美國國防高級研究計劃局新興技術(shù)發(fā)展分析

2018-01-15 09:28:49王璐王友利鄭義北京航天長征科技信息研究所

國際太空 2017年12期

王璐王友利鄭義（北京航天長征科技信息研究所）

1 引言

2017年3月22日，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在美國政府聯(lián)邦商機網(wǎng)發(fā)布《戰(zhàn)略技術(shù)》廣泛機構(gòu)公告，旨在尋求創(chuàng)新思想和突破性技術(shù)，增強美國重大軍事能力，應(yīng)對不同層面和不同環(huán)境的沖突。美國目前面臨的不同層面的沖突包括從實兵對抗交戰(zhàn)到模糊復(fù)雜的“灰色區(qū)域”沖突，而不同的沖突環(huán)境則包括從條件惡劣的偏遠地區(qū)到密集的大城市等多種類型的環(huán)境。為達到這些目標(biāo)，美國國防高級研究計劃局開展一系列突破性技術(shù)的研究，使分散的裝備發(fā)揮整體作戰(zhàn)效能。本文重點介紹美國國防高級研究計劃局在分布式能力、高超聲速打擊武器和定向能等方面開展的突破性研究工作，這些能力可在反介入/區(qū)域拒止（A2/AD）環(huán)境中發(fā)揮重要作用，提供可信的全球打擊能力。

2 分布式能力

隨著美國國防預(yù)算的不斷縮減，裝備采辦壓力也越來越大。在這種情況下，美國國防部原副部長沃克在2014年下半年首次提出“第三次抵消戰(zhàn)略”。為支持“第三次抵消戰(zhàn)略”，美國國防部于2015年提出將重點發(fā)展以下5個技術(shù)領(lǐng)域：①具有自主學(xué)習(xí)能力的機器；②人機協(xié)作；③“人類作戰(zhàn)輔助系統(tǒng)”；④有人/無人作戰(zhàn)編隊；⑤針對網(wǎng)絡(luò)（攻擊）和電子戰(zhàn)環(huán)境進行加固的“網(wǎng)絡(luò)賦能自主武器系統(tǒng)”。

將這些能力整合到一起可以形成新的力量架構(gòu)。與傳統(tǒng)的將所有功能集中到一個平臺上相比，將各種能力分散在多個網(wǎng)絡(luò)互連的平臺上，能夠增強靈活性、拓展性和專業(yè)性，分布式作戰(zhàn)概念應(yīng)運而生。

分布式系統(tǒng)還面臨許多挑戰(zhàn)，例如平臺研發(fā)，人機接口，安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通信，以及整體系統(tǒng)架構(gòu)/指揮和控制。美國國防高級研究計劃局內(nèi)部將該類方案稱為“系統(tǒng)的系統(tǒng)”（SoS）方案。

美國國防高級研究計劃局在分布式能力研究方面開展的典型項目包括：①“小精靈”項目，發(fā)展低成本分布式無人機群；②“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”（ALIAS）項目，通過機器學(xué)習(xí)能力提高人機協(xié)作的有效性，同時完善人機界面（HSI）；③“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目，研究人機編隊和半自動化協(xié)作的算法。

“小精靈”項目

“小精靈”項目是研究由多個無人機平臺組成的系統(tǒng)，可避免有人作戰(zhàn)平臺在保障維護和復(fù)雜防御方面的高額成本。

“小精靈”飛行器設(shè)計為空中發(fā)射和空中回收。為降低成本，飛行器的體積必須很小，因此航程有限。為克服這一缺點，“小精靈”項目采用較大的載機（包括轟炸機、戰(zhàn)斗機和運輸機），將無人機群運輸至攻擊區(qū)域的邊緣再進行投放?！靶【`”飛行器為可重復(fù)使用，每一次的運行成本遠遠低于巡航導(dǎo)彈或傳統(tǒng)彈藥。項目目前的概念設(shè)計和飛行演示動畫顯示，空中回收是將飛行器收回到一個貨艙中，如何避免回收時碰撞載機是最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。設(shè)計主要關(guān)注捕獲過程的3個關(guān)鍵階段：首先，基于無人機空中加油項目驗證的精確導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)對目標(biāo)的軟捕獲；其次，利用機械臂技術(shù)實現(xiàn)對無人機的硬捕獲，在此過程中無人機氣動面收起、發(fā)動機關(guān)機，避免碰撞載機；最后，無人機被收入貨艙、放至貨架?？罩谢厥占夹g(shù)的演示目標(biāo)是在30min內(nèi)回收4架飛行器。

“小精靈”飛行器可攜帶光電傳感器執(zhí)行態(tài)勢感知、目標(biāo)確認(rèn)等任務(wù)，如果有足夠的功率還能執(zhí)行電子攻擊；也可攜帶彈頭打擊半加固型目標(biāo)。

“小精靈”飛行器的速度至關(guān)重要。若速度Ma達到0.7以上，已經(jīng)快于現(xiàn)有的無人飛行器，在投放載荷時會更加靈活。此外，高速化也可使“小精靈”與其他打擊裝備編隊，或作為先頭部隊執(zhí)行滲透作戰(zhàn)任務(wù)。提高速度和飛行高度可增強生存能力，避開傳統(tǒng)小型防空武器和單兵便攜式防空武器的攻擊。機身尺寸較小，可降低被監(jiān)測到的幾率，這也是未來武器系統(tǒng)設(shè)計的重要考量之一。

空中發(fā)射和空中回收解決了“全球敏捷性”的幾項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。利用目前的全球機動裝備，從美國本土出發(fā)，可在36h內(nèi)將“小精靈”飛行器部署到世界任何地區(qū)?？罩谢厥占夹g(shù)可加快循環(huán)使用時間，飛行器可以快速的完成加油、檢查，并再次投入使用。

“小精靈”飛行器主要性能指標(biāo)

“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)射與回收能力目標(biāo)

“小精靈”是實現(xiàn)分布式能力的重要方案。如果僅重視優(yōu)化平臺質(zhì)量而忽略平臺數(shù)量的發(fā)展，在低要求環(huán)境中使用高價值作戰(zhàn)平臺，會造成浪費。分布式低成本平臺利用數(shù)量優(yōu)勢，可根據(jù)不同任務(wù)需求進行編排。在高要求環(huán)境下，可增加數(shù)量使敵方的防御系統(tǒng)飽和。當(dāng)執(zhí)行簡單任務(wù)時，可部署少量平臺。當(dāng)面對經(jīng)濟上匹敵的對手時，成本效率是必要的戰(zhàn)略考量因素。

2017年3月15日，美國國防高級研究計劃局選擇通用原子航空系統(tǒng)公司（GA-ASI）和動力系統(tǒng)公司（Dynetics）進入項目第2階段。兩家公司將設(shè)計全尺寸驗證方案，在地面試驗驗證關(guān)鍵技術(shù)，并對安全系統(tǒng)和發(fā)射回收系統(tǒng)開展飛行試驗。在第2階段，“小精靈”項目將通過初步設(shè)計評審（PDR），并將在2018年初進入第3階段。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”

平臺研發(fā)僅是發(fā)展分布式能力的眾多挑戰(zhàn)之一，與作戰(zhàn)人員的有效結(jié)合也十分重要。美國國防高級研究計劃局計劃通過“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”（ALIAS）項目，進一步發(fā)展人機協(xié)作和機器自主學(xué)習(xí)能力。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”項目旨在研發(fā)能安裝在現(xiàn)有飛行器上的新型自動化系統(tǒng)，從而提高任務(wù)有效性和安全性，同時減少執(zhí)行任務(wù)所需的機上人員。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須先推動機器自主學(xué)習(xí)能力和人機協(xié)作的發(fā)展。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”項目的關(guān)鍵是智能處理核心，可進行飛行管理和系統(tǒng)分析。通過知識獲取系統(tǒng)將信息輸入到系統(tǒng)中，語言處理系統(tǒng)進行加工后再細(xì)分至不同的邏輯框架中，通過智能處理核心進行查找。機器可以快速地獲取已存儲的相關(guān)知識，完成各種飛行機動，也可以通過專業(yè)的技術(shù)人員對系統(tǒng)進行授課。數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要，可以由專業(yè)技術(shù)人員進行完善?！皺C組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”可對現(xiàn)狀進行分析，并將任務(wù)狀況反饋給飛行員。此時的飛行員將作為任務(wù)協(xié)調(diào)者而不是技術(shù)人員，主要開展高級別操作。此外，智能處理核心還可以處理系統(tǒng)異常，如發(fā)動機故障等。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”項目還在研發(fā)一個感知系統(tǒng)，可以模擬任何復(fù)雜的計算機算法，測量和監(jiān)測任務(wù)中所有關(guān)鍵的參數(shù)，例如空速、高度、燃料狀態(tài)、方位、分析系統(tǒng)狀態(tài)和飛行器性能等。

將操作人員作為人機狀態(tài)中的一個參數(shù)，是該項目的一個革命性進展。攝像機可以捕捉飛行員的姿態(tài)和反應(yīng)，測量飛行員的注意力，使用飛行員耳機和頭盔中安裝的腦電圖（EEG）傳感器直接監(jiān)測飛行員的腦電波。監(jiān)測飛行員的表現(xiàn)可以使“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”判斷人員是否疲憊，最終在“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”和操作人員之間建立更有效的雙向交流。此外，傳統(tǒng)的自動駕駛儀采用單一路徑失敗模式，在遇到緊急情況時飛行員接管控制?！皺C組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”采用三重冗余飛行控制致動器，可靠性大幅提升。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統(tǒng)”的最終目標(biāo)是實現(xiàn)飛行器自主飛行，像人一樣操作。在該系統(tǒng)中，飛行員可不在機艙內(nèi)工作，通過算法將人類意圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的半自動指令。簡化操作后，一個飛行員可同時操作多架飛行器。

拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)

人機編隊和半自動協(xié)作是十分重要的能力，也是美國國防高級研究計劃局“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目的核心概念。該項目旨在研發(fā)先進自動算法和監(jiān)測控制技術(shù)，以提高在拒止環(huán)境中無人機或先進導(dǎo)彈的性能，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域有：①協(xié)作自動化；②飛行器自動化；③監(jiān)測接口；④分布式系統(tǒng)的開放式架構(gòu)。關(guān)鍵的技術(shù)改進主要是傳感、打擊、通信和導(dǎo)航方面的自動協(xié)作，降低對通信寬帶和人機接口的要求。

傳統(tǒng)巡航導(dǎo)彈執(zhí)行打擊任務(wù)是單一作戰(zhàn)。如果能實現(xiàn)自動化協(xié)作，幾個巡航導(dǎo)彈將組成協(xié)作搜索編隊，采用多個傳感器和方位角，提高目標(biāo)定位的精度。即便GPS失效也不會受到影響，只要知道目標(biāo)的相對位置就可以實現(xiàn)殺傷鏈的閉環(huán)。一旦確定目標(biāo)，幾個巡航導(dǎo)彈將包抄目標(biāo)，同時進行打擊，令導(dǎo)彈防御系統(tǒng)難以攔截。協(xié)同作戰(zhàn)能顯著提高效率，降低齊射規(guī)模。

協(xié)同作戰(zhàn)的另一個重要優(yōu)勢是相干無線電頻率效應(yīng)。攜帶精確時鐘的多個平臺發(fā)射的波形，并能夠組合到一起。4個協(xié)作平臺產(chǎn)生的相干組合信號傳輸功率可提高16倍。大量信號的相干組合效應(yīng)能顯著提高偵察和通信范圍，突破敵方干擾。

在充滿挑戰(zhàn)的無線電頻譜環(huán)境中，有效利用可用的帶寬對于協(xié)同作戰(zhàn)也十分重要，項目目標(biāo)是在編隊中形成一個通用的態(tài)勢感知圖。

任務(wù)指揮官控制大量的半自動化無人飛行器對人機接口提出新要求。核心挑戰(zhàn)是在間歇的拒止通信環(huán)境中，如何與多架無人機進行信息交互?！熬苤弓h(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”項目開發(fā)了一套任務(wù)規(guī)劃工具和接口，將準(zhǔn)確的信息提供給操作人員，讓他們能夠正確的控制機器。

開放式架構(gòu)是開發(fā)“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”通信結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有系統(tǒng)和新的設(shè)計必須在一個不斷改進的環(huán)境中融合。

3 高超聲速打擊武器

2017年9月，美國國防高級研究計劃局宣布美國軌道-ATK公司將承擔(dān)新啟動的“先進全速域發(fā)動機”（AFRE）項目科研工作。該項目旨在開發(fā)一種可重復(fù)使用的全尺寸碳?xì)淙剂贤七M系統(tǒng)并對其進行地面演示驗證，該推進系統(tǒng)可在Ma為0～5，或者5以上的全速域范圍實現(xiàn)連續(xù)無縫運行，以確保快速響應(yīng)的高超聲速飛機在拒止環(huán)境下完成情報、監(jiān)視和偵察任務(wù)。美國國防高級研究計劃局也在同步開展高超聲速飛機概念設(shè)計研究，為AFRE項目提供更加詳細(xì)的飛機性能指標(biāo)牽引。近幾年，美國國防高級研究計劃局在高超聲速武器研發(fā)方面連續(xù)推出多項計劃。例如“戰(zhàn)術(shù)助推滑翔”（TBG）項目，旨在發(fā)展、驗證戰(zhàn)術(shù)射程的空射高超聲速助推滑翔系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；以及“高超聲速吸氣式武器概念”（HAWC）項目，旨在開展高超聲速巡航導(dǎo)彈的演示驗證。這兩個項目均與美國空軍聯(lián)合開展，計劃在2019年開展首飛試驗。此外，美國國防高級研究計劃局還開展了“試驗型太空飛機”項目。2017年5月，美國國防高級研究計劃局宣布波音公司將承擔(dān)試驗型太空飛機－1項目第二和第三階段的研制工作，以研制一種有望降低發(fā)射成本的可重復(fù)使用一子級。

對抗A2/AD環(huán)境的第二種途徑即使用防區(qū)外遠程打擊武器。紅外搜索與跟蹤、全光譜雷達技術(shù)的發(fā)展，加劇了大多數(shù)空中平臺的突防難度。高超聲速防區(qū)外打擊武器的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了這種局面，在打擊過程中保障了發(fā)射平臺的安全性。此外，1.6km/s的飛行速度能保證作戰(zhàn)快速響應(yīng)和靈活性。一個平臺可以同時發(fā)射多個高超聲速打擊武器，在10min以內(nèi)打擊1600km范圍的任意目標(biāo)?？焖夙憫?yīng)能力在打擊機動目標(biāo)或發(fā)動突然襲擊時十分重要。

B－52載機可以攜帶大量高超聲速打擊武器，在敵方防區(qū)外投射武器，能有效對抗最嚴(yán)峻的防御環(huán)境。研發(fā)能從戰(zhàn)術(shù)平臺發(fā)射的武器將給指揮官提供更多選擇。因為類似B－52的隱身轟炸機數(shù)量有限，所以在執(zhí)行多領(lǐng)域任務(wù)時靈活性有限。另外，投資大量的一次性武器也比購買大量昂貴的平臺更劃算。通過提升打擊武器的性能、減少所需的平臺數(shù)量，在有限的經(jīng)費條件下是十分必要的。最后，隱身技術(shù)與探測技術(shù)的競爭博弈仍在持續(xù)，因此具備有效的防區(qū)外打擊能力才能提供重要的作戰(zhàn)保障。

高超聲速飛行器未來的武器化發(fā)展應(yīng)該關(guān)注通信、目標(biāo)傳感器、成本適當(dāng)?shù)母邷夭牧稀⒅圃旆椒ê妥鲬?zhàn)方案等方面。

除美國外，其他國家也在發(fā)展高超聲速技術(shù)。例如，印度的高超聲速巡航導(dǎo)彈——布拉莫斯Ⅱ。高超聲速打擊武器將很快出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，很有可能掌握在對手的手中。因此，美國認(rèn)為更應(yīng)該繼續(xù)發(fā)展高超聲速打擊武器：鑒于高超聲速武器難以防御，必須加強對敵方武器系統(tǒng)的了解，研發(fā)有效的防御策略，降低潛在威脅。

美國國防高級研究計劃局和美國空軍研究實驗室（AFRL）以X－51A等成功經(jīng)驗為基礎(chǔ)，繼續(xù)發(fā)展可實現(xiàn)的作戰(zhàn)系統(tǒng)。為達成目標(biāo)，還需開展進一步的研究工作，包括開展足夠的試驗并建造研發(fā)設(shè)施；繼續(xù)推進熱防護、材料和結(jié)構(gòu)、高超聲速飛行控制和推進等技術(shù)的成熟。

4 定向能

目前，美國的彈載高功率微波戰(zhàn)斗部技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)飛機機載激光武器技術(shù)正在取得突破。美國國防高級研究計劃局的150kW“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”（HELLADS）項目從2015年夏季開始在白沙導(dǎo)彈試驗場進行試驗。另外，美國國防高級研究計劃局正在尋求一個更小型的激光武器系統(tǒng)使之可以安裝在載人或無人載具上，同時使用一個小型的光束定向裝置來追蹤和打擊目標(biāo)。激光打擊武器無聲無息、定位精準(zhǔn)且持續(xù)不斷，可向軍事作戰(zhàn)策劃人員提供新的備選方案。

高能機載激光器是航空防御領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，也是未來一種重要的進攻性打擊力量。與傳統(tǒng)的化學(xué)激光器相比，固態(tài)光纖激光器具有更好的魯棒性，體積更小巧，更適用于作戰(zhàn)環(huán)境。光纖激光陣列、光束合成和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都預(yù)示著高能激光器具備較好的發(fā)展前景，激光功率能夠達到數(shù)百千瓦的量級。

先進導(dǎo)引頭的應(yīng)用對飛機平臺構(gòu)成直接威脅，需要發(fā)展新型防御系統(tǒng)。從尺寸、質(zhì)量和能量等方面考慮，大型飛行器裝配新一代高能光纖激光器進行防御成為首選方案。利用高能激光器取代現(xiàn)有的紅外對抗系統(tǒng)，可以摧毀來襲導(dǎo)彈而不僅僅是實施干擾。此外，摧毀一個小型防空導(dǎo)彈所耗費的能量遠小于打擊敏感軍事目標(biāo)所需的能量。因此，發(fā)展防御系統(tǒng)是高能激光系統(tǒng)投入作戰(zhàn)應(yīng)用的第一步。通過光束合成方法，光纖激光器組件能迅速升級；輸出功率的主要限制因素是載機平臺上的電源和冷卻能力。

進攻型激光武器具有多種重要的作戰(zhàn)優(yōu)勢。首先，機載光纖激光器的彈藥量和打擊頻次，僅取決于載機的電源能力；第二，激光具有不可見、無聲的優(yōu)點；第三，通過實時反饋,激光武器有著極高的精度，并可持續(xù)更新打擊方位；最后，激光的速度如同光速，打擊幾乎是瞬間完成的。

機載激光器的另一個重要技術(shù)進展是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。該技術(shù)可以根據(jù)實際情況調(diào)整輸出光束，抵消大氣造成的光束畸變。解決這一問題的傳統(tǒng)方法是在光學(xué)路徑上放置一個可變形的透鏡；新的方法是采用相控陣技術(shù)，由各獨立、可控的激光器元素組成一個陣列，美國國防高級研究計劃局的“神劍”項目對該技術(shù)進行演示驗證。美國國防高級研究計劃局于2012年開展的“神劍”項目尋求開發(fā)相干光學(xué)相控陣技術(shù)；采用低功率、電驅(qū)動的光纖激光器陣列，得到高質(zhì)量的光束，能夠穿透紊亂的大氣?？蓴U展的光纖激光器比現(xiàn)有的化學(xué)激光系統(tǒng)輕10倍，并且更加緊湊?！吧駝Α表椖繛楹罄m(xù)的研究工作鋪平道路。采用光束合成和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的光纖激光器，解決了此前激光武器發(fā)展中遇到的問題，目前屬于中等風(fēng)險投資項目，有著高回報的發(fā)展?jié)摿?，美國國防高級研究計劃局和空軍研究實驗室都在繼續(xù)發(fā)展定向能技術(shù)。在未來的戰(zhàn)場上，激光武器將發(fā)揮重要作用。

5 小結(jié)