美國國防高級研究計劃局“小精靈”項目

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射和回收等關鍵技術，支撐美軍為著眼大國對抗而大力發展的分布式空中作戰概念。該作戰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樣式和裝備發展思路，給敵防御帶來重大挑戰，也將是大幅降低作戰成本的重要途徑。

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對其現役空中裝備的威脅極大，2020年左右B-2將在反介入/區域拒止環境中面臨生存威脅。經過長研制周期推出的高成本現役裝備如被大量擊落，必將嚴重削弱美空中作戰能力。因此，美國防部正在考慮以全新作戰概念牽引出更低成本、更高戰力的作戰裝備，以維持對主要假想敵壓倒性的軍事優勢。

近年來，以機器學習、自主作戰為代表的人工智能技術在軍事領域取得了快速發展，例如2016年6月，辛辛那提大學的“阿爾法”人工智能系統（非谷歌公司的“阿爾法”）在模擬空戰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展奠定重要基礎。而DARPA和空軍研究實驗室（AFRL）目前也在全力攻克認知電子戰技術，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，用人工智能技術武裝相對廉價空戰平臺產生新質作戰能力，成為美軍重塑復雜軍用系統的重要途徑，并形成了分布式空中作戰概念。該概念的內涵是：大量功能單一的小型低成本無人機分解傳統大型多功能平臺的各項能力，在空戰管理員有限介入和人工智能技術的支持下，各平臺協同配合，以群體形式完成作戰任務。

分布式空中作戰的實現，需突破空中發射和回收、機體平臺、協同作戰、開放式系統架構及戰場管理等多類技術。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射和回收、經濟可承受機體平臺設計等技術的創新性方案。

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射迅速等優勢。因此，“小精靈”項目的主要目標便設定為探索小型無人機集群空中發射和回收的可行性，并開展演示驗證試驗。根據DARPA的設想，“小精靈”無人機集群將在敵防區外由包括運輸機、轟炸機和戰斗機在內的各類平臺發射，在滲透到敵防區內之后針對特定目標共同執行情偵監、電子攻擊或地理空間定位等作戰任務。任務完成后退出敵防區，并由C-130運輸機完成空中回收。

“小精靈”項目的最優性能目標如下。在“小精靈”無人機方面，作戰半徑926千米;作戰半徑處的巡航時間3小時;設計載荷54.5千克，最大航速不小于馬赫數0.8;最大發射高度超過12 192米;推進系統可在當前技術基礎上設計全新型號，也可以使用現役發動機或其改型，載荷所需功率1200瓦;載荷類型為模塊化設計的射頻和光電/紅外系統，并可實施基地級更換：設計壽命為使用20次：出廠單價（不包括載荷）小于70萬美元。在“小精靈”作戰系統方面，大型平臺具備發射超過20架無人機的能力;在小于30分鐘時間內回收大于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射的時間不超過24小時;無人機發射或回收平臺的改裝成本（不包括指揮和控制系統）不應超過200萬美元。

DARPA指出，為了實現項目的作戰設想和性能指標，需要突破以下關鍵技術：創新的空中發射和回收技術;低成本、可損耗機體設計;有限壽命設計;高精度氣動分析;氣動彈性分析;蒙特卡洛仿真;自動的發射波次策略;高準確度數字式飛控系統，精確相對導航;空中加油技術;高效小型渦輪發動機;油箱自動惰化和發動機自動關閉;小型分布式載荷集成;模塊化載荷能力;精確戰位保持;發射和回收平臺低成本改裝技術等。

美軍認為，F-35等型號的研發周期長，全壽命周期成本高，未來在強對抗環境中難以取得壓倒性的空中優勢

項目的研究階段

“小精靈”項目的研究周期設定為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季度持續至2017財年第1季度，DARPA將選出4家承包商開展“小精靈”作戰系統的概念化權衡研究、設計“小精靈”演示驗證系統、發展技術成熟計劃;第2階段將從2017財年第2季度持續至2018財年第3季度，經過競爭勝出的2家承包商將進一步成熟第1階段發展的技術，并開展系統初步設計和風險降低驗證;第3階段將從2018財年第3季度持續至2020財年第2季度，DARPA將最終選出1家承包商開展“小精靈”作戰系統的詳細設計和制造，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第1階段的研究情況進行動態調整。

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驗的復合材料工程公司、Dvnetics公司、通用原子航空系統公司和洛馬公司等4家承包商總價1 610萬美元的“小精靈”項目第1階段合同，正式開啟研發工作。7月，據復合材料工程公司表示，目前該公司的第1階段研發工作正按計劃進行，而DARPA也將在接下來的3個月內啟動項目第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”項目設想圖：數架噴氣式“小精靈”無人機在海面執行作戰任務，C-130開展釋放和回收工作

幾點看法

3D空中回收技術是“小精靈”項目面臨的主要技術風險。從技術層面來看，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等技術均相對成熟，故如DARPA所述，該項目面臨的主要挑戰為無人機集群的空中回收技術。從作戰使用角度分析，空中回收技術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規劃程序完成回收。而這些規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領域已取得重大進展，因此預計“小精靈”項目面臨的技術風險是可控的。

“小精靈”項目是DARPA探索分布式空中作戰技術的重要組成部分。目前，DARPA十分重視探索分布式空中作戰技術，且在“小精靈”項目之前已布局多類相關項目，開展體系架構、開放式任務系統、自主協同、作戰管理及射頻載荷等方面的研究。例如“體系集成技術試驗”（SoSITE）項目著重探索開放式體系架構技術，目標是以美軍現有能力為基礎，把單一裝備的空戰能力分布在大量可互操作的有人和無人平臺上，實現各種先進機載系統和機載武器的即插即用，極大提升分布式作戰的靈活性：“拒止環境中的協同作戰”（CODE）項目通過發展先進算法和軟件，探索分布式作戰無人機的自主和協同技術，使無人機群可在一名操作人員的管理下協作完成發現、跟蹤、識別和攻擊目標等任務，“分布式作戰管理”（DBM）項目通過發展先進算法和軟件，提高任務自適應規劃和態勢感知等能力，幫助履行戰場管理任務的飛行員進行快速且合理的決策，以在強對抗環境中更好地執行分布式空中作戰等復雜軍事任務;“射頻任務操作中融合的合作式單元”（CONCERTO）項目發展能夠在通信、雷達和電子戰模式之間自適應切換，并可配裝小型平臺的射頻系統。相比上述項目，“小精靈”項目由于需研發分布式空中無人作戰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的概念和能力等方面的設想，具有重要參考價值。

鑒于中、俄等國一體化防空系統的主要作戰對象為傳統的大型多功能平臺，故DARPA認為與目前常規作戰樣式相比，分布式空中作戰在強對抗環境中有較高的效費比。首先在反介入/區域拒止環境中小型無人機以個體方式滲入敵防區的能力強;其次小型無人機以群體方式作戰將使敵防御系統產生“飽和”而無法全部應對，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敵情和自身損失，實時排列組合出最優的作戰能力，以在F-22、F-35等有人機有限的指揮下實現以群體方式完成任務，作戰靈活性較強。需注意的是，美國當前在大力研發分布式空中作戰技術的同時，也在研究對其反制手段。例如，雷西恩公司開發了陸基高功率微波驗證機，可使無人機的電子設備失效，并已驗證發射一次微波消除數千米范圍內多個目標的能力。

以小型無人機集群為特征的分布式空中作戰與當前的空中作戰樣式大相徑庭，如未來美軍大規模踐行此概念，其空中作戰裝備發展必將改變。大型多功能有人空中平臺的技術更新速度將減緩，裝備數量可能大幅降低，如DARPA認為F-35可能是美國最后一型大型多功能戰斗機;同時，與低成本無人機、巡飛彈、導彈相關的關鍵技術將得到重視，空戰裝備體系中將出現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可能成為重要發展方向;最后，自主協同的集群作戰將促使空戰平臺的人工智能水平快速提升。總之，分布式空中作戰概念牽引出的機體廉價化、平臺智能化、載荷小型化等特點，將對未來空戰裝備的發展思路產生重大變革。