披着冰冷的薄纱
雨中，在黑暗的掩护下，几名海军陆战队员从一艘船上登上了一艘小型橡胶艇。他们驾船前往附近的一个港口，熄灭发动机，然后小心翼翼地将三个鱼雷状的物体放入水中。任务是什么？定位两栖作战挥之不去的天敌：水下水雷。但今晚，海军不再依赖通常执行这项任务的特种训练海豚或人类潜水员，而是依赖机器人。
最近，这个场景在圣地亚哥、西雅图、夏威夷和地中海地区多次上演。这是一种演练场景，是真实情况的彩排。海军专家不愿透露他们的智能新型无人潜艇——即自主水下航行器 (AUV)——是否会很快被派往敌方港口——这属于机密信息——但他们对这些机器的表现表示深切满意。
美国海军一直以“越大越好”的理念来巩固其统治地位，但战争的性质正在发生变化。在“科尔号”事件之后，很明显，最坚固的武力表现很容易被两个划船的人所威胁。在海湾战争初期，“的黎波里号”和“普林斯顿号”军舰被水雷炸毁——这些成本几千美元的装置造成了数百万美元的损失。海军陆战队无法登陆，不得不空运。水雷以及其他易于获得的武器，如巡航导弹和弹道导弹，意味着如今任何国家，无论其技术多么落后，都可以有效地阻止美国军队进入其海岸线。军事术语称这个问题为“广域拒止”。
海军提高敏捷性的一种方法是使用无人潜艇，在过去十年中，这些潜艇已经在大学研究实验室蓬勃发展，并被小型衍生公司商业化（见“深蓝色远方的机器人”，2 月刊）。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，它在长期规划中融入新事物方面进展缓慢。2000 年 4 月，海军委员会警告称，机器人潜艇技术已在全球市场上可用，如果该机构不振作起来，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、水下搜索与测绘、通信与导航以及反潜战——此后，海军已加强了其 AUV 的研发。
建造这些装置并非易事。虽然一些 AUV——例如海军陆战队员在扫雷测试中使用的 AUV——已经投入使用，但其能力远未达到军事规划人员的最终设想。在 AUV 能够发挥其潜力之前，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像“捕食者”这样的无人机要困难得多，后者由远程飞行员控制，去年在阿富汗成功执行了任务。问题不仅仅在于自主性。“在水下，一切都在与你作对，”圣地亚哥海军空间与海军作战系统中心 (SPAWAR) 海洋系统部的长期 AUV 支持者 Robert Wernli 说。在海洋中，能见度远低于空中。洋流会将飞行器带离其预定航线。海水会腐蚀它们。无线电信号和 GPS 无法穿透深水，这使得导航和通信尤其困难。
但 AUV 所承诺的军事效益几乎肯定值得付出努力。它们几乎无法被探测到——它们完全浸没在水中运行，并且具有低声学和磁信号特征——它们可以被派往前方进行侦察或为入侵做准备，而不会被敌方发现。它们可以足够小，几乎可以从任何舰船、潜艇或飞机上发射——有些甚至轻到可以邮寄——因此可以执行传统舰艇无法进入的浅水区任务。它们的生产成本相对较低，因此不需要在危险或不便的情况下进行回收。它们将充当“力量倍增器”，处理可编程任务，从而腾出载人军舰来承担更复杂的任务。它们可以被派往最危险的任务，以帮助保护水手和海军陆战队员免受伤害。
目前，海军主要将 AUV 开发为扫雷器。但从长远来看，预计它们将不仅仅是让人类脱离雷区。AUV 将绘制洋流和海底图，以帮助载人潜艇和舰船安全导航。它们将被秘密派往敌国海岸线，监视敌方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获取 GPS 信号即可保持航向。它们将确定敌方潜艇是否在附近，跟踪并根据需要将其击沉。“它们增加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与海军系统项目负责人 Tom Swean 说。“由于 AUV 的存在，可能会出现这样一种情况，即只有很少的人会参与暴力行动。”
今天：扫雷
今天的海军是一支蓝水部队——其优势在于深海，而非浅水——但它正在为一场棕水战争做准备。波斯湾水域的七十四 percent 水深小于 180 英尺。在海军所称的极浅水区——从约 40 英尺到海浪开始拍打的 10 英尺水深——水雷构成了特别严重的威胁。在那里，舰船和载人潜艇无法进入，海军传统上依靠海豚来寻找和标记水雷，然后依靠人类潜水员在附近设置炸药，然后在爆炸前游开。这项工作既缓慢又危险。
这就是为什么军事规划人员渴望派出一队 AUV 来代替。海军陆战队员测试中的 AUV 在下水前已编程。每艘飞行器都专门负责港口的一个离散区域，以一系列平行运行的方式覆盖该区域——这种战术称为“割草”。通过声纳扫描每侧 150 英尺，机器人潜艇会记录所有类似水雷物体的位置。为了保持航向，它们会不断向陆战队员在预定位置放入水中的两个应答器发送信号。（潜艇会编程知道应答器在哪里，因此通过评估其信号返回的时间，它们可以确定自己的位置。）在几个小时后，当机器人潜艇覆盖完整个港口后，它们会聚集在一个指定的地点进行回收。
此次行动使用的 AUV 是 Remus（远程环境监测单元系统），最初于 1994 年在伍兹霍尔海洋研究所开发，用于非军事勘测工作。该研究所的商业衍生公司 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。它可以运行长达 22 小时，专长于 10 至 40 英尺的水深，使其成为海湾浅水区的理想选择。海军将多个 Remus 组合成一个名为 Sculpin 的系统。每架飞行器都可以装在一个金属箱中，重量略低于 150 磅，这是 FedEx 最多可快速商业运输的重量：Sculpin 的操作员携带的行李比大多数摄像组还轻。目前 Sculpin 系统仅设计用于探测水雷；引爆将由人类潜水员负责。
由位于马萨诸塞州剑桥的 Bluefin Robotics 为海军开发的战斗空间准备 AUV (BPAUV)，在 40 至数百英尺的下一个深度区域运行。BPAUV 长 10 英尺，直径 21 英寸，重约 500 磅，并非小角色。但 Bluefin 的首席技术官 Scott Willcox 表示，一个更小、更容易管理的版本正在开发中。BPAUV 和 Remus 都使用侧扫声纳设备来搜索埋在海底或海底下的水雷。飞行器侧面的换能器发出细长的声波束，像扇形一样延伸 150 英尺。
Marine Sonic Technology（位于弗吉尼亚州怀特马什，生产 Remus 的侧扫声纳）的 Doug Blaha 表示，声学传感器最适合这项工作，因为沿海水域通常浑浊。“如果你走进一个充满烟雾的房间，你可能看不到房间另一边的人，”Blaha 说，“但你肯定能听到他。”
浅水区不仅浑浊；它还充满了人类的残骸，这些残骸冲刷着世界上大多数海岸线。“最大的挑战是在这些高杂波区域中寻找水雷，这些区域充满了人类垃圾——汽车、垃圾、旧冰箱，”位于华盛顿特区海军近海和水雷战规划执行办公室的项目经理 Rob Simmons 说。为了帮助 AUV 将水雷与热水器区分开来，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。还考虑用于 AUV 的是磁力梯度仪——使用内部磁铁检测由金属物体引起的局部磁场变化的传感器——以及可以检测劣质水雷渗出炸药的化学传感器。
水雷在更深的水域也构成危险。通常，这种水雷漂浮在水面附近，连接在固定在海底的电缆上。在这里，探测不再由海豚和潜水员进行，而是由拖曳水下声纳滑橇的舰船或直升机进行。然而，这两种系统都不是理想的：舰船在布满水雷的水域航行，使自己处于危险之中，而直升机在水面上低空飞行，很容易成为敌方炮手的目标。海军希望 AUV 有朝一日能够代替这项工作。需要覆盖的区域非常广阔，因此这种 AUV 需要在水中停留很长时间。
28 英尺长的 Seahorse，专为蓝水扫雷而设计，将于今年投入使用。它可以在电池驱动下行驶 300 海里，续航时间长达 72 小时。Seahorse 工作水深在 100 至 1000 英尺之间，现已准备就绪，但海军正在努力在 2004 年前开发另一种蓝水 AUV。目前由波音公司开发的远程水雷侦察系统 (LMRS) 由两架 20 英尺长、21 英寸直径的飞行器组成，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——来探测漂浮水雷，并在巡逻时避开它们和其他障碍物。每架 LMRS 飞行器一次将出航数天，每天绘制 50 平方海里的地图，距离潜艇可达 100 海里。
由于它们是“增值”设备，增加了海军的整体兵力，AUV 将使军队能够更加主动。用军事术语来说，AUV 将增强“战斗空间准备”。它们可以被派往潜在冲突区域绘制海底图——提前识别水雷、危险洋流和理想的登陆路线，而不会让敌国意识到其海岸线受到关注。“我们希望在战争爆发前完成必要的测绘工作，”密西西比州斯坦尼斯航天中心的美国海军海洋学办公室的海洋学家 Martha Head 说。如今，这项准备工作由大型海洋学船只完成，这既昂贵，又耗费人力，而且完全不隐蔽。据 Swean 称，将这项工作转移到小型、无人、一次性使用的飞行器上，这些飞行器可以在不引起注意的情况下靠近敌方海岸，可以将效率提高至少一个数量级。
明天：引爆水雷及更多
扫雷的目的是找到进入航道——无论是舰船进入港口，还是特种作战部队登陆海滩。除了探测水雷的位置外，还需要确定哪里没有水雷：通常最佳策略是绕过威胁而不是对抗它。但是，当水雷位于战略要地时，就必须将其清除，通常最好的方法是将其炸毁。
制造一个能够发现看起来像水雷的物体的 AUV 是一回事。这就是海军目前所处的阶段。制造一个能够确定物体是水雷而不是价值百万美元的海洋学设备，并在必要时将其摧毁的 AUV，则要复杂得多。这才是海军最终想要达到的目标。
海军的沿海系统站（位于佛罗里达州巴拿马城）正在开发一种不寻常的 AUV——Surf Zone Crawler——军事规划人员认为它有一天可能能够摧毁水雷。这些小型、方形、坦克状的飞行器不到一英尺高，拥有宽大的履带，使其能够应对崎岖的海底地形。爬行器不像游泳 AUV 那样容易受到洋流的影响，这使得它们非常适合近距离识别水雷。但它们距离准备就绪还有很长的路要走。“归根结底，我们把机器人放到水里，有时会陷在泥里，”Coastal Systems Station 的工程师 Chuck Bernstein 说。
另一个问题是：用于引爆水雷的 AUV 很可能会在爆炸中被摧毁。Wernli 认为，每摧毁一枚水雷牺牲一架 Remus 或类似的飞行器是明智的：“如果我能以 10 万美元的价格清除一枚水雷，那是值得的。”但到目前为止，海军习惯于建造复杂且不愿损失的载人飞行器，因此创造一次性飞行器的想法代表了一种范式转变。而且，随着 AUV 变得越来越复杂，配备新型传感器和通信系统，这种想法也变得有问题。AUV 拥有的设备越多，成本就越高，也就越不适合执行自杀式任务。Simmons 的经验法则：“如果你负担不起损失，就不要把它放进水里。”
解决这个问题的一种方法是所谓的“协同自主”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，这些机器可以安装在目标水雷旁边，等待被告知引爆。“你仍然可以完成这项工作，但每架飞行器不必像现在这么聪明，”Bernstein 说。
通信将是这种协同安排的关键组成部分。Willcox 表示，Bluefin 正在为 BPAUV 配备充当水下服务器的功能，能够接收来自舰船的新任务计划并将其转发给下面的 AUV。BPAUV 将通过短距离声学与水下飞行器通信，但当需要传输或接收任务关键信息时，它将使用一种新的长波天线，该天线仅在海面上方传输无线电波。凭借这种能力，BPAUV 可以静默地与最多 60 海里外的舰船进行通信。
另一种节省成本的方法是创建执行多种功能的多功能 AUV，而不是生产一系列专用飞行器。SPAWAR 的工程师正在设计一款可重新配置任务的 AUV。目标是开发一种通用且射程远的飞行器，可以从潜艇的鱼雷管中发射和回收，能够执行从通信到侦察的各种任务。SPAWAR 的工程师 Barbara Fletcher 表示，如果潜艇操作员想监测敌方海岸线附近的无线电信号，“你就装备一个天线来监听、收集情报，然后回到安全深水区，将信息转储给能使用它的人。”更换有效载荷后，该飞行器可以执行水雷中和或跟踪敌方潜艇的任务。这款下一代 AUV 的初步版本预计将于 2009 年加入舰队。
下一步：技术挑战
自主性可能是机器人潜艇最具挑战性的方面。AUV 将必须能够避开潜在威胁、评估传入信息并调整任务优先级，所有这些都无需直接的人类干预。为了实现这一切，传感器——声纳、磁力和光学——必须得到改进，以便 AUV 能够在更远的距离收集更高分辨率的图像。一种可能实现这一目标的技术是合成孔径声纳，这是雷达技术在水下的改编。对于海底的给定点，侧扫声纳发送和接收单个声脉冲，但合成孔径声纳在飞行器沿途反复轰击同一点。实际上，这会将声纳的孔径从 12 英寸扩大到 100 码。弗吉尼亚州阿灵顿 Dynamics Technology 的 Enson Chang 表示，新技术可以在一公里外分辨出钱包大小的物体。
另一个需要改进的领域是推进能源。目前，像 Remus 这样的小型 AUV 可以运行长达 22 小时，而像 Seahorse 这样的大型 AUV 可以运行长达 72 小时，但军事规划人员需要能够长时间自主运行的飞行器。为小型 AUV 设计更好的电池和为大型 AUV 设计燃料电池等其他能源是关键。要了解当前系统有多么原始：Seahorse 依靠 9,216 节碱性 D 型电池运行，这是通常用于手电筒的电池。Head 表示，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充电电池。
在一个理想的世界里，海军科学家希望做得更多。他们想制造出对水化学具有鲑鱼般敏感性的 AUV，以及具有像章鱼那样通过其波浪状皮肤推进的聚合体外皮。他们希望他们的 AUV 声纳能更像海豚，海豚的宽带声学传输范围约为 30 至 100,000 赫兹。SPAWAR 的生物声纳项目负责人 Patrick Moore 说：“海豚可以检测到铝制圆筒壁厚度仅为 0.2 毫米的差异——这太棒了。”
未来：机器人战士
也许海军未来战争设想中最具未来感的元素——因其圆润的三角翼形状而被称为 Manta——正在罗德岛州纽波特的海军水下战争中心部门成形。Manta 的母船将是一种新型潜艇，其船体包裹着“智能蒙皮”，就像一条巨大的金属鲨鱼，武器安装在外部。几艘 100 英尺长的 Manta 将流线型地装入这艘新潜艇的船体凹槽中；在连接时，它们将构成大型飞行器不可分割的一部分。然而，一旦发射，它们将通过声学与母船连接，将其覆盖范围扩展到潜艇无法到达的峡谷和浅滩。
母艇将停留在海岸线外很远的地方，部署其巨型 AUV 进行侦察巡逻和沿岸勘测，充当防御哨兵保护主力部队，并用潜艇的全套武器装备袭击敌方舰船和岸上设施。但 Manta 本身也将成为母船。就像隐秘的俄罗斯套娃一样，它们将发射自己的小型 AUV 和无人机群。而且，据推测，这些小型机器人将能够发射自己的更小 AUV 群。
为此，纽波特的工程师们已经制造了一个三分之一比例的 Manta 测试飞行器。这个重达 8 吨的飞行器形状像一个略显肥胖的协和式飞机，能够达到 10 节的速度，潜入 800 英尺深处，并携带各种有效载荷。该飞行器于 1999 年开始在纳拉甘西特湾进行海上试验，此后已成功演示了部署和与小型 AUV 通信等技能。在海湾中搅动水花时，Manta 测试飞行器唤起了人们对尼斯湖水怪的联想；但对水下战士来说，它看起来更像是未来。
Carl Posey 是居住在弗吉尼亚州亚历山德里亚的一名作家.
