到使用。

2、舰艇动力技术领域

(1)综合电力系统

舰艇综合电力系统是最近15年来新发展起来的一种舰艇动力技术。与过去舰艇采用的电子力推进系统相比,其最大不同之处是综合电力系统不仅为舰艇推进提供电力,而且也为舰艇提供日用用电,包括为各种传感器、电磁武器和航空母舰的电磁弹射系统和电磁飞机回收系统提供用电。

舰艇采用综合电力系统具有:①布置灵活;②电力能综合调配使用;③功率密度高;④有效负载大;⑤舰艇安静性好等优点。

国外舰艇综合电力系统的研究已取得明显进展,美国海军已经决定在未来驱逐舰、巡洋舰和濒海战斗舰上使用综合电力系统。英国海军已居新建45型驱逐舰上使用综合电力系统。法国海军已原则决定在未来舰艇上使用综合电力系统。德国海军已3000吨小水线面双体试验舰上作综合电力系统的设计研究。美国海军核动力潜艇也有今后采用综合电力系统的明确计划。

综合电力系统是21世纪海军舰船技术的重大变革之一,有利于舰船的电气化,不仅会使舰船推进方式产生重大变化,更重要的是为一些新概念武器或新技术上舰铺平了道路,例如激光武器、电热化学超高速炮、电磁炮、电力轨道炮、粒子束武器、射频武器等新武器和电磁弹射器技术等。

(2)不依赖空气的动力装置(AIP)

目前,国外正在开发或已应用的常规潜艇AIP技术有:斯特林发动机、燃料电池、闭循环蒸气轮机、闭循环柴油机等。从目前发展情况看,最有前景的AIP技术可能是燃料电池和斯特林发动机。目前,德国拥有燃料电池AIP潜艇,瑞典拥有斯特林AIP潜艇,巴基斯坦拥有闭循环蒸汽轮机AIP潜艇。闭循环柴油AIP系统只在意大利的水下运载艇和蛙人艇上使用。在周边国家,日本、印度、韩国等的下一代潜艇计划都是AIP潜艇。

3、水中兵器技术领域

(1)在新的作战环境下,从专业反水雷向制式反水雷转变

浅海环境复杂,威胁源多,范围也广,要求反水雷舰艇具有灵活机动的快速反应能力,传统的专业反水雷手段,由于其现有专门水雷战舰艇航速较低,无法随编队行动,不适应快速机动的作战要求,美国海军20世纪90年代后提出了建制反水雷的发展思路,并重点开发以直升机、水面舰艇和潜艇为载体的建制反水雷系统。如快速机载水雷清除系统(RAMICS)、机载灭雷系统(AMNS)和制式机载水面感应扫雷系统(OASIS)、水雷/障碍物清除系统(MODS)、HYDRA-7水雷清除系统、海军火炮发射系统(NGFS-Naval

Gun-Fired System)等。

根据2005年3月出台的“未来30年计划”,美国海军水雷战舰至2024年将全部退役,取而代之的是建造反水雷系统。

(2)反鱼雷鱼雷(ATT)技术可能成为鱼雷防御装备发展中的重要方向

鱼雷技术和反鱼雷技术历来就是相互依存、相互促进的,新型鱼雷的不断出现,给舰艇、潜艇造成的威胁不断增大,光靠软杀伤已不足以完全消除鱼雷产生的威胁,而传统的一些硬杀伤手段不能舰潜两用,因而,发展既能用于水面舰艇又能用于潜艇的硬杀伤鱼雷对抗武器??反鱼雷鱼雷势在必行。美、俄、法、意在积极开展此项领域的研究。

美国海军是较早开展ATT系统研究的国家,它曾将MK 46鱼雷改装为MK 46-7型ATT,以避免尾流自导鱼雷的威胁。目前美国研制的ATT改进样机将具有自主导引、高速、高机动等性能。俄罗斯也研制了“小包”-E/NK型ATT系统。此外,法、意联合研制的MU90轻型鱼雷,也在准备改装成MU90硬杀伤武器(MU90 ATT),它将利用MU90轻型鱼雷探测精度高、航速高、反应快等优点。

(3)UUV可能将发展成为介于潜艇与鱼雷之间的一大武器系列,正将向多功能多用途方向发展,并将是美国构筑未来水下战网络中的关键组成。

UUV作为新型军事装备已得到更多国家的高度重视,美、俄、英、法、德、挪威、日本、澳大利亚都在积极开展此领域研究。在美国,从1994年就开始系统制定《UUV发展主计划》,截止2005年1月,做了3次修订,指导和把握着美国UUV的发展方向、重点及其关键技术领域。在最新一版《主计划》中,为支持美国海军21世纪海上力量的4个能力支柱(“海上盾牌”、“海上打击”、“海上基地”、“部队网”),明确提出了UUV未来9项能力。

在信息网络技术大量应用于海军武器装备技术领域的今天,UUV的通信/导航网络节点能力是实现水下网络中心作战的关键要素,各平台之间实现互联的必要手段;而时敏打击能力是UUV实现武器化的重要开始。如从UUV上发射武器可使发射位置与目标距离更近,因此能更快速地消灭目标。同时,自身高价值平台不易被暴露。UUV应用潜力巨大,是未来水下作战中极其重要的武器装备,将发挥十分关键的作用。

俄罗斯研制成的“暴风”超空泡鱼雷,其航速达到200节,打破了鱼雷航速在50~60节徘徊半个世纪的局面,震撼了西方世界。据称,俄罗斯还在研制速度更高的超空泡鱼雷系列。超空泡武器包括超空泡鱼雷、水下射弹等。尽管目前超空泡武器技术还存在许多技术难题,军事需求的定义也还并不十分清晰,但不少人已对它寄予厚望。有人认为“暴风”超空泡鱼雷是即将到来的水下技术革命的先声,未来掌握超空泡技术就是掌握制海权。我们认为,应用超空泡技术能突破水下推进速度的空泡屏障,会对未来水下战产生较大影响。目前海军强国都在大力研制该技术,美国近期对超空泡高速武器的最迫切的需求是用于鱼雷防御系统。

(5)网络水雷阵技术

网络雷阵也称水雷联网,是近几年才出现的新概念技术,它的出现引起了海上强国的高度重视,美国已把该技术作为未来水雷的主要发展方向之一。网络雷阵是把单个水雷作为网络的节点,节点间能彼此通信、传递信息和数据,网络中应有一个虚拟中心,能有效的利用各网络节点信息(即各雷上传感器分别获得的信息),对所要打击的目标进行探测、识别以及攻击。其优点是:①整个雷阵就能通过分布式传感器来享受各个水雷检测与控制系统综合而来的信息资源,水雷的效能得到提高;②网络雷阵的传感器网络组成一个较大的声基阵群,可以对远处目标进行精确定位,以达到有效打击敌舰船的目的。

以上的水雷网络是一个局域网(一个水雷阵网),还可以在此基础上发展成地区网(战区水雷网络)和总网(全部水雷网络)。位于岸上的国家水雷战中心可通过有线、水声、卫星、长波无线电等通信方式和联网水雷交换情报信息,并发出作战指令。

4、电子信息装备技术

(1)综合一体化

为满足多军种联合作战的需要,世界各主要海军国家海军武器装备正走向综合一体化,而电子信息系统的综合一体化则是贯穿其他武器装备系统并将其联系成为一体化系统的关键。

实现电子信息系统综合一体化的关键是开发和使用一体化的体系结构,并从三军顶层开始设计和实施。为此,美国国防部在《C4ISR体系结构框架》(2.0版)的基础上制定了《国防部体系结构框架》(1.0版),并在2004年实施。该框架将体系结构方法从C4ISR系统扩展到所有与信息系统相关的领域,从根本上保证了电子信息系统建设的一体化。

全球信息栅格建设是美军从顶层上推行的网络中心基础设施建设,是保证美军实现武器系统全面一体化,实施网络中心战的物质基础。美军计划在2010年前后初步建成适应网络中心战需要的共用通信和计算环境,使美军具备按需分配带宽、自动信息管理、端对端全面互操作性能力。

美国海军在上述顶层需求与措施的指导下,制定了《哥白尼-前进》、《海军联合技术体系结构》、《海军部信息基础设施标准》等一系列顶层指导性文件,以21世纪信息技术计划(IT-21)和基地级信息基础设施计划(BLII)为基础,在其转型思路与转型规划中提出了为获取和利用信息优势而进行的信息化建设顶层框架与体系设想??“部队网(FORCEnet)”概念。

“部队网”主要由C4栅格、武器栅格和传感器栅格组成,其主要建设内容包括具备持久而全面的情报、侦察、监视能力的传感器系统;具备容错、自适应、自组织、自监控、自恢复和连续可用能力的快速网络;提供保障快速决策与指挥能力的精确的战役与战术图象。其体系结构、标准与国防部统一的结构与标准相一致。

在这种思想指导下,美国海军电子信息系统在综合一体化方面呈现许多新的重大动向,例如分步实现各种数据的全面融合;逐步完成IP协议的更新换代,构建以IP为中心的通信基础设施;数据链路走向通用化;情报信息处理系统将由现在17种主要系统向未来的6种主要系统转变;电子战系统趋向综合一体化;反潜探测网络化;电子装备多功能化等等。

(2)天线联合孔径化与平面化

舰载天线的联合孔径化与平面化是舰艇集成上层建筑、综合天线桅杆的核心技术之一,将改变作战舰艇上部传统的天线林立的状态,实现各种雷达、通信系统、电子侦察天线的联合与隐身。

许多国家正在着手联合孔径天线系统的研发工作且取得了重大突破,如德国EADS公司的“集成多传感器桅杆”(IMSEM)、泰利斯荷兰分公司与荷兰TNO研究所共同进行的舰艇未来集成上层建筑技术研究等。除DD(X)计划的联合孔径天线项目外,美国海军还起动了一系列相关的先期技术演示计划,包括先进封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S)演示计划、多功能电磁辐射系统(MERS)演示计划、低可探测性的多功能烟囱(LMS)演示计划,以及先进的多功能射频系统(AMRFS)演示计划。

这些天线系统通过设计为共形和共轴天线,能够将舰艇上频率从几MHz到40GHz的通信、导航、雷达、电子侦察、电子对抗等几十部天线,嵌入舰艇的上层建筑,在达到天线发射和接收等电磁性能要求的同时,保证舰艇的电磁兼容性并减少舰艇信号特征。

(5)软件定义化

软件定义化主要是指当前正在发展中的软件无线电通信技术和软件定义的相控阵雷达技术(又可称做数字雷达技术)。

数字雷达与软件无线电虽然分属不同专业,但它们的主旨思想相似,即都是构造一个具有标准化、模块化、开放性的硬件平台,将各种功能用软件来完成,同时使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以充分实现数字化,提高可编程性。

软件定义化技术对雷达和通信产生的影响将是革命性的。数字雷达技术将使雷达性能的提升以及尺寸与重量的减小产生质的变化。例如数字雷达的接收机尺寸将比目前接收机尺寸减小100倍。软件无线电技术将解决三军无线电台多工作频段、多工作方式的互通问题。同时,软件定义化技术将可能成为各类电子信息系统普遍使用的重大技术,将使电子信息系统的升级变得更容易,全寿期成本更低,性能提升的潜力更大。

软件定义化技术当前在雷达中的应用主要是数字波束形成技术。对于相控阵体制来说,数字波束形成还只限于零中频(很窄的带宽)级别上。而对于软件无电线技术来说,美国军方的Speakeasy和JTRS计划已经实现中频可编程,甚至有民有通信机构已开发出了接近理想“软件无线电”的概念样机。

实现数字雷达与软件无线电所遇到的瓶颈基本相同,即主要是没有相应的高速、高位数的模-数转换器和强大运算能力的数字信号处理器(DSP)。美国的国防高级研究计划局(DARPA)和海军研究局(ONR)目前正在研究2种新的高速模-数转换技术,一种是采用SiGe材料的技术,一种采用是光子并行(Photonic Parallel)ΔΣ技术,希望能够开发出高速模-数转换器以满足数字雷达和软件无线电的高速采样要求。

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