美国无人机如何实现水中起飞？

主要技术路线

无人机从水中起飞,主要面临三大挑战：

1. 浮力与推力平衡：如何克服水的巨大阻力,将无人机从水中推出并加速到起飞速度。
2. 防水与保护：如何保护无人机内部的精密电子元件、电池和发动机不被水损坏。
3. 发射与回收控制：如何精确控制无人机的姿态和轨迹，确保安全、可靠地发射和回收。

针对这些挑战,美国主要发展了以下几种技术路线：

垂直起降无人机

这是最常见和最成熟的技术路线，无需弹射或滑跑,非常适合从潜艇或水面舰艇的垂直发射管中部署。

• 原理：无人机本身具备垂直起降能力（如多旋翼、倾转旋翼或涵道风扇设计），它被封装在一个耐压的水密容器（鱼雷或导弹发射管状）中，到达指定海域后，容器上盖打开,无人机直接从水中垂直起飞。
• 优势：
  • 隐蔽性极高：可以从潜艇的鱼雷管发射，几乎不被发现，是理想的情报、监视和侦察平台。
  • 无需大型甲板：适用于各种舰艇，包括没有飞行甲板的护卫舰、驱逐舰甚至商船。
  • 技术相对成熟：垂直起降无人机技术本身已经很成熟。
• 挑战：
  • 水密容器：需要设计能承受巨大水压的容器,并在瞬间可靠地打开。
  • 防水处理：无人机在起飞瞬间必须能处理海水,避免电机和电子设备短路。
  • 性能限制：受限于容器大小和垂直起降模式，无人机的航程、速度和载荷通常不如固定翼无人机。

弹射起飞无人机

这种方案模仿了舰载飞机的弹射起飞,但使用的是水下弹射系统。

• 原理：无人机被固定在一个密封的舱室内或直接固定在弹射装置上，当需要发射时，高压气体或活塞系统像弹射器一样，将无人机高速推出水面，赋予其初始速度，无人机出水后,依靠自身动力继续爬升飞行。
• 优势：
  • 赋予无人机较高初速度：可以为固定翼无人机提供起飞所需的必要速度，使其能携带更多燃油、载荷或飞得更快更远。
  • 适用于固定翼无人机：能够发挥固定翼无人机长航时、高速度的优势。
  • 发射灵活：可以从舰艇侧面或专门的水下发射平台发射。
• 挑战：
  • 机械结构复杂：弹射系统需要强大的动力和精密的控制,可靠性要求高。
  • 过载问题：无人机在弹射瞬间会承受巨大的G力,需要结构足够坚固。
  • 出水姿态控制：高速出水时，无人机的姿态必须被精确控制,否则可能失控坠毁。

潜航器空中发射

这是一种“母子”级方案，将无人机作为一种“空中武器”由潜航器携带。

• 原理：一个大型水下潜航器（如“虎鲸”XLUUV）携带一架或多架小型无人机，潜航器上浮至水面或半潜状态，通过一个机械臂或发射装置将无人机释放到空中,然后无人机自行起飞。
• 优势：
  • 载荷灵活：潜航器可以携带不同类型的无人机（如侦察型、攻击型）,根据任务需求选择释放。
  • 任务扩展性强：潜航器本身可以执行水下任务,释放无人机后可以扩展到空中任务。
  • 技术风险分散：无人机本身不需要防水,降低了设计和制造成本。
• 挑战：
  • 发射平台暴露：潜航器需要上浮或部分上浮,增加了被发现的概率。
  • 系统复杂性高：涉及潜航器和无人机两个平台的协同控制。

美国代表性项目与公司

美国国防部高级研究计划局是推动这项技术发展的核心力量,各大军种和承包商也积极参与。

DARPA 项目

• “浮空式发射与恢复无人机”：这是DARPA一个经典项目，旨在开发一种可以从潜艇鱼雷管发射的垂直起降无人机，项目目标是让潜艇能够在不被发现的情况下，在远离海岸的海域部署无人机，执行监视、通信中继等任务。
• “虎鲸”大型无人潜航器：虽然XLUUV本身不直接发射无人机，但它是未来“水下母舰”概念的基石，其巨大的载荷舱（可容纳数吨重的有效载荷）使其成为携带和发射多架无人机的理想平台，洛马公司、波音公司等都在竞标这个项目。

美国海军项目

• “无人空中侦察与打击系统”：美国海军正在积极发展舰载无人机，其中很多型号都考虑了从垂直发射系统发射的可能性。MQ-25“黄貂鱼”无人加油机虽然是为主舰设计的，但其技术基础表明海军正在将无人机深度整合到舰艇作战体系中,类似的技术可以应用于从舰艇垂直发射管中起飞的侦察无人机。
• “水下无人机母舰”概念：海军正在研究如何将大型无人潜航器作为无人机、无人艇的“母舰”，形成一个分布式、无人化的作战网络。

承包商与科技公司

• 洛克希德·马丁公司：
  • “海马”无人机：这是一款专为潜艇发射设计的垂直起降无人机，它被设计成可以装在标准的533毫米鱼雷管中，发射时，无人机从管中被推出，展开旋翼，然后垂直起飞,这已经是一个技术验证样机。
• AeroVironment 公司：

  作为小型无人机领域的领导者，其产品（如“黑黄蜂”纳米无人机）虽然不能直接水中起飞，但可以被潜航器携带至水面后释放,执行近距离侦察任务。

• 通用原子公司：

  作为“灰鹰”、“复仇者”等大型无人机的制造商，该公司也在研究如何将其成熟的无人机平台适配于舰载和潜艇发射,包括开发垂直发射的模块化方案。

主要应用场景

1. 情报、监视与侦察：这是最主要的应用，潜艇悄无声息地部署无人机，对敌方海岸、港口、舰队进行长时间、不间断的监视,而自身则保持在安全的深海位置。
2. 精确打击：无人机可以作为“侦察-打击”链条的“眼睛”,发现目标后引导舰载或潜射的导弹进行精确打击。
3. 通信中继：在潜艇无法浮出水面通信时，无人机可以升空作为通信中继天线,建立与指挥中心的联系。
4. 反潜作战：无人机可以携带声呐浮标，在广阔海域搜索敌方潜艇,为水面舰艇提供预警。
5. 民用领域：虽然军事应用是主流，但未来也可能用于海洋科考、水下管道/电缆巡检、环境监测、搜救等，一个科考船可以释放水下无人机,让它从水中起飞对海面情况进行快速勘察。

未来趋势与挑战

• 趋势：

  • 智能化与协同：未来的无人机将更加智能，能够自主完成复杂任务，多架无人机与潜航器、水面舰艇将形成高度协同的“蜂群”作战网络。
  • 隐身化：从潜艇发射的无人机本身就是隐身的，未来将进一步采用隐身设计,降低雷达和红外特征。
  • 模块化：无人机和发射系统将趋向模块化,可以根据不同任务快速更换载荷和机型。
  • 能源革命：随着高能量密度电池和新型燃料技术的发展，无人机的航程和滞空时间将大大延长,水中起飞的作战半径也将随之扩大。

• 挑战：

  • 成本：研发和部署一套完整的“潜艇-无人机”系统成本高昂。
  • 环境适应性：海水盐度高、腐蚀性强,对无人机的材料和电子设备是巨大考验。
  • 指挥控制：在复杂电磁环境下，如何确保对水下发射的无人机进行可靠、安全的远程或自主控制,仍然是一个技术难题。
  • 国际法规：如果从领海内潜艇发射无人机,可能涉及复杂的国际法问题。

美国在无人机水中起飞领域已经取得了实质性进展，从DARPA的前瞻性研究到各大军工企业的具体项目，已经形成了多种技术路线和解决方案，这项技术正深刻地改变着未来海战的模式，将海洋的隐蔽性与空域的广阔性完美结合，是美军“分布式海上作战”和“水下优势”战略的核心技术支柱之一，随着技术的不断成熟，我们将看到更多“从深渊中来，向天空去”的无人作战平台。

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