Historien om Hugin – en autonom undervannsfarkost

En gul ubåtmodell popper opp av vannet i Bølertjern likeved en robåt der det sitter to forskere og en soldat.
Bølertjern 1992

To forskere og en soldat tester en ubåtmodell i et tjern i Fetsund. De vet det ikke ennå, men denne modellen skal bli forløperen til en av Norges største høyteknologiske eksportsuksesser.

Hugin på dekk, klart for oppdrag i polhavet.
Barentshavet 2009

Miniubåten Hugin sjøsettes for å lete etter Roald Amundsens fly, som forsvant i polhavet 18. juni 1928.

Den gule modellen fra Bølertjern er nå blitt markedsledende innen kartlegging og søk på dyphavet.

Hvordan skjedde det?

Foto: Turid Astrid Reksten/Forsvaret
Forsker Nils Størkersen ved en tidlig modell av den autonome miniubåten Hugin.

Dette er fortellingen om hvordan et batteri, en god idé og en kaffekopp ble til et norsk industrieventyr.

Portrett Per Einar Thoresen
Forskningssjef Per Einar Thoresen.

En dag i 1993 går en mann med grå dress, lisseslips, buskete øyenbryn og finkjemmet bakoversveis bort til Statoil-direktør Martin Sigmundstad på Fornebu og tilbyr ham en rykende kopp kaffe.

Uten akkurat denne kaffekoppen, og praten som fulgte, ville en av FFIs store bragder kanskje aldri sett dagens lys.

Mannen med de markante brynene heter Per Thoresen og er forskningssjef ved FFI. Siden 1970-tallet har han hatt en idé om å bruke batterier for å drive små ubemannede ubåter fremover.

Forsvaret var skeptisk

På dette tidspunktet, tidlig på 1990-tallet, finnes det allerede en rekke småubåter i bruk, men disse får strøm og styresignaler gjennom en kabel som går opp til et skip på overflaten. Kan man lage en ubåt som klarer seg selv der nede? Som kan kartlegge havbunnen, lete etter miner, spionere eller krige helt på egenhånd eller fjernstyrt fra et skip?

Ideen har vært vanskelig å selge inn, både hos ledelsen ved FFI og i Forsvaret. Men på slutten av 1980-tallet har batteriteknologien kommet så langt at det er mulig å prøve. Tre år tidligere har Thoresen klart å overbevise Etterretningsstaben ved Forsvarets overkommando om å bevilge penger for å gjøre et forsøk. 

FFI-forskere har laget et nytt sjøvannsbatteri som kan drive en miniubåt 1200 nautiske mil – det vil si fra Oslo til Alta. Med midlene fra Etteretningsstaben utvikler de AUV Demo (Autonomous Undervater Vehicle) – en skinnende gul test-ubåt, og et system for å sende styrekommandoer ned til ubåten med akustikk (lydsignaler). 

Tidlig på 1990-tallet utviklet FFI et sjøvannsbatteri som kunne drive en undervannsfarkost fra Oslo til Alta før batteriet gikk tomt.
Batteritorsk?

Slik fremstiller FFIs tegnekontor den nye batteriteknologien tidlig på 90-tallet – som en batteridrevet torsk som kan svømme fra Oslo til Alta.

I 1994 besøker kong Harald FFI. Nils Størkersen forteller om satsingen på en autonom undervannsfarkost, og batteriteknologien som ligger bak.  Til venstre daværende FFI-drektør Nils Holme.

Kong Harald besøker FFI i 1994. Forskningsleder Nils Størkersen forteller om FFIs planer for en autonom undervannsfarkost. Fortsatt vet man ikke helt hva en slik ubåt kan brukes til i Forsvaret.

Måtte svømme uten kabel

Den aller første miniatyrmodellen fra Bølertjern står i dag på kontoret til Nils Størkersen. Han har vært prosjektleder for utviklingen av Hugin og har fulgt ubåten helt fra idéstadiet til ferdig kommersielt produkt.

Batteriet FFI brukte i AUV Demo var et sjøvannsbatteri. Det bruker, som navnet antyder, sjøvann som oksidasjonsmiddel. 

– Vi måtte ha 20 liter sjøvann gjennom batteriet hvert sekund for at det skulle produsere nok strøm til å gi farkosten framdrift gjennom vannet. Da kunne vi ikke ha en kabel festet til ubåten. En kabel ville bremset ubåten så mye at konseptet ikke ville fungere, forteller Størkersen.

Den nye farkosten måtte rett og slett være kabelfri.

Under en demonstrasjon i mai 1993 svømmer AUV Demo 109 nautiske mil i Skagerrak med kun «et par uhell», som det heter i rapportene fra den gang.

En vellykket demo til tross – etter dette stopper finansieringen opp. Forsvaret er lunkent til å bruke mer penger på utvikling. Og det er fortsatt langt frem til en slik ubåt er ferdig utviklet og klar til å produseres og kjøpes av Forsvaret.
 

Hugin

Hugin er en autonom undervannsfarkost (Autonomous Underwater Vehicle, AUV).

Den kan operere på egen hånd ned til 6000 meters dyp, uten fysisk forbindelse til en båt eller fjernkontroll fra overflaten.

Hugin har avanserte sonarer og ekkolodd som kartlegger og lager nøyaktige og detaljerte 3D bilder av havbunnen. Den har programvare som gjør den i stand til å løse oppdrag på egenhånd uten å bli direkte styrt.

Batteritid: 1-3 døgn.
Lengde: 5-7 meter.

Produseres og selges av Kongsberg Maritime.

På dypt vann

Ettersom finansieringen fra Forsvaret har stoppet trenger FFI en ny samarbeidspartner. Thoresen og Størkersen retter blikket mot offshoreindustrien.

Det viser seg at kaffekoppen FFI tilbyr Statoil i 1993 er en meget godt timet kaffekopp.

Det er nettopp åpnet for oljeleting på Vøringplatået i havet utenfor Nordland. Havbunnen her ligger opptil 1500 meter under overflaten. Teknologi for å kartlegge dypvannsområder med den kvalitet og effektivitet som offshorevirksomheten krever er en mangelvare. 

– Kartlegging var en kostnadsdriver, med store skip og tallrikt mannskap. Hvis vi kunne bidra til å kartlegge et område på halve tiden ville det gi Statoil et godt argument for å satse på vår teknologi, sier Størkersen.

Miljøet og selskapene som drev havbunnskartlegging på den tiden var skeptiske. De brukte såkalte ROV-farkoster, dvs. fjernstyrte farkoster der kommunikasjon med overflaten og kraftforsyning gjøres gjennom kabel. 

– På store dyp blir kabelen så lang at det blir vanskelig å opprettholde akseptabel fart gjennom vannet. De så antakeligvis på AUV-teknologien som en trussel, minnes Størkersen. 

Han forteller at de «snakket ned» teknologien for å overvinne skepsisen.

– Vi måte være bevisste på hvordan vi omtalte det. Vi solgte det ikke inn som en autonom ubåt. Vi solgte det inn som en kabelfri, fjernstyrt ubåt. «Det er en virtuell kabel», sa vi.

En serviett på en flyplass

Med Statoil på laget ble det fart i utviklingen.

Statoil, FFI og Simrad (Kongsberg Maritime) starter nå et prosjekt for å utvikle en kabelfri undervannsfarkost for detaljert sjøbunnskartlegging på dypt vann. Navnet blir: HUGIN (High-precision Untethered Geosurvey and INspection system).

Prosjektet blir finansiert av Statoil. Simrad (fra 1997 Kongsberg Simrad, i dag Kongsberg Maritime) er tiltenkt som produsent. FFI har hovedansvar for utviklingen. Nils Størkersen fra FFI leder utviklingsprosjektet.

Det gamle sjøvannsbatteriet fra AUV Demo klarer ikke å levere nok effekt til å drive en AUV for sjøbunnskartlegging. Dermed må et nytt batterikonsept utvikles. 

Dette var før litium-ionbatteriene som brukes i dagens elbiler og elektroniske dingser. Hvordan finne et batteri med nok kraft og levetid til å drive en kabelfri ubåt med avanserte sensorer og datakraft?

Løsningen på batteriproblemet kom da Øystein Hasvold og Nils Størkersen satt og drodlet på en flyplass i USA. De fikk ideen om å kombinere teknologien fra et sjøvannsbatteri med teknologi fra et annet batteri som FFI utviklet for landanvendelser. 

– Hasvold var en utrolig kreativ og allsidig forsker. Han var opphavet til batterikonseptene fra FFI og han bidro også i betydelig grad til hydrodynamisk utforming og systemarkitektur på farkosten. Det han så for seg, stemte som regel når vi testet, regnet og verifiserte, sier Størkersen.

Det såkalte aluminium-hydrogenperoksid-batteriet de to forskerne tegnet ned førsteutkastet til på en flyplass i USA, ble patentert og industrialisert og var i bruk på Hugin helt frem til 2008. På begynnelsen av 2000-tallet hadde batteriteknologien imidlertid tatt igjen FFIs patenter. Heretter blir alle nye Hugin-ubåter utstyrt med litium-ionbatterier.

Gjennombruddet

I perioden fra 1995 fulgte noen intense år der forskere og ingeniører jobbet med å utvikle kontrollsystem, navigering og programvare for å bearbeide sonardata. De måtte også konstruere et system for å sjøsette og hente inn igjen Hugin fra fartøyer.

Det ble en kraftanstrengelse. Kvalitetskravene var strenge. Sluttproduktet måtte kunne fungere på dypt vann og produsere topografiske sjøbunnskart med en oppløsning på én meter. Og det skulle operere under reelle offshoreforhold på norsk sokkel.

Statoil illustrasjon.jpg
Slik så Statoil for seg Hugin i aksjon i ferd med å kartlegge havbunn offshore. Hugin har ennå ikke fått sin oransje farge, men er nå utstyrt med avansert sonarteknologi. Illustrasjon: Statoil.

Kongsberg Simrad (Kongsberg Maritime) hadde ansvar for all elektronikk, kabling, powersystemer, akustisk posisjonering, kommunikasjon og sensorer, og de la ned en betydelig egeninnsats og finansiering i prosjektet. FFI hadde ansvaret for selve farkosten og utsetting/opptakssystem, og for programvare for navigasjon og kontrollsystem.

– Hugin-prosjektet viser hvor godt det er mulig å samarbeide på tvers av avdelingsgrenser og mellom ulike bedrifter hvis forholdene legges til rette for det og alle har en felles målsetning, sier Størkersen.

Takket være Hugin-prosjektet bygget FFI opp et navigasjonsmiljø i verdensklasse. NavP – navigasjonsprogrammet som ble utviklet for at Hugin skal forstå hvor den er under vann, er i dag i bruk i en rekke produkter og undervannsfarkoster.

En prototyp av Hugin bak Seaway commander i 1997.

I 1997 arrangerte Statoil en operasjon for å se hvor godt Hugin kunne kartlegge havbunnen sammenlignet med en tradisjonell survey-ubåt styrt fra et operatørskip med kabel (ROV). Analysen ble utført av surveyselskapet Stolt Comex Seaways AS

Ombord på Seaway commander under en testkjøring med Hugin i 1997. Her jobber Morten Kloster, Bjørn Jalving og Jon Kristensen foran dataskjermene. I bakgrunnen Nils Størkersen.

Det ble fem intense dager med minimalt søvn for Hugin-teamet. Her jobber Morten Kloster, Bjørn Jalving og Jon Kristensen foran dataskjermene. I bakgrunnen Nils Størkersen. 

Arbeidet ga uttelling: Hugin kartla havbunnen raskere og med like god kvalitet som ROV-en. 
 

I 1999 lyktes Kongsberg Simrad å vinne en kontrakt for salg av en HUGIN-farkost til det amerikanske surveyselskapet C&C Technologies. Dermed var det internasjonale gjennombruddet et faktum. Farkosten gjennomførte tre års prosjektert kartleggingsarbeid i Mexicogulfen på bare åtte måneder.

Kongsberg Maritime har siden solgt en rekke HUGIN-fartøyer til internasjonale survey-selskaper. I 2018 ble seks Hugin-ubåter brukt i leting etter Malaysia Airlines rute MH370, som forsvant på vei fra Kuala Lumpur til Beijing med 239 mennesker om bord i mars 2014.

I 2017 klarte det norske skipet «Seabed Constructor», som er utstyrt med fem Hugin-ubåter, å finne den forliste argentinske ubåten ARA «San Juan» på 800 meters dyp.

3D visualisering av bunndata fra Sigsbee Escarpment på 1200-2300 meters dybde Mexico-gulfen
3D-visualisering av bunndata fra Sigsbee Escarpment på 1200-2300 meters dybde Mexico-gulfen – ett av Hugins første oppdrag for oljeindustrien. (Gjengitt med tillatelse fra C&C Technologies og BP)

Parallelt med utviklingen for offshore og oljebransjen jobbet FFI videre med neste generasjons Hugin som kunne brukes til militære formål. 

– Kunnskapen om fremtidige militære behov var hele tiden i bakhodet når de sivile systemene ble utviklet, forteller Størkersen.
 

En «ekte» autonom farkost må vite hvor den er, hvor den skal og hva den skal gjøre.

For at Forsvaret skulle ta i bruk Hugin var det nødvendig å utvikle enda bedre navigasjonssystemer, bedre sensorer og bedre algoritmer slik at Hugin kunne handle på egen hånd ut fra hva den så og fant på havbunnen.

Eksamensdagen

En kald vinterdag i 2001 skulle Hugin endelig få vise hva den kunne i forsvarssammenheng.

Prosjektet MINEKART skulle avsluttes med en demonstrasjon. Et launch og recovery-system ble lånt fra Simrad og montert på minejaktfartøyet KNM Karmøy. En provisorisk installasjon for undervanns akustiske linker og posisjonering ble hentet fra et lager på Haakonsvern og festet på minejaktfartøyet rett før demonstrasjonen.

6. desember 2001

Nå er det alvor. Hugin skal for første gang vise toppene i Sjøforsvaret at den kan oppdage miner på havbunnen helt på egen hånd.

Ubåten blir sluppet og sender live data tilbake til minejaktfartøyet.

Så tar gjestene lunsj, mens Hugin fortsetter på egen hånd.

Etter lunsjen blir Hugin hentet opp og dataene lastet ned. Hugin har automatisk funnet de fire mineattrappene som er lagt ut på forhånd. 

Foto: Jan Olav Langseth

Demonstrasjonen overbeviser ledelsen i Sjøforsvaret. Få måneder etter beslutter de å oppgradere KNM Karmøy for Hugin-kjøringer. Et nytt prosjekt for å utvikle en Hugin tilpasset minejakt blir startet opp. 

I 2017 kjøpte Forsvaret fire Hugin-fartøyer fra Kongsberg for til sammen 155 millioner kroner. Innen 2028 skal et nytt ubemannet system for minesøk og minejakt innføres i Sjøforsvaret.

FFI og Kongsberg samarbeider om å utvikle også dette systemet. Prosjektet er nå selve lokomotivet i videreutviklingen av Hugin.

I dette systemet skal Hugin kartlegge sjøbunnen, mens autonome ubemannede overflatefartøyer trekker minesveipene. Operasjonene skal kontrolleres fra et bemannet fartøy på trygg avstand.

Nytt system for maritim minemottiltak.
Tryggere, raskere og bedre

I det nye norske systemet for minemottiltak gjøres både minesveip, kartlegging og uskadeliggjøring med autonome eller fjernstyrte maskiner. Operasjonene skal kontrolleres fra et bemannet fartøy på trygg avstand.

Ilustrasjon: NDMA
Ubemannet minesveip
1. Minesveip

To ubemannede båter trekker et minesveip mellom seg. Dette skal simulere et passerende skip og få miner til å gå av.

Hugin leter etter miner
2. Områdekartlegging

Hugin sendes inn for å kartlegge havbunnen i et område autonomt. Bildegjenkjenningsalgoritmer gjør at Hugin finner mineliknende gjenstander på havbunnen som den undersøker nærmere. Så gir den operatørene i moderskipet beskjed om hvor det er miner, og hva slags miner det er.

Ubemannet minejakt
3. Nøytralisering

En ubemannet båt sendes inn med et engangsvåpen for å uskadeliggjøre minene. Engangsvåpenet er koblet til den ubemannede båten med en optisk kabel. En operatør på moderskipet styrer og fyrer av våpenet. Ved kompliserte tilfeller må minedykkere sendes inn for å løse problemet.

Tror på samarbeid

I dag jobber Størkersen som forskningssjef ved avdeling Innovasjon og industriutvikling på FFI. Med seg har han erfaring og opplevelser fra 40 år med utvikling av Hugin og andre systemer.

Han mener det er helt nødvendig at et forskningsinstitutt som FFI samarbeider tett med industripartnere.

Størkersen 2021.jpg
Nils Størkersen jobber i dag som forskningssjef ved avdeling Innovasjon og industriutvikling på FFI. Foto: Espen Wang-Naveen / FFI

– Innovasjon er ikke innovasjon før den er nyttiggjort – dvs. at resultatene fra forskning og utvikling er tatt i bruk i Forsvaret. Dette er ofte den tyngste delen i innovasjonskjeden. Derfor er FFI ikke ferdige med jobben før vi har fått et produkt som Forsvaret kan bruke, sier Størkersen.

Hugin er bare ett av mange eksempel på at prosjekter står i fare for å stoppe opp på grunn av manglende interesse fra Forsvaret – enten fordi det er for høy risiko, usikkerhet knyttet til kost-nytte, eller fordi teknologien ikke har vært moden nok.

– Med Hugin fant vi en sivil anvendelse og en partner som kunne ta den nødvendige risiko og åpne det industrielle markedet for teknologien. Dette bidro til å utvikle teknologien til et modenhetsnivå som gjorde at militære anvendelser ble mulige, sier Størkersen.

– Må FFI i større grad finne seg sivile samarbeidspartnere for å utvikle teknologien Forsvaret trenger?

– Jeg tror at det er sannsynlig at det blir slik i større grad fremover. De disruptive oppfinnelsene kommer i dag i stor grad fra sivil sektor. Det har med dynamikken i sivil industri å gjøre. Sivil industri leverer sine produkter til bedrifter eller til enkeltforbrukere, mens forsvarsindustrien leverer til nasjoner. Sivile produkter selges derfor kontinuerlig og i store antall til svært forskjelligartede brukere og må derfor tilpasses raskere til hvordan forbrukermarkedet responderer på innovasjonene.  Dermed får sivile produkter en raskere evolusjon og utviklingsrate enn militære produkter, understreker Størkersen.

– Er du stolt av det dere fikk til med Hugin?

– Ja. Det er viktig at det man driver med gir mening. Viktig å gjøre nytte – at man legger noe igjen i kjølvannet. Men drivkraften er primært at det har vært moro.

Hugin
Hugin AUV. Foto: KONGSBERG