What makes it tick

海上无人艇

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海上无人艇如何工作

一艘没人驾驶的小艇:船体贴着水面滑行,靠水泵推进,通过卫星操控。

01

快艇上,一个人也没有

这是Magura V5,一款乌克兰海上无人艇,也就是一艘没人驾驶的快艇。它由国营企业SpetsTechnoExport为乌克兰国防部情报总局(GUR)制造,2023年7月首次亮相。艇长5.5米,甲板离水面只有0.5米,重不到1吨。远方的操作员通过卫星操控它。

从外面看,它有一个低矮的灰色船体,用复合材料制成,也就是封在树脂里的纤维布。艇尾凸起的整流罩上有两副星链天线和一副备用卫星天线;靠近船头,低矮的罩子里装着热成像摄像机,旁边是一台固定的船头摄像机。艇尾的喷水推进器推着它走。船体里有最多装320千克的载荷舱、油箱和发动机,发动机装在垫着泡沫的铝槽里,上方是电子设备。打开剖面(C)就能看到,也可以等到讲喷水推进器的那一章。

模型演示一次出航。小艇驶离下水滑道,进入滑行,以22节巡航,约合每小时41千米;1节就是每小时1海里。接着它和另外两艘小艇一起以42节冲刺,约合每小时78千米,直到船头抵达一艘锚泊的灰色大船。

按正常速度播放时,小艇跑得和真艇一样快,但航程压缩成了两分钟:跑完450海里(约800千米)的最大航程,要巡航约20小时,这里只有42秒,冲刺也缩短了。大船只在1.5千米外,而不是几百千米外。时钟按模型时间计时;拖动时间轴可以跳转。

船体状态
Floating
已航行距离
0 m
航程进度
0 %

02

不再浮着,开始滑行

静止时,小艇排开的水把它托住,这叫浮力。小艇一加速,水撞上倾斜的船底,往上推的力越来越大。等这股力托起大部分重量,船体就会抬起,贴着水面掠过:这就是滑行。船底靠后的部分始终留在水里。

每艘船都会推起一道船头波。航速约5.7节时,这道波和5.5米的船体一样长,这就是船体速度。这是只靠浮力漂浮的船的经验法则,并不是上限:Magura跑到42节时,约是它的7倍。小艇先要爬过阻力峰,这时它掀起大浪,阻力,也就是水拖住它的力,急剧上升。船底两侧锋利的棱边叫折角线,在这里也会增加阻力,要等滑行起来才显出好处。

拖动滑块,留意船头。快到阻力峰时它抬得最高,然后慢慢放低:这个角度叫纵倾,约3到4度时阻力最小。小艇大约在15到18节开始滑行,模型在16节切换。模型里静止时船底浸水长5.1米,15节时约4.5米,到42节只剩1.5到2米。阻力峰数据没有公开,所以6度的峰值和重量怎么分担,都是模型自己定的。

船底是很深的V形,能减轻海浪的撞击;真实角度没有公开,模型在艇尾用20度,越往前越尖。方形艇尾的下缘很锋利,水流在这里干净地脱开。两侧各有一条细细的防溅条,把浪花往外甩,这是模型的猜测。纵倾太大,滑行艇会一起一伏地跳,这叫海豚运动。

11 kn, 20 km/h
船体状态
Climbing the hump
船头角度(纵倾)
6.0°
重量由谁托起
36 % by speed, 64 % by floating
船底浸水长度
4.4 m, against 5.1 m at rest
与船体速度相比
1.9 times the hull speed of 5.7 kn

03

用水泵代替螺旋桨

把船体剖开,跟着动力走:油箱给发动机供油,发动机的传动轴带动艇尾的水泵,也就是喷水推进器。水从船底的格栅进来。旋转的叶轮是个像风扇的转子,给水加速;固定的叶片叫定子,消掉水流的旋转;最后喷口把水朝后喷出。

小艇靠给水泵里的水加速来前进:推力等于每秒流过的水的质量,乘以喷流比小艇快出的速度。即使水泵完美无缺,用来推动小艇的功也只占 2 / (1 + 喷流速度 / 艇速):喷流是艇速的1.5倍时为80%,低速时要少得多。

航速超过约25到30节,喷水推进器就能赶上甚至超过螺旋桨;船体下面没有东西,小艇还能在浅水里跑。格栅大多能自己保持通畅,但水草和绳子仍可能把它堵住。这个系列的第一艘艇出现在2022年5月,装的是舷外机;2022年晚些时候的小艇,比如在塞瓦斯托波尔附近发现的那艘,用的是Rotax水上摩托发动机和Sea-Doo水泵。Magura的发动机没有公开,所以模型假定它是水上摩托那类汽油发动机,直接带动水泵;在42节时,水泵每秒约抽送210升水,这是估算。

它没有舵。转向喷口能把水流往左右各偏最多27度:往右偏,船头就向右转。要停船或倒车时,倒车斗落下罩住喷口,把水流转向前下方。滑块控制油门,模型把它当作水泵的流量。按播放键回到航程。

69 %
航速
22 kn, 41 km/h
流过水泵的水
148 kg a second, about 144 litres
喷流速度
22 m/s, 81 km/h
推力
1.65 kN
理想效率
67 %

喷流方向
Straight back: holds course

04

据俄方说法,2023年11月在克里米亚缴获的一艘Magura上,有两台星链终端、一副Kymeta备用卫星天线、GPS、一台Linux电脑,还有一台近岸使用的双SIM卡路由器。制造商还声称它有网状无线电、自主控制和最多三路视频流。

操作员面前是一台装在硬箱里的控制台。长途航行可以事先编程,但操作员全程盯着,最后一段常常手动操控,所以小艇并不是完全自主的。真实的小艇断了链路会怎样,没有公开;模型让它保持航向。

星链的典型延迟在陆地上约25到35毫秒,在海上可能超过100毫秒。上传速度为每秒10到30兆比特,大约够三路视频流,它决定画面有多清晰。画面晚到多久,没有公开。在42节时,四分之一秒就是5.4米,约一个艇长;影子小艇就是操作员看到的位置。

从2024年年中开始,黑海上空的GPS干扰和伪造已有记录,这很可能就是制造商还列出惯性导航和视觉导航的原因。据埃隆·马斯克的说法和一本2023年出版、后经更正的马斯克传记,2022年9月,乌克兰以为克里米亚附近有星链覆盖,可那里从未开通;这本书起初说是被关掉了。这里的卫星画得又低又近,比真实的大得多。

250 ms
操作员看到的位置
2.8 m behind the boat at 22 kn
最高速度时
5.4 m at 42 kn, 1.0 boat lengths
链路
Starlink, two terminals
小艇怎么做
Pilot steers by the video

指令怎样传到小艇

  1. 操作员:推一下推杆或摇杆。
  2. 地面站:用无线电把指令发上去。
  3. 卫星:把指令转发给小艇。
  4. 小艇:电脑调节油门或喷口。
  5. 视频:沿原路传回,晚到一点。

05

矮到能躲在海面的弧度后面

海面是弯的,所以从h米高处望去,地平线约在3.86 × √h千米外。小艇的摄像机离水面约0.7米,只能看到约3千米远。3D海面是平的,因为在1.5千米内,真实的弧度下降不到0.2米;下面的图把弧度夸大了。

大船的雷达也受海面弧度限制。无线电波会稍稍弯曲,所以雷达对0.5米高小艇的视距约为4.12 × (√h1 + √h2)千米,高度以米为单位:雷达高20米时约21千米。这只是它最远可能看到小艇的距离;即使这样,面对42节的小艇,大船最多也只有约16分钟预警。

真正发现小艇要晚一些。小艇的雷达截面积,即它在雷达眼里有多大,约0.5到5平方米;Magura的数据没有公开。一项海岸雷达标准要求,先进雷达在4级及以下海况(浪高1.25到2.5米)中,应在约9千米处发现离海面1米、大小1平方米的目标。面对42节的小艇,这只留下约7分钟预警。小艇最多一半时间会藏在浪后,海杂波,也就是海浪自己的回波,还可能淹没小艇的回波。

操作这些小艇的人说,它们很难被发现:情报总局第13小组的一名指挥官说,雷达很难看到塑料船体,小艇散发的热量也很少。这些是他们的说法,没有公布任何测量结果。据俄方拆解报告,发动机所在的铝槽嵌在泡沫里,能减少外壳受热。小艇漆成灰色,最出名的几次袭击都在夜里或黎明。点按钮可以改变海况。

侧视图:雷达、海面和小艇;弧度和高度已夸大。
20 m
雷达视距
21.3 km
小艇42节时,大船的预警时间
16.5 min

摄像机地平线
3.2 km from a lens 0.7 m up
预计发现距离
About 9.3 km, 7.1 min of warning at 42 kn
浪高
0.5 to 1.25 m, sea state 3
藏在浪后
Up to half the time: waves as tall as its deck

06

便宜、小巧,变化很快

一艘Magura V5大约值25万美元。Sea Baby是乌克兰安全局(SBU)造的另一款无人艇,约22.1万美元。2024年3月,“谢尔盖·科托夫”号巡逻舰遭Magura袭击后沉没,情报总局估计它值约6500万美元。

这些小艇很少单独行动:据报道,许多袭击都是约五到十艘一组出动,研发人员说每艘各有分工。据报道被击沉的船都中了好几次。这次出航里的两艘同行小艇和它们的队形,是模型自己定的。

这款设计一直在变。2024年12月,情报总局给V5小艇装上两枚R-73空空导弹,改称“海龙”;点按钮可以看这种配置,它只改变甲板,不改变航程。2025年,情报总局展示了更大的Magura V7,艇长7.2米,载荷最多650千克。

下面的记录只列出各方自己的说法,其中很多都有争议。英国国防部统计,2022年2月到2024年6月,各种武器共击伤或击毁至少26艘俄罗斯海军舰船,约占黑海舰队的三分之一。

艇上装载
A payload of up to 320 kg in the bow
每艘造价
About USD 250,000 to 273,000
巡逻舰,情报总局估价
About USD 65 million

公开记录,据报道

  1. 2022年10月29日,塞瓦斯托波尔:海上和空中无人机袭击了“马卡罗夫海军上将”号护卫舰和一艘扫雷舰;俄罗斯只承认轻微损伤。
  2. 2024年1月31日至2月1日,多努兹拉夫湖:Magura V5击沉了“伊万诺韦茨”号导弹艇;情报总局称命中六次,视频里约三次。
  3. 2024年3月4日至5日,刻赤海峡:Magura V5击沉了“谢尔盖·科托夫”号巡逻舰;乌克兰称有五艘小艇参与。
  4. 2024年12月31日,塔尔汉库特角:情报总局称,Magura V5用R-73导弹击落了Mi-8直升机,是海上无人艇首次击落飞机;它起初说一架,后来说两架。
  5. 2025年5月2日,新罗西斯克附近:情报总局称,Magura V7用“响尾蛇”导弹击落两架Su-30SM战机;俄罗斯尚未证实。