蜂擁而至：快速發(fā)展中的美軍無人機(jī)蜂群

袁成

20世紀(jì)80年代，美軍在冷戰(zhàn)末期成功實施了著名的第二次“抵消戰(zhàn)略”，圍繞傳感器、網(wǎng)絡(luò)和精確制導(dǎo)武器打造的信息化部隊遏制了蘇聯(lián)機(jī)械化鋼鐵洪流，并在之后的海灣戰(zhàn)爭中表現(xiàn)出了令人震驚的作戰(zhàn)能力，實現(xiàn)了以裝備的性能優(yōu)勢戰(zhàn)勝數(shù)量優(yōu)勢。但是，目前美軍的高性能空中作戰(zhàn)裝備已經(jīng)接近發(fā)展極限，技術(shù)過于復(fù)雜、研制周期太長、成本居高不下等問題導(dǎo)致服役數(shù)量嚴(yán)重降低，例如美國空軍僅采購了187架F-22第4代隱身戰(zhàn)斗機(jī)。而與此同時，其他軍事大國的空中力量也逐漸進(jìn)入了信息化時代，使美軍失去了信息化獨享特權(quán)。這讓美軍在海外局部戰(zhàn)場，以數(shù)量較少的高端信息化空中裝備較難在對手大量相對低端的信息化裝備面前取得壓倒性優(yōu)勢。例如，美國著名智庫蘭德公司在2008年開展了一項研究，預(yù)測未來美國和中國在臺海地區(qū)發(fā)生空戰(zhàn)的結(jié)果。研究認(rèn)為，即使部署在關(guān)島的所有F-22都能參戰(zhàn)，受航程和滯空能力的限制，也只能有6架F-22持續(xù)參與臺海地區(qū)作戰(zhàn)。相反，中國能參戰(zhàn)的2、3代戰(zhàn)機(jī)可以達(dá)到72架。最終，占據(jù)戰(zhàn)機(jī)和導(dǎo)彈數(shù)量優(yōu)勢的中國會贏得戰(zhàn)爭。因此，在當(dāng)前軍事信息化普及時期，美軍急需通過大幅擴(kuò)充裝備數(shù)量，對中、俄等大國繼續(xù)保持空中作戰(zhàn)優(yōu)勢。而這最終使無人機(jī)蜂群成為重要發(fā)展方向。

無人機(jī)蜂群概念及作戰(zhàn)優(yōu)勢

無人機(jī)蜂群由若干配備多種任務(wù)載荷的低成本小型無人機(jī)組成，它們參照蜜蜂等昆蟲的集體行動模式，在人類指揮或監(jiān)管下共同完成特定作戰(zhàn)任務(wù)。雖然被冠以“蜂群”，但無人機(jī)蜂群并非完全模仿真實的蜜蜂群設(shè)計。實際上其與無人機(jī)個體的數(shù)量、尺寸、類型和飛行間距無關(guān)，只要是一組參照自然界生物集體行動模式遂行作戰(zhàn)的無人機(jī)便可稱為“蜂群”。

相比F-22等多功能高端戰(zhàn)機(jī)，無人機(jī)蜂群最大的特點是個體的分散。這既有好處，同時也帶來了不少挑戰(zhàn)。好處是：作戰(zhàn)時無人機(jī)蜂群可進(jìn)行專業(yè)化分工，由于每架無人機(jī)的功能相對單一，可大幅降低研發(fā)和采購成本；無人機(jī)蜂群可增加戰(zhàn)場傳感器和攻擊武器數(shù)量，使美軍在局部戰(zhàn)場擁有了空中裝備數(shù)量優(yōu)勢；由于每架無人機(jī)的功能不盡相同，因此無人機(jī)蜂群可以執(zhí)行多種任務(wù)；大量無人機(jī)可癱瘓敵人防空雷達(dá)，增加敵人確定目標(biāo)難度；可消耗敵人有限數(shù)量的高成本防空彈藥，即便損失部分無人機(jī)，無人機(jī)蜂群作為整體仍可共同完成任務(wù)。挑戰(zhàn)主要來自技術(shù)方面：無人機(jī)蜂群對協(xié)同和自主的要求更高，而且需要建立管理大規(guī)模蜂群的全新指揮控制模式，因此需要攻克協(xié)同作戰(zhàn)算法、集群個體間通信、遠(yuǎn)程指揮控制、空中發(fā)射/回收、降低成本、可損耗機(jī)體設(shè)計、小型高性能推進(jìn)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

美軍無人機(jī)蜂群

發(fā)展歷程和態(tài)勢

美軍于20世紀(jì)90年代末率先提出無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)概念，并開展了一系列概念完善和技術(shù)積累工作。近幾年，在感知、數(shù)字化、組網(wǎng)和先進(jìn)人工智能等技術(shù)支持下，無人機(jī)蜂群進(jìn)入了發(fā)展快車道。

美空軍在2015年9月發(fā)布的《空軍未來作戰(zhàn)概念》頂層戰(zhàn)略文件中，提出了無人機(jī)蜂群配合高超音速空地導(dǎo)彈作戰(zhàn)的想定：2035年，美軍企圖利用高超音速導(dǎo)彈攻擊敵高能激光防御系統(tǒng)，并首先由4架運(yùn)輸機(jī)投放200架高亞音速小型無人機(jī)蜂群，抵近實施偵察和干擾。由于探測和火力通道被無人機(jī)蜂群飽和，敵激光防御系統(tǒng)未能及時發(fā)現(xiàn)高超音速空地導(dǎo)彈，使其很容易被摧毀。

另外，美空軍還在2016年5月發(fā)布了首份專門針對小型無人機(jī)系統(tǒng)的《2016-2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，也提出了無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)概念：在低對抗環(huán)境下，無人機(jī)蜂群由C-130運(yùn)輸機(jī)投送，除執(zhí)行情報偵察、監(jiān)視任務(wù)外，還能配合中空長航時無人機(jī)實施動能打擊和為AC-130空中炮艇提供目標(biāo)指示；而在強(qiáng)對抗環(huán)境中，無人機(jī)蜂群將由B-2隱身轟炸機(jī)投送，而且還新增加了對空/對地電子攻擊、壓制/摧毀敵防空火力等功能。

美軍無人機(jī)蜂群研究項目

當(dāng)前，除了編制戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，美軍各技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)也啟動了大量無人機(jī)蜂群項目。由于機(jī)構(gòu)定位不同，各項目的愿景也有所區(qū)別。例如戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）聚焦近期應(yīng)用，發(fā)展由戰(zhàn)斗機(jī)空射的可執(zhí)行低空態(tài)勢感知和干擾任務(wù)的微型無人機(jī)蜂群；海軍研究辦公室（ONR）發(fā)展可在艦船或灘涂發(fā)射的小型無人機(jī)蜂群，以設(shè)施偵察監(jiān)視或?qū)﹃憽９簦欢鴩栏呒壯芯坑媱澗郑―ARPA）發(fā)展可在強(qiáng)對抗環(huán)境中使用的高性能無人機(jī)蜂群，并定位其為戰(zhàn)場最前線與高端有人/無人平臺配合執(zhí)行任務(wù)的主戰(zhàn)裝備。

SCO在2014年啟動了“無人機(jī)蜂群”項目，并選擇了麻省理工學(xué)院發(fā)展的全復(fù)合材料、鋰電池推進(jìn)的“灰山鶉”一次性微型無人機(jī)。“灰山鶉”長約16.5厘米、翼展30厘米、投放重量約0.3千克、續(xù)航時間大于20分鐘、飛行速度75～110千米/時。自2014年9月首次配裝F-16戰(zhàn)斗機(jī)試投以來，“灰山鶉”共進(jìn)行了500多次飛行試驗。2017年1月9日，美國防部披露了“無人機(jī)蜂群”項目最新一次試驗情況：3架海軍F/A-18F戰(zhàn)斗機(jī)投放了103架“灰山鶉”，創(chuàng)下軍用無人機(jī)蜂群最大規(guī)模飛行紀(jì)錄。試驗中，“灰山鶉”蜂群未預(yù)先編寫飛行程序，而是在地面站指揮下自主實現(xiàn)協(xié)同，展現(xiàn)了集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行能力。試驗的成功表明，美軍的空射無人機(jī)蜂群正朝實戰(zhàn)化方向穩(wěn)步邁進(jìn)，或許不久便會列裝。

ONR于2015年公布了“低成本無人機(jī)蜂群”（LOCUST）項目，發(fā)展在特定區(qū)域一起執(zhí)行掩護(hù)、巡邏和攻擊地面目標(biāo)任務(wù)的無人機(jī)蜂群，并選擇使用雷神公司的“郊狼”小型無人機(jī)進(jìn)行試驗。“郊狼”無人機(jī)長91厘米、翼展1.47米、重量5.9千克、最大飛行高度6096米、飛行速度110千米/時、續(xù)航時間1.5小時、可攜帶約0.9千克的載荷、配裝電動推進(jìn)系統(tǒng)，每架約1.5萬美元。2016年5月，LOCUST項目在陸上完成30秒內(nèi)發(fā)射30架“郊狼”小型無人機(jī)的試驗，驗證了無人機(jī)蜂群的編隊飛行、隊形變換、協(xié)同機(jī)動能力。“郊狼”無人機(jī)蜂群在迅速發(fā)射之后，可使用低功率無線電網(wǎng)絡(luò)建立彼此之間的通信關(guān)系，共享位置信息和其它信息。而且所有無人機(jī)將形成“母子”關(guān)系，其中1架起領(lǐng)導(dǎo)作用，其余無人機(jī)則為下屬。飛行時，地面操作員不必對每架無人機(jī)進(jìn)行單獨控制，僅需對蜂群進(jìn)行整體控制。接下來，LOCUST項目計劃在墨西哥灣開展艦基的無人機(jī)蜂群發(fā)射和飛行試驗。

目前，DARPA正著眼于對抗環(huán)境中的無人機(jī)蜂群運(yùn)用，通過“小精靈”“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”“體系集成技術(shù)和試驗”“分布式作戰(zhàn)管理”和“進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”等項目分別攻克無人機(jī)蜂群各關(guān)鍵技術(shù)。

2015年DARPA推出“小精靈”項目，研究小型無人機(jī)蜂群的空中發(fā)射/回收和高速數(shù)字式飛行控制等關(guān)鍵技術(shù)。“小精靈”無人機(jī)的最優(yōu)性能目標(biāo)為：作戰(zhàn)半徑926千米，作戰(zhàn)半徑處可巡邏3小時，設(shè)計載重54.5千克，最大速度不小于馬赫數(shù)0.8，最大發(fā)射高度超過12192米，載荷所需功率1200瓦，設(shè)計壽命為使用20次，出廠單價（不包括載荷）低于70萬美元。另外“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)的最優(yōu)性能目標(biāo)為：大型平臺能發(fā)射超過20架無人機(jī)，30分鐘以內(nèi)回收8架或更多無人機(jī)，成功回收率大于95%，回收后再次發(fā)射的時間不超過24小時。2016年3月，DARPA向Dynetics公司、通用原子公司、Kratos公司和洛克希德·馬丁公司授予總共價值1610萬美元的第一階段合同。同年9月，通用原子公司在美國空軍協(xié)會年度會議上，展示了其“小精靈”全尺寸無人機(jī)方案。2017年3月，DARPA表示項目第一階段工作已順利完成，并選擇Dynetics公司和通用原子公司進(jìn)入第二階段。DARPA“小精靈”項目經(jīng)理Scott Wierzbanowski表示：“第一階段研究了無人機(jī)空中發(fā)射和回收系統(tǒng)的可行性，而在第二階段，項目將進(jìn)一步完善兩個公司的設(shè)計概念，為極大拓展美軍無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)范圍、靈活性和經(jīng)濟(jì)可承受性而努力。”根據(jù)當(dāng)前安排，“小精靈”項目的第二階段將持續(xù)一年，會完成全尺寸技術(shù)驗證系統(tǒng)的初步設(shè)計，為單個系統(tǒng)部件開展風(fēng)險降低試驗。DARPA計劃在2018年初選擇一家承包商進(jìn)入項目第三階段，研制出一套全尺寸技術(shù)驗證系統(tǒng)，并在2019年開展“小精靈”蜂群的空中發(fā)射和回收飛行試驗。

“拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)”項目通過發(fā)展先進(jìn)算法和軟件，探索分布式作戰(zhàn)無人機(jī)的自主和協(xié)同技術(shù)，使無人機(jī)群可在1名操作人員的管理下協(xié)作完成發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別和攻擊目標(biāo)等任務(wù)。2016年6月，DARPA向洛馬公司及雷神公司授予項目第二階段系統(tǒng)集成合同，開展由1架或2架真實飛機(jī)和若干虛擬飛機(jī)組隊的飛行試驗。

“體系集成技術(shù)試驗”項目著重探索開放式體系架構(gòu)技術(shù)，目標(biāo)是以美軍現(xiàn)有能力為基礎(chǔ)，把單一裝備的空戰(zhàn)能力分布在大量可互操作的有人和無人平臺上，實現(xiàn)各種先進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)和機(jī)載武器的即插即用，極大提升分布式作戰(zhàn)的靈活性。2016年9月，DARPA向洛克希德·馬丁公司授予3640萬美元的第二階段合同，繼續(xù)發(fā)展體系架構(gòu)，驗證架構(gòu)的作戰(zhàn)效能和魯棒性。

“分布式作戰(zhàn)管理”項目通過發(fā)展先進(jìn)算法和軟件，提高任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃和態(tài)勢感知等能力，幫助履行戰(zhàn)場管理任務(wù)的飛行員進(jìn)行快速且合理的決策，以在強(qiáng)對抗環(huán)境中更好地執(zhí)行分布式空中作戰(zhàn)等復(fù)雜軍事任務(wù)。2016年5月，DARPA向洛克希德·馬丁公司授予1620萬美元的項目第二階段合同，設(shè)計全功能決策輔助軟件原型，幫助策劃有人機(jī)和無人機(jī)參與的復(fù)雜空戰(zhàn)。

2017年1月27日，DARPA發(fā)布“進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”項目招標(biāo)書，研究新型蜂群戰(zhàn)術(shù)、人-蜂群交互、軟硬件集成等關(guān)鍵技術(shù)，目標(biāo)是每3個月產(chǎn)生超過10種蜂群戰(zhàn)術(shù)，評估新蜂群戰(zhàn)術(shù)的時間小于15分鐘，部署新蜂群戰(zhàn)術(shù)的時間小于1分鐘。項目最終將開展100架以上規(guī)模的無人蜂群作戰(zhàn)試驗，以提升美軍地面部隊的防御、火力、精確打擊，以及情報監(jiān)視偵察等能力。

結(jié) 語

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)與美軍當(dāng)前的作戰(zhàn)樣式大相徑庭，如果美軍未來實施這種作戰(zhàn)模式，空中作戰(zhàn)裝備發(fā)展思路也必將隨之產(chǎn)生改變。首先，美軍未來大型多功能有人平臺的裝備數(shù)量有可能減少；其次，與低成本無人機(jī)、巡飛彈、導(dǎo)彈等相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)將得到重視，航空裝備體系中將出現(xiàn)越來越多的低端平臺；再次，高性能小型機(jī)載設(shè)備和武器技術(shù)有可能成為未來航空裝備體系發(fā)展的重要抓手；最后，先進(jìn)的自主協(xié)同算法和軟件將為空中作戰(zhàn)能力的提升做出重要貢獻(xiàn)。總之，無人機(jī)蜂群將牽引未來空中作戰(zhàn)裝備呈現(xiàn)出機(jī)體廉價化、平臺自主化、載荷小型化等特點，可能對未來航空裝備體系的發(fā)展思路產(chǎn)生變革性影響。

責(zé)任編輯：劉靖鑫