就是要铺天盖地!美军正全面开展关键技术攻关-瞭望智库
瞭望智库

2016年5月12日   星期四   丙申年   四月初六

设为首页 | 加入收藏夹           中文站 | EN

就是要铺天盖地!美军正全面开展关键技术攻关

袁成 | 航空工业信息中心

发布日期:2019-04-24

导语:

诱惑太大,美军正全面开展无人机蜂群关键技术攻关!

4月17日,美空军发布的新版《科技战略》,为无人机蜂群技术的发展注入了一支强心剂。

看起来颇具科幻大片气质的这条发展之路,实际上并不平坦,存在诸多挑战。

 

正文:

一篇题为《蜂群:备战未来空战》的文章登上了4月号美国《空军》杂志封面。美空军负责采办、技术和后勤的助理部长威尔•罗珀对无人机蜂群的发展充满信心:“我认为这就是未来战争的样子。”

(美国《空军》杂志4月号封面)

相比传统战机,无人机蜂群将进一步推动空中作战从隐身单平台或小编队作战转向网络化、分布式、体系化作战,在对地、对海、对空侦察甚至攻击方面拥有颠覆性的作战能力,从而深刻影响未来空中作战样式。

诱惑不止在作战领域,研发无人机蜂群还将带动低成本有限寿命机体、发动机及人工智能等技术发展,可以更多地使用模块化、小型传感器等商用成果,促进军民融合,加速技术迭代。

然而,这条路并不平坦。

 

1.“无人机蜂群作战”到底是什么?

大自然向来都是人们进行装备设计的灵感来源,比如,受鹰击长空启发设计了飞机,观察鱼翔浅底启迪了潜艇的发明,这些灵感都来源于单个生物体。

然而,大自然中还有很多爱好集体行动的生物。虽然它们每个个体相对较小,但通过集群形成规模效应后,可以共同施行远超其个体能力的捕食或防御行为。

随着人工智能、通信组网和低成本制造等技术的不断进步,人们开始有能力模仿生物间的集体协同行为,并逐渐形成了无人机蜂群的概念。


(无人机蜂群设想)

20世纪90年代末,美军率先提出无人机蜂群作战概念,并开展了一系列概念完善和技术积累工作。

2015年9月,美空军在《空军未来作战概念》顶层战略文件中提出了无人机蜂群配合高超声速空地导弹作战的想定:

2035年,美军提出利用高超音速导弹攻击敌高能激光防御系统,并首先由4架运输机投放200架高亚音速小型无人机蜂群,抵近实施侦察和干扰。由于探测和火力通道被无人机蜂群饱和,敌激光防御系统未能及时发现高超声速空地导弹,使其很容易被摧毁。

2016年5月,美空军发布了首份专门针对小型无人机系统的《2016-2036年小型无人机系统飞行规划》,进一步明确了无人机蜂群及其作战概念:

无人机蜂群由若干配备多种任务载荷的低成本小型无人机组成;

它们参照蜜蜂等生物的集体行动模式,在操控人员的指挥或监督下,通过自主组网遂行统一作战任务;

构成蜂群的无人机可以是相同的(同构),也可以是不同的(异构);

组群方式可以是主从型的,也可以是无中心的。

由此可看出,目前在商业娱乐领域较为成熟的可以摆出各种形状的无人机集群,并不属于美军定义的无人机蜂群,因为它们中的每一架都是程序控制飞行,无人机之间并无通信联络。

另外,无人机蜂群同最近同样炙手可热的忠诚僚机在人-机协同方面也存在差异。

根据《规划》描述,在忠诚僚机概念中,有人机飞行员负责管理每架忠诚僚机的作战行动,僚机与僚机之间协同较少。

而在无人机蜂群概念中,特别注重无人机之间的自主协同,有人机飞行员只对蜂群整体进行作战管理。在这种情况下,可以大致把无人机蜂群整体看成1架忠诚僚机。

(高度网络化互联的无人机蜂群)

在低对抗环境下,无人机蜂群由C-130运输机投送,除执行情报、侦察、监视任务外,还能配合中空长航时无人机实施动能打击和为AC-130空中炮艇提供目标指示;

而在强对抗环境中,无人机蜂群将由B-2隐身轰炸机投送,而且还新增加了对空/对地电子攻击、压制/摧毁敌防空火力等功能。

同年8月,美国防部发布《2017-2042财年无人系统综合路线图》,首次将人工智能和机器学习列为影响无人系统发展的一个支撑因素,表示其将在推动蜂群行动等方面具有巨大潜力。


(低对抗环境下无人机蜂群作战)

 

2.将在多种战争形态下发挥重要作用

相比F-22、F-35等传统高性能战机,无人机蜂群集群规模大、单机成本低,因此具有许多优势,例如:

通过大范围分布,具备较强态势感知和压制或摧毁敌防空系统能力;

抗毁能力强,部分无人机损失后,蜂群仍可完成任务;

单架无人机的成本远低于传统防空导弹,可增加敌防御成本;

作战灵活性强,可与多种飞机和武器协同(与少量高性能有人/无人平台组成体系作战编队),作为主战装备群执行任务;

等等。

因此,按照设想,除了对目标发起攻击之外,未来无人机蜂群将在对地、对海、对空、城市巷战等多种作战场景中发挥多种重要作用。

*对地作战


(无人机蜂群对地作战)

由于当前的防空导弹系统主要针对F-15等传统战机设计,因此无人机蜂群可以利用数量规模,形成非对称的作战优势,还可以执行以下任务:

情报监视侦察:大量小型无人机可携带各类传感器同时针对地面目标开展情报监视侦察行动,通过融合多种来源的信息提高任务执行的速度和准确性。

压制防空系统:目前的防空导弹雷达系统只能跟踪和锁定有限数量的目标,因此大量无人机群可以饱和攻击敌防空雷达跟踪和瞄准通道,瘫痪敌防空系统,即能保证友机快速通过敌方区,又可为打击敌防空系统提供支持。

充当诱饵:无人机蜂群可组成与有人机相似的信号特征,消耗敌昂贵的防空导弹。

对地电子压制:蜂群中的部分无人机可携带电子对抗装置,干扰敌地面电子设备。

战毁评估:无人机蜂群被击落部分个体仍可实施作战任务,因此可以深入敌方区完成关键目标的损伤评估。

*对海作战

无人机蜂群反舰的作用也不小,利用大型水面舰艇价值高、目标大、机动能力较差等不足,对其开展饱和攻击;还可配装至两栖登陆舰或驱逐舰,作战时率先前出侦察和定位沿海和滩涂的敌人,甚至可以直接开展自杀式对地攻击,支持抢滩登陆。


(无人机蜂群反舰)

*对空作战

反无人机蜂群:随着无人机蜂群研究的不断深入,各类反无人机蜂群技术也开始浮出水面,以其人之道还治其人之身即有效手段之一。

对空电子压制:可在空中组成一面广阔的电子对抗阵列,对敌来袭军机或武器实施电子作战。

*城市巷战

无人机蜂群可飞临每栋建筑,观察、发现狙击手等目标,并引导地面火力予以清除;

携带烟雾发生器,通过烟雾掩护地面友军前进;

可在友军地面部队周围形成“无人机墙”,抵御敌来袭火力。


(巷战无人机蜂群)

*心理战

大批无人机同时突然飞临战场,势必对敌造成极大震撼,形成心理战效果。

此外,无人机蜂群还可执行弹药、医疗物品空投补给和战场气象监测等支援任务。

 

3.赢在未来,美军正全面开展关键技术攻关

研发无人机蜂群的诱惑不止在作战领域,还将带动低成本有限寿命机体、发动机及人工智能等技术发展,可以更多地使用模块化、小型传感器等商用成果,促进军民融合,加速技术迭代。

近几年,在感知、数字化、组网和先进人工智能等技术支持下,无人机蜂群进入了发展快车道。美军正全面开展无人机蜂群的关键技术攻关,启动多个项目推进至飞行演示验证。

“灰山鹑”

2014年,美国防部战略能力办公室启动了“无人机蜂群”项目,试验平台为麻省理工学院的“灰山鹑”一次性微型无人机。其长16.5厘米、重0.3千克、续航时间大于20分钟、时速约为75-110千米。

2016年,项目演示了103架“灰山鹑”空中快速投放和按指令组群飞行,创下国外军用无人机蜂群最大规模飞行纪录。

试验中,“灰山鹑”蜂群未预先编写飞行程序,展现了集体决策、自修正和自适应编队自主协同飞行能力。


(灰山鹑无人机)

“郊狼”

2015年,海军研究办公室实施了“低成本无人机技术蜂群”项目,试验平台为雷神公司“郊狼”小型无人机,其长91厘米、重5.9千克、时速110千米。

2016年,项目完成在30秒内投放30架“郊狼”的试验,验证了“郊狼”蜂群的自主编队飞行、队形变换、协同机动能力。

2018年6月,美海军授予雷神公司2968万美元合同,生产“低成本无人机蜂群技术创新海军原型机”。


(郊狼无人机蜂群正在地面发射)

“小精灵”

国防部国防高级研究计划局(DARPA)2015年推出“小精灵”项目,研究小型无人机蜂群的空中投放/回收等关键技术。

“小精灵”无人机的最优性能目标为:作战半径926千米,作战半径处可巡逻3小时,设计载重54.5千克,最大速度不小于马赫数0.8,最大发射高度超过12192米,载荷所需功率1200瓦,设计寿命为使用20次,出厂单价低于70万美元。

“小精灵”无人机的空中投放/回收系统设计参考了成熟的空中加油系统,由绞车、线缆、线缆末端的对接装置、机械爪等部件组成。回收时无人机与对接装置在空中对接,之后由机械爪抓进机舱。

项目将在2020年1月开展C-130运输机空中投放和回收多架机的试验。


(小精灵无人机空中发射回收系统)

另外,DARPA还通过“进攻蜂群战术”、“拒止环境协同作战”和“协奏曲”等项目,发展无人机蜂群巷战战术、自主协同和小型多功能传感器等多项关键技术。

 

4.不能输在起跑线上?蜂群成为各国新宠

英国在无人机蜂群研发方面紧随美国之后。

2016年9月,英国国防部发起奖金达300万英镑的无人机蜂群竞赛,参赛的蜂群完成了信息中继、通信干扰、跟踪瞄准人员或车辆、区域绘图等任务。

2019年1月,美国空军研究实验室(AFRL),英国国防科学技术实验室(DSTL),莱特兄弟研究所和戴顿大学研究所表示正计划举办一场竞赛,探索如何利用自主无人机蜂群执行搜索救援任务。竞赛围绕绘制野火地图展开,促使参赛团队探索全新、高效和灵活任务规划以开发无人机蜂群的搜索和救援能力。

2月,在英国皇家联合服务研究所的国防智囊团演讲中,英国国防大臣加文•威廉姆森表示,该国计划部署具有网络能力的蜂群无人机中队,用于“迷惑”敌人和“击溃”敌方防空系统。

3月,英国国防部国防和安保加速器(DASA)机构在“很多无人机使作战轻松”项目中授予蓝熊系统研究公司250万英镑,研究无人机蜂群技术,最终将进行真实的飞行演示验证。

英军设想,无人机蜂群通过与F-35和台风战斗机一起作战,这将允许飞行员进行更精确和更具毁伤力的作战,同时也会更加高效和安全。

俄、韩等国也披露了无人机蜂群的作战概念。

俄无线电电子技术集团在2017年透露,未来战斗机可采用1架机或2架机与20-30架蜂群无人机协同作战样式,执行空空作战、对地打击、空中侦察等任务。

韩国陆军也在同年称正以朝鲜的弹道导弹阵地和核试验设施为目标,大力发展无人机蜂群技术,首先用于侦察,后续用于打击。

 

5.要真正服役,还须突破重重难关!

(“2030科技战略”中的无人蜂群配图)

无人机蜂群虽然拥有上述优势,可以执行多种作战任务,但其发展并非一路坦途,仍存在诸多挑战减缓其进入部队服役的进程。

在技术方面,无人机蜂群对协同和自主的要求更高,而且要建立管理大规模蜂群的全新指挥控制模式,因此需要攻克一批关键技术,如协同作战算法、集群个体间通信、远程指挥控制、空中发射/回收、降低成本、可损耗机体设计、小型高性能推进系统等。

在作战流程方面,无人机蜂群作战主要分为投放、进入战场、作战、退出战场和回收等几步。现在人们讨论最多的是无人机蜂群在抵达目标上空后如何作战,一些重要问题被忽略了,比如

无人机蜂群在何平台发射?

以何种编队进入战场?

怎么与有人平台配合?

作战完成后是否回收、以何种方式回收?

等等。

要知道,如果不以全作战流程视角设计无人机蜂群,较难取得装备开发决策人员的支持。

在作战能力验证方面,无人机蜂群因为整体数量多,个体体积小和成本低等特征,可以获得上述作战优势,但是这些特征反过来也会让蜂群体现出对网络依赖度高、作战半径小、留空时间短、机载传感器性能低、发射回收平台易被敌击毁等先天劣势。

因此,其作战能力到底如何,恐怕还需在真实作战环境开展实战化演习才能得到验证,例如让无人机蜂群和传统战机执行相同的全流程作战任务,检验其是否拥有颠覆性的作战能力。

但是,美军并不了解如何对无人机蜂群开展试验,例如空军负责采办、技术和后勤的助理部长罗珀在今年2月表示,目前在美国甚至很难找到无人机蜂群的试验靶场。

在部队文化方面,美国空军在接受新鲜事物方面往往谨小慎微,可能还需要更高层领导再次“强推”。

就像其最初并不认可隐身作战飞机和无人机,只能通过国防部“强推”等手段使其被迫接受。事实上,F-117隐身飞机和MQ-1“捕食者”察打一体无人机等经过实战检验,确实变革了现代空战。

根据美军设想,无人机蜂群未来可在强对抗环境中与F-35等高性能有人战机配合执行主战任务。但是,从现状来看,美军无人机主要在伊拉克、叙利亚等弱对抗环境中承担侦察或察打一体等作战任务。

美国空军是否接收承担主战任务的无人机,进而改变作战中队的机队编成和指挥官的使用习惯?现在仍需观察。

另外,类似无人机蜂群这种高度自主的作战系统面临的最大挑战就是如何取得人类的信任。

无人机蜂群自主规划的飞行路线是否合理?

它们能完成交待的作战任务吗?

能否放心地让无人机蜂群自主执行杀人任务?

当下,人工智能系统对人类来说只是一个“黑箱”,我们不能理解其是如何做出决策的。未来只有发展出可解释的人工智能系统,让人类了解其思考、推理的过程,才能让作战人员真正信任包括无人机蜂群在内的自主作战系统。

尽管无人机蜂群的发展道路并不平坦,但是2019年4月17日美空军发布的新版《科技战略》为其注入了一支强心剂。

该战略文件在阐述“复杂性、不可预测性和规模”战略能力时特别提及了无人机蜂群并配图。说明其极有可能成为空军未来的重点发展对象,加速关键技术研发、原型机演示验证和进入部队服役的进程。

 

(本文图片均来源于网络)

 

来源:约稿

版权所有,未经授权不得转载

瞭望智库紧扣“国家政策研究、评估和执行反馈”这一核心业务定位,利用新华社内外智力资源, 连接全球主要智库,服务中央决策和新华社调查研究,发挥政治建言、理论创新、舆论引导、社会服务、公共外交等功能, 在社会上形成广泛的知名度和影响力。

学术合作:韦薇 vickycedar@qq.com

商务合作:陈晶 13910894987 赵沁珩 15201538826

通讯地址:北京市东城区永定门西滨河路8号中海地产广场东塔16层.100077

客服邮箱:liaowangzhiku@outlook.com

©2015 瞭望智库(北京)科技发展有限公司 京ICP备10031607号-3