DARPA四大冷門無人航空技術(shù)概念驗證項目

李麗　周穎　陳宇

美國國防部先進研究項目局（DARPA）作為美軍軍事高新科技研發(fā)的主管機構(gòu)，一直為解決中、遠期美國國家安全問題提供高技術(shù)儲備，并將具有潛在軍事價值的新高技術(shù)應(yīng)用在眾多軍事項目上。近期，DARPA發(fā)布了4項無人航空技術(shù)概念驗證項目，顯示了美國空軍武器裝備發(fā)展的最新動向。

無人機協(xié)同作戰(zhàn)

讓無人機“學(xué)會”協(xié)同作戰(zhàn)，是美軍新概念研發(fā)的一大重點。美國國防部希望在人類的監(jiān)控和指揮之下，使無人機具備集群式協(xié)同作戰(zhàn)能力。任務(wù)指揮官通過預(yù)先計劃、態(tài)勢感知、實時調(diào)控等一系列的作戰(zhàn)流程，將無人機群整合至現(xiàn)有作戰(zhàn)體系之中。當(dāng)前，美軍無人機已經(jīng)進行了大量實戰(zhàn)應(yīng)用，但是主要形式還是操作員指揮/操作單機執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)級別的任務(wù)。該項目形成的集群式協(xié)同作戰(zhàn)能力，無疑將使美軍的無人機作戰(zhàn)向戰(zhàn)役甚至是戰(zhàn)略層次拓展。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，美國國防部先進研究項目局（DARPA）啟動了“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目，通過改進現(xiàn)有無人機的軟件和算法，實現(xiàn)對無人機的平臺技術(shù)狀況和戰(zhàn)況的實時監(jiān)控，將無人機作戰(zhàn)從多種操作員操控一架無人機，向一名操作員操控多架無人機轉(zhuǎn)變。CODE項目當(dāng)前的驗證目標(biāo)是一名操作員指揮6架以上的無人機群協(xié)同作戰(zhàn)，群中無人機具備不同的獨立任務(wù)能力，比如情報偵察監(jiān)視（ISR）或?qū)Φ孛妫ㄋ妫┠繕?biāo)打擊任務(wù)，指揮官將這些必需的作戰(zhàn)能力整合，就能執(zhí)行更復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。

CODE無人機群還應(yīng)具備一定的自主能力，能向基地的指揮官建議下一步應(yīng)該采取什么行動，指揮官可以肯定或否定其行動建議，或輸入指令命令其實施打擊，或命令其繼續(xù)收集監(jiān)控數(shù)據(jù)。無人機群自主作戰(zhàn)在區(qū)域拒止作戰(zhàn)環(huán)境或復(fù)雜電磁條件下的空域之中，采取模擬狼群圍獵的方式作戰(zhàn)進行，能夠提升任務(wù)的靈活性，減少空地指揮協(xié)同造成的通信帶寬需求，增加美軍已停產(chǎn)空中裝備的任務(wù)效費比，降低未來作戰(zhàn)運行成本。

DARPA選擇洛克希德一馬丁和雷神公司作為CODE項目的主要承包商，2016年上半年簽訂了項目第2階段（系統(tǒng)集成階段）合同。兩家公司領(lǐng)導(dǎo)弗吉尼亞州漢普頓的丹尼爾·瓦格納聯(lián)盟、馬薩諸薩州沃本的科學(xué)系統(tǒng)公司、密西西比州明尼阿波利斯的智能信息流技術(shù)公司、密歇根州安娜堡的索爾技術(shù)公司、加利福尼亞州門洛公園的SRI國際公司和新澤西州巴斯金里奇的Vencore應(yīng)用通信科學(xué)實驗室等6個團隊繼續(xù)CODE項目驗證，這6家機構(gòu)也都參與了項目第1階段工作。

CODE機群的無人機都要具備模塊化能力，比如具備數(shù)據(jù)共享、通信聯(lián)絡(luò)、任務(wù)協(xié)商和同步行動能力，因此需要嵌入開放的軟件架構(gòu)，建立符合美軍作戰(zhàn)原則的交戰(zhàn)規(guī)則，支持多架無人機同步地搜索、跟蹤、定位、識別、打擊目標(biāo)。CODE無人機還能夠召喚附近的友鄰無人機，增強機群實力，應(yīng)對突發(fā)戰(zhàn)況和未知戰(zhàn)場威脅。

據(jù)DARPA項目主管簡·查爾斯·萊德介紹，CODE項目第1階段通過模擬成功驗證了無人機協(xié)同作戰(zhàn)的潛在軍事價值，證明該項目具有很強的技術(shù)優(yōu)勢，項目組已經(jīng)為未來可能的作戰(zhàn)系統(tǒng)制訂了過渡計劃。DARPA從兩大承包商的方案中選擇了20種自主方式，這些方案都能夠增加遺產(chǎn)武器平臺的任務(wù)能力，使其在區(qū)域拒止作戰(zhàn)環(huán)境下完成復(fù)雜任務(wù)。

另外，項目組也完成了CODE原型機人機界面（HSI）和開放架構(gòu)設(shè)計。人機界面設(shè)計理念先進，一名士兵、一名飛行員或一個地面控制站內(nèi)的操作員，可能通過更直觀的方式，在界面上觀察、監(jiān)視、指揮無人機群作戰(zhàn)，任務(wù)指揮官通過界面可以了解無人機群的作戰(zhàn)狀態(tài)和技術(shù)狀況，查看預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)計劃，并根據(jù)戰(zhàn)況實時修訂作戰(zhàn)方案。

比如，任務(wù)指揮官可以從機群中“點擊”選擇某一架（或幾架）無人機，在指揮信息顯示屏上單獨操作，并標(biāo)定為“第1組”。在作戰(zhàn)地圖其他位置勾選一個區(qū)域，輸入命令“第1組搜索這個區(qū)域”。然后，軟件自動為勾選的無人機創(chuàng)建一個子群，單獨劃分子群的搜索任務(wù)，并重新調(diào)整分配“第1組”的初始任務(wù)。美軍認為，這種能力可以極大地簡化大型無人機編隊的指揮控制過程。人機界面的其他研究聚焦如何顯示新的作戰(zhàn)計劃，包括對其他任務(wù)目標(biāo)的潛在影響，無人機群依據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)規(guī)則，或者直接執(zhí)行計劃，或者等待指揮官審批之后執(zhí)行。

DARPA目前正在基于現(xiàn)有作戰(zhàn)規(guī)則的開放架構(gòu)，發(fā)展CODE人機界面和自主作戰(zhàn)的規(guī)則，比如，美國海軍和美國陸軍使用的“未來機載能力環(huán)境”（FACE）和“無人控制組件”（UCS）標(biāo)準(zhǔn)，以及美國空

軍使用的“開放任務(wù)系統(tǒng)”（OMS）和“通用任務(wù)指揮控制”（CMCC）標(biāo)準(zhǔn)。

在CODE項目第2階段，DARPA計劃為這些架構(gòu)進行實飛測試，利用1～2架無人機建造嵌入上述兩種架構(gòu)的原型機，試飛成功之后進入項目第3階段。第3階段的主要工作是組建測試團隊，試驗6架真實的無人驗證機之間的自主協(xié)同作戰(zhàn)，以及他們與模擬機群的協(xié)同作戰(zhàn)。屆時，一名士兵就能指揮一個無人機群，完成目標(biāo)搜索、識別、交戰(zhàn)等復(fù)雜任務(wù)，用來對付現(xiàn)實和潛在的作戰(zhàn)對手。

如果這一目標(biāo)能夠如期實現(xiàn)，美軍的無人機操作員緊缺問題就能從根本上得以解決，節(jié)約無人機部隊作戰(zhàn)運行成本之外，帶來的潛在效應(yīng)可能是空軍編制員額能夠進一步削減，便于美軍將更多經(jīng)費用于未來武器平臺研發(fā)。

“小精靈”空射型可回收無人機

“小精靈”（Gremlins）是DARPA啟動的另一個無人機驗證概念，目標(biāo)是發(fā)展“空射型可回收無人航空系統(tǒng)”（UAS），通過安全可靠的無人機部署和回收平臺，使得未來的作戰(zhàn)飛機可以在空中快速部署廉價的、可重復(fù)使用的無人機群，適應(yīng)未來的全譜作戰(zhàn)環(huán)境。

“小精靈”的項目名稱來源于二戰(zhàn)期間英國飛行員使用的吉祥物“小魔怪”（Gremlins，二戰(zhàn)中傳說的一種會對飛機搗亂的小精靈），設(shè)想研發(fā)一種能夠讓現(xiàn)有作戰(zhàn)飛機（轟炸機、運輸機或戰(zhàn)斗機，甚至其他小型固定翼空中平臺）從空中發(fā)射的小型無人機，使這些作戰(zhàn)飛機遠離作戰(zhàn)對手的防空威脅。比如，C-130“大力神”運輸機就可以作為載機，搭載“小精靈”實施發(fā)射與回收后飛回機場，地面保障人員能夠在24小時內(nèi)完成下一次作戰(zhàn)的準(zhǔn)備?！靶【`”的設(shè)計使用壽命為20次，每次發(fā)射回收成本在70美元以內(nèi)。這些特點能夠降低載荷和機身成本，也具有較低的任務(wù)和維修成本，因此比現(xiàn)有這些設(shè)計壽命幾十年的作戰(zhàn)系統(tǒng)具有更大的成本優(yōu)勢。

2016年，DARPA向復(fù)合工程公司、Dynetics公司、通用原子航空公司（GA-ASI）和洛克希德一馬丁公司領(lǐng)導(dǎo)的4個團隊授予了“小精靈”第1階段研發(fā)合同，分別開發(fā)不同的作戰(zhàn)概念、創(chuàng)新技術(shù)和系統(tǒng)驗證，為建造原型機奠定技術(shù)基礎(chǔ)，驗證空中發(fā)射回收多個“小精靈”的作戰(zhàn)概念。項目開發(fā)包括不同的技術(shù)領(lǐng)域，比如發(fā)射與回收技術(shù)、裝備與飛機整合技術(shù)，尋求低成本、有限壽命的機身設(shè)計，DARP要求承包商充分利用現(xiàn)有技術(shù)，現(xiàn)有載機平臺只需要適度改裝即可實現(xiàn)功能。項目還將涉及高保真分析、精確數(shù)字化飛行控制、航行與位置保持等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

Dynetics公司在項目第1階段合同期間從4家競爭同行中脫穎而出，成功設(shè)計了無人機發(fā)射和回收技術(shù)、低成本的機身設(shè)計和高保真數(shù)據(jù)分析以及精確飛控等。2017年3月，Dynetics公司獲得了DARPA的“小精靈”無人機項目第2階段合同。項目第2階段計劃為期12個月，合同價值2100萬美元，Dynetics負責(zé)空中發(fā)射系統(tǒng)的開發(fā)與項目驗證，最終將這種能力以某種形式轉(zhuǎn)移到戰(zhàn)斗機。

Dynetics的技術(shù)供應(yīng)商團隊包括Kratos防務(wù)與安全公司、內(nèi)華達山脈公司、應(yīng)用系統(tǒng)工程公司、威廉姆斯國際公司、Systima技術(shù)公司、機載系統(tǒng)公司、Moog公司和空中響應(yīng)國際公司。團隊提供多樣化的專業(yè)知識。這些分包商都所在領(lǐng)域最為出色，能夠為項目推進提供可靠的系統(tǒng)基礎(chǔ)。Dynetics在第2階段的研發(fā)重點是將這些技術(shù)成熟化。DARPA計劃在2018年初授予第3階段合同，在基于第2階段的成果之下，“小精靈”將在C-130運輸機上進行安全發(fā)射和回收試驗。

無人僚機“阿凡達”

美國國防部還啟動了無人戰(zhàn)斗機項目“阿凡達”，項目原名“忠誠的僚機”，目標(biāo)為第三代（美國現(xiàn)稱為第四代）戰(zhàn)斗機如F-16“戰(zhàn)隼”和F/A-18“大黃蜂”開發(fā)無人駕駛版本，作為F-22A“猛禽”戰(zhàn)斗機和F-35“閃電Ⅱ”聯(lián)合攻擊機這兩種第四代（美國現(xiàn)稱為第五代）隱身戰(zhàn)斗機的僚機編隊飛行。無人版僚機具有一定的自主飛行能力，F(xiàn)-22A飛行員不需要全時操縱這些無人飛機，借助無人駕駛技術(shù)為這些稍早的飛機賦予新的生命。

美國國防部原副部長羅伯特·沃克表示，美軍將F-16改造成完全沒有飛行員的飛機將使三代機與F-35這樣的四代機協(xié)同作戰(zhàn)。五角大樓多年以來一直都在設(shè)想讓無人駕駛戰(zhàn)斗機與有人駕駛戰(zhàn)斗機共同組成飛行編隊，甚至專門給這種無人駕駛戰(zhàn)斗機起了“忠誠的僚機”的名字。美國空軍已經(jīng)開始為這一概念進行了技術(shù)驗證，整個五角大樓未來也將繼續(xù)重視這個項目。

美軍目前的“三代機”一般是指從20世紀(jì)80年代服役至今的戰(zhàn)斗機，包括F-15、F-16和F/A-18，而且在美軍大量列裝。在“四代機”F-22A和F-35隱身戰(zhàn)斗機量產(chǎn)并開始換代三代機的情況下，美國空軍在國防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）領(lǐng)導(dǎo)下研發(fā)無人駕駛的F-16，就是為這些早期裝備延壽的重要舉措。2013年，波音公司已經(jīng)將一些退役的F-16改造成無人靶機OF-16。之前，美國空軍已經(jīng)在空靶實彈訓(xùn)練中使用過更早期的F-4“鬼怪”戰(zhàn)斗機?？梢哉f，這種由全尺寸實體機改裝成的遠程遙控?zé)o人靶機為“阿凡達”奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

美國空軍實驗室強調(diào)，“阿凡達”面臨的技術(shù)難點是如何將目前遙控飛行的戰(zhàn)斗機，改裝成能夠自動完成駕駛，并能接收另一架戰(zhàn)斗機飛行員發(fā)出的指令的自主式飛行器。所需的機載自動化技術(shù)要實現(xiàn)很高的成熟度，才能讓“阿凡達”完成所有的基本飛行任務(wù)，無需接受地面控制臺的指令，也無需全程接受人工指揮?！鞍⒎策_”的自主飛行作戰(zhàn)同樣需要開發(fā)一種自動化算法，嵌入到F-16或其他同代機型中，充當(dāng)這些無人駕駛僚機的“大腦”。據(jù)悉，美國空軍實驗室將于2018年開始正式啟動項目，計劃在2022年進行飛行驗證。

美軍希望通過無人駕駛僚機來更好地擴展美國的軍事實力，而不是僅僅借助人力資源來擴充軍力。五角大樓將這種發(fā)展戰(zhàn)略稱作“第三補償”（ThirdOffset）。羅伯特·沃克表示，盡管在戰(zhàn)場上使用無人駕駛技術(shù)和平臺已經(jīng)不可避免，“這是不可阻擋的，遲早會成為現(xiàn)實”，但是美軍不會讓無人駕駛僚機自主執(zhí)行殺傷性任務(wù)，是否使用武器這樣的關(guān)鍵決策必須由人來決定。

DARPA為“阿凡達”進行的技術(shù)儲備還包括“艙內(nèi)機組自動系統(tǒng)”（ALLAS），這種模塊化的自動飛行系統(tǒng)可以嵌入到美軍現(xiàn)有戰(zhàn)斗機，駕駛時只需要通過觸屏向系統(tǒng)下達命令，據(jù)稱能夠代替5名機組人員的工作量。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動起飛、巡航和降落等過程，甚至能夠處理緊急的飛行失誤，任務(wù)能力和飛行器的安全性都有所增加。ALLAS項目也包括人機界面設(shè)計，統(tǒng)一簡潔的儀表將飛行員的身份從“系統(tǒng)操作者”提升到“任務(wù)指揮官”，飛行員只需要通過觸屏操作或者語音下達命令就能操控飛機。

另外，美國陸軍為“黑鷹”無人駕駛直升機開發(fā)的Matrix軟件系統(tǒng)也是DARPA自動駕駛戰(zhàn)斗機可以吸納的關(guān)鍵技術(shù)成果。Matrix由西科斯基、庫塔技術(shù)、Think-A-Move和先進光學(xué)系統(tǒng)公司合作研發(fā)，所用的機載計算機系統(tǒng)和新的電傳飛行控制系統(tǒng)驗證了直升機自動起飛、飛行和著陸的概念。自動駕駛技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)“黑鷹”無人直升機的視距內(nèi)和視距外操控，目前已經(jīng)實現(xiàn)了低空和障礙物條件下飛行，未來將向垂直起降型（VTOL）固定翼飛機進行技術(shù)擴展。

無人垂直起降飛機

垂直起降X飛機（VTOL X-Plane，VXP）是DARPA推出的混合動力垂直起降驗證項目，目標(biāo)是建造一種高速垂直起降平臺，創(chuàng)新多旋翼飛行器設(shè)計概念。目前，DARPA授予了極光飛行科技公司價值約9000萬美元的成本加固定費用研發(fā)合同，計劃于2018年首飛命名為XV-24A“閃電打擊”的驗證機。另外，合同還包括第2階段和第3階段的垂直起降飛機研發(fā)。

垂直起降x飛機的設(shè)計概念是靜音、節(jié)能、高效，具有很強的適應(yīng)能力和獨立作戰(zhàn)能力，通過全新設(shè)計的系統(tǒng)和子系統(tǒng)，突破先前項目機上任務(wù)空間過小的瓶頸。目前，極光飛行科技公司已經(jīng)推出了“閃電打擊”的縮比驗證機，采用無人駕駛設(shè)計，兩個大型后置主翼內(nèi)部設(shè)置的電動涵道風(fēng)扇提供動力，機頭附近設(shè)置一對鴨翼。采用羅羅AE1107C渦軸發(fā)動機，為3部霍尼韋爾發(fā)電機提供動力，每部發(fā)電機輸出功率4000馬力（2941千瓦），共同驅(qū)動24具電動涵道風(fēng)扇。

“閃電打擊”的電力分配系統(tǒng)由高度一體化的分布式涵道風(fēng)扇組成，輔以同步電力傳輸系統(tǒng)，將動力分配到24具涵道風(fēng)扇上，提供強大的懸停能力和高速飛行能力。其中18具電動涵道風(fēng)扇布置在飛機的主翼上，每側(cè)9具；鴨翼上布置6具，每側(cè)3具。主翼和鴨翼都能傾轉(zhuǎn)，以改變涵道風(fēng)扇的推力方向：涵道風(fēng)扇向后時飛機向前飛行，涵道風(fēng)扇向下時懸停，這兩個狀態(tài)之間的角度，還可以使飛機低速斜向爬升或下降。每個涵道風(fēng)扇都能獨立受控，保證飛機在飛行和懸停時自行調(diào)整位置。

DARPA要求“閃電打擊”驗證機的飛行控制系統(tǒng)采用極光公司的“半人馬”（centaur）和“獵戶座”（Orion）的成熟技術(shù)。飛行控制系統(tǒng)采用三余度設(shè)計，確保在前飛和垂直狀態(tài)下探測并修正飛行異常?！伴W電打擊”的無刷電動機由ThinGap公司提供，主翼上涵道風(fēng)扇使用100千瓦定速電動機，小翼上涵道風(fēng)扇使用70千瓦電動機，通過改變?nèi)~片螺距調(diào)節(jié)推力。這種新型混合動力推進概念能夠?qū)w機的懸停效率從60%至少提升到75%，巡航升阻比從5～6上升到10以上，飛行速度可達300～400節(jié)（540～720千米/時）。飛機全重4535～5443千克，最大載荷約1500千克。

在海上垂直起降型飛行器方面，DARPA與美國海軍研究辦公室（ONR）聯(lián)合啟動了“燕鷗”（Tern）項目，意圖研發(fā)一種部署在護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦上的艦載飛機，能夠在多種水面艦艇上起降，適應(yīng)多種海況條件，搭載ISR或打擊類載荷，執(zhí)行陸上和海上中空長航時（MALE）任務(wù)。項目前兩個階段已經(jīng)在艦上試飛了驗證機，正在開發(fā)適合更小型的艦艇搭載的無人機。

2016年初，DARPA授予諾思羅普一格魯門公司9300萬美元的合同，進行項目第3階段研發(fā)，繼續(xù)發(fā)展驗證一種立式垂直起落飛翼式飛機?！把帔t”驗證機在機頭部位安裝兩具對轉(zhuǎn)螺旋槳，能夠在護衛(wèi)艦的飛機甲板上起降，提供水平飛行所需動力，執(zhí)行任務(wù)之后可以安全地收置在艦艇內(nèi)部?！把帔t”翼展約9米，機翼邊緣有4個控制面，4個不可回收的起落架，目前的最大載荷約227千克，最大航程約1111千米。第3階段項目目標(biāo)是發(fā)展到最大載荷約270千克，最大航程約1670千米的任務(wù)能力。

編輯：石堅