袁成

2016年3月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）向復合材料工程公司、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”項目第1階段合同。該項目旨在通過探索小型無人機集群的空中發(fā)射和回收等關(guān)鍵技術(shù)，支撐美軍為著眼大國對抗而大力發(fā)展的分布式空中作戰(zhàn)概念。該作戰(zhàn)概念不但將顛覆當前以F-35、B-2等大型多功能平臺為核心的作戰(zhàn)樣式和裝備發(fā)展思路，給敵防御帶來重大挑戰(zhàn)，也將是大幅降低作戰(zhàn)成本的重要途徑。

項目背景

2014年底，美國防部開始制定第三次“抵消戰(zhàn)略”，并把與中、俄等大國對抗定為美軍的主要使命。在此背景下，美方認為以上假想敵的綜合一體化防空系統(tǒng)對其現(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)過長研制周期推出的高成本現(xiàn)役裝備如被大量擊落，必將嚴重削弱美空中作戰(zhàn)能力。因此，美國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，以維持對主要假想敵壓倒性的軍事優(yōu)勢。

近年來，以機器學習、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)中擊敗了有預警機支持的資深飛行員，為未來制空型無人機發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。而DARPA和空軍研究實驗室（AFRL）目前也在全力攻克認知電子戰(zhàn)技術(shù)，企圖利用人工智能強大的學習、推理能力，在空中實時檢測、分類、對抗未知威脅的電子信號。因此，用人工智能技術(shù)武裝相對廉價空戰(zhàn)平臺產(chǎn)生新質(zhì)作戰(zhàn)能力，成為美軍重塑復雜軍用系統(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人機分解傳統(tǒng)大型多功能平臺的各項能力，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)的實現(xiàn)，需突破空中發(fā)射和回收、機體平臺、協(xié)同作戰(zhàn)、開放式系統(tǒng)架構(gòu)及戰(zhàn)場管理等多類技術(shù)。在此背景下，DARPA于2015年9月16日公布了“小精靈”項目的跨部門公告（BAA），尋求解決小型無人機空中發(fā)射和回收、經(jīng)濟可承受機體平臺設(shè)計等技術(shù)的創(chuàng)新性方案。

項目概述

DARPA認為在沒有可靠陸基或海基降落地點的情況下，對于大作戰(zhàn)半徑的小型無人機來說，空基回收將是最簡后勤和最低成本的解決方案，另外還具有對無人機性能影響最小和再次發(fā)射迅速等優(yōu)勢。因此，“小精靈”項目的主要目標便設(shè)定為探索小型無人機集群空中發(fā)射和回收的可行性，并開展演示驗證試驗。根據(jù)DARPA的設(shè)想，“小精靈”無人機集群將在敵防區(qū)外由包括運輸機、轟炸機和戰(zhàn)斗機在內(nèi)的各類平臺發(fā)射，在滲透到敵防區(qū)內(nèi)之后針對特定目標共同執(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運輸機完成空中回收。

“小精靈”項目的最優(yōu)性能目標如下。在“小精靈”無人機方面，作戰(zhàn)半徑926千米;作戰(zhàn)半徑處的巡航時間3小時;設(shè)計載荷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12 192米;推進系統(tǒng)可在當前技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計全新型號，也可以使用現(xiàn)役發(fā)動機或其改型，載荷所需功率1200瓦;載荷類型為模塊化設(shè)計的射頻和光電/紅外系統(tǒng)，并可實施基地級更換：設(shè)計壽命為使用20次：出廠單價（不包括載荷）小于70萬美元。在“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)方面，大型平臺具備發(fā)射超過20架無人機的能力;在小于30分鐘時間內(nèi)回收大于4架無人機，最終目標是回收8架或更多;回收成功的概率大于95%;發(fā)射或回收平臺由于掛載“小精靈”無人機實施分布式空中作戰(zhàn)而墜毀的概率每飛行小時低于10^-7次;無人機回收后再次發(fā)射的時間不超過24小時;無人機發(fā)射或回收平臺的改裝成本（不包括指揮和控制系統(tǒng)）不應(yīng)超過200萬美元。

DARPA指出，為了實現(xiàn)項目的作戰(zhàn)設(shè)想和性能指標，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、可損耗機體設(shè)計;有限壽命設(shè)計;高精度氣動分析;氣動彈性分析;蒙特卡洛仿真;自動的發(fā)射波次策略;高準確度數(shù)字式飛控系統(tǒng)，精確相對導航;空中加油技術(shù);高效小型渦輪發(fā)動機;油箱自動惰化和發(fā)動機自動關(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)射和回收平臺低成本改裝技術(shù)等。

美軍認為，F(xiàn)-35等型號的研發(fā)周期長，全壽命周期成本高，未來在強對抗環(huán)境中難以取得壓倒性的空中優(yōu)勢

項目的研究階段

“小精靈”項目的研究周期設(shè)定為4年左右，并分成3個研究階段。第1階段計劃從2016財年第2季度持續(xù)至2017財年第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“小精靈”演示驗證系統(tǒng)、發(fā)展技術(shù)成熟計劃;第2階段將從2017財年第2季度持續(xù)至2018財年第3季度，經(jīng)過競爭勝出的2家承包商將進一步成熟第1階段發(fā)展的技術(shù)，并開展系統(tǒng)初步設(shè)計和風險降低驗證;第3階段將從2018財年第3季度持續(xù)至2020財年第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)的詳細設(shè)計和制造，并將在2020財年第1季度進行首次飛行驗證試驗。需說明的是，第2、3階段的上述進度將根據(jù)第1階段的研究情況進行動態(tài)調(diào)整。

2016年2月，美國防部公布了DARPA的2017財年預算材料，其中“小精靈”項目申請的經(jīng)費額度達3 600萬美元，相比2016財年大幅上漲2 100萬美元。3月底，DARPA授予了擁有靶機、導彈或無人機研制經(jīng)驗的復合材料工程公司、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1 610萬美元的“小精靈”項目第1階段合同，正式開啟研發(fā)工作。7月，據(jù)復合材料工程公司表示，目前該公司的第1階段研發(fā)工作正按計劃進行，而DARPA也將在接下來的3個月內(nèi)啟動項目第2階段。這說明“小精靈”項目的第1階段進展順利，并有可能提前完成。

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

幾點看法

3D空中回收技術(shù)是“小精靈”項目面臨的主要技術(shù)風險。從技術(shù)層面來看，當前支持“小精靈”項目的空射小型無人機、飛行控制和推進系統(tǒng)等技術(shù)均相對成熟，故如DARPA所述，該項目面臨的主要挑戰(zhàn)為無人機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：一是可考慮不全部回收，即便舍棄部分小型無人機，其任務(wù)效費比仍有可能高于昂貴的大型多功能平臺;二是無人機集群可能通過預先輸入任務(wù)規(guī)劃程序完成回收。而這些規(guī)劃已考慮到多種情況，并不需要無人機具有很高的自主性，從而降低了復雜性和風險。鑒于美軍目前在無人機空中加受油技術(shù)領(lǐng)域已取得重大進展，因此預計“小精靈”項目面臨的技術(shù)風險是可控的。

“小精靈”項目是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”項目之前已布局多類相關(guān)項目，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”（SoSITE）項目著重探索開放式體系架構(gòu)技術(shù)，目標是以美軍現(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人平臺上，實現(xiàn)各種先進機載系統(tǒng)和機載武器的即插即用，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）項目通過發(fā)展先進算法和軟件，探索分布式作戰(zhàn)無人機的自主和協(xié)同技術(shù)，使無人機群可在一名操作人員的管理下協(xié)作完成發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別和攻擊目標等任務(wù)，“分布式作戰(zhàn)管理”（DBM）項目通過發(fā)展先進算法和軟件，提高任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃和態(tài)勢感知等能力，幫助履行戰(zhàn)場管理任務(wù)的飛行員進行快速且合理的決策，以在強對抗環(huán)境中更好地執(zhí)行分布式空中作戰(zhàn)等復雜軍事任務(wù);“射頻任務(wù)操作中融合的合作式單元”（CONCERTO）項目發(fā)展能夠在通信、雷達和電子戰(zhàn)模式之間自適應(yīng)切換，并可配裝小型平臺的射頻系統(tǒng)。相比上述項目，“小精靈”項目由于需研發(fā)分布式空中無人作戰(zhàn)平臺并開展演示試驗，因此通過其性能指標可更清晰地勾畫出DARPA對于分布式空中作戰(zhàn)的概念和能力等方面的設(shè)想，具有重要參考價值。

鑒于中、俄等國一體化防空系統(tǒng)的主要作戰(zhàn)對象為傳統(tǒng)的大型多功能平臺，故DARPA認為與目前常規(guī)作戰(zhàn)樣式相比，分布式空中作戰(zhàn)在強對抗環(huán)境中有較高的效費比。首先在反介入/區(qū)域拒止環(huán)境中小型無人機以個體方式滲入敵防區(qū)的能力強;其次小型無人機以群體方式作戰(zhàn)將使敵防御系統(tǒng)產(chǎn)生“飽和”而無法全部應(yīng)對，即便防御也需耗費昂貴的地空導彈打擊廉價的單個小型無人機，使防御成本顯著增加;最后，小型無人機集群還可依據(jù)敵情和自身損失，實時排列組合出最優(yōu)的作戰(zhàn)能力，以在F-22、F-35等有人機有限的指揮下實現(xiàn)以群體方式完成任務(wù)，作戰(zhàn)靈活性較強。需注意的是，美國當前在大力研發(fā)分布式空中作戰(zhàn)技術(shù)的同時，也在研究對其反制手段。例如，雷西恩公司開發(fā)了陸基高功率微波驗證機，可使無人機的電子設(shè)備失效，并已驗證發(fā)射一次微波消除數(shù)千米范圍內(nèi)多個目標的能力。

以小型無人機集群為特征的分布式空中作戰(zhàn)與當前的空中作戰(zhàn)樣式大相徑庭，如未來美軍大規(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認為F-35可能是美國最后一型大型多功能戰(zhàn)斗機;同時，與低成本無人機、巡飛彈、導彈相關(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)越來越多的低端平臺;另外，高性能小型機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)平臺的人工智能水平快速提升?？傊植际娇罩凶鲬?zhàn)概念牽引出的機體廉價化、平臺智能化、載荷小型化等特點，將對未來空戰(zhàn)裝備的發(fā)展思路產(chǎn)生重大變革。