■ 張健 吳雄 / 中國人民解放軍92728部隊(duì)

無人機(jī)集群和穿透型制空是美國戰(zhàn)略重點(diǎn)重新回到大國競(jìng)爭(zhēng)、針對(duì)在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中作戰(zhàn)而發(fā)展出的新型體系化作戰(zhàn)概念。其中，無人機(jī)集群是網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，將大型、昂貴、多功能空戰(zhàn)裝備的功能分解到大量低成本無人機(jī)平臺(tái)上，利用架構(gòu)、自主、協(xié)同、控制等技術(shù)使少量有人機(jī)和大量無人機(jī)形成統(tǒng)一的空戰(zhàn)整體。

按照美國空軍《2016 — 2036小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》給出的定義和相關(guān)描述，無人機(jī)集群是指在空中或地面駕駛員的操作或監(jiān)督下，參照自然界蜂群、蟻群等的集體行為方式，由多架以自主方式組織起來遂行統(tǒng)一作戰(zhàn)任務(wù)的小型無人機(jī)集群。集群無人機(jī)可以是相同的（同構(gòu)），也可以是不同的（異構(gòu)）；組群方式可以是主從式的，也可以是無中心的。需特別指出的是，美國空軍在這份文件中明確了“集群”與“忠誠僚機(jī)”和“編組”概念的對(duì)比和不同，主要體現(xiàn)在這3種作戰(zhàn)樣式協(xié)同對(duì)象的不同：“集群”為大量小型無人機(jī)之間的機(jī)-機(jī)協(xié)同；“忠誠僚機(jī)”是指無人機(jī)與有人機(jī)之間的有人-無人協(xié)同；“編組”是指控制站與控制站之間的人-人協(xié)同。2018年8月，美國防部發(fā)布《2017—2042財(cái)年無人系統(tǒng)綜合路線圖》，再次將“集群能力”列為無人系統(tǒng)的15項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。

集群無人機(jī)發(fā)展概況

無人機(jī)集群具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損傷冗余度高等優(yōu)勢(shì)，可在對(duì)地、對(duì)空等復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)中與少量高性能平臺(tái)組成編隊(duì)。隨著無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念的不斷完善和豐富以及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，無人機(jī)集群必將成為未來大量配備的航空主戰(zhàn)裝備。無人機(jī)集群將逐步具備對(duì)地、對(duì)海、對(duì)空監(jiān)視偵察甚至攻擊的能力。無人機(jī)集群大規(guī)模服役后，空中作戰(zhàn)將從強(qiáng)調(diào)隱身單平臺(tái)或小編隊(duì)作戰(zhàn)向注重網(wǎng)絡(luò)化、分布式、體系化作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，不斷豐富的空中作戰(zhàn)方式將對(duì)未來航空裝備體系的構(gòu)成和作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生重大影響。

無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念圖

目前，集群無人機(jī)種類眾多，總體上可分為旋翼式和固定翼式兩類。動(dòng)力類型大體分成兩種：一種是純電驅(qū)動(dòng)，即“電池+電動(dòng)機(jī)+旋翼或螺旋槳”，基本上所有的旋翼式蜂群無人機(jī)和大部分小型固定翼集群無人機(jī)都采用這種動(dòng)力形式，以美國的低成本無人機(jī)集群技術(shù)（LOCUST）項(xiàng)目、“灰山鶉”（Perdix）無人機(jī)集群項(xiàng)目為代表；另一種是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，采用這種動(dòng)力的多為大型的固定翼集群無人機(jī)，以“小精靈”（Gremlins）空中可回收無人機(jī)集群項(xiàng)目為典型。

“郊狼”無人機(jī)基本型

“灰山鶉”無人機(jī)

低成本無人機(jī)集群技術(shù)由美國海軍研究辦公室（ONR）主導(dǎo)，2015年啟動(dòng)研制，可提供陸、空、水面和水下平臺(tái)發(fā)射的情報(bào)、監(jiān)視、偵察（ISR）精確無人機(jī)，并可單獨(dú)或成群地與有人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)。無人機(jī)平臺(tái)是“郊狼”（Coyote）無人機(jī)，2016年4月，完成地面發(fā)射試驗(yàn)，發(fā)射后進(jìn)行編隊(duì)飛行；同年7月，實(shí)現(xiàn)了30余個(gè)“郊狼”無人機(jī)快速發(fā)射和機(jī)動(dòng)飛行。

“灰山鶉”無人機(jī)集群由美國戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）主持，2014年啟動(dòng)研制，主要應(yīng)用于代替空射誘餌，執(zhí)行誘導(dǎo)欺騙、前出偵察等。2016年，項(xiàng)目演示了由3架F/A-18飛機(jī)快速投放的103架“灰山鶉”實(shí)現(xiàn)按指令組群飛行，創(chuàng)下軍用無人機(jī)蜂群最大規(guī)模飛行紀(jì)錄。試驗(yàn)中，“灰山鶉”集群未預(yù)先編寫飛行程序，展現(xiàn)了集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊(duì)的自主協(xié)同飛行能力。

美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）于2015年啟動(dòng)的“小精靈”項(xiàng)目，研究小型無人機(jī)集群的空中投放／回收等關(guān)鍵技術(shù)，主要任務(wù)為區(qū)域監(jiān)視和偵察、電子戰(zhàn)和攻擊（破壞導(dǎo)彈防御系統(tǒng)），因此已經(jīng)上升為可在大國軍事行動(dòng)中執(zhí)行戰(zhàn)略級(jí)任務(wù)。

“小精靈”項(xiàng)目原本分3個(gè)階段進(jìn)行:第一階段(2016年第一季度—2017年第二季度)，復(fù)合材料工程公司、動(dòng)力系統(tǒng)公司、通用原子公司和洛馬公司獲得1610萬美元合同，進(jìn)行無人機(jī)概念驗(yàn)證和空中發(fā)射回收設(shè)備概念驗(yàn)證；第二階段（2017年第一季度—2018年第三季度），DARPA在第一階段4家公司中選出兩家公司并授予合同，開展技術(shù)成熟和風(fēng)險(xiǎn)降低工作；第三階段(2018年第三季度—2020年第二季度)，DARPA在第二階段兩家公司中選擇1家并授予合同，開展原型機(jī)制造、集群飛行演示以及空中發(fā)射回收演示?！靶【`”項(xiàng)目本應(yīng)在完成當(dāng)前的第三階段后結(jié)束，但由于認(rèn)識(shí)到可消耗無人機(jī)的價(jià)值，DARPA和美國空軍決定增加第四階段。“小精靈”項(xiàng)目的第四階段將聚焦作戰(zhàn)能力，旨在通過約兩年的時(shí)間使X-61A能夠執(zhí)行壓制/摧毀敵防空的任務(wù)。這將涉及無人機(jī)與ISR傳感器、自主系統(tǒng)的整合，可借鑒DARPA之前轉(zhuǎn)化到海軍航空系統(tǒng)司令部的“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項(xiàng)目的技術(shù)。

“小精靈”無人機(jī)

截至目前，“小精靈”項(xiàng)目已進(jìn)行了3輪測(cè)試。2020 年1月，由C-130A運(yùn)輸機(jī)載飛并發(fā)射，進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，2020年7月和10月，完成第二次和第三次飛行試驗(yàn)，主要驗(yàn)證了無人機(jī)的投放、飛行與回收；并計(jì)劃在2021年10—11月進(jìn)行新的飛行試驗(yàn)，主要驗(yàn)證“攜帶子無人機(jī)或彈藥，完成一項(xiàng)任務(wù)后，返回母機(jī)，再加油和重新武裝后發(fā)動(dòng)另一次攻擊”的重復(fù)使用功能。

目前，“小精靈”無人機(jī)的動(dòng)力形式尚未被披露，但從公開的數(shù)據(jù)看，“小精靈”無人機(jī)質(zhì)量為320kg、速度為Ma 0.8、有效載荷為50kg、作戰(zhàn)半徑為900km、續(xù)航3h、重復(fù)使用20次、采用空中回收方式，根據(jù)上述平臺(tái)指標(biāo)推測(cè)，須采用燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)才能滿足動(dòng)力要求。

無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)

近年來，無人機(jī)集群成為各國爭(zhēng)先研究的熱點(diǎn)，相關(guān)進(jìn)展主要包括：創(chuàng)新協(xié)同理論，探索集群協(xié)同的模式，包括無人機(jī)集群協(xié)同、無人機(jī)集群和有人機(jī)協(xié)同、無人機(jī)集群和大型載具協(xié)同、無人機(jī)集群和其他無人裝備跨域協(xié)同；強(qiáng)調(diào)體系協(xié)同，構(gòu)建分布式指揮架構(gòu)；加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，突破核心關(guān)鍵技術(shù)；加緊集群驗(yàn)證，形成非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)。

多個(gè)典型的研究項(xiàng)目表明，無人機(jī)集群的主要關(guān)鍵技術(shù)是集群控制，其難點(diǎn)主要來自于：質(zhì)量、功耗、空間和成本限制對(duì)機(jī)載通信、計(jì)算和存儲(chǔ)能力的約束；數(shù)量規(guī)模、任務(wù)耦合、局部信息不一致和無人機(jī)動(dòng)力學(xué)給集群控制和集群任務(wù)協(xié)同等帶來較多的挑戰(zhàn)。集群控制關(guān)鍵技術(shù)主要包括集群體系架構(gòu)、集群通信與組網(wǎng)、集群決策與規(guī)劃、集群無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、集群飛行與隊(duì)形重構(gòu)、集群安全與沖突消解、集群指揮控制等。其中，動(dòng)力技術(shù)只是平臺(tái)系統(tǒng)中的一部分，這與有人機(jī)研發(fā)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)占有的比重差異較大。

無人機(jī)集群的未來發(fā)展趨勢(shì)可簡(jiǎn)要概括為：群體智能，具有任務(wù)能力的無人機(jī)集群系統(tǒng)；多樣化任務(wù)，易擴(kuò)展互操作的集群體系結(jié)構(gòu)；分布式在線處理，協(xié)同包以德循環(huán)（即觀察—調(diào)整—決策—行動(dòng)，OODA）回路響應(yīng)時(shí)間和行為決策能力；意外事件處理，大規(guī)模集群協(xié)同飛行控制算法；低成本輕質(zhì)化，無人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)/載荷/通信系統(tǒng)；平行仿真，虛實(shí)結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)化開放性集群協(xié)同測(cè)試環(huán)境。

集群無人機(jī)動(dòng)力需求分析

結(jié)合上述項(xiàng)目的作戰(zhàn)目標(biāo)、參數(shù)指標(biāo)和動(dòng)力選取的異同可以看出，針對(duì)大國戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)或軍事作戰(zhàn)使用的戰(zhàn)略級(jí)集群無人機(jī)動(dòng)力應(yīng)具有如下需求與特點(diǎn)。

一是具有相對(duì)大的作戰(zhàn)半徑與航時(shí)，以適應(yīng)大國大縱深的防御與進(jìn)攻。與城市作戰(zhàn)不同，大國特種軍事作戰(zhàn)和反介入/區(qū)域拒止（A2/AD）作戰(zhàn)，無人機(jī)集群?jiǎn)⒂们暗倪\(yùn)載平臺(tái)與任務(wù)目標(biāo)應(yīng)有較遠(yuǎn)的距離，為保證執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能源供給，無人集群應(yīng)有相對(duì)較好的續(xù)航能力，在此方面燃?xì)鉁u輪動(dòng)力優(yōu)于純電動(dòng)力。

二是具有相對(duì)較快的飛行速度，以適應(yīng)集群為應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)狀況而隨時(shí)產(chǎn)生的密集編隊(duì)和稀疏編隊(duì)之間的多次變換。如針對(duì)無系統(tǒng)防御能力的地面低速目標(biāo)進(jìn)行打擊與偵察，無人機(jī)集群編隊(duì)情況比較簡(jiǎn)單，但是如果需要躲避來自地面或空中的系統(tǒng)性防御打擊，或者目標(biāo)為空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)、地面/海上快速移動(dòng)目標(biāo)（或目標(biāo)群），則無人機(jī)集群編隊(duì)情況需要根據(jù)面臨的打擊或任務(wù)目標(biāo)的位置變化，產(chǎn)生敏捷的密集與稀疏之間變換，此時(shí)無人機(jī)集群個(gè)體靈活度對(duì)動(dòng)力性能提出了較高的要求。

三是具有相對(duì)較大的有效載荷，以適應(yīng)面對(duì)高對(duì)抗強(qiáng)度作戰(zhàn)空域所需的ISR、電子戰(zhàn)、對(duì)面打擊和對(duì)空打擊（自殺式）等多種任務(wù)。這些有效載荷首先需要足夠的推力/升力，其次在高對(duì)抗強(qiáng)度作戰(zhàn)任務(wù)中，這些載荷需要消耗較多的能量，特別是ISR與電子戰(zhàn)，需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)具有相對(duì)較強(qiáng)的功率提取能力。

結(jié)束語

無人機(jī)集群的特點(diǎn)在“群”，帶來的關(guān)鍵技術(shù)是“協(xié)同”，包括無人機(jī)集群與裝備體系的協(xié)同和無人機(jī)集群內(nèi)部的協(xié)同，包括作戰(zhàn)管理、組網(wǎng)、自主編隊(duì)、態(tài)勢(shì)感知與共享、任務(wù)規(guī)劃與決策等，這些關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證，采用小型平臺(tái)即可，對(duì)應(yīng)動(dòng)力主要是純電驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。作為武器裝備執(zhí)行A2/AD戰(zhàn)場(chǎng)的任務(wù)，除了上述“協(xié)同”能力，還需要無人機(jī)平臺(tái)具有一定的航程/航時(shí)、速度和載荷，從經(jīng)濟(jì)可承受性的角度考慮，成熟渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或衍生發(fā)展型是主要?jiǎng)恿π问?。此外，隨著動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，混合電推進(jìn)也是待選的動(dòng)力方式。