Drohnen mögen die Zukunft der Marine sein, aber sie haben höllisch schwierige Bedürfnisse

By | December 15, 2023

„Autonome U-Boote werden voraussichtlich die Art und Weise verändern, wie Australien die Ozeane patrouilliert“, heißt es in dem Bericht. Unterdessen prognostiziert der Erbauer des unbemannten Tauchboots Ghost Shark, dass die Marine zunehmend auf kleinere unbemannte Systeme zurückgreifen wird, da die Ozeane „transparenter“ werden. ”

AUKUS, das Verteidigungstechnologieabkommen zwischen den USA, Großbritannien und Australien, sorgt für Fortschritte bei den Verteidigungsfähigkeiten, von Atom-U-Booten über Hyperschallwaffen bis hin zu Drohnenschwärmen.

Das Merkmal künftiger Maschinen ist, dass sie selbst Entscheidungen treffen können müssen.

Ein Teil der Lösung ist in einem Labor im Tonsley Park in Adelaide, Südaustralien, versteckt, aber bevor sie in die Wildnis entlassen wird, muss sie die Schule für maschinelles Lernen durchlaufen.

„Die Begeisterung darüber, dass Drohnen alles können, ist groß. Das sind sie nicht“, sagt Professor Karl Sammut von der Fakultät für Naturwissenschaften und Technik der Flinders University.

„Wir haben die Plattformen. Wir machen sie so robust wie möglich. Was derzeit fehlt, sind die nötigen Köpfe, um das Potenzial in die Realität umzusetzen.“

Aber wenn man künstlicher Intelligenz beibringt, ein Fahrzeug in einer Umgebung, die oft rauer als die Luft ist, verantwortungsvoll zu steuern, sieht die Raumfahrt einfach aus.

„Das sage ich immer wieder allen!“ sagt Flinders-Doktorand Zachary Cooper-Baldock.

U-Boote – insbesondere australische – müssen viel weiter und länger zurücklegen als ein gewöhnliches Flugzeug. Das verbraucht viel Energie. Und das erfordert erhebliche Größe und Komplexität. An diesem Punkt sind menschliche Besatzungen ein wichtiger Teil dieser Gleichung.

U-Boote müssen tief bleiben. Sie müssen völlig schweigen. Sie können monatelang von der Außenwelt isoliert sein. Und das legt enormen Wert auf die Entscheidungen Ihres Kommandanten.

Was derzeit fehlt, sind die nötigen Köpfe, um das Potenzial in die Realität umzusetzen.“

Professor Karl Sammut

Doch es gibt eine Möglichkeit, die Risiken, denen U-Boot-Besatzungen ausgesetzt sind, drastisch zu reduzieren.

Drohnen.

Die Idee scheint ganz einfach zu sein. U-Boot öffnet eine Luke. Ein kleines Fahrzeug fährt ein.

Aber es gibt ein Problem. Es heißt Physik.

Das Wasser ist schwer. Wasser ist 1000-mal dichter als Luft. Wasser überträgt Schall. Und alles, was mit der Wasserströmung zu tun hat, ist viel schwieriger als die Aerodynamik.

Aber das hält die Forscher der Flinders University nicht auf.

Cooper-Baldock, Sammut und ihr Team arbeiten daran, einer Drohne das Andocken an ein Mutterschiff beizubringen, ohne Kommunikation oder akustische Sensoren. Schweigend. Mit Sicherheit. Allein.

Extragroße unbemannte Unterwasserfahrzeuge (XLUUVs) bieten die Möglichkeit, kleinere autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) in umkämpften Regionen heimlich zu starten und zu bergen (LAR) und so deren Einsatzreichweite, Stationszeit, Datenübertragung und Betriebssicherheit zu erhöhen.

„Der Bau der Hardware ist kompliziert, aber nicht der schwierigste Teil des Problems“, fügt Sammut hinzu. „Wir brauchen diese Fahrzeuge, um denken zu können – um ohne menschliches Eingreifen eigene Entscheidungen zu treffen.“

Warum U-Boote bauen, um kleinere U-Boote zu transportieren?

„Der Punkt ist, dass Unterwasserdrohnen lautlos in Gebiete vordringen können, die zu gefährlich sind, um ein bemanntes U-Boot dorthin zu schicken“, sagt Sammut.

Die U-Boot-Abwehrtechnologie schreitet rasant voran. Satelliten, Kielwasserdetektoren und Quantengravitationssensoren bedeuten, dass U-Boote neue Wege finden müssen, um ihre Funktionen sicherer zu erfüllen.

Kleinere Drohnen können dazu führen, dass sie günstiger und schwerer zu finden sind. Aber es braucht viele Batterien, um jemanden im Wasser mit Strom zu versorgen. Daher müssen sie näher an Ihren Standort transportiert und zum Aufladen abgeholt werden.

Torpedos, die vor mehr als einem Jahrhundert von U-Booten abgefeuert wurden, sind heute auf den meisten Militär-U-Booten zu finden.

Öffne eine Luke. Den Druck ausgleichen. Wirf raus. Lassen Sie sich von Ihren eingebauten Sensoren zu einem Ziel führen.

Aber Torpedos haben keinen Rückwärtsgang. Und Sie wollen sowieso nicht, dass so viel Sprengstoff auf Sie zurückkommt.

Mit oder ohne Gefechtskopf sind Torpedos für den Einsatz mit hoher Geschwindigkeit ausgelegt. Der lange, dünne Körper verfügt über einen leistungsstarken Motor, der einen einzelnen Heckpropeller antreibt, sowie kleine Flossen, um ihn in die gewünschte Richtung zu schieben.

Unterwasserdrohnen können lautlos in Gebiete vordringen, die für den Einsatz eines bemannten U-Boots zu gefährlich sind

„Wenn es sich langsam bewegt, hat man nicht viel Kontrollbefugnis“, sagt Cooper-Baldock.

Das bedeutet schädliche (und laute) Stöße und Kratzer, wenn Sie nach Hause kommen.

Wie wäre es, Drohnen außen an einem U-Boot anzubringen?

„Dies wird zu einer sehr großen Änderung der Widerstandskraft führen“, erklärt er. „Das bedeutet, dass das Mutterschiff mehr kostbare Energie verbraucht – und Lärm macht.“

Eine Drohne muss auch im Unterwasser-Kolgen des U-Bootes vorankommen – einem kraftvollen, stromlinienförmigen Wasserstrahl, der entlang seines Rumpfes fließt. Und dann wieder auftauchen.

Sobald ein untergetauchtes Schiff stoppt, hat es keine Kontrolle mehr. Damit Ruder und Wasserflugzeuge funktionieren, ist Vorwärtsschub erforderlich. Ohne dies sind Sie den Gezeiten und Strömungen ausgeliefert.

Wie kann eine Drohne also durch dieses Turbulenzen-Sandwich kommen, ohne zur Seite geschleudert zu werden?

Sammut und Cooper-Baldock führten Simulationen durch, um herauszufinden, welcher Drohnentyp am besten andocken kann und welcher das Mutterschiff weniger beansprucht.

„Es ist wirklich kompliziert, wenn man bedenkt, was alles schiefgehen kann und wie sich die Fahrzeuge davon wieder erholen können“, sagt Sammut.

Eine herkömmliche Torpedoform mit Steuerflossen mag für die Fortbewegung durch das Wasser am effizientesten sein, aber der Steuerungsaufwand, der erforderlich ist, um schräg durch die Strömungsbarriere zu fliegen, ohne außer Kontrolle zu geraten, ist unerschwinglich.

Dann geht es darum, auf der anderen Seite sicher anzuhalten.

„Wenn man es nicht kontrollieren kann, könnte sein Bug wieder in die freie Strömung geraten und es wird aus dem Frachtraum gerissen – was aus Risikosicht natürlich sehr, sehr schlecht ist“, sagt Cooper-Baldock.

Durch die Beibehaltung der Torpedoform bleibt die für die Effizienz unter Wasser erforderliche Stromlinienform erhalten.

Das Hinzufügen kleiner Triebwerke an Bug und Heck ermöglicht jedoch eine fünfdimensionale Bewegungssteuerung.

Dies bedeutet, dass sich die Drohne ideal so positionieren kann, dass sie dem Kielwasser des U-Boots gegenübersteht, und große Anpassungen des Schubs vornehmen kann, um auf Kurs zu bleiben. Ganz zu schweigen vom Anhalten auf der anderen Seite.

Wie immer gibt es einen Kompromiss. Laufräder nehmen wertvollen Platz ein und erhöhen das Gewicht.

„Es hat auch einen viel größeren Luftwiderstand, aber es ist ein äußerst konstanter Luftwiderstand. Dem können wir Rechnung tragen“, sagt Cooper-Baldock. „Und wir haben festgestellt, dass kommerzielle Triebwerke einwandfrei funktionieren – es besteht also keine Notwendigkeit, eine Ausschreibung für ein teures neues Propellerdesign abzugeben.“

Fisch außerhalb des Wassers

Die Flinders University testet eine modifizierte GRAALtech X300-Drohne und verfügt über einen eigenen Pool, kann jedoch die Variabilität der Bedingungen auf offener See nicht nachbilden.

„Experimentelle Tests mit einem bemannten U-Boot oder einem XLUUV wären unerschwinglich teuer und möglicherweise sehr gefährlich“, sagt Cooper-Baldock. „Also haben wir uns hingesetzt, um die rechnergestützte Fluidmodellierung, die mathematische Modellierung und die digitalen Zwillinge jedes Systems durchzuführen.“

Das Team weiß nun, dass es über eine Maschine verfügt, die diese Aufgabe erfüllen kann.

„Aber wir haben ein System, das immer noch nicht weiß, wie es das Dock betreten soll. Und das muss man können. Allein. Ohne Hilfe. Ja – es ist ein lustiger Kaninchenbau …“, scherzt Cooper-Baldock.

Wir haben ein System, das immer noch nicht weiß, wie es sich selbst kontrollieren soll

Zachary Cooper-Baldock

„Maschinelles Lernen ist nur so gut wie der Lernteil“, sagt Professor Sammut. „Wir müssen also Wege finden, damit er so schnell wie möglich so viel wie möglich lernt.“

Wie das Training eines Hundes ist auch das verstärkende Lernen – das „Belohnen“ von gutem Verhalten in wiederholten Lektionen – ein Grundpfeiler des KI-Handels. Aber manchmal muss man ein paar Mal vom Fahrrad fallen, bevor man „spürt“, wie es funktioniert. Können Sie eine KI davon überzeugen, aufzustehen und es erneut zu versuchen?

„Sie müssen nur sicherstellen, dass er so gut wie möglich informiert ist, bevor Sie ihn einem simulierten Trainingsprogramm unterziehen“, fügt Cooper-Baldock hinzu.

„Wie Karl sagte, ist es relativ einfach, sehr schnell sehr gute Hardware zu bauen. Das Problem entsteht, wenn Sie Hardware zur Bewältigung unerwarteter Ereignisse einsetzen möchten. Sie benötigen ein Steuerungssystem, das mit seiner Umgebung umzugehen weiß. Und dann müssen Sie sicherstellen, dass es sich selbst – oder irgendetwas anderes – nicht beschädigt, sobald Sie versuchen, es in die reale Welt zu übertragen. Das ist der schwierige Teil.“

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