北方科技信息研究所 胡曉睿 李曉紅 高彬彬

隨著國際安全環(huán)境日益復(fù)雜，武器系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高以及美國國防預(yù)算的減少，要求武器系統(tǒng)能及時、有效、經(jīng)濟可承受地交付戰(zhàn)場。但是，美國國防部認為當前采用的武器系統(tǒng)設(shè)計、制造模式存在技術(shù)創(chuàng)新能力不足、適用的技術(shù)數(shù)量難以滿足需求等問題，導(dǎo)致武器系統(tǒng)研制與交付的進度大幅延遲、成本居高不下。比如，美國國防部研究發(fā)現(xiàn)，按照現(xiàn)有模式研制一種新的武器系統(tǒng)，從項目啟動到形成初步作戰(zhàn)能力(IOC)所需的時間比其他國家長約10年(見圖1)。作為美國國防領(lǐng)域的創(chuàng)新尖兵，國防預(yù)先研究計劃局(DARPA)2009年投資約10億美元啟動為期5年的“自適應(yīng)制造(AM)”計劃，旨在徹底改變現(xiàn)有武器系統(tǒng)的研制模式，從根本上改變武器系統(tǒng)的設(shè)計、制造與試驗驗證方式，提升處理復(fù)雜問題的能力，大幅提高研制效率并降低成本，加速戰(zhàn)場交付能力。

圖1 1945～2025年美國及非美國家新型號研制從項目啟動到形成初始作戰(zhàn)能力(預(yù)計)所需時間Fig.1 Time to Initial Operating Capability (IOC), a measure of time to develop new system, from 1945 to 2025 (projected).

DARPA一直以來都非常注重投資快速自適應(yīng)制造技術(shù)，實施了一系列計劃，促進相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。例如，1962年推出的敏捷計劃，實現(xiàn)了陸軍M16突擊步槍快速裝備部隊；20世紀80年代實施的超高速集成電路(VHSIC)計劃奠定了現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)；20世紀90年代實施的自由成形制造計劃，促進了當前數(shù)字直接制造(3D打印)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)；多類型導(dǎo)彈制造(M3)計劃旨在為不同類型導(dǎo)彈開發(fā)通用基礎(chǔ)設(shè)施；進入21世紀實施的突破性制造計劃及材料加速插入計劃，目的是通過計算機設(shè)計和新的工藝能力，開發(fā)新型復(fù)合材料和金屬材料。這些成果為“自適應(yīng)制造”計劃的實施奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 自適應(yīng)制造計劃的戰(zhàn)略愿景

自適應(yīng)制造計劃戰(zhàn)略愿景的核心是通過各種方法加速技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新、促進新技術(shù)的快速應(yīng)用，顯著縮短復(fù)雜武器系統(tǒng)從概念生成到規(guī)模生產(chǎn)的時間周期，同時對武器系統(tǒng)的復(fù)雜性進行積極的管理，以應(yīng)對日益復(fù)雜的國際安全環(huán)境。

2 自適應(yīng)制造計劃的重點投資領(lǐng)域及其攻關(guān)項目

自適應(yīng)制造計劃的重點投資領(lǐng)域涉及廣泛，包括武器系統(tǒng)級、組件級、材料與結(jié)構(gòu)、生物系統(tǒng)等多個層次和方面的研究項目。2011、2012財年各研究領(lǐng)域的相對投資比例如圖2所示。在此計劃的實施過程中，通過與DARPA各技術(shù)辦公室之間進行相互協(xié)調(diào)，保證研究項目的開發(fā)速度、對不同復(fù)雜程度的技術(shù)研究進行更好的管理。下面主要介紹在各個重點投資領(lǐng)域已經(jīng)開展的比較典型的攻關(guān)項目。

圖2 2011財年和2012財年(預(yù)算)對各攻關(guān)領(lǐng)域的投資相對比例Fig.2 Relative scale of combined FY2011 & requested FY2012 investment thrust areas that form the 5-year adaptive make portfolio

2.1 武器系統(tǒng)級攻關(guān)項目

(1)自適應(yīng)車輛制造(AVM)。由META，采用二進制即時鑄造自適應(yīng)(iFAB)，快速、自適應(yīng)下一代地面車輛(FANG)及MENTOR等4個子項目共同組成，旨在將復(fù)雜的計算機-電子-機械軍事系統(tǒng)(如軍用車輛)的研發(fā)周期縮短至少80%。AVM采用鑄造式基于平臺的設(shè)計，隨后在位于巖島兵工廠的聯(lián)合制造技術(shù)中心進行總裝，同時采用靈活的知識產(chǎn)權(quán)許可方式，實現(xiàn)基于模型的、開源的全面集成的任務(wù)使能(Mission-capable)系統(tǒng)。AVM將提供相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備及制造方法，使由分散的研發(fā)人員組成的研發(fā)小組能夠通過獎金挑戰(zhàn)賽參與到軍用地面戰(zhàn)車的設(shè)計與制造中。海軍陸戰(zhàn)隊兩棲戰(zhàn)車的研發(fā)將AVM的獎金挑戰(zhàn)賽推向高潮。META旨在使復(fù)雜計算機-電子-機械系統(tǒng)的設(shè)計過程民主化；FANG將通過一系列向廣大設(shè)計者開放的兩棲戰(zhàn)車設(shè)計獎金挑戰(zhàn)賽對這種復(fù)雜的軍事系統(tǒng)進行測試；vehicleforge.mil將會使大量的獨立創(chuàng)新者在開源的平臺上協(xié)同設(shè)計相關(guān)軍事系統(tǒng)；MENTOR面向科學、技術(shù)、工程和數(shù)學(STEM)等學科的中學生，致力于在一千多所學校部署可編程的制造設(shè)備，讓學生們也參與到分布式數(shù)字制造中來，目標是激發(fā)新一代的設(shè)計師以及制造創(chuàng)新者，演示驗證基于模型的端到端的集成設(shè)計過程。

(2)UAVForge。DARPA與海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(SPAWAR)的協(xié)作項目，旨在設(shè)計、制造先進小型無人機(UAV)系統(tǒng)。UAVForge試圖超越傳統(tǒng)的研發(fā)模式，推動聯(lián)系并不緊密的相關(guān)國際組織間的創(chuàng)意交流，啟發(fā)創(chuàng)造性思維，促進創(chuàng)新。任何人都能通過互聯(lián)網(wǎng)訪問UAVForge.net網(wǎng)站并提交解決方案，提供主題專家意見或其他對等的參與者提出的評價意見。專業(yè)的制造商將會提升技術(shù)的可制造性，最佳的解決方案將會在定義好的競標飛行(fly-off)場景下進行競爭。

2.2 組件級攻關(guān)項目

(1)無掩模納米直寫工具研發(fā)。使國防領(lǐng)域高性能集成電路(ICs)的小批量制造具有經(jīng)濟可承受性，提高在半導(dǎo)體晶片上寫數(shù)據(jù)的速度。同時采用由新型反射電子束制圖技術(shù)生成的百萬個平行的、單獨控制的電子束，解決目前紫外光法制造集成芯片所需的掩模組成本高(每套數(shù)百萬美元)、靈活性不好等問題。

(2)自適應(yīng)傳感器系統(tǒng)(ADAPT)。采用類似于蘋果iphone和谷歌Android設(shè)備所用的基于平臺的商用設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)，縮短智能、監(jiān)視和偵察(ISR)傳感器的研發(fā)和制造周期，使其由現(xiàn)在的平均每項技術(shù)需要3～8年的時間縮短到2年以內(nèi)。

2.3 材料與結(jié)構(gòu)攻關(guān)項目

(1)梯度折射率光學組件(M-GRIN)制造。開發(fā)新穎的工藝用于更快的研制更小、更輕、經(jīng)濟性更好的優(yōu)質(zhì)光學鏡片(如士兵夜視護目鏡)和采用現(xiàn)有的傳統(tǒng)鏡片不能實現(xiàn)的新型光學系統(tǒng)，并減少復(fù)雜光學組件(如望遠鏡)鏡片的數(shù)量，使其重量和尺寸減少80%～90%。該項目的核心是把聚合物或玻璃的薄膜堆(每個單獨的薄膜有不同的折射率)通過高溫及強壓使之熔合澆鑄成一個單一的復(fù)合鏡片。

(2)開源制造(OM) 。作為自適應(yīng)車輛制造(AVM)及其他材料相關(guān)的制造研發(fā)項目的補充，將投資開發(fā)快速、適應(yīng)性強、合適的工藝過程，制造設(shè)計、仿真和性能預(yù)測工具，以及加速制造產(chǎn)品整個生命周期性能保證的鑒定與認證的方法。

2.4 生物系統(tǒng)攻關(guān)項目

(1)藍色天使H1疫苗加速生產(chǎn)。將煙草植物轉(zhuǎn)化成可重構(gòu)的生物反應(yīng)器，用于疫苗質(zhì)量蛋白質(zhì)的可移動、自適應(yīng)、超快速生產(chǎn)。藍色天使成功驗證了蛋白質(zhì)的大規(guī)模生產(chǎn)，符合優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)規(guī)范(GMP)，具備應(yīng)對快速變化的病毒，如流行性感冒(H1N1)的能力。

(2)生命鑄造廠。開發(fā)和應(yīng)用一種可升級的生物學工程構(gòu)架(engineering framework)與技術(shù)，通過簡化、提取以及標準化處理，使生物設(shè)計從制造、成品率設(shè)計準則及工具中分離出去，并且對生物學復(fù)雜性進行管理，以應(yīng)對當前生物制造技術(shù)開發(fā)周期長(7年或更長)、研發(fā)成本高(0.5～5億美元)、生物制品相對簡單等挑戰(zhàn)。

3 自適應(yīng)制造的主要方法與工具

AM計劃的重點投資領(lǐng)域雖涉及諸多不同的科學、技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域，但大多數(shù)研發(fā)項目所采用的主要方法和工具都是相同的。目前，自適應(yīng)制造計劃中研究應(yīng)用較多的方法與工具包括：

(1)鑄造式基于平臺的設(shè)計。

由DARPA在20世紀80年代參與投資開發(fā)，至今已發(fā)展成為集成電路產(chǎn)業(yè)的基石。1980年，卡佛·米德和林恩·康威在DARPA的資助下開發(fā)了超大規(guī)模集成(VLSI)系統(tǒng)設(shè)計工具，教大學生如何在無半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的情況下自行設(shè)計計算機電路。采用這種設(shè)計工具能夠通過可升級的基于模型的設(shè)計與驗證來梳理制造產(chǎn)生的設(shè)計問題，并由不同的小組各自獨立解決，最后再集成起來用于產(chǎn)品生產(chǎn)。這些計算機芯片自適應(yīng)制造技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗對后續(xù)的項目研究都有所借鑒，尤其是在開放式體系結(jié)構(gòu)、可共享的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及設(shè)計分析工具等方面。目前，該方法在自適應(yīng)車輛制造、開源制造、生命鑄造廠及梯度折射率光學組件制造等項目中都有所應(yīng)用。

(2)獎金挑戰(zhàn)賽。

為了更好地激發(fā)人的潛能，攻堅克難，DARPA設(shè)立了基于創(chuàng)業(yè)精神的獎金挑戰(zhàn)賽機制，其中包括DARPA挑戰(zhàn)大賽、城市挑戰(zhàn)賽、網(wǎng)絡(luò)“紅氣球”挑戰(zhàn)賽、粉碎機挑戰(zhàn)賽，以及其他面向未來發(fā)展的新的自適應(yīng)制造挑戰(zhàn)賽。FANG項目中延續(xù)了這種獎金挑戰(zhàn)賽機制，旨在開發(fā)滿足美國海軍陸戰(zhàn)隊需求的兩棲戰(zhàn)車。

(3)研發(fā)游戲化。

針對一些復(fù)雜的設(shè)計問題，DARPA將其轉(zhuǎn)化成解謎形式，把這些問題放在互聯(lián)網(wǎng)上的大型多人游戲系統(tǒng)中，通過強大的計算機工具與大量創(chuàng)新者之間的合作來解決。這種技術(shù)被稱為“眾源”，能夠更好地利用人類天生的問題解決能力，比只運用計算機分析快捷得多。比如，運用計算機分析一個感染HIV的獼猴的蛋白質(zhì)長達15年仍沒有得到答案，但是最近卻在網(wǎng)上被Foldit(由DARPA資助的一款基于物理學設(shè)計的游戲)的游戲玩家破解，并已通過X射線晶體學確認。

(4)快速驗證方法及工具。

工程人員通過實際經(jīng)驗已經(jīng)認識到，計算機雖然先進，但是分析能力并不強大，除非分析結(jié)果和設(shè)計預(yù)測正好匹配。自適應(yīng)制造計劃也支持快速驗證方法及工具的開發(fā)，比如，開源制造項目正在開發(fā)新的設(shè)計和可通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)驗證的具有仿真功能的生產(chǎn)力分析工具。

(5)協(xié)作工具。

自適應(yīng)制造計劃正在開發(fā)協(xié)作方法，打造可靠、安全以及可信的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分享環(huán)境，知識產(chǎn)權(quán)共享環(huán)境，設(shè)計驗證以及產(chǎn)品物流計劃。類似UAVForge、vehicleforge.mil等網(wǎng)站為參與人員提供了在線溝通平臺，可以共同合作開發(fā)、評估、提交并且評論新的系統(tǒng)概念。

(6)可計算的設(shè)計工具鏈。

DARPA正在利用高性能計算機推動全新種類材料的設(shè)計，并且采用這些新材料來設(shè)計可生產(chǎn)的組件。自適應(yīng)制造對系統(tǒng)性能進行多域分析，從而實現(xiàn)“一次性生成即保證無誤”的設(shè)計，即不僅要在第一時間建立正確的設(shè)計，同時需確保其在本質(zhì)上的可生產(chǎn)性。

4 結(jié)束語

近50年來，DARPA通過有效的自適應(yīng)制造，已經(jīng)在開發(fā)更小、更輕、更快的技術(shù)方法、生產(chǎn)工藝、流程和工具，重塑全球工業(yè)格局的過程中取得了顯著的成績。自適應(yīng)制造計劃正在對可能的技術(shù)進行重新定義，并重新確立未來軍事系統(tǒng)的制造模式，這將徹底改革美國未來的作戰(zhàn)方式。未來DARPA將繼續(xù)與美國國防部及美國政府的其他研發(fā)機構(gòu)保持通力協(xié)作，為重振美國制造業(yè)，確保美軍的技術(shù)優(yōu)勢地位，從戰(zhàn)略高度保障國家安全不懈努力。