美國國防高級研究計劃局新興技術發展分析

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）在美國政府聯邦商機網發布《戰略技術》廣泛機構公告，旨在尋求創新思想和突破性技術，增強美國重大軍事能力，應對不同層面和不同環境的沖突。美國目前面臨的不同層面的沖突包括從實兵對抗交戰到模糊復雜的“灰色區域”沖突，而不同的沖突環境則包括從條件惡劣的偏遠地區到密集的大城市等多種類型的環境。為達到這些目標，美國國防高級研究計劃局開展一系列突破性技術的研究，使分散的裝備發揮整體作戰效能。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/區域拒止（A2/AD）環境中發揮重要作用，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“第三次抵消戰略”。為支持“第三次抵消戰略”，美國國防部于2015年提出將重點發展以下5個技術領域：①具有自主學習能力的機器；②人機協作；③“人類作戰輔助系統”；④有人/無人作戰編隊；⑤針對網絡（攻擊）和電子戰環境進行加固的“網絡賦能自主武器系統”。

將這些能力整合到一起可以形成新的力量架構。與傳統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絡互連的平臺上，能夠增強靈活性、拓展性和專業性，分布式作戰概念應運而生。

分布式系統還面臨許多挑戰，例如平臺研發，人機接口，安全可靠的網絡通信，以及整體系統架構/指揮和控制。美國國防高級研究計劃局內部將該類方案稱為“系統的系統”（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”（ALIAS）項目，通過機器學習能力提高人機協作的有效性，同時完善人機界面（HSI）；③“拒止環境中協同作戰”（CODE）項目，研究人機編隊和半自動化協作的算法。

“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，可避免有人作戰平臺在保障維護和復雜防御方面的高額成本。

“小精靈”飛行器設計為空中發射和空中回收。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、戰斗機和運輸機），將無人機群運輸至攻擊區域的邊緣再進行投放。“小精靈”飛行器為可重復使用，每一次的運行成本遠遠低于巡航導彈或傳統彈藥。項目目前的概念設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挑戰。設計主要關注捕獲過程的3個關鍵階段：首先，基于無人機空中加油項目驗證的精確導航技術實現對目標的軟捕獲；其次，利用機械臂技術實現對無人機的硬捕獲，在此過程中無人機氣動面收起、發動機關機，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的演示目標是在30min內回收4架飛行器。

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

“小精靈”飛行器的速度至關重要。若速度Ma達到0.7以上，已經快于現有的無人飛行器，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，或作為先頭部隊執行滲透作戰任務。提高速度和飛行高度可增強生存能力，避開傳統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，可降低被監測到的幾率，這也是未來武器系統設計的重要考量之一。

空中發射和空中回收解決了“全球敏捷性”的幾項關鍵挑戰。利用目前的全球機動裝備，從美國本土出發，可在36h內將“小精靈”飛行器部署到世界任何地區?？罩谢厥占夹g可加快循環使用時間，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

“小精靈”作戰系統發射與回收能力目標

“小精靈”是實現分布式能力的重要方案。如果僅重視優化平臺質量而忽略平臺數量的發展，在低要求環境中使用高價值作戰平臺，會造成浪費。分布式低成本平臺利用數量優勢，可根據不同任務需求進行編排。在高要求環境下，可增加數量使敵方的防御系統飽和。當執行簡單任務時，可部署少量平臺。當面對經濟上匹敵的對手時，成本效率是必要的戰略考量因素。

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公司（GA-ASI）和動力系統公司（Dynetics）進入項目第2階段。兩家公司將設計全尺寸驗證方案，在地面試驗驗證關鍵技術，并對安全系統和發射回收系統開展飛行試驗。在第2階段，“小精靈”項目將通過初步設計評審（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”

平臺研發僅是發展分布式能力的眾多挑戰之一，與作戰人員的有效結合也十分重要。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”（ALIAS）項目，進一步發展人機協作和機器自主學習能力。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統”項目旨在研發能安裝在現有飛行器上的新型自動化系統，從而提高任務有效性和安全性，同時減少執行任務所需的機上人員。為實現這一目標，必須先推動機器自主學習能力和人機協作的發展。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統”項目的關鍵是智能處理核心，可進行飛行管理和系統分析。通過知識獲取系統將信息輸入到系統中，語言處理系統進行加工后再細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知識，完成各種飛行機動，也可以通過專業的技術人員對系統進行授課。數據質量至關重要，可以由專業技術人員進行完善?！皺C組人員駕駛艙工作自動化系統”可對現狀進行分析，并將任務狀況反饋給飛行員。此時的飛行員將作為任務協調者而不是技術人員，主要開展高級別操作。此外，智能處理核心還可以處理系統異常，如發動機故障等。

“機組人員駕駛艙工作自動化系統”項目還在研發一個感知系統，可以模擬任何復雜的計算機算法，測量和監測任務中所有關鍵的參數，例如空速、高度、燃料狀態、方位、分析系統狀態和飛行器性能等。

將操作人員作為人機狀態中的一個參數，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和反應，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）傳感器直接監測飛行員的腦電波。監測飛行員的表現可以使“機組人員駕駛艙工作自動化系統”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”和操作人員之間建立更有效的雙向交流。此外，傳統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”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”的最終目標是實現飛行器自主飛行，像人一樣操作。在該系統中，飛行員可不在機艙內工作，通過算法將人類意圖轉化為相應的半自動指令。簡化操作后，一個飛行員可同時操作多架飛行器。

拒止環境中協同作戰

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

傳統巡航導彈執行打擊任務是單一作戰。如果能實現自動化協作，幾個巡航導彈將組成協作搜索編隊，采用多個傳感器和方位角，提高目標定位的精度。即便GPS失效也不會受到影響，只要知道目標的相對位置就可以實現殺傷鏈的閉環。一旦確定目標，幾個巡航導彈將包抄目標，同時進行打擊，令導彈防御系統難以攔截。協同作戰能顯著提高效率，降低齊射規模。

協同作戰的另一個重要優勢是相干無線電頻率效應。攜帶精確時鐘的多個平臺發射的波形，并能夠組合到一起。4個協作平臺產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能顯著提高偵察和通信范圍，突破敵方干擾。

在充滿挑戰的無線電頻譜環境中，有效利用可用的帶寬對于協同作戰也十分重要，項目目標是在編隊中形成一個通用的態勢感知圖。

任務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。核心挑戰是在間歇的拒止通信環境中，如何與多架無人機進行信息交互?！熬苤弓h境中協同作戰”項目開發了一套任務規劃工具和接口，將準確的信息提供給操作人員，讓他們能夠正確的控制機器。

開放式架構是開發“拒止環境中協同作戰”通信結構的關鍵。現有系統和新的設計必須在一個不斷改進的環境中融合。

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公司將承擔新啟動的“先進全速域發動機”（AFRE）項目科研工作。該項目旨在開發一種可重復使用的全尺寸碳氫燃料推進系統并對其進行地面演示驗證，該推進系統可在Ma為0～5，或者5以上的全速域范圍實現連續無縫運行，以確保快速響應的高超聲速飛機在拒止環境下完成情報、監視和偵察任務。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計研究，為AFRE項目提供更加詳細的飛機性能指標牽引。近幾年，美國國防高級研究計劃局在高超聲速武器研發方面連續推出多項計劃。例如“戰術助推滑翔”（TBG）項目，旨在發展、驗證戰術射程的空射高超聲速助推滑翔系統的關鍵技術；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彈的演示驗證。這兩個項目均與美國空軍聯合開展，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射成本的可重復使用一子級。

對抗A2/AD環境的第二種途徑即使用防區外遠程打擊武器。紅外搜索與跟蹤、全光譜雷達技術的發展，加劇了大多數空中平臺的突防難度。高超聲速防區外打擊武器的出現扭轉了這種局面，在打擊過程中保障了發射平臺的安全性。此外，1.6km/s的飛行速度能保證作戰快速響應和靈活性。一個平臺可以同時發射多個高超聲速打擊武器，在10min以內打擊1600km范圍的任意目標。快速響應能力在打擊機動目標或發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，在敵方防區外投射武器，能有效對抗最嚴峻的防御環境。研發能從戰術平臺發射的武器將給指揮官提供更多選擇。因為類似B－52的隱身轟炸機數量有限，所以在執行多領域任務時靈活性有限。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、減少所需的平臺數量，在有限的經費條件下是十分必要的。最后，隱身技術與探測技術的競爭博弈仍在持續，因此具備有效的防區外打擊能力才能提供重要的作戰保障。

高超聲速飛行器未來的武器化發展應該關注通信、目標傳感器、成本適當的高溫材料、制造方法和作戰方案等方面。

除美國外，其他國家也在發展高超聲速技術。例如，印度的高超聲速巡航導彈——布拉莫斯Ⅱ。高超聲速打擊武器將很快出現在戰場上，很有可能掌握在對手的手中。因此，美國認為更應該繼續發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的了解，研發有效的防御策略，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等成功經驗為基礎，繼續發展可實現的作戰系統。為達成目標，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設施；繼續推進熱防護、材料和結構、高超聲速飛行控制和推進等技術的成熟。

4 定向能

目前，美國的彈載高功率微波戰斗部技術和戰術飛機機載激光武器技術正在取得突破。美國國防高級研究計劃局的150kW“高能液體激光區域防御系統”（HELLADS）項目從2015年夏季開始在白沙導彈試驗場進行試驗。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。激光打擊武器無聲無息、定位精準且持續不斷，可向軍事作戰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域的發展趨勢，也是未來一種重要的進攻性打擊力量。與傳統的化學激光器相比，固態光纖激光器具有更好的魯棒性，體積更小巧，更適用于作戰環境。光纖激光陣列、光束合成和自適應光學技術的發展，都預示著高能激光器具備較好的發展前景，激光功率能夠達到數百千瓦的量級。

先進導引頭的應用對飛機平臺構成直接威脅，需要發展新型防御系統。從尺寸、質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有的紅外對抗系統，可以摧毀來襲導彈而不僅僅是實施干擾。此外，摧毀一個小型防空導彈所耗費的能量遠小于打擊敏感軍事目標所需的能量。因此，發展防御系統是高能激光系統投入作戰應用的第一步。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優勢。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、無聲的優點；第三，通過實時反饋,激光武器有著極高的精度，并可持續更新打擊方位；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進展是自適應光學技術。該技術可以根據實際情況調整輸出光束，抵消大氣造成的光束畸變。解決這一問題的傳統方法是在光學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，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”項目尋求開發相干光學相控陣技術；采用低功率、電驅動的光纖激光器陣列，得到高質量的光束，能夠穿透紊亂的大氣?？蓴U展的光纖激光器比現有的化學激光系統輕10倍，并且更加緊湊?！吧駝Α表椖繛楹罄m的研究工作鋪平道路。采用光束合成和自適應光學技術的光纖激光器，解決了此前激光武器發展中遇到的問題，目前屬于中等風險投資項目，有著高回報的發展潛力，美國國防高級研究計劃局和空軍研究實驗室都在繼續發展定向能技術。在未來的戰場上，激光武器將發揮重要作用。

5 小結

技術的進步和世界局勢的演變，將為美國軍事力量的發展帶來重大機遇和挑戰。每一代軍事變革都會顯著提高單一軍事平臺的殺傷性和生存能力，同時也會大幅提升作戰單元的成本。為解決不同地域作戰靈活性問題，并壓制分層防御的一體化防御系統，大量低成本的作戰平臺成為有競爭力的方案。美國國防高級研究計劃局開展的分布式方案、高超聲速打擊武器和定向能等項目正在向這一目標努力，希望在2030年建立新的軍力架構。