大型水下自航載具/超大型水下自航載具(LDUUV/XLUUV)

美國海軍研究辦公室(ONR)主導進行的大排水量水下載具(LDUUV)創新海軍原型(INP)的模型,

此項目稱為蛇頭(Snackhead)。攝於2015年4月。經過幾年發展後,美國海軍LDUUV項目採辦策略經過調整,優先進行

快速採辦,以現成商規技術的載具為基礎結合政府單位主導開發的任務籌載和軟體來加快計畫進程並節省成本;但ONR的

LDUUV NPI蛇頭項目同時間仍持續進行。

一具LDUUV項目使用的測試載具,被用來展示海軍發展的無人指揮控制系統(Common Control System,CCS)。
此照片攝於2015年12月美國海軍水下作戰中心(NUWC)位於華盛頓州普吉灣的鑰匙港(Keyport)。

洛克希德.馬丁集團的馬林魚(Merlin)自航水下載具(AUV)。洛馬集團以馬林魚載具為基礎,投入美國海軍

超大型水下自航載具(XLUUV)項目的競爭。

(上與下二張)波音集團的回聲探險家號(Echo Voyager)大型水下載具。在2019年2月13日,波音獲得美國海軍

價值4300萬美元的合約,以回聲探險家號為基礎,建造四艘超大型水下自航載具(XLUUV)項目的原型

供美國海軍測試,稱為虎鯨(Orca)。



 

──By Captain Picard


 

LDUUV起源

在2000年代,美國海軍就開始研究大型無人水下載具(Large Displacement Unmanned Underwater Vehicle,LDUUV)領域,這種無人載具能從港口碼頭自行出航,渡航出海執行超水平線的近海任務,然後自動返回港口,不需要由船隻載運到作業海域收放。這種能自行航行操作的水下載具能擴展美國海軍的傳感範圍,延伸艦隊的作業區域,成為美國海軍未來作戰的戰力加成器。而由於LDUUV不需要配置人力,可取代部分傳統有人潛艦、船艦的勤務,以最具成本效益的方式拓戰美國海軍的作戰範圍。

在2004年,美國海軍展開無人水下載具框架計畫(UUV Master Plan),著重於模組化設計,能以相同的技術框架來增加載具的尺寸範圍;而這個框架計畫就實現了LDUUV的終端定義。

LDUUV創新海軍原型(INP):

在2011年,ONR向業界發佈一項跨部門公告(Broad Agency Announcement,BAA),開始發展LDUUV的創新海軍原型(Innovative Naval Prototype,INP)。這個LDUUV INP計畫打算發展大排水量無人水下載具的各項關鍵技術,需能讓載具在海中自主操作至少70天。其中,被列為LDUUV關鍵領域的包括:近岸自主操作(autonomy in the littorals)、能源系統(energy systems)、持久科技(Endurance Technologies)等三項。

關於自主操作,LDUUV INP計畫以兩階段執行:

階段1(Autonomy Phase I):發展LDUUV所需的自主操作軟硬體,能在近海環境自行持續執行任務達30天,作業周邊水域中的船隻都在30噸級以上。而如果周邊環境過於複雜,則可透過銥衛星電話(Iridium)等通信技術尋求外部操作者協助(Operator assistance )。

階段2(Autonomy Phase II):發展LDUUV所需的自主操作軟硬體,能在近海環境自行持續執行任務達70天以上,在某些區域不需要人員介入。相關操作涵蓋在開闊海域往返渡航、近岸水域導航等,必須能自動迴避近岸水域所有的水面船隻與障礙物。作業水域任何地方都可能有漁船在作業,因此LDUUV也必須能夠探測與迴避。在某些區域禁止使用外部操作者協助,在某些水域則可以透過銥衛星電話等通信技術來請求操作者協助,面對過於複雜的情況。

在上述LDUUV INP計畫兩階段中,ONR希望獲得完整的無人自航技術方案,具備以下關鍵能力:

1.水下障礙迴避(Undersea Obstacle Avoidance):自動探測周邊水下態勢環境、移動的水下障礙與物體,並能自動進行機動迴避;而計算迴避路線的演算法必須將過程中的能量消耗降到最低。

2.水面障礙迴避(Surface Obstacle Avoidance):自動探測周遭的水面船隻並予以識別,自動計算目標位置與動態(包含吃深度)並規劃迴避路徑,同時依照預先設定的計畫進行通信(依照預設的風險評估要素,以及幾個優先進行通信的航路選項)。

3.水面船艦意圖(Surface Vessel Intent):依照探測資訊,判斷周圍水面船艦可能形式與行動,包括漁船、軍艦、娛樂用船、商船等。先進自主航行軟體在計算最佳化的航道時,會考慮探測到的周遭船隻類型與動態,規劃迴避航道時也兼顧維持執行任務。

4.捕魚探測、迴避以及脫困(Fishnet Detection, Avoidance, and Extraction):必須具備可探測各種漁網、漁具的新感測器(現有的感測器通常難以探測漁網),並發展能夠自動迴避漁具、或者在遭到漁網纏繞後脫困的演算法。此外,載具硬體也必須能將被漁網纏住的機率降到最低。

由於在自主航行期間可能遇到許多超出預期的挑戰,因此自航技術必須具備彈性,以應付未預期的情況。


在2012年6月,ONR與Hydroid Inc.簽署一個價值590萬美元的單一來源(sole-source)合約,共執行三年,為LDUUV發展一套自航測試系統。Hydroid使用該公司的REMUS載具來測試這些新技術。在2012年7月,ONR與燃料電池能源公司(FuelCell Energy, Inc.)簽署價值380萬美元、為期18個月的合約,發展與測試混合固態氧化物燃料電池(Hybrid Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)動力系統,功率1800kWh。SOFC燃料電池技術是由維莎動力系統(Versa Power Systems)公司負責開發,燃料電池能源公司持有維莎動力的部分股權;而其他參與SOFC的伙伴包括美國國家航空及太空總署(NASA)的林登約翰遜太空中心能源系統分部(Lyndon B. Johnson Space Center Energy Systems Division)、雅爾德尼科技產品(Yardney Technical Products, Inc.)、海軍水下作戰中心(Naval Underwater Warfare Center,NUWC)、太平洋西北國壓實驗室(Pacific Northwest National Laboratory ,PNNL)等。席拉.羅比公司(Sierra Lobo Inc. of Fremont, Ohio)也獲得價值2000萬美元的合約,研發一種低溫燃料電池(cryogenic fuel cell-powered)水下載具能源系統。

在2012年7月20日,Hamilton Sundstrand獲得價值1800萬美元的合約,為LDUUV項目發展一種高能源密度絕氣推進系統(Air Independent Power,AIP),此系統包含質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、低溫儲存燃料以及氧化物。此外,通用動機(General Atomics in San Diego)、林恩科技(Lynntech Inc. in College Station, Texas)、聶克斯科技材料(NexTech Materials Ltd. in Lewis Center, Ohio.)等也獲得關於LDUUV的推進相關合約。

在2015年,國防部海軍研究辦公室(ONR)頒佈合約給通用動機電磁系統(General Atomics Electromagnetic Systems,GA-EMS)以及賓夕法尼亞州大學(Pennsylvania State University)的應用物研究實驗室(Applied Research Laboratory ,PSU-ARL),負責研究與測試先進永磁(permanent-magnet)推進馬達,PSU-ARL長年支持美國海軍以及ONR的水下推進系統研究測試工作。在2018年2月中旬,消息傳出GA-EMS獲得ONR的合約,為LDUUV項目設計製造先進永磁推進馬達;在接下來18到20個月時間,GA-EMS會設計、製造、測試這種先進永磁馬達(測試工作在PSU-ARL)進行,完成後交付ONR。

 

LDUUV通過里程碑A

在2015年8月17日,美國海軍海上系統司令部(The Naval Sea Systems Command)接收到LDUUV計畫的降低風險決意(risk-reduction decision approval),也就是通過里程碑A(Milestone A)。通過里程碑A意味上級批准項目進入到下一個階段,允許海軍投注資源使技術成熟化,並在正式量產與部署之前採取各種降低風險的措施。LDUUV的主管機關是海軍主管近海作戰船艦的專案辦公室(Program Executive Office Littoral Combat Ship,PEO LCS)下屬的無人海上系統計畫辦公室(Unmanned Maritime Systems program office,PMS 406)。PMS 406表示,LDUUV的功能涵蓋情報、監視、水雷反制等任務,整個設計基於模組化、開放式架構,能根據任務選擇裝載不同的裝備籌載。

美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)將LDUUV設計成一種籌載卡車,能迅速安裝或抽換搭載的任務籌載,執行廣泛的任務,並且能透過裝載更新技術的任務模組而擴充能力。依照此時規劃,LDUUV能由多種不同的平台搭載施放與回收,例如從維吉尼亞級核能攻擊潛艦的維吉尼亞籌載模組艙段(Virginia Payload Module,VPM)、從俄亥俄級核能巡航飛彈潛艦(SSGN)的發射管、核能潛艦用來攜帶潛水特戰部隊的乾式掩體艙(Dry Deck Shelter,DDS)、由船舶拖曳等等。LDUUV的任務將涵蓋情報/監視/偵察(Intelligence, Surveillance and Reconnaissance, ISR)、聲學監視、反潛作戰、反水雷作戰、攻勢作戰等等。LDUUV計畫的主管機關是PEO LCS下屬的無人海上系統計畫辦公室(Unmanned Maritime Systems program office,PMS 406)。依照此時規劃,LDUUV的直徑約是48吋(121.92cm)。

達成里程碑A之後,美國海軍發出LDUUV的需求徵詢書(Request For Proposal,RFP)草案,並在2015年9月14日於華盛頓的無人海上系統計畫辦公室(Unmanned Maritime Systems Program Office,PMS 406)向業界簡報關於LDUUV的需求,希望在2017財年達成早期作戰能力(Early Operational Capability,EOC),包括將三艘LDUUV原型轉換成使用者作業評估系統(user operational evaluation systems),並開始發展相關的戰術、技術與程序。LDUUV預計在2022財年達成初始作戰能力(Initial Operational Capability,IOC),在2025財年進入全速率生產。然而,隨後LDUUV INP項目的經費遭到刪減,使得技術發斬成熟、部署都遭到延後,並導致計畫的整體成本可能因而增加。

通過里程碑A後,LDUUV項目的開放市場競爭持續到2016年初期。在2016年3月,海軍海上系統司令部(NAVSEA)宣布改變LDUUV的採辦計畫,不再從業界尋求方案,改由海軍水下作戰司令部(Naval Undersea Warfare Command,NUWC)來主導LDUUV原型的設計和製造工作。依照原本的計畫,ONR希望能促進相關技術發展成熟、將最新技術交付艦隊,同時政府主導的降低風險作業也一併進行。

在2016年,美國海軍在2016年測試LDUUV INP項目的原型測試載具,主要是自主導航、探測與迴避等自航技術,測試航線從舊金山到聖地牙哥。這個原型載具項目被PMS 406無人海上系統計畫辦公室命名為蛇頭(Snakehead)。

2016年DSB的下一代無人水下系統研究報告

在2016年1月,美國海軍海上系統司令部委託一個聯邦諮詢委員會(Federal Advisory Committee)──防衛科學委員會(defense Science Board,DSB)為主,針對LDUUV等水下無人系統項目進行審查,稱為下一代無人水下系統(Next-Generation Unmanned Undersea Systems)研究報告;此報告在2016年10月19日公布,並在2016年12月7日在國防部的安全審查辦公室( DoD Office of Security Review )公開。

這份DSB的報告認為,現有的LDUUV項目可能會步上先前UUV計畫的後塵,採辦計畫發生問題然後取消。此報告表示,過去美國國防部以類似傳統大型武器系統平台(如潛艦、水面船艦、飛機)的計畫模式來發展各型無人載具(包含水面與水下等),研發程序過於緩慢,且價格不斷升高,導致能採購的數量大幅減少,根本無法滿足作戰需求,最後導致計畫取消;過去美國海軍已經有不少前例,包括 部署於潛艦魚雷管的近期水雷偵察系統(Near-term Mine Reconnaissance System,NMRS)、長期水雷偵察系統(Long-term Mine Reconnaissanc System,LMRS)以及21吋可重構任務水下載具(Mission Reconfigurable UUV,MRUUV)等。這些前車之鑒顯示,同一時間內如果只有執行一個無人載具計畫,則這個系統的任務需求就會不斷膨脹,被要求能同時執行許多任務,結果導致系統複雜度與單位成本水漲船高,研發進度延遲,然後終於遭到取消。而這份DSB的報告認為,現行的LDUUV計畫模式也與上述失敗的前例類似 (為了這個專案而從頭開發專門的載具以及軟硬體),因此雖然LDUUV的確是一個需求殷切的項目,但預估的交付成本將十分昂貴,導致最後只能訂購很少的數量,在一段時間內能用於執行實驗和執行任務的LDUUV數量將十分稀少,最終計畫難免遭到取消。DSB的報告也認為,原有的LDUUV計畫並沒有妥善應用美國海軍過去在無人自航載具領域已經有的成果,例如先前已經成立了一個名為海上開放架構無人自航(Maritime Open Architecture Autonomy,MOAA)。先前國防部針對自航載具的研究就已經強調,自航技術應避免專為特定對象發展專屬軟體。

DSB報告建議,LDUUV應調整採辦策略,參考美國海軍現有一些快速部署交付、成本較為低廉的成功案例模式,例如水下快速能力提案(Undersea Rapid Capability Initiative,URCI)、以商規現成載具技術為基礎的Mk-18 Mod 1劍魚(Swordfish)和MK-18 Mod 2王魚(Kingfish)水下無人載具、為潛艦與魚雷聲學感測系統升級的先進處理器建設/聲學快速商規插入套件(Advanced Processor Build/Acoustic Rapid Commercial-off-the-Shelf (COTS) Insertion,APB/ARCI)計畫等。這些案例大量使用成本較低、可快速交付的商規現成(COTS)技術,而且相關發展成果能夠用在艦隊中不同使用設群的裝備。例如,MK-54輕型魚雷與MK-48潛射重型魚雷就透過通用魚雷發展計畫(Common Torpedo Development Program,CTDP),使兩者導引與尋標系統的APB/ARCI升級程序共通,不僅節省研發成本、加快進度,而且生產採辦的批量也因而增大,降低了單位成本。

因此,DSB報告建議,LDUUV的載具應該採用商規現成產品(價格低廉且有助於縮短開發時間),不要花費大量成本從頭發展專用載具;而任務籌載則結合商規現成技術以及政府專門發展的技術。這種新發展採辦策略使得政府資源能集中在關於UUV任務能力的發展(包括任務籌載、軟體等),降低單位成本並加快進度,使整個計畫可以支持更多次數的實驗與任務,使美國海軍能更充分深入瞭解與利用無人水下系統以及相關技術。

關於LDUUV在幾個技術領域的發展方向,DSB報告也提出了分析與建議。首先,無人水下系統受到幾個長久以來的技術瓶頸制約:

1.通信:水下聲學通信技術的距離與頻寬非常有限,限制了指揮與管制活動,同時也限制了載人潛艦與無人水下載具之間的通信聯絡與組織方式。

2.自主航行:長時間與外界隔離以及通信手段受限,對無人水下載具的自主導航設計構成很大的挑戰。

3.能源儲存:儘管過去已經在先進能源儲存以及能源產生等領域作了大量投資,但電池技術瓶頸依舊制約了無人水下系統續航力。

4.部署與回收:如果考慮到潛艦部署,則現有的發射管尺寸(如VPM模組或DDS艙)限制了無人水下系統的尺寸。此外,部署施放相對容易,但如何讓潛艦或水面船艦順利回收船艦依舊困難費事(例如先前LMRS與NMRS由潛艦的21吋魚雷管施放與回收,需要比較複雜的工程設計,提高了技術難度並降低可靠度)。

這份報告認為,這些關鍵技術領域仍然必須繼續發展;此外,對於這些技術瓶頸,並考量後勤以及專注在任務需求,報告提出一些設計原則,使得無人水下系統能適度地繞開這些技術瓶頸,並充分利用現成的商規平台,加快發展期程以滿足短期的任務需求,並降低成本。

DSB報告認為,關於無人水下系統的關鍵技術發展、突破瓶頸等努力,經常受到潛艦設計觀念的制約;例如,潛艦極端重視匿蹤,而且先天上設計成可擔負多任務並獨立運作的平台,整個系統自然龐大、複雜且昂貴。然而,無人水下載具(UUV)的最佳應用卻是群集作業,每個載具只擔負有限度的功能,而且先天上UUV的態勢感知與能源條件就遠不如載人潛艦。現有許多UUV計畫的需求都過於複雜,強調多任務能力以及水下航行安全(subsafe),以及重視匿蹤能力,這些延續自潛艦的思維會導致UUV變得過於複雜昂貴,不僅技術發展的挑戰變大、研發期程拉長而使成本因通貨膨脹而高昇,高昂的單價使得能採購的數量大幅減少,自然無法大量部署運用。

因此,DSB報告建議,UUV計畫應依循低價系統(low-cost system)的模式,著重可負擔的數量規模,使美國海軍能大量購置與運用。基於低價導向,一些過去對水下無人系統的重大技術制約如隱匿性、部署時間等都可以重新思考,使得整體方案變得不那麼複雜與昂貴;例如,匿蹤對低價UUV而言,並沒有像大型有人潛艦平台那樣重要。而由於UUV無須人員操作,加上若能大量採購,損失單一的UUV載具並不是那麼嚴重。基於以上考量,對於無人水下系統領域的長期技術制約,可以做以下的重新思考:

1.關於通信和無人自主航行(Communications/autonomy):放寬關於匿蹤性能的要求,允許UUV週期性地浮出水面,利用一般的寬頻無線電(RF)等手段進行通信與資料更新,而不是拘泥於持續待在水下、只能以頻寬和距離受限的水下聲學資料鏈傳輸。增加寬頻通信能建立更可靠的人機合作,而更多地獲得有人平台的支持也能使自主航行的技術要求適度放寬,同時增加了無人水下系統的可靠度與可信賴度,更重要的是降低了成本。

2.關於能源儲存(Energy storage):降低匿蹤的優先順序,使得水下載具能應用已經成熟的柴電推進系統,可以有效提高UUV自主航行值勤的續航力。雖然使用柴油機時UUV必須靠近水面伸出呼吸管,增加了被發現的機率,然而由於UUV載具本身成本降低而且沒有部署人員,即便損失載具也是比較可以接受。此外,UUV也能參考一些商規無人載具的運作方式,在海上接受補給(例如由水面船隻為UUV的電池充電、補給燃料等)。

3.關於部署於回收(Deployment and recovery):UUV很大一部份成本是關於施放與回收的設計,包括與負責部署、收放的有人平台之間的測試認證;而經由潛艦施放、回收的技術挑戰與成本最大。而DSB報告提到另一種概念,使用一種無人系統將UUV攜帶至戰區進行施放(透過搭載或最簡單的拖曳);而且UUV的施放與回收可由不同的載具進行。此外,如果某些UUV可以設計成極低成本的一次性裝備,就可以完全免除回收的需要。

4.系統間合作的設計(Collaborative systems design approach);如果無人水下系統從設計之初就視為一個分工合作的整體,讓一部份載具強化某些功能,就可以同時滿足任務需求,並且避免冗餘以及控制成本。例如,一大群UUV載具之中,只需要一小部分具備強化的導航裝備來滿足某些任務,但不是全部載具都要具備相同的高端能力。依照相同思維,某些扮演特殊節點的載具擁有強化的能源儲存、資料計算處理能力、通信設備,然後透過通信與所有作業的載具分享信息,如此就可以用最低的成本滿足整體作業需要。


在這份報告中,DSB報告做出幾點建議:

第一:美國海軍部(The Secretary of the Navy,SECNAV)以及海軍作戰部(Chief of Naval Operations,CNO)應該建立一個水下領域領導當局(Undersea Domain Lead),與美國海軍現有水下作戰系統辦公室(Directorate for Unmanned Warfare Systems,OPNAV 99)以及主管水下無人系統的助理海軍部長(Deputy Assistant Secretary of the Navy for Unmanned Systems,DASN(UxS))合作,對於任務創新以及實驗項目創建統一的框架以及基礎建設。

第二:國防部主管採辦、技術以及後勤次卿(Under Secretary for Acquisition, Technology, and Logistics (USD(AT&L))以及海軍主管研究、發展、採辦的助理部長(Assistant Secretary of the Navy for Research, Development, and Acquisition,ASN(RDA)))應組織一個實驗計畫,由OPNAV N99領導,來發展與驗證實戰型的無人水下系統的概念。這個實驗計畫應藉由發展成熟度、可支持性、與一同執行的任務實驗之間的轉換等,達成快速轉換過渡的目標。這些實驗應該利用於聯合作戰需求(Joint Urgent Operational Needs,JUON)以及緊急作戰需求(Urgent Operational Needs,UON)程序來刺激概念發展,並使用艦隊中成功的作戰實驗,以提供初始的作業能力。更重要的是,成功的概念發展應該參照過去成功的採辦計畫記錄(Acquisition Programs of Record,APR),而不是完全從頭開始;這些包括使用可行方案分析(Analysis of
Alternatives,AoA)的實驗結果以及需求發展,採辦計畫的架構使用現成商規平台(而不是從頭發展一種全新、獨一無二的平台)。DSB報告認為, DASN(UxS)和OPNAV N99的成立對於美國海軍發展無人水下系統很具正面意義,更能記取過去美國海軍發展無人系統的教訓。

第三:USD(AT&L)以及ASN(RDA)應該建立以及擴充水下系統投資項目,加強任務敏捷性並克服未來的戰場威脅。投資項目之中,至少一項目架構成能夠快速部署(rapid deployment)、插入創新概念(insertion of innovative concepts)、能隨計畫發展持續改進能力。此項目應使用商規現成水下無人載具,並結合現有系統中最好的選項(包含感測器、任務籌載、相關子系統等)。由於此一項目將會使用許多短生命系統以及大量消耗性的設備,國防部資深採辦領導階層也應提供支援,使這些項目測試與評估(Testing and Evaluation,T&E)、後勤支援能更順利。此報告也建議,ASN(RDA) 基於水下系統投資建議(recommended portfolio strategy for undersea systems)以及以往幾個UUV計畫曾遇到的困難,重新評估LDUUV計畫的框架。

第四:OPNAV N99應協調組織一個跨部會的設計、發展、實驗努力,擺脫傳統無人水下系統的限制。

 

2017年:LDUUV採辦方向調整

在2017年4月初舉行的美國海軍年度海上、空中、太空展(Sea-Air-Space exhibition)中,海軍主管水下無人系統的PMS 406辦公室副主管Howard Berkof表示,LDUUV項目接下來分為兩個並行的計畫,其中一個是繼續發展所需的軟體與自航技術,另一個則是無人系統快速採辦(rapid acquisition)計畫,盡快獲得現成、已驗證的水下載具,首艘能在2019年下水;艦隊獲得載具後,就能立刻展開各項操作實驗與訓練,透過這些經驗回饋到未來正式LDUUV以及其他一系列UUV族系的計畫。LDUUV發展採辦策略的修正,顯然參考了2016年DSB的下一代水下無人系統研究報告的建議。

Howard Berkof表示,在前一年(2016年),美國海軍決定由海軍水下作戰中心(Naval Undersea Warfare Center, Newport)擔任蛇頭(Snakehead)LDUUV項目的系統整合領導工作,以加快發展進度。民間業界也已經參與這個計畫,包括動力系統、感測系統等方面;然而同時間,美國海軍本身仍會持續設計與整合一種全新的載具。Howard Berkof也透露,為了加快整個LDUUV項目的發展,除了蛇頭LDUUV本身仍然必須達到以往採辦計畫的里程碑(milestones)之外,美國海軍高層已經決定放棄一些傳統計畫的程序要求,為計畫的發展開通一條筆直道路。

而在2017年海上、空中、太空展的簡報之後,Howard Berkof也向美國海軍新聞社(USNI)透露,雖然LDUUV計畫經過調整來加快進度,不過海軍研究辦公室(ONR)仍會持續進行「蛇頭項目」LDUUV創新海軍原型(INP);此時,ONR打算建造兩艘LDUUV INP載具,其中一部用於空機展示,另一部則將配置海軍水下武器中心(NUWC)位於華盛頓州普吉灣(Puget Sound)的鑰匙港(Keyport)的UUVron中隊,持續累積操作經驗。ONR會持續利用LDUUV INP載具進行研發努力,特別是軟體、自主航行以及指揮控制等技術。ONR持續發展兩艘LDUUV,或許發展到某一個階段,就會移交給PMS 406無人海上系統計畫辦公室。

依照Howard Berkof在2017年海上、空中、太空展簡報中公布的美國海軍水下系統願景(UUV Systems Vision)示意圖,在第一階段(Phase 1)計畫中,現有的蛇頭(Snakehead)LDUUV INP項目的重點聚焦在情報與環境準備(Intelligence and Preparation Of the Environment ,IPOE),以及情報/監視/偵察(Intelligence, Surveillance and Reconnaissance,ISR);而在第二階段(Phase 2)中,蛇頭LDUUV載具會繼續擴充任務範圍。最終蛇頭「增量1」(Snakehead Increment 1)會拓展任務籌載,範圍涵蓋電子戰、佈雷與水雷反制、反潛作戰、反水面作戰等。

依照2018年6月29日參議院的報告,美國國防部2019財年預算計畫中,將加快LDUUV與超大型水下載具(XLUUV)的期程。美國國防部2019財年預算中,為LDUUV項目申請9261萬3000美元預算來建造兩艘LDUUV第一階段(Phase 1)原型。同時,海軍也通知國會,LDUUV的採辦策略已經改變,將刪除原本採辦策略的第二階段(Phase II),第一階段(Phase 1)的設計則直接移交給業界進入實際設計建造工作,使得整個計畫期程比原先提前五年。因此,原訂的LDUUV第二階段就不再申請預算。對此,參議院武裝委員會原則上支持計畫期程加速,但同時也對於改變計畫期程表達部分憂慮;因此,參議院武裝委員會建議,縮減LDUUV第一階段的範疇,然後加速將LDUUV設計移交給業界。

依照2018年10月的消息,海軍發言人Alan Baribeau對媒體表示,蛇頭LDUUV項目已經完成第一階段(Phase 1)系統初步設計審查(system preliminary design review),而細部設計則正在進行。針對Phase 1的初步設計審查(Preliminary Design Review,PDR)顯示各項設計都符合系統要求,風險以及預算因素也都在可接受範圍;而軟體發展也按照期程進行;而細部設計審查(Detailed Design Review)會在2019財年第三季進行。美國海軍原本希望蛇頭LDUUV第一階段(Snakehead Phase 1)的載具能在2019年內下水,然而由於在2017與2018財年國防預算對蛇頭項目的支持不足,第一艘蛇頭LDUUV下水期程已經延後到2021財年第一季;至於蛇頭LDUUV第二階段(Phase 2)載具的具體時間表則取決於2019財年的預算。



大型水下載具(XLUUV)

除了LDUUV之外,在2017年4月初海軍年度海上、空中、太空展中,美國海軍又提出了另一個超大型水下載具(Extra Large UUV,XLUUV)概念。XLUUV的任務與功能與LDUUV類似,但尺寸增加,直徑擴大到54吋(137.6cm),可直接從沿岸碼頭出發(而LDUUV是由船艦或潛艦在海中施放),航程在2000海里以上。依照美國海軍的規劃,LDUUV主要功能是拓展有人的核能攻擊潛艦以及水面船艦的作業能力,而XLUUV則可獨自在大洋上作業,為整個海軍艦隊提供戰場情資。

依照美國海軍的無人水下系統願景圖(Navy UUV systems vision chart),XLUUV項目首先專注在任務籌載的系統整合工作以及佈雷作戰,爾後也會發展水雷反制、反潛作戰、反水面作戰、電子作戰、打擊等相關能力;中、長期發展方面,LDUUV會成為一種情報監視偵察(ISR)平台,不過也能透過選擇任務模組來執行上述不同的作戰任務。

ONR規劃建造第二艘XLUUV INP載具,同時間PMS 406無人海上系統計畫辦公室也進行作業打算在2017年內發出關於建造的需求徵詢書(RFP)。XLUUV項目的發展模式將與LDUUV,由ONR以及無人系統計畫辦公室(Unmanned Systems Program Office)負責,形成齊頭並進的體制,而各單位所有關於原型系統的研發工作,最後會產生一種使用多種任務籌載、可擔負多種任務的載具。

最初美國海軍打算只讓LDUUV成為快速採辦項目(rapid-acquisition project),但隨後XLUUV也被改成快速採辦,採用現成商規載具,依照海軍的需求以及提供的任務籌載介面來發展;而XLUUV載具系統隨後被命名為虎鯨(Orca) 。由於LDUUV要求能從水面船艦與潛艦部署收放,但XLUUV則是自行從碼頭出發往返,不僅不需要考慮從船艦、潛艦上施放與回收的技術挑戰,而且尺寸比較不受限制,這或許是比較晚出現的XLUUV採辦程序反而比LDUUV進展更快的原因。

在2017年10月,美國海軍與波音與洛馬集團參簽署合約,由兩家團隊針對XLUUV項目,各自發展載具系統以及相對應的技術資料包;其中,與洛馬集團簽署的合約價值4320萬美元,與波音簽署的合約則為4230萬美元。兩家團隊各有15個月的工作時間,美國海軍會在2018年12月進行關鍵設計審查(Critical Design Review,CDR),審查兩個團隊提交的方案。

針對海軍XLUUV採辦項目,波音以該集團的回聲航海家(Echo Voyager)載具為基礎來發展,長度51英尺(15.545m),寬度與高度皆為2.6m,重量約45.36噸,最大操作深度11000英尺(3352.8m),最大渡航速率8節,作業速率2.5~3節,能持續在海上航行至多6500海里而不需要外來支援。回聲航海家載具可利用的籌載空間長度涵蓋34英尺(10.363m),籌載容積(含任務模組有效荷載空間)為2000立方英尺(56.63立方公尺)。其導航系統採用經過驗證的卡爾曼濾波慣性導航單元,並由都卜勒測速器和深度傳感器提供信息。回聲航海家的高度穩定性為0.25m,深度穩定性為0.3m,LBL輔助定位精度2.3m,無輔助定位精度為航行距離的0.15%。回聲航海家的基本籌載包括雷松(Raytheon)的PS60-6000合成孔徑聲納,基本能力包括 前後配平控制、海底繫泊能力、由前視聲納(FLS)實現主動障礙迴避能力,以及含經驗學習的自主避障算法。

在2017年10月中旬,波音無人系統先進技術計畫(Advanced Technology Programs for Autonomous Systems)的主管Lance Towers向美國海軍新聞社(USNI)透露,相較於使用較小的UUV載具,XLUUV會大幅降低美國海軍使用無人水下載具執行同類任務的成本。XLUUV能完全自主航行以及從港口基地渡航往返,不需要透過船艦載運到任務區域部署及回收;透過水面船隻或潛艦攜帶UUV載具到任務海域施放及回收,相關作業不僅更昂貴,而且作業受到惡劣天候或附近敵意船隻的制約。Lance Towers表示,波音現有最大型的回聲航海家UUV系列已經經過充分海上驗證、配合波音自己開發的傳感器進行過測試。回聲航海家基本上是一種無人的柴電潛艇,可以自力航行上千海里,配備柴油發電機與電池,潛航時使用電池供電推進,潛航一段時間後會浮出水面自動啟動柴油機為電池充電。Lance Towers進一步說明,XLUUV項目的快速採辦程序有別於其他傳統的計畫;傳統的計畫模式首先有專門的設計定義階段(由美國海軍本身單位負責),大約會花費2至3年以上,完成之後才向業界徵詢提案。Lance Towers表示,在這種快速採辦程序中,廠商與海軍的密切溝通極其關鍵,不只是關於技術規格,也包括清楚瞭解海軍對於整個計畫的目標與意圖。隨著XLUUV項目進展,波音的回聲航海家號載具會在2018年初再次進行測試,繼續驗證此行載具對嚴苛水下作戰環境的適應能力。

而洛克希德.馬丁集團則以馬林魚自航下載具系統(Marlin Autonomous Underwater Vehicle,AUV)系統為基礎,此型載具長度約10英尺(3.048m),先前的用途包括結構研究(structural surveys)、海底管線檢查、海底殘骸研究、水下設施檢查等,配備高解析度、高精確度的探測與測繪設備,產生海底3D掃描、地質參考模型等。在先進水下無人系統以及海洋身測繪技術領域上,洛馬集團有超過40年的豐富經驗,曾經產製過28艘載人的潛水載具以及超過150艘遙控水下載具。

依照2018年6月29日參議院的報告,美國國防部2019財年預算計畫中,將加快LDUUV與XLUUV的期程。在2019財年國防預算中,XLUUV項目申請了1億1785萬6000美元預算,包含發展XLUUV載具,美軍太平洋司令部(U.S. Pacific Command)聯合應急作戰需求(Joint Emergent Operational Need,JEON)的相關的任務籌載。此時,美國海軍已經與兩家競爭廠商(波音與洛馬)簽署XLUUV的設計競爭合約(Phase 1),並在2018年在競爭者中進行評估選擇(Phase 2);然而在2019年預算中,海軍調整採辦策略,並通知國會,海軍將同時向兩個競爭團隊授予Phase 2的製造合約。

在2019年2月13日,美國海軍宣布與波音在先前合約基礎上,簽署價值4300萬美元的固定價款合約修改(fixed-priced-incentive modification),為海軍建造四艘虎鯨(Orca)XLUUV載具以及負責相關支援項目,在2022年交付。波音以該集團回聲探險家型UUV為基礎發展虎鯨XLUUV,根據美國海軍的需求修改,使用海軍提供的介面,能搭載各種海軍指定的任務籌載。

為了運用無人水下載具,美國海軍成立了水下無人中隊(Unmanned Undersea Squadron,UUVRON-1),計畫在2020年達到全戰備能力,預定在2024年配備包括LBS-UUV、LDUUV、XLUUV等各型UUV共45艘。


 

 

 

 

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