USV là từ viết tắt của “unmanned surface vehicle” (phương tiện mặt nước không người lái), “unmanned surface vessel” (tàu mặt nước không người lái) hoặc “uncrewed surface vessel” (tàu mặt nước không có thủy thủ đoàn), thường được gọi là “thiết bị không người lái dạng thuyền” (drone boat) hay “thiết bị không người lái dạng tàu” hoặc (drone ship) hay “thiết bị không người lái trên biển” (sea drone), là một chiếc thuyền hoặc con tàu hoạt động trên mặt nước mà không có thủy thủ đoàn. USV hoạt động với nhiều cấp độ tự chủ khác nhau, từ điều khiển từ xa đến phương tiện bề mặt tự hành hoàn toàn ASV (Autonomous Surface Vehicles).
USV đã được sử dụng trong quân sự ngay từ những năm 1920 như tàu mục tiêu điều khiển từ xa, sau sự phát triển của “DCB” trong Thế chiến I. Đến Thế chiến II, chúng còn được sử dụng cho mục đích quét mìn. Chúng đang được sử dụng rộng rãi hơn trong thế kỷ XXI cho nhiều mục đích bao gồm hải dương học và giám sát môi trường, cũng như vận chuyển hàng hóa và các ứng dụng quân sự. Nhiều ứng dụng khác cũng đang được khám phá. Một số USV thương mại có thể sử dụng điều hướng tuân thủ COLREG. Vào tháng 10/2022, trong cuộc tấn công quân sự của Nga vào Ukraine, lực lượng vũ trang Ukraine đã sử dụng 7 USV và 8 UAV trong một cuộc tấn công vào nhiều tàu hải quân Nga tại Căn cứ Hải quân Sevastopol. Theo Naval News, đây là lần đầu tiên các phương tiện mặt nước không người lái được sử dụng trong tác chiến hải quân.
Môi trường pháp lý
Môi trường pháp lý cho hoạt động của USV đang thay đổi nhanh chóng khi công nghệ phát triển và được triển khai thường xuyên hơn trong các dự án thương mại. Nguyên tắc ứng xử và quy tắc thực hành trong ngành tàu mặt nước tự hành hàng hải của Vương quốc Anh năm 2020 (V4) đã được Nhóm làm việc về quản lý hệ thống tự trị hàng hải của Vương quốc Anh (MASRWG) biên soạn và được Hàng hải Vương quốc Anh xuất bản thông qua Hiệp hội Công nghiệp Hàng hải. Các tổ chức đã đóng góp vào việc phát triển Bộ quy tắc thực hành MASS bao gồm Cơ quan Hàng hải & Bảo vệ Bờ biển (MCA), Atlas Elektronik UK Ltd, AutoNaut, Fugro, Phòng Vận tải biển Vương quốc Anh, UKHO, Trinity House, Viện Hàng hải,Trung tâm Hải dương học Quốc gia, Dynautics Limited, SEA-KIT International, Sagar Defense Engineering và nhiều tổ chức khác.
Vào tháng 7/2021, SEA-KIT International đã trở thành nhà thiết kế và chế tạo USV đầu tiên nhận được chứng nhận Hệ thống Hàng hải Không người lái UMS (Unmanned Marine Systems) từ Lloyd’s Register cho thiết kế USV lớp X 12 m của mình.
Cuối năm 2017, Sagar Defense Engineering trở thành công ty đầu tiên ở Ấn Độ xây dựng và cung cấp USV cho một tổ chức Chính phủ.
Phát triển
Ngay từ cuối Thế chiến II, USV điều khiển từ xa đã được Hải quân Hoa Kỳ sử dụng cho các ứng dụng quét mìn và máy bay không người lái mục tiêu. Trong thế kỷ XXI, những tiến bộ trong hệ thống điều khiển USV và công nghệ định vị đã tạo ra các USV mà người điều khiển có thể điều khiển từ xa từ đất liền hoặc tàu gần đó: USV hoạt động với khả năng điều khiển tự động một phần và USV (ASV) hoạt động hoàn toàn một cách tự chủ. Các ứng dụng và lĩnh vực nghiên cứu hiện đại cho USV và ASV bao gồm vận chuyển thương mại, giám sát môi trường và khí hậu, lập bản đồ đáy biển, phà chở khách, nghiên cứu robot, giám sát, kiểm tra các cây cầu và cơ sở hạ tầng khác, các hoạt động quân sự và hải quân.
Vào ngày 17/1/2022, Soleil đã thành công trong việc hoàn thành chuyến đi biển hoàn toàn tự động đầu tiên bằng tàu. Do MHI xây dựng, cuộc trình diễn được thực hiện với sự hợp tác của Phà Shin Nihonkai. Hành trình kéo dài 7 giờ, dài 240 km, từ Shinmoji ở Bắc Kyushu đến Biển Iyonada, đã ghi nhận tốc độ tối đa là 26 hl/g.
Vào tháng 8/2022, MV Mikage của Mitsui OSK Lines đã đi 161 hl trong 2 ngày, từ Tsuruga đến Sakai, hoàn thành thành công chuyến đi biển không có thủy thủ đoàn đầu tiên bao gồm việc cập bến một tàu container tự hành ven biển trong cuộc thử nghiệm kéo dài hai ngày.
Một số nền tảng tự chủ (phần mềm máy tính) được thiết kế riêng cho hoạt động của USV đã được phát triển. Một số được gắn với các tàu cụ thể, trong khi một số khác linh hoạt và có thể được áp dụng cho các cấu hình thân tàu, cơ khí và điện khác nhau.
USV được điều khiển và vận hành bằng máy tính
Việc thiết kế và chế tạo các tàu không người lái USV (Uncrewed Surface Vessels) rất phức tạp và đầy thách thức. Hàng trăm quyết định liên quan đến mục tiêu nhiệm vụ, yêu cầu về trọng tải, ngân sách điện năng, thiết kế thân tàu, hệ thống thông tin liên lạc cũng như quản lý và kiểm soát lực đẩy cần được phân tích và thực hiện. Các nhà đóng tàu có thủy thủ đoàn thường dựa vào các nhà cung cấp nguồn duy nhất về động cơ đẩy và thiết bị đo để giúp thủy thủ đoàn điều khiển tàu. Trong trường hợp tàu không có người lái (hoặc có người lái một phần), người đóng tàu cần thay thế các phần tử của giao diện con người bằng giao diện con người từ xa.
Cân nhắc kỹ thuật
Các tàu không có người điều khiển có kích thước khác nhau từ dưới 1 m LOA đến hơn 20 m, với lượng giãn nước từ vài kg đến nhiều tấn, vì vậy hệ thống động cơ đẩy bao gồm nhiều mức công suất, giao diện và công nghệ.
Các loại giao diện (nói chung) theo thứ tự kích thước/sức mạnh:
– Bộ điều khiển tốc độ điện tử điều khiển bằng xung điện tử dành cho động cơ điện đơn giản.
– Bus nối tiếp, sử dụng các lệnh được mã hóa ASCII.
– Bus nối tiếp sử dụng giao thức nhị phân.
– Giao diện tương tự được tìm thấy trên nhiều tàu lớn hơn.
– Các giao thức CANbus độc quyền được các nhà sản xuất động cơ khác nhau sử dụng.
– Các giao thức CANbus độc quyền được các nhà sản xuất bộ điều khiển động cơ chung sử dụng.
Mặc dù nhiều giao thức trong số này đưa ra các yêu cầu đối với động cơ đẩy nhưng hầu hết chúng không mang lại bất kỳ thông tin trạng thái nào. Phản hồi về RPM đạt được có thể đến từ các xung tacho hoặc từ các cảm biến tích hợp tạo ra dữ liệu CAN hoặc nối tiếp. Các cảm biến khác có thể được lắp vào, chẳng hạn như cảm biến dòng điện trên động cơ điện, có thể đưa ra chỉ báo về nguồn điện được cung cấp. An toàn là mối quan tâm hàng đầu, đặc biệt là ở mức công suất cao, nhưng ngay cả một cánh quạt nhỏ cũng có thể gây hư hỏng hoặc thương tích và hệ thống điều khiển cần phải được thiết kế có tính đến điều này. Điều này đặc biệt quan trọng trong các giao thức bàn giao cho các tàu thuyền có người lái tùy chọn.
Một thách thức thường xuyên phải đối mặt trong việc kiểm soát USV là đạt được phản ứng trơn tru từ hoàn toàn lùi đến hoàn toàn phía trước. Các tàu có thuyền viên thường có hành vi giam giữ, có dải chết rộng quanh vị trí dừng. Để đạt được khả năng điều khiển lái vi sai chính xác, hệ thống điều khiển cần phải bù cho dải chết này. Động cơ đốt trong có xu hướng dẫn động qua hộp số, với sự thay đổi đột ngột không thể tránh khỏi khi hộp số vào khớp mà hệ thống điều khiển phải tính đến. Tia nước là ngoại lệ vì chúng điều chỉnh trơn tru qua điểm 0. Bộ truyền động điện thường có một dải chết tương tự được tích hợp sẵn, vì vậy, một lần nữa, hệ thống điều khiển cần phải được thiết kế để duy trì hành vi này cho người trên tàu, nhưng làm trơn tru nó để điều khiển tự động, ví dụ như khi di chuyển ở tốc độ thấp và Định vị động.
Hải dương học, thủy văn và quan trắc môi trường
USV có giá trị trong hải dương học vì chúng dễ điều khiển hơn các phao thời tiết neo hoặc trôi dạt, nhưng rẻ hơn nhiều so với các tàu nghiên cứu và tàu thời tiết tương đương, đồng thời linh hoạt hơn so với đóng góp của tàu thương mại. USV được sử dụng trong nghiên cứu hải dương học có xu hướng được cung cấp năng lượng và vận hành bằng các nguồn năng lượng tái tạo. Ví dụ: Tàu lướt sóng (wave gliders) khai thác năng lượng sóng cho lực đẩy chính, trong khi drone buồm (saildrones) và phao buồm (sailbuoys) sử dụng gió. Các USV khác khai thác năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng cho động cơ điện, như Data Xplorer; một sản phẩm của Open Ocean Robotics, và Xocean. Các USV đi biển sử dụng năng lượng tái tạo và bền bỉ có pin mặt trời để cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử của chúng. Độ bền của USV chạy bằng năng lượng tái tạo thường được đo bằng tháng.
Tính đến năm 2022, USV chủ yếu được sử dụng để giám sát môi trường và khảo sát thủy văn và việc sử dụng USV trong tương lai có thể sẽ tăng lên trong việc giám sát và giám sát các địa điểm rất xa do tiềm năng sử dụng đa ngành của chúng. Chi phí vận hành thấp là động lực nhất quán cho việc thu hút USV khi so sánh với các tàu có thủy thủ đoàn. Các yếu tố thúc đẩy sự hấp thụ USV khác thay đổi theo thời gian, bao gồm giảm rủi ro cho con người, hiệu quả về không gian – thời gian, độ bền, độ chính xác và khả năng tiếp cận vùng nước rất nông.
USV sử dụng năng lượng không tái tạo là một công cụ mạnh mẽ để sử dụng trong khảo sát thủy văn thương mại. Sử dụng USV nhỏ song song với các tàu khảo sát truyền thống như một “hệ số nhân lực” có thể tăng gấp đôi phạm vi khảo sát và giảm thời gian tại chỗ. Phương pháp này được sử dụng cho một cuộc khảo sát được thực hiện ở Biển Bering, ngoài khơi Alaska; phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV) ASV Global “C-Worker 5” đã thu thập được 2.275 hl khảo sát, chiếm 44% tổng số dự án. Đây là lần đầu tiên trong ngành khảo sát và giúp tiết kiệm 25 ngày trên biển. Vào năm 2020, USV Maxlimer của Anh đã hoàn thành cuộc khảo sát không người lái trên phạm vi 1.000 km2 đáy biển ở Đại Tây Dương phía tây eo biển Anh.
Drone buồm (Saildrone)
Drone buồm là một loại phương tiện không người lái được sử dụng chủ yếu trên đại dương để thu thập dữ liệu. Drone buồm chạy bằng năng lượng gió và mặt trời, đồng thời mang theo một bộ cảm biến khoa học và thiết bị điều hướng. Chúng có thể đi theo một tập hợp các điểm tham chiếu được quy định từ xa. Drone buồm được phát minh bởi Richard Jenkins, một kỹ sư người Anh, người sáng lập và Giám đốc điều hành của Drone buồm, Inc. Drone buồm đã được các nhà khoa học và tổ chức nghiên cứu như Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA) sử dụng để khảo sát hệ sinh thái biển, nghề cá và thời tiết. Vào tháng 1/2019, một đội drone buồm nhỏ đã được hạ thủy để thực hiện chuyến đi vòng quanh Nam Cực tự động đầu tiên. Một trong những chiếc drone buồm đã hoàn thành sứ mệnh, di chuyển 20.100 km trong hành trình kéo dài 7 tháng đồng thời thu thập bộ dữ liệu chi tiết bằng thiết bị giám sát môi trường trên tàu.
Vào tháng 8/2019, SD 1021 đã hoàn thành chuyến đi vượt Đại Tây Dương không người lái nhanh nhất từ Bermuda đến Vương quốc Anh và vào tháng 10, nó đã hoàn thành chuyến trở về để trở thành phương tiện tự hành đầu tiên vượt Đại Tây Dương theo cả hai hướng. Đại học Washington và công ty Saildrone bắt đầu liên doanh vào năm 2019 có tên The Saildrone Pacific Sentinel Experiment, đặt 6 drone buồm dọc theo bờ biển phía tây của Hoa Kỳ để thu thập dữ liệu về khí quyển và đại dương.
Saildrone và NOAA đã triển khai 5 tàu cấp bão đã được sửa đổi tại các địa điểm quan trọng ở Đại Tây Dương trước khi bắt đầu mùa bão năm 2021 vào tháng 6. Vào tháng 9, SD 1045 đã có mặt để thu thập video và dữ liệu từ bên trong Bão Sam. Đây là tàu nghiên cứu đầu tiên dấn thân vào giữa một cơn bão lớn.
Ứng dụng quân sự
Các ứng dụng quân sự của USV bao gồm các mục tiêu được hỗ trợ trên biển và săn mìn, cũng như giám sát và trinh sát, hoạt động tấn công và ngăn chặn khu vực hoặc ngăn chặn trên biển.
Năm 2016, DARPA ra mắt nguyên mẫu USV chống ngầm có tên Sea Hunter. Công ty Aselsan của Thổ Nhĩ Kỳ đã sản xuất các tàu mục tiêu di chuyển ALBATROS-T và ALBATROS-K để Lực lượng Hải quân Thổ Nhĩ Kỳ sử dụng trong các cuộc tập trận bắn súng. USV vũ trang nội địa đầu tiên của Thổ Nhĩ Kỳ (AUSV) là ULAQ, được phát triển bởi Nhà máy đóng tàu Ares, Hệ thống phòng thủ Meteksan và Roketsan. ULAQ được trang bị 4 Roketsan Cirit và 2 UMTAS. Nó đã hoàn thành thành công cuộc thử nghiệm bắn đầu tiên vào ngày 27/5/2021. ULAQ có thể được triển khai từ tàu chiến. Nó có thể được điều khiển từ xa từ các phương tiện di động, trụ sở chính, trung tâm chỉ huy và các bệ nổi. Nó sẽ phục vụ trong các nhiệm vụ như trinh sát, giám sát và tình báo, tác chiến trên mặt nước, chiến tranh bất đối xứng, hộ tống vũ trang, bảo vệ lực lượng và an ninh cơ sở chiến lược. Giám đốc điều hành của Nhà máy đóng tàu Ares cho biết các phiên bản ULAQ rất khác nhau được trang bị các loại vũ khí khác nhau đang được phát triển. Người dùng chính của nó sẽ là Lực lượng Hải quân Thổ Nhĩ Kỳ.
Ngoài ra, các ứng dụng quân sự của tàu mặt nước không người lái cỡ trung MUSV (Medium Unmanned Surface Vessels) bao gồm tình báo hạm đội, giám sát, trinh sát và tác chiến điện tử. Vào tháng 8/2020, L3Harris Technologies đã được trao hợp đồng chế tạo nguyên mẫu MUSV, với các tùy chọn cho tối đa 9 tàu. L3Harris đã ký hợp đồng phụ với Swiftships, một công ty đóng tàu có trụ sở tại Louisiana, để đóng những con tàu có lượng giãn nước khoảng 500 tấn. Nguyên mẫu dự kiến hoàn thành vào cuối năm 2022. Đây là chương trình nền tảng hải quân không người lái đầu tiên trong lớp tàu này, có thể sẽ đóng vai trò chính trong việc hỗ trợ chiến lược Hoạt động hàng hải phân tán của Hải quân Hoa Kỳ. Trước đó, Swiftships hợp tác với Đại học Louisianavào năm 2014 để chế tạo Anaconda (AN-1) và sau đó là lớp Anaconda (AN-2) của USV cỡ nhỏ.
Vào ngày 13/4/2022, Hoa Kỳ đã cử các “tàu phòng thủ ven biển không người lái” không xác định đến Ukraine trong bối cảnh Nga tấn công quân sự vào Ukraine vào năm 2022 như một phần của gói an ninh mới.
Một giả thuyết được BBC đưa ra cho rằng một phương tiện mặt nước không người lái đã được sử dụng trong vụ nổ cầu Crimean năm 2022. Sau vụ nổ ở cây cầu này vào tháng 7/2023, Ủy ban chống khủng bố Nga tuyên bố Ukraine đã sử dụng phương tiện mặt nước không người lái để tấn công cây cầu.
Sử dụng trong chiến đấu
Vào ngày 29/10/2022, trong cuộc tấn công quân Ukraine của Nga, các lực lượng vũ trang Ukraine đã thực hiện một cuộc tấn công bằng nhiều USV vào các tàu hải quân Nga tại Căn cứ Hải quân Sevastopol. Theo Bộ Quốc phòng Nga, 7 chiếc USV đã tham gia vào cuộc tấn công với sự hỗ trợ của 8 chiếc UAV. Đây là lần đầu tiên sử dụng phương tiện mặt nước không người lái trong tác chiến hải quân. Tin tức Hải quân đưa tin rằng một trong hai tàu chiến bị tàu USV nhỏ, một khinh hạm Nga và một tàu quét mìn tấn công, đã gây ra thiệt hại nhẹ. Tuy nhiên, tác động quân sự của cuộc tấn công vào bến cảng được bảo vệ Sevastopol vượt quá thiệt hại trực tiếp vì nó dẫn đến việc Hải quân Nga chuyển sang chế độ bảo vệ, “về cơ bản là khóa chúng trong cảng… Các lực lượng phòng thủ mới nhanh chóng được bổ sung, các thủ tục mới được áp đặt và có ít hoạt động hơn nhiều, đến giữa tháng 11 hầu hết đã bị mắc kẹt ở cảng”. Viện Hải quân Hoa Kỳ báo cáo rằng, đến tháng 12/2022, “Hải quân Nga hiện biết rằng họ dễ bị tổn thương trong căn cứ hải quân chính của mình, khiến họ phải rút sâu hơn vào lớp vỏ của mình, tăng cường phòng thủ và giảm hoạt động bên ngoài”. Cuộc tấn công thứ hai của USV xảy ra vào giữa tháng 11 tại Novorossiysk, cũng ở Biển Đen nhưng cách xa lãnh thổ Nga chiếm đóng hơn nhiều so với Sevastopol.
Sau chiến tranh, SpaceX đã hạn chế cấp phép cho công nghệ liên lạc internet-vệ tinh Starlink của mình, ngoại trừ việc sử dụng trực tiếp cho quân sự trên các hệ thống vũ khí sau tháng 1/2023. Hạn chế này đã hạn chế việc sử dụng thiết kế USV được Ukraine sử dụng vào cuối năm 2022. Đồng thời, Nga đã tăng khả năng sử dụng USV nổ nhỏ và sử dụng một chiếc để đâm một cây cầu vào ngày 10/2/2023. Khả năng mới của Nga với USV và các hạn chế liên lạc đối với USV trước đây của Ukraina, có thể thay đổi cán cân trong cuộc chiến hải quân. Theo quan điểm của Naval News, “Biển Đen dường như lại trở nên thân thiện hơn với Nga”. Tuy nhiên, khả năng sử dụng USV rộng rãi hơn để tác động đến kết quả xung đột vẫn còn được tranh luận, vì cả những hạn chế về mặt vật lý đối với công nghệ hiện có và năng lực mạng chống USV mới nổi đều có thể khiến các tàu này dễ bị tổn thương.
Một lĩnh vực nghiên cứu mới nổi xem xét liệu sự phổ biến của các tàu mặt nước không người lái có thể tác động đến động lực khủng hoảng hay leo thang nội chiến hay không. Một báo cáo thăm dò về chủ đề này từ Trung tâm Phân tích Hải quân cho thấy bảy mối lo ngại tiềm tàng đối với cạnh tranh quân sự, bao gồm sự leo thang vô tình, cố ý và vô tình. Trong khi học thuật gần đây đã xem xét tác động của hệ thống máy bay không người lái đối với việc quản lý khủng hoảng, hồ sơ thực nghiệm về hệ thống bề mặt và dưới bề mặt không người lái lại mỏng hơn vì những công nghệ này vẫn chưa được sử dụng rộng rãi. Theo một bài báo đăng trên Reuters, những chiếc máy bay không người lái này được sản xuất với chi phí 250.000 USD mỗi chiếc. Họ sử dụng hai ngòi nổ tác động lấy từ bom Nga. Với chiều dài 5,5 m, chúng có một camera cho phép con người vận hành và sử dụng phản lực nước để đẩy với tốc độ tối đa 80 km/h và thời gian hoạt động 60 giờ. Với chi phí tương đối thấp so với tên lửa hoặc bom, chúng có thể được triển khai trong một cuộc tấn công hàng loạt. Cấu hình thấp của họ cũng khiến họ khó bị đánh hơn.
Vào ngày 4/8/2023, Olenegorsky Gornyak, một tàu đổ bộ lớp Ropucha đã bị hư hại nghiêm trọng tại căn cứ hải quân Novorossiysk ở Biển Đen sau khi bị một Máy bay không người lái Hàng hải Ukraine mang theo 450 kg TNT tấn công. Trong hình ảnh nó bị nghiêng nặng sang một bên khi được kéo về cảng. Khoảng 100 nhân viên phục vụ có mặt trên tàu vào thời điểm đó.
Biện pháp đối phó
Do cuộc tấn công bằng máy bay không người lái vào Căn cứ Hải quân Sevastopol, vào tháng 10/2022, lực lượng Nga đã phát triển một số biện pháp đối phó. Họ đã huấn luyện cá heo để bảo vệ Căn cứ Hải quân, đồng thời sử dụng nhiều loại cần hoặc lưới khác nhau để ngăn chặn các cuộc tấn công tiếp theo. Thay đổi chính là việc sử dụng ngụy trang Dazzle, mà theo Reuters là “được thiết kế để ngụy trang hướng đi và tốc độ của tàu trên biển – nhằm mục đích gây nhầm lẫn cho những người điều khiển máy bay không người lái và vệ tinh tự sát hiện đại, đồng thời ngăn họ dễ dàng xác định các tàu quan trọng”, trong khi tiếng súng nổ từ trực thăng có thể được sử dụng để tiêu diệt máy bay không người lái của Ukraine trong một cuộc tấn công.
Chở hàng hóa
Trong tương lai, nhiều tàu chở hàng không người lái dự kiến sẽ vượt qua vùng biển này. Vào tháng 11/2021, tàu chở hàng tự hành đầu tiên MV Yara Birkeland được hạ thủy ở Na Uy. Con tàu chạy hoàn toàn bằng điện dự kiến sẽ giảm đáng kể nhu cầu di chuyển bằng xe tải.
Tàu đô thị và hậu cần quy mô nhỏ
Vào năm 2021, tàu tự hành đô thị đầu tiên trên thế giới, Roboats, đã được triển khai tại các kênh đào của Amsterdam, Hà Lan. Các con tàu do ba tổ chức phát triển có thể chở tối đa 5 người, thu gom rác thải, vận chuyển hàng hóa, giám sát môi trường và cung cấp “cơ sở hạ tầng theo yêu cầu”.
Nuôi rong biển
Các phương tiện không người lái trên mặt nước cũng có thể hỗ trợ việc trồng rong biển và giúp giảm chi phí vận hành./.
Xem thêm UAV, UUV, USV Sea Hunter, USV Trung Quốc
