美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局“小精靈”項(xiàng)目

袁成

2016年3月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）向復(fù)合材料工程公司、Dvnetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛馬公司授予了“小精靈”項(xiàng)目第1階段合同。該項(xiàng)目旨在通過(guò)探索小型無(wú)人機(jī)集群的空中發(fā)射和回收等關(guān)鍵技術(shù)，支撐美軍為著眼大國(guó)對(duì)抗而大力發(fā)展的分布式空中作戰(zhàn)概念。該作戰(zhàn)概念不但將顛覆當(dāng)前以F-35、B-2等大型多功能平臺(tái)為核心的作戰(zhàn)樣式和裝備發(fā)展思路，給敵防御帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，也將是大幅降低作戰(zhàn)成本的重要途徑。

項(xiàng)目背景

2014年底，美國(guó)防部開始制定第三次“抵消戰(zhàn)略”，并把與中、俄等大國(guó)對(duì)抗定為美軍的主要使命。在此背景下，美方認(rèn)為以上假想敵的綜合一體化防空系統(tǒng)對(duì)其現(xiàn)役空中裝備的威脅極大，2020年左右B-2將在反介入/區(qū)域拒止環(huán)境中面臨生存威脅。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)研制周期推出的高成本現(xiàn)役裝備如被大量擊落，必將嚴(yán)重削弱美空中作戰(zhàn)能力。因此，美國(guó)防部正在考慮以全新作戰(zhàn)概念牽引出更低成本、更高戰(zhàn)力的作戰(zhàn)裝備，以維持對(duì)主要假想敵壓倒性的軍事優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，以機(jī)器學(xué)習(xí)、自主作戰(zhàn)為代表的人工智能技術(shù)在軍事領(lǐng)域取得了快速發(fā)展，例如2016年6月，辛辛那提大學(xué)的“阿爾法”人工智能系統(tǒng)（非谷歌公司的“阿爾法”）在模擬空戰(zhàn)中擊敗了有預(yù)警機(jī)支持的資深飛行員，為未來(lái)制空型無(wú)人機(jī)發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。而DARPA和空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）目前也在全力攻克認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)，企圖利用人工智能強(qiáng)大的學(xué)習(xí)、推理能力，在空中實(shí)時(shí)檢測(cè)、分類、對(duì)抗未知威脅的電子信號(hào)。因此，用人工智能技術(shù)武裝相對(duì)廉價(jià)空戰(zhàn)平臺(tái)產(chǎn)生新質(zhì)作戰(zhàn)能力，成為美軍重塑復(fù)雜軍用系統(tǒng)的重要途徑，并形成了分布式空中作戰(zhàn)概念。該概念的內(nèi)涵是：大量功能單一的小型低成本無(wú)人機(jī)分解傳統(tǒng)大型多功能平臺(tái)的各項(xiàng)能力，在空戰(zhàn)管理員有限介入和人工智能技術(shù)的支持下，各平臺(tái)協(xié)同配合，以群體形式完成作戰(zhàn)任務(wù)。

分布式空中作戰(zhàn)的實(shí)現(xiàn)，需突破空中發(fā)射和回收、機(jī)體平臺(tái)、協(xié)同作戰(zhàn)、開放式系統(tǒng)架構(gòu)及戰(zhàn)場(chǎng)管理等多類技術(shù)。在此背景下，DARPA于2015年9月16日公布了“小精靈”項(xiàng)目的跨部門公告（BAA），尋求解決小型無(wú)人機(jī)空中發(fā)射和回收、經(jīng)濟(jì)可承受機(jī)體平臺(tái)設(shè)計(jì)等技術(shù)的創(chuàng)新性方案。

項(xiàng)目概述

DARPA認(rèn)為在沒有可靠陸基或海基降落地點(diǎn)的情況下，對(duì)于大作戰(zhàn)半徑的小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，空基回收將是最簡(jiǎn)后勤和最低成本的解決方案，另外還具有對(duì)無(wú)人機(jī)性能影響最小和再次發(fā)射迅速等優(yōu)勢(shì)。因此，“小精靈”項(xiàng)目的主要目標(biāo)便設(shè)定為探索小型無(wú)人機(jī)集群空中發(fā)射和回收的可行性，并開展演示驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)DARPA的設(shè)想，“小精靈”無(wú)人機(jī)集群將在敵防區(qū)外由包括運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)在內(nèi)的各類平臺(tái)發(fā)射，在滲透到敵防區(qū)內(nèi)之后針對(duì)特定目標(biāo)共同執(zhí)行情偵監(jiān)、電子攻擊或地理空間定位等作戰(zhàn)任務(wù)。任務(wù)完成后退出敵防區(qū)，并由C-130運(yùn)輸機(jī)完成空中回收。

“小精靈”項(xiàng)目的最優(yōu)性能目標(biāo)如下。在“小精靈”無(wú)人機(jī)方面，作戰(zhàn)半徑926千米;作戰(zhàn)半徑處的巡航時(shí)間3小時(shí);設(shè)計(jì)載荷54.5千克，最大航速不小于馬赫數(shù)0.8;最大發(fā)射高度超過(guò)12 192米;推進(jìn)系統(tǒng)可在當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)全新型號(hào)，也可以使用現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)或其改型，載荷所需功率1200瓦;載荷類型為模塊化設(shè)計(jì)的射頻和光電/紅外系統(tǒng)，并可實(shí)施基地級(jí)更換：設(shè)計(jì)壽命為使用20次：出廠單價(jià)（不包括載荷）小于70萬(wàn)美元。在“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)方面，大型平臺(tái)具備發(fā)射超過(guò)20架無(wú)人機(jī)的能力;在小于30分鐘時(shí)間內(nèi)回收大于4架無(wú)人機(jī)，最終目標(biāo)是回收8架或更多;回收成功的概率大于95%;發(fā)射或回收平臺(tái)由于掛載“小精靈”無(wú)人機(jī)實(shí)施分布式空中作戰(zhàn)而墜毀的概率每飛行小時(shí)低于10^-7次;無(wú)人機(jī)回收后再次發(fā)射的時(shí)間不超過(guò)24小時(shí);無(wú)人機(jī)發(fā)射或回收平臺(tái)的改裝成本（不包括指揮和控制系統(tǒng)）不應(yīng)超過(guò)200萬(wàn)美元。

DARPA指出，為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的作戰(zhàn)設(shè)想和性能指標(biāo)，需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)：創(chuàng)新的空中發(fā)射和回收技術(shù);低成本、可損耗機(jī)體設(shè)計(jì);有限壽命設(shè)計(jì);高精度氣動(dòng)分析;氣動(dòng)彈性分析;蒙特卡洛仿真;自動(dòng)的發(fā)射波次策略;高準(zhǔn)確度數(shù)字式飛控系統(tǒng)，精確相對(duì)導(dǎo)航;空中加油技術(shù);高效小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī);油箱自動(dòng)惰化和發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉;小型分布式載荷集成;模塊化載荷能力;精確戰(zhàn)位保持;發(fā)射和回收平臺(tái)低成本改裝技術(shù)等。

美軍認(rèn)為，F(xiàn)-35等型號(hào)的研發(fā)周期長(zhǎng)，全壽命周期成本高，未來(lái)在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中難以取得壓倒性的空中優(yōu)勢(shì)

項(xiàng)目的研究階段

“小精靈”項(xiàng)目的研究周期設(shè)定為4年左右，并分成3個(gè)研究階段。第1階段計(jì)劃從2016財(cái)年第2季度持續(xù)至2017財(cái)年第1季度，DARPA將選出4家承包商開展“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)的概念化權(quán)衡研究、設(shè)計(jì)“小精靈”演示驗(yàn)證系統(tǒng)、發(fā)展技術(shù)成熟計(jì)劃;第2階段將從2017財(cái)年第2季度持續(xù)至2018財(cái)年第3季度，經(jīng)過(guò)競(jìng)爭(zhēng)勝出的2家承包商將進(jìn)一步成熟第1階段發(fā)展的技術(shù)，并開展系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)降低驗(yàn)證;第3階段將從2018財(cái)年第3季度持續(xù)至2020財(cái)年第2季度，DARPA將最終選出1家承包商開展“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造，并將在2020財(cái)年第1季度進(jìn)行首次飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。需說(shuō)明的是，第2、3階段的上述進(jìn)度將根據(jù)第1階段的研究情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2016年2月，美國(guó)防部公布了DARPA的2017財(cái)年預(yù)算材料，其中“小精靈”項(xiàng)目申請(qǐng)的經(jīng)費(fèi)額度達(dá)3 600萬(wàn)美元，相比2016財(cái)年大幅上漲2 100萬(wàn)美元。3月底，DARPA授予了擁有靶機(jī)、導(dǎo)彈或無(wú)人機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合材料工程公司、Dvnetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛馬公司等4家承包商總價(jià)1 610萬(wàn)美元的“小精靈”項(xiàng)目第1階段合同，正式開啟研發(fā)工作。7月，據(jù)復(fù)合材料工程公司表示，目前該公司的第1階段研發(fā)工作正按計(jì)劃進(jìn)行，而DARPA也將在接下來(lái)的3個(gè)月內(nèi)啟動(dòng)項(xiàng)目第2階段。這說(shuō)明“小精靈”項(xiàng)目的第1階段進(jìn)展順利，并有可能提前完成。

“小精靈”項(xiàng)目設(shè)想圖：數(shù)架噴氣式“小精靈”無(wú)人機(jī)在海面執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，C-130開展釋放和回收工作

幾點(diǎn)看法

3D空中回收技術(shù)是“小精靈”項(xiàng)目面臨的主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。從技術(shù)層面來(lái)看，當(dāng)前支持“小精靈”項(xiàng)目的空射小型無(wú)人機(jī)、飛行控制和推進(jìn)系統(tǒng)等技術(shù)均相對(duì)成熟，故如DARPA所述，該項(xiàng)目面臨的主要挑戰(zhàn)為無(wú)人機(jī)集群的空中回收技術(shù)。從作戰(zhàn)使用角度分析，空中回收技術(shù)可能的解決方案有以下兩點(diǎn)：一是可考慮不全部回收，即便舍棄部分小型無(wú)人機(jī)，其任務(wù)效費(fèi)比仍有可能高于昂貴的大型多功能平臺(tái);二是無(wú)人機(jī)集群可能通過(guò)預(yù)先輸入任務(wù)規(guī)劃程序完成回收。而這些規(guī)劃已考慮到多種情況，并不需要無(wú)人機(jī)具有很高的自主性，從而降低了復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。鑒于美軍目前在無(wú)人機(jī)空中加受油技術(shù)領(lǐng)域已取得重大進(jìn)展，因此預(yù)計(jì)“小精靈”項(xiàng)目面臨的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

“小精靈”項(xiàng)目是DARPA探索分布式空中作戰(zhàn)技術(shù)的重要組成部分。目前，DARPA十分重視探索分布式空中作戰(zhàn)技術(shù)，且在“小精靈”項(xiàng)目之前已布局多類相關(guān)項(xiàng)目，開展體系架構(gòu)、開放式任務(wù)系統(tǒng)、自主協(xié)同、作戰(zhàn)管理及射頻載荷等方面的研究。例如“體系集成技術(shù)試驗(yàn)”（SoSITE）項(xiàng)目著重探索開放式體系架構(gòu)技術(shù)，目標(biāo)是以美軍現(xiàn)有能力為基礎(chǔ)，把單一裝備的空戰(zhàn)能力分布在大量可互操作的有人和無(wú)人平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)和機(jī)載武器的即插即用，極大提升分布式作戰(zhàn)的靈活性：“拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項(xiàng)目通過(guò)發(fā)展先進(jìn)算法和軟件，探索分布式作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)的自主和協(xié)同技術(shù)，使無(wú)人機(jī)群可在一名操作人員的管理下協(xié)作完成發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識(shí)別和攻擊目標(biāo)等任務(wù)，“分布式作戰(zhàn)管理”（DBM）項(xiàng)目通過(guò)發(fā)展先進(jìn)算法和軟件，提高任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃和態(tài)勢(shì)感知等能力，幫助履行戰(zhàn)場(chǎng)管理任務(wù)的飛行員進(jìn)行快速且合理的決策，以在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中更好地執(zhí)行分布式空中作戰(zhàn)等復(fù)雜軍事任務(wù);“射頻任務(wù)操作中融合的合作式單元”（CONCERTO）項(xiàng)目發(fā)展能夠在通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)模式之間自適應(yīng)切換，并可配裝小型平臺(tái)的射頻系統(tǒng)。相比上述項(xiàng)目，“小精靈”項(xiàng)目由于需研發(fā)分布式空中無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)并開展演示試驗(yàn)，因此通過(guò)其性能指標(biāo)可更清晰地勾畫出DARPA對(duì)于分布式空中作戰(zhàn)的概念和能力等方面的設(shè)想，具有重要參考價(jià)值。

鑒于中、俄等國(guó)一體化防空系統(tǒng)的主要作戰(zhàn)對(duì)象為傳統(tǒng)的大型多功能平臺(tái)，故DARPA認(rèn)為與目前常規(guī)作戰(zhàn)樣式相比，分布式空中作戰(zhàn)在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中有較高的效費(fèi)比。首先在反介入/區(qū)域拒止環(huán)境中小型無(wú)人機(jī)以個(gè)體方式滲入敵防區(qū)的能力強(qiáng);其次小型無(wú)人機(jī)以群體方式作戰(zhàn)將使敵防御系統(tǒng)產(chǎn)生“飽和”而無(wú)法全部應(yīng)對(duì)，即便防御也需耗費(fèi)昂貴的地空導(dǎo)彈打擊廉價(jià)的單個(gè)小型無(wú)人機(jī)，使防御成本顯著增加;最后，小型無(wú)人機(jī)集群還可依據(jù)敵情和自身?yè)p失，實(shí)時(shí)排列組合出最優(yōu)的作戰(zhàn)能力，以在F-22、F-35等有人機(jī)有限的指揮下實(shí)現(xiàn)以群體方式完成任務(wù)，作戰(zhàn)靈活性較強(qiáng)。需注意的是，美國(guó)當(dāng)前在大力研發(fā)分布式空中作戰(zhàn)技術(shù)的同時(shí)，也在研究對(duì)其反制手段。例如，雷西恩公司開發(fā)了陸基高功率微波驗(yàn)證機(jī)，可使無(wú)人機(jī)的電子設(shè)備失效，并已驗(yàn)證發(fā)射一次微波消除數(shù)千米范圍內(nèi)多個(gè)目標(biāo)的能力。

以小型無(wú)人機(jī)集群為特征的分布式空中作戰(zhàn)與當(dāng)前的空中作戰(zhàn)樣式大相徑庭，如未來(lái)美軍大規(guī)模踐行此概念，其空中作戰(zhàn)裝備發(fā)展必將改變。大型多功能有人空中平臺(tái)的技術(shù)更新速度將減緩，裝備數(shù)量可能大幅降低，如DARPA認(rèn)為F-35可能是美國(guó)最后一型大型多功能戰(zhàn)斗機(jī);同時(shí)，與低成本無(wú)人機(jī)、巡飛彈、導(dǎo)彈相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)將得到重視，空戰(zhàn)裝備體系中將出現(xiàn)越來(lái)越多的低端平臺(tái);另外，高性能小型機(jī)載射頻和武器載荷技術(shù)可能成為重要發(fā)展方向;最后，自主協(xié)同的集群作戰(zhàn)將促使空戰(zhàn)平臺(tái)的人工智能水平快速提升。總之，分布式空中作戰(zhàn)概念牽引出的機(jī)體廉價(jià)化、平臺(tái)智能化、載荷小型化等特點(diǎn)，將對(duì)未來(lái)空戰(zhàn)裝備的發(fā)展思路產(chǎn)生重大變革。