DARPA四大冷門無人航空技術概念驗證項目

李麗　周穎　陳宇

美國國防部先進研究項目局（DARPA）作為美軍軍事高新科技研發的主管機構，一直為解決中、遠期美國國家安全問題提供高技術儲備，并將具有潛在軍事價值的新高技術應用在眾多軍事項目上。近期，DARPA發布了4項無人航空技術概念驗證項目，顯示了美國空軍武器裝備發展的最新動向。

無人機協同作戰

讓無人機“學會”協同作戰，是美軍新概念研發的一大重點。美國國防部希望在人類的監控和指揮之下，使無人機具備集群式協同作戰能力。任務指揮官通過預先計劃、態勢感知、實時調控等一系列的作戰流程，將無人機群整合至現有作戰體系之中。當前，美軍無人機已經進行了大量實戰應用，但是主要形式還是操作員指揮/操作單機執行戰術級別的任務。該項目形成的集群式協同作戰能力，無疑將使美軍的無人機作戰向戰役甚至是戰略層次拓展。

為實現上述目標，美國國防部先進研究項目局（DARPA）啟動了“拒止環境中協同作戰”（CODE）項目，通過改進現有無人機的軟件和算法，實現對無人機的平臺技術狀況和戰況的實時監控，將無人機作戰從多種操作員操控一架無人機，向一名操作員操控多架無人機轉變。CODE項目當前的驗證目標是一名操作員指揮6架以上的無人機群協同作戰，群中無人機具備不同的獨立任務能力，比如情報偵察監視（ISR）或對地面（水面）目標打擊任務，指揮官將這些必需的作戰能力整合，就能執行更復雜的協同任務。

CODE無人機群還應具備一定的自主能力，能向基地的指揮官建議下一步應該采取什么行動，指揮官可以肯定或否定其行動建議，或輸入指令命令其實施打擊，或命令其繼續收集監控數據。無人機群自主作戰在區域拒止作戰環境或復雜電磁條件下的空域之中，采取模擬狼群圍獵的方式作戰進行，能夠提升任務的靈活性，減少空地指揮協同造成的通信帶寬需求，增加美軍已停產空中裝備的任務效費比，降低未來作戰運行成本。

DARPA選擇洛克希德一馬丁和雷神公司作為CODE項目的主要承包商，2016年上半年簽訂了項目第2階段（系統集成階段）合同。兩家公司領導弗吉尼亞州漢普頓的丹尼爾·瓦格納聯盟、馬薩諸薩州沃本的科學系統公司、密西西比州明尼阿波利斯的智能信息流技術公司、密歇根州安娜堡的索爾技術公司、加利福尼亞州門洛公園的SRI國際公司和新澤西州巴斯金里奇的Vencore應用通信科學實驗室等6個團隊繼續CODE項目驗證，這6家機構也都參與了項目第1階段工作。

CODE機群的無人機都要具備模塊化能力，比如具備數據共享、通信聯絡、任務協商和同步行動能力，因此需要嵌入開放的軟件架構，建立符合美軍作戰原則的交戰規則，支持多架無人機同步地搜索、跟蹤、定位、識別、打擊目標。CODE無人機還能夠召喚附近的友鄰無人機，增強機群實力，應對突發戰況和未知戰場威脅。

據DARPA項目主管簡·查爾斯·萊德介紹，CODE項目第1階段通過模擬成功驗證了無人機協同作戰的潛在軍事價值，證明該項目具有很強的技術優勢，項目組已經為未來可能的作戰系統制訂了過渡計劃。DARPA從兩大承包商的方案中選擇了20種自主方式，這些方案都能夠增加遺產武器平臺的任務能力，使其在區域拒止作戰環境下完成復雜任務。

另外，項目組也完成了CODE原型機人機界面（HSI）和開放架構設計。人機界面設計理念先進，一名士兵、一名飛行員或一個地面控制站內的操作員，可能通過更直觀的方式，在界面上觀察、監視、指揮無人機群作戰，任務指揮官通過界面可以了解無人機群的作戰狀態和技術狀況，查看預設的作戰計劃，并根據戰況實時修訂作戰方案。

比如，任務指揮官可以從機群中“點擊”選擇某一架（或幾架）無人機，在指揮信息顯示屏上單獨操作，并標定為“第1組”。在作戰地圖其他位置勾選一個區域，輸入命令“第1組搜索這個區域”。然后，軟件自動為勾選的無人機創建一個子群，單獨劃分子群的搜索任務，并重新調整分配“第1組”的初始任務。美軍認為，這種能力可以極大地簡化大型無人機編隊的指揮控制過程。人機界面的其他研究聚焦如何顯示新的作戰計劃，包括對其他任務目標的潛在影響，無人機群依據預設任務規則，或者直接執行計劃，或者等待指揮官審批之后執行。

DARPA目前正在基于現有作戰規則的開放架構，發展CODE人機界面和自主作戰的規則，比如，美國海軍和美國陸軍使用的“未來機載能力環境”（FACE）和“無人控制組件”（UCS）標準，以及美國空

軍使用的“開放任務系統”（OMS）和“通用任務指揮控制”（CMCC）標準。

在CODE項目第2階段，DARPA計劃為這些架構進行實飛測試，利用1～2架無人機建造嵌入上述兩種架構的原型機，試飛成功之后進入項目第3階段。第3階段的主要工作是組建測試團隊，試驗6架真實的無人驗證機之間的自主協同作戰，以及他們與模擬機群的協同作戰。屆時，一名士兵就能指揮一個無人機群，完成目標搜索、識別、交戰等復雜任務，用來對付現實和潛在的作戰對手。

如果這一目標能夠如期實現，美軍的無人機操作員緊缺問題就能從根本上得以解決，節約無人機部隊作戰運行成本之外，帶來的潛在效應可能是空軍編制員額能夠進一步削減，便于美軍將更多經費用于未來武器平臺研發。

“小精靈”空射型可回收無人機

“小精靈”（Gremlins）是DARPA啟動的另一個無人機驗證概念，目標是發展“空射型可回收無人航空系統”（UAS），通過安全可靠的無人機部署和回收平臺，使得未來的作戰飛機可以在空中快速部署廉價的、可重復使用的無人機群，適應未來的全譜作戰環境。

“小精靈”的項目名稱來源于二戰期間英國飛行員使用的吉祥物“小魔怪”（Gremlins，二戰中傳說的一種會對飛機搗亂的小精靈），設想研發一種能夠讓現有作戰飛機（轟炸機、運輸機或戰斗機，甚至其他小型固定翼空中平臺）從空中發射的小型無人機，使這些作戰飛機遠離作戰對手的防空威脅。比如，C-130“大力神”運輸機就可以作為載機，搭載“小精靈”實施發射與回收后飛回機場，地面保障人員能夠在24小時內完成下一次作戰的準備。“小精靈”的設計使用壽命為20次，每次發射回收成本在70美元以內。這些特點能夠降低載荷和機身成本，也具有較低的任務和維修成本，因此比現有這些設計壽命幾十年的作戰系統具有更大的成本優勢。

2016年，DARPA向復合工程公司、Dynetics公司、通用原子航空公司（GA-ASI）和洛克希德一馬丁公司領導的4個團隊授予了“小精靈”第1階段研發合同，分別開發不同的作戰概念、創新技術和系統驗證，為建造原型機奠定技術基礎，驗證空中發射回收多個“小精靈”的作戰概念。項目開發包括不同的技術領域，比如發射與回收技術、裝備與飛機整合技術，尋求低成本、有限壽命的機身設計，DARP要求承包商充分利用現有技術，現有載機平臺只需要適度改裝即可實現功能。項目還將涉及高保真分析、精確數字化飛行控制、航行與位置保持等相關技術領域。

Dynetics公司在項目第1階段合同期間從4家競爭同行中脫穎而出，成功設計了無人機發射和回收技術、低成本的機身設計和高保真數據分析以及精確飛控等。2017年3月，Dynetics公司獲得了DARPA的“小精靈”無人機項目第2階段合同。項目第2階段計劃為期12個月，合同價值2100萬美元，Dynetics負責空中發射系統的開發與項目驗證，最終將這種能力以某種形式轉移到戰斗機。

Dynetics的技術供應商團隊包括Kratos防務與安全公司、內華達山脈公司、應用系統工程公司、威廉姆斯國際公司、Systima技術公司、機載系統公司、Moog公司和空中響應國際公司。團隊提供多樣化的專業知識。這些分包商都所在領域最為出色，能夠為項目推進提供可靠的系統基礎。Dynetics在第2階段的研發重點是將這些技術成熟化。DARPA計劃在2018年初授予第3階段合同，在基于第2階段的成果之下，“小精靈”將在C-130運輸機上進行安全發射和回收試驗。

無人僚機“阿凡達”

美國國防部還啟動了無人戰斗機項目“阿凡達”，項目原名“忠誠的僚機”，目標為第三代（美國現稱為第四代）戰斗機如F-16“戰隼”和F/A-18“大黃蜂”開發無人駕駛版本，作為F-22A“猛禽”戰斗機和F-35“閃電Ⅱ”聯合攻擊機這兩種第四代（美國現稱為第五代）隱身戰斗機的僚機編隊飛行。無人版僚機具有一定的自主飛行能力，F-22A飛行員不需要全時操縱這些無人飛機，借助無人駕駛技術為這些稍早的飛機賦予新的生命。

美國國防部原副部長羅伯特·沃克表示，美軍將F-16改造成完全沒有飛行員的飛機將使三代機與F-35這樣的四代機協同作戰。五角大樓多年以來一直都在設想讓無人駕駛戰斗機與有人駕駛戰斗機共同組成飛行編隊，甚至專門給這種無人駕駛戰斗機起了“忠誠的僚機”的名字。美國空軍已經開始為這一概念進行了技術驗證，整個五角大樓未來也將繼續重視這個項目。

美軍目前的“三代機”一般是指從20世紀80年代服役至今的戰斗機，包括F-15、F-16和F/A-18，而且在美軍大量列裝。在“四代機”F-22A和F-35隱身戰斗機量產并開始換代三代機的情況下，美國空軍在國防部戰略能力辦公室（SCO）領導下研發無人駕駛的F-16，就是為這些早期裝備延壽的重要舉措。2013年，波音公司已經將一些退役的F-16改造成無人靶機OF-16。之前，美國空軍已經在空靶實彈訓練中使用過更早期的F-4“鬼怪”戰斗機。可以說，這種由全尺寸實體機改裝成的遠程遙控無人靶機為“阿凡達”奠定了良好的技術基礎。

美國空軍實驗室強調，“阿凡達”面臨的技術難點是如何將目前遙控飛行的戰斗機，改裝成能夠自動完成駕駛，并能接收另一架戰斗機飛行員發出的指令的自主式飛行器。所需的機載自動化技術要實現很高的成熟度，才能讓“阿凡達”完成所有的基本飛行任務，無需接受地面控制臺的指令，也無需全程接受人工指揮。“阿凡達”的自主飛行作戰同樣需要開發一種自動化算法，嵌入到F-16或其他同代機型中，充當這些無人駕駛僚機的“大腦”。據悉，美國空軍實驗室將于2018年開始正式啟動項目，計劃在2022年進行飛行驗證。

美軍希望通過無人駕駛僚機來更好地擴展美國的軍事實力，而不是僅僅借助人力資源來擴充軍力。五角大樓將這種發展戰略稱作“第三補償”（ThirdOffset）。羅伯特·沃克表示，盡管在戰場上使用無人駕駛技術和平臺已經不可避免，“這是不可阻擋的，遲早會成為現實”，但是美軍不會讓無人駕駛僚機自主執行殺傷性任務，是否使用武器這樣的關鍵決策必須由人來決定。

DARPA為“阿凡達”進行的技術儲備還包括“艙內機組自動系統”（ALLAS），這種模塊化的自動飛行系統可以嵌入到美軍現有戰斗機，駕駛時只需要通過觸屏向系統下達命令，據稱能夠代替5名機組人員的工作量。系統能夠實現自動起飛、巡航和降落等過程，甚至能夠處理緊急的飛行失誤，任務能力和飛行器的安全性都有所增加。ALLAS項目也包括人機界面設計，統一簡潔的儀表將飛行員的身份從“系統操作者”提升到“任務指揮官”，飛行員只需要通過觸屏操作或者語音下達命令就能操控飛機。

另外，美國陸軍為“黑鷹”無人駕駛直升機開發的Matrix軟件系統也是DARPA自動駕駛戰斗機可以吸納的關鍵技術成果。Matrix由西科斯基、庫塔技術、Think-A-Move和先進光學系統公司合作研發，所用的機載計算機系統和新的電傳飛行控制系統驗證了直升機自動起飛、飛行和著陸的概念。自動駕駛技術能夠實現“黑鷹”無人直升機的視距內和視距外操控，目前已經實現了低空和障礙物條件下飛行，未來將向垂直起降型（VTOL）固定翼飛機進行技術擴展。

無人垂直起降飛機

垂直起降X飛機（VTOL X-Plane，VXP）是DARPA推出的混合動力垂直起降驗證項目，目標是建造一種高速垂直起降平臺，創新多旋翼飛行器設計概念。目前，DARPA授予了極光飛行科技公司價值約9000萬美元的成本加固定費用研發合同，計劃于2018年首飛命名為XV-24A“閃電打擊”的驗證機。另外，合同還包括第2階段和第3階段的垂直起降飛機研發。

垂直起降x飛機的設計概念是靜音、節能、高效，具有很強的適應能力和獨立作戰能力，通過全新設計的系統和子系統，突破先前項目機上任務空間過小的瓶頸。目前，極光飛行科技公司已經推出了“閃電打擊”的縮比驗證機，采用無人駕駛設計，兩個大型后置主翼內部設置的電動涵道風扇提供動力，機頭附近設置一對鴨翼。采用羅羅AE1107C渦軸發動機，為3部霍尼韋爾發電機提供動力，每部發電機輸出功率4000馬力（2941千瓦），共同驅動24具電動涵道風扇。

“閃電打擊”的電力分配系統由高度一體化的分布式涵道風扇組成，輔以同步電力傳輸系統，將動力分配到24具涵道風扇上，提供強大的懸停能力和高速飛行能力。其中18具電動涵道風扇布置在飛機的主翼上，每側9具；鴨翼上布置6具，每側3具。主翼和鴨翼都能傾轉，以改變涵道風扇的推力方向：涵道風扇向后時飛機向前飛行，涵道風扇向下時懸停，這兩個狀態之間的角度，還可以使飛機低速斜向爬升或下降。每個涵道風扇都能獨立受控，保證飛機在飛行和懸停時自行調整位置。

DARPA要求“閃電打擊”驗證機的飛行控制系統采用極光公司的“半人馬”（centaur）和“獵戶座”（Orion）的成熟技術。飛行控制系統采用三余度設計，確保在前飛和垂直狀態下探測并修正飛行異常。“閃電打擊”的無刷電動機由ThinGap公司提供，主翼上涵道風扇使用100千瓦定速電動機，小翼上涵道風扇使用70千瓦電動機，通過改變葉片螺距調節推力。這種新型混合動力推進概念能夠將飛機的懸停效率從60%至少提升到75%，巡航升阻比從5～6上升到10以上，飛行速度可達300～400節（540～720千米/時）。飛機全重4535～5443千克，最大載荷約1500千克。

在海上垂直起降型飛行器方面，DARPA與美國海軍研究辦公室（ONR）聯合啟動了“燕鷗”（Tern）項目，意圖研發一種部署在護衛艦和驅逐艦上的艦載飛機，能夠在多種水面艦艇上起降，適應多種海況條件，搭載ISR或打擊類載荷，執行陸上和海上中空長航時（MALE）任務。項目前兩個階段已經在艦上試飛了驗證機，正在開發適合更小型的艦艇搭載的無人機。

2016年初，DARPA授予諾思羅普一格魯門公司9300萬美元的合同，進行項目第3階段研發，繼續發展驗證一種立式垂直起落飛翼式飛機。“燕鷗”驗證機在機頭部位安裝兩具對轉螺旋槳，能夠在護衛艦的飛機甲板上起降，提供水平飛行所需動力，執行任務之后可以安全地收置在艦艇內部。“燕鷗”翼展約9米，機翼邊緣有4個控制面，4個不可回收的起落架，目前的最大載荷約227千克，最大航程約1111千米。第3階段項目目標是發展到最大載荷約270千克，最大航程約1670千米的任務能力。

編輯：石堅