曹 莉,耿斌斌,周 亮,高 森
(上海航天技術(shù)研究院北京研發(fā)中心,北京 100081)
隨著人工智能技術(shù)發(fā)展帶來顛覆性的技術(shù)革新,未來戰(zhàn)爭也在逐步轉(zhuǎn)向智能化與信息化,即將步入無人系統(tǒng)的自主感知、決策、對抗、評估的戰(zhàn)爭模式。無人機作為無人系統(tǒng)的重要代表,具有靈活機動、任務(wù)多樣、適應(yīng)性強以及成本低等明顯優(yōu)勢,在作戰(zhàn)裝備體系中占據(jù)日益重要的地位。大量無人機形成的集群式作戰(zhàn),采用以量增效的協(xié)同聯(lián)動與飽和攻擊,將徹底改變“單打獨斗”的戰(zhàn)爭模式。
無人機是無人駕駛飛機的簡稱,是利用無線電指令遙控或者自主程序控制飛行的飛行器。攜帶照相偵察、電視偵察、紅外成像偵察、電子偵察等不同偵察設(shè)備的無人機,為偵察無人機;攜帶導(dǎo)彈、炸藥等殺傷性武器的無人機,為攻擊無人機。與有人機相比,它具有體積小、造價低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力強、零人員傷亡等優(yōu)點。
無人機最早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代,作為靶機使用于訓(xùn)練過程中。20世紀(jì)中葉之后的越南戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭和北約空襲前南斯拉夫的過程中,無人機才被用于執(zhí)行軍事任務(wù)。尤其是20世紀(jì)90年代后,西方國家充分認(rèn)識到無人機在戰(zhàn)爭中的作用,競相把高新技術(shù)應(yīng)用到無人機的研制上,無人機才迎來井噴式快速發(fā)展。同時,隨著計算機、全球?qū)Ш?、人工智能、自動控制與駕駛等技術(shù)的不斷進步,無人機呈現(xiàn)出小型化、智能化、協(xié)同化的發(fā)展趨勢,作戰(zhàn)樣式也逐步從單平臺作戰(zhàn)向多平臺集群作戰(zhàn)方向發(fā)展。
無人機集群概念是建立在仿生學(xué)基礎(chǔ)上的,如蟻群、蜂群,狼群等。通過群外或群中個體之間的信息交互和簡單協(xié)作,實現(xiàn)大規(guī)模群體的智能協(xié)同行為,能夠完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個體能力的復(fù)雜任務(wù)。
無人機集群作戰(zhàn)就是由數(shù)量龐大的單個無人機高度組合而成的一個復(fù)雜系統(tǒng),它沒有強制的中心控制,每個無人機獨立感知周圍態(tài)勢,信息共享,智能協(xié)同,自主決策,共同完成一項復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù),如圖1所示。
圖1 無人機集群Fig.1 Unmanned aerial vehicle swarm
無人機集群作戰(zhàn)涉及集群控制技術(shù)、探測與敵我識別技術(shù)、集群通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、集群發(fā)射與回收等多項關(guān)鍵技術(shù)。其中,集群發(fā)射與回收技術(shù)是集群戰(zhàn)術(shù)走向戰(zhàn)場的關(guān)鍵一步。提高集群無人機發(fā)射效率,意味著快速形成大數(shù)量、多波次的作戰(zhàn)能力。同時,集群回收技術(shù)作為無人機作戰(zhàn)的簡易后方支援,不僅可以提高集群獲取信息的質(zhì)量,還可以重復(fù)使用,大幅度降低作戰(zhàn)成本。
2.1.1人工掛鉤釋放
美國在武器裝備研制以及作戰(zhàn)使用方面的思想,一直都走在世界前列。早在20世紀(jì)30年代,美國海軍就用兩艘飛艇發(fā)射和回收過小型的“雀鷹”雙翼飛機。過程是先用鉤子把“雀鷹”放低,使其進入滑流中,經(jīng)過專門訓(xùn)練的飛行員再將其與飛艇分離,“雀鷹”就可以飛走了,如圖2所示。
圖2 飛艇收放“雀鷹”雙翼飛機Fig.2 Airship releasing “Sparrowhawk” biplane
2.1.2彈射釋放
彈射釋放是最常見的一種無人機發(fā)射方式,一般有一套發(fā)射架即可在地面、海上、空中進行發(fā)射。美國波音公司與英國因斯特公司聯(lián)合研制的“掃描鷹”無人機就是采用氣動彈射發(fā)射架發(fā)射升空,如圖3所示。
圖3 發(fā)射“掃描鷹”無人機Fig.3 Launch of “Scan eagle” UAV
2.1.3發(fā)射管發(fā)射
發(fā)射管發(fā)射是采用冷彈射的方法把集群無人機一次性彈射出筒的一種發(fā)射方式。美國海軍研究辦公室(ONR)于2015年開展的低成本無人機集群技術(shù)項目研究,即“蝗蟲”項目,就是通過艦艇、飛機等發(fā)射平臺上的發(fā)射管發(fā)射具有自主能力的無人機集群。
美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室(SCO)主導(dǎo)的“山鶉”項目(Perdix)也采用了發(fā)射管發(fā)射方式,它利用戰(zhàn)斗機現(xiàn)有的機載“雷達(dá)/紅外干擾彈”發(fā)射裝置,在空中釋放103個“山鶉”微型無人機[1],如圖4所示。
圖4 發(fā)射“山鶉”無人機Fig.4 Launch of “Perdix” UAV
2.2.1人工掛鉤回收
美國海軍回收“雀鷹”雙翼飛機時,采用人工將掛鉤與飛機對接,放入飛艇的機庫中。這種發(fā)射回收方式無法適用于集群無人機,而且依賴人工,無法實現(xiàn)自動回收。
2.2.2繩鉤回收
繩鉤回收指的是利用繩索抓捕無人機身上特定小鉤來實現(xiàn)回收的一種方式,主要由導(dǎo)引裝置、回收繩索、緩沖吸能裝置等組成?!皰呙楮棥睙o人機即采用這種方式進行回收[2]。它采用氣動彈射發(fā)射架發(fā)射升空,采用一套“天鉤”系統(tǒng)掛住無人機翼尖上的小鉤進行回收,如圖5所示。這套“天鉤”系統(tǒng)可以單獨使用,也可以成群部署。
圖6 SideArm回收系統(tǒng)Fig.6 “SideArm” recovery system
SideArm也是一套采用繩鉤回收的飛行器攔截系統(tǒng),可以發(fā)射或回收約500 kg的無人機。SideArm系統(tǒng)由3個部分組成:起重機、滑軌和滑動回收器,如圖6所示。SideArm通過彈射系統(tǒng)發(fā)射無人機;回收時,無人機首先接收SideArm信號并隨之減速,機身背部伸出攔阻鉤,勾住滑軌吊臂一端張開的攔阻繩索,滑軌內(nèi)部的液壓機構(gòu)迅速對其實施快速減速,無人機落在位于滑軌另一端的柔性攔阻網(wǎng)上。
2.2.3機械臂回收
機械臂回收是指從空中回收平臺上伸出頂端有回收裝置的機械臂,與待回收無人機對接捕獲的一種方式。在美國國防部先進計劃局(DARPA)發(fā)起的“小精靈”項目中,曾經(jīng)承擔(dān)其研發(fā)項目的通用原子公司采用過這種回收方案,即通過尾艙門對無人機進行回收?;厥諘rC-130運輸機尾艙門在空中打開,從里面向后下方伸出頂端機械臂,將無人機掛到機械臂的回收裝置上完成回收,如圖7所示。
圖7 機械臂回收Fig.7 Mechanical arm recovery
2.2.4軟管捕獲式回收
軟管捕獲式回收類似于美軍的空中加油作業(yè),從空中回收平臺上伸出一個軟管,軟管頂端是一套捕獲設(shè)備,與無人機身上的回收裝置對接,對接好后將無人機拽回回收平臺,完成回收?!靶【`”項目的最終承擔(dān)商Dynetics動力系統(tǒng)公司采用的就是這種方式,如圖8所示。
圖8 無人機與捕獲設(shè)備對接Fig.8 UAV docking with capture device
圖9 成功捕捉無人機Fig.9 UAV successfully captured
從C-130運輸機放一個拖曳式穩(wěn)定的捕獲設(shè)備,準(zhǔn)備回收無人機。無人機后背上伸出一個回收鉤,通過激光或者其他傳感器感知捕獲設(shè)備位置并與捕獲設(shè)備對接。待成功捕捉后,無人機自動折疊主翼,C-130上的回收裝置將“小精靈”無人機拖回貨艙,如圖9所示。該項目目前正在開展原型機制造、集群飛行演示以及空中發(fā)射回收演示,預(yù)計2019年底在C-130運輸機上實施多架無人機的發(fā)射和回收試驗,標(biāo)準(zhǔn)是30 min內(nèi)連續(xù)回收4架“小精靈”無人機。
國外典型的集群無人機有早期的飛艇釋放“雀鷹”飛機項目,發(fā)射和回收均由人工掛鉤實施。“掃描鷹”、“蝗蟲”、“小精靈”等則采用彈射或發(fā)射管發(fā)射方式,繩鉤回收或軟管捕獲回收等回收方式,其主要特點如表1所示。
表1 發(fā)射回收方式主要特點Tab.1 Main features of Launch and recovery modes
集群作戰(zhàn)通常需要數(shù)十架甚至上百架無人機,在空中快速發(fā)射、組網(wǎng)、信息共享和智能協(xié)同。這些無人機需要通過一個高度集成的空中平臺,將集群無人機整體裝載、運輸、發(fā)射至指定空域,在空中為無人機提供發(fā)射、回收平臺,為集群無人機之間、無人機與平臺之間提供信息交互、存儲的載體,滿足集群無人機的自行充電和自我檢測需求,實現(xiàn)重復(fù)利用。建立集群無人機空中平臺的關(guān)鍵是要實現(xiàn)高度集成化、小型化,并與電氣進行一體化設(shè)計,在有限的空間內(nèi)盡可能多地裝載大量無人機。
隨著無人機向小型化、集群化方向發(fā)展,作戰(zhàn)運用的第一時間內(nèi)釋放大量無人機,在空中快速組網(wǎng)建立集群,是無人機集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵。發(fā)射的成功與否直接影響到后續(xù)的飛行及任務(wù)的實施,甚至關(guān)系到無人機自身的安全。在沒有可靠的陸基或?;扅c時,空基回收將是集群無人機作戰(zhàn)最簡易的后勤支撐方案,不僅可以提高集群獲取信息的質(zhì)量,還可以重復(fù)使用,降低作戰(zhàn)成本。同時由于無人機上不需要安裝著陸回收的裝置,也可以騰出更多的空間增加有效載荷,提高續(xù)航能力。
因此,提高集群無人機空基發(fā)射與回收效率,是集群戰(zhàn)術(shù)走向戰(zhàn)場的關(guān)鍵。需要結(jié)合空中平臺的結(jié)構(gòu)方案,設(shè)計快速發(fā)射機構(gòu),滿足大數(shù)量集群無人機的快速發(fā)射需求,同時考慮回收機構(gòu)與發(fā)射機構(gòu)的一體化設(shè)計,提高回收效率和可靠性。
為實現(xiàn)集群無人機在復(fù)雜高空飛行環(huán)境中的自主回收,需要重點發(fā)展無人機與空中平臺的空中高精度對準(zhǔn)技術(shù),滿足無人機返回空中平臺的初始回收邊界條件。高精度對準(zhǔn)技術(shù)主要包括高精度無人機導(dǎo)航系統(tǒng)、空中平臺與無人機的高可靠性飛行控制系統(tǒng)、無人機的高精度定位系統(tǒng)和信息交互系統(tǒng)、回收機構(gòu)的空中自動捕獲技術(shù)。
無人機集群攻擊或者對抗,首先是要快速形成大規(guī)模無人機集群。面對不同的作戰(zhàn)任務(wù),根據(jù)任務(wù)規(guī)劃分析無人機集群的規(guī)模,確定參與執(zhí)行任務(wù)的無人機,并且在規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)空中組網(wǎng)的多波次自動發(fā)射策略。
回收無人機時,由于執(zhí)行任務(wù)之后飛回的無人機是隨機的,如果不加以辨別和分析,按照每架無人機飛回的先后順序逐一進行回收,勢必增加空中平臺的回收成本,帶來不必要的消耗,甚至?xí)?dǎo)致更加重要的無人機無法被回收。因此,必須在回收每架無人機之前,與空中平臺建立信息交互,由空中平臺根據(jù)回收策略,判斷是否即刻進行回收準(zhǔn)備。如果空中平臺拒絕即刻回收,無人機要在空中自主繞圈飛行等待。
自動發(fā)射與回收策略研究的重點是建立作戰(zhàn)任務(wù)分配和實施的模型,通過數(shù)字仿真進行綜合分析比較,獲得實現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)的最優(yōu)策略。
根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù),可能需要使用不同的集群無人機。對空中發(fā)射回收平臺進行適應(yīng)性改裝,或者更換部分系統(tǒng),適應(yīng)不同的集群無人機作戰(zhàn)需求,可以大大降低集群無人機的設(shè)計成本和發(fā)射成本。比如參考國際空間站上使用3D打印機打印出損壞的零部件的做法,也可以在發(fā)射回收平臺上安裝3D打印機,打印出損壞的無人機,重新組網(wǎng),自動修復(fù),實現(xiàn)一次發(fā)射,長期使用。發(fā)射回收平臺低成本改裝的技術(shù)難點在于降低成本,需要針對改裝目標(biāo),梳理改裝項目,提出各種改進措施及相應(yīng)的成本估算,分析利弊,做出最優(yōu)判斷。
集群作戰(zhàn)是未來大規(guī)模作戰(zhàn)的一種重要樣式,也是未來實現(xiàn)低成本條件下非對稱作戰(zhàn)的有效途徑,因此集群與反集群逐漸成為當(dāng)前軍事領(lǐng)域的研究熱點。集群發(fā)射與回收技術(shù)是實現(xiàn)集群作戰(zhàn)的重要基礎(chǔ)之一,需要加強相關(guān)技術(shù)研究,提前開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。按照“分步走”的發(fā)展策略,提出如下發(fā)展建議。
近年來,以美國為首的世界無人機大國都在大力發(fā)展無人機集群技術(shù),包括無人機集群信息交互技術(shù)、環(huán)境感知與認(rèn)識技術(shù)、多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策等。尤其是美國國防部高級研究計劃局(DAPPA)牽頭開展的“小精靈”項目,預(yù)計于2019年開展飛行演示。在空中利用C-130運輸機發(fā)射和回收多架無人機,表明美軍的無人機集群作戰(zhàn)已經(jīng)由概念向工程化邁出了實質(zhì)性的一步。對于我國來說,需要盡快發(fā)展無人技術(shù),通過多樣化的手段開展集群作戰(zhàn)概念研究,緩解美軍無人集群技術(shù)開發(fā)對自身國防開支施與的壓力。在美軍真正形成戰(zhàn)斗力之前,提升我國的網(wǎng)絡(luò)化集群作戰(zhàn)能力,不是僅局限于集群化探測、通信、干擾和打擊,也要在反集群攻擊、分布式作戰(zhàn)概念、集群作戰(zhàn)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)等方面做好技術(shù)儲備。
集群無人機具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無人化、自主化等技術(shù)優(yōu)勢,能夠發(fā)揮數(shù)量優(yōu)勢和協(xié)同優(yōu)勢,完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個體無人機能力的復(fù)雜任務(wù)。也正是因為這種特點,單個無人機的運載能力、機動能力、防護能力等均不高,需要將大量的無人機高度集中在一個發(fā)射回收平臺上,通過運載器將平臺運送到距離任務(wù)區(qū)較近的空域進行投放。受單個無人機航程的限制,投放點與任務(wù)區(qū)之間的距離一般小于對方常規(guī)探測距離,使得擊落一個空中投放平臺比四處打擊無人機要容易得多。因此,空中投放平臺必然會成為對方的首要打擊目標(biāo),在開展集群技術(shù)研究的同時,要同步開展反集群技術(shù)的研究,通過對平臺母艙采取智能突防、空中隱身等措施提升平臺的反攔截能力。在發(fā)展智能化集群技術(shù)的同時,同步研究“反集群作戰(zhàn)”的技術(shù)和手段,相互牽引,博弈論證,在矛盾運動中螺旋上升,不斷提高我國的集群作戰(zhàn)能力。
為保證無人機集群的數(shù)量優(yōu)勢和成本優(yōu)勢,只能在單個無人機性能上作出讓步,選用小型或微型無人機組成集群系統(tǒng)。但小無人機受航程和運載能力的限制,目前并不具備實戰(zhàn)價值。續(xù)航能力不足,意味著無人機在執(zhí)行任務(wù)時無法發(fā)揮最大優(yōu)勢,使用會受到限制;而運載能力有限,則使得無人機無法完成最優(yōu)的運送任務(wù)。要在強對抗戰(zhàn)場條件下具備實戰(zhàn)價值,就需要在無人機的航程提升、有效載荷與傳感器的小型化、無人機高精度定位與防碰撞、無人機隱身等方面取得突破,同時采用電纜、外殼和傳感器一體化技術(shù),降低無效質(zhì)量占比,在無人機的小型化和實戰(zhàn)化應(yīng)用方面達(dá)到一個平衡。
快速發(fā)射與回收是實現(xiàn)集群作戰(zhàn)的有效途徑與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)對于快速發(fā)射回收技術(shù)的研究尚處于起步階段[3],相關(guān)概念的建立和技術(shù)途徑的解決有待進一步研究。本文通過對國外當(dāng)前集群發(fā)射回收技術(shù)的梳理和分析,提煉出若干關(guān)鍵技術(shù)難點,提出相關(guān)建議,希望能夠?qū)罄m(xù)國內(nèi)集群作戰(zhàn)概念研究和項目開發(fā)起到積極參考作用。