DARPA這十年之
——精確打擊武器中的關鍵技術突破

文 / 吳洋 葛悅濤 張冬青

DARPA加大人工智能/自主技術探索，在智能目標識別、自主導航、智能感應等領域開展多個項目研究。人工智能/自主技術的成熟將成為提升導彈武器作戰(zhàn)效能的重要手段，可以促進武器裝備的智能化發(fā)展。

動力技術

動力技術是精確打擊武器的核心關鍵技術之一，近年來，DARPA重點發(fā)展可提高飛行速度、射程和有效性的動力技術，利用推進科學等項目開展針對小型軍事平臺的推進系統(tǒng)定制化研究，基于21世紀推進劑等項目探索新型推進劑技術，并在支撐高超聲速飛行器的動力技術方面開展火神和先進全速域發(fā)動機（AFRE）等項目，逐步突破射程和速度瓶頸，以奪取新的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

推進科學項目：為無人機、無人水下機器人、微納衛(wèi)星和機器人等小型軍事平臺提供小型、高性能的推進系統(tǒng)（小于10馬力）。該推進系統(tǒng)將改善燃油效率，并具有一定的適應性和可擴展性。該項目于2012財年啟動，主要開展微機電系統(tǒng)的電力推進架構的原型設計、靜態(tài)蒸發(fā)冷卻技術的測試等。

▲ LRASM導彈攻擊海面上的艦艇想象圖

21世紀推進劑項目：首次在2017財年預算文件中提出，旨在研究支持更遠射程的新型固體火箭推進劑，為現(xiàn)役及在研的全射程空空彈等小型導彈系統(tǒng)提供當前推進劑無法提供的速度-射程組合能力，同時還能降低動力系統(tǒng)的體積和重量。該項目將針對新型推進劑開展可控燃燒速率、重起能力、安全性（戰(zhàn)時處理及運輸安全）、儲存期限（要求大于15年）、先進制造等方向研究。

火神項目：采用“渦輪+定容燃燒（CVC）”這一技術途徑，發(fā)展和驗證CVC發(fā)動機技術，可為高速巡航飛行器提供動力。目前該項目已完成第二階段的主要工作，研究了CVC在海軍艦船用燃氣輪機上的應用，可大幅節(jié)約燃油費用。

AFRE項目：為未來高超聲速飛機研發(fā)全尺寸、可重復使用的“渦輪基組合循環(huán)”（TBCC）推進系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行地面演示驗證。TBCC系統(tǒng)將利用通用的進氣道和噴嘴，把低速運行所用的渦輪發(fā)動機與高速運行所用的沖壓發(fā)動機/超燃沖壓發(fā)動機組合起來。2017年9月，DARPA授予軌道·ATK公司價值2140萬美元的AFRE項目合同。

▲ HTV-2高超音速飛行器

▲ AC-130J武裝運輸機發(fā)射機載激光示意圖

導航技術

長期以來，GPS對于武器裝備和平臺的導航都起到了關鍵的作用，但GPS具有的局限性日益明顯。為此，DARPA大力發(fā)展自主導航技術，開展了一系列的項目以擺脫長期以來對GPS的依賴，但各項目各有側重。

定位、導航與授時微技術項目：主要利用微電子和微機電技術開發(fā)芯片級的組合原子導航儀，降低系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗，預期樣機體積小于8立方毫米，功耗小于1瓦。該項目包括時鐘、慣性傳感器、微尺度上的集成以及試驗與鑒定等四個關鍵研究領域，共由十個具體研究項目組成，研究內(nèi)容涵蓋了從核心部件到系統(tǒng)集成、測試與評估的整個環(huán)節(jié)，形成了較為完善的技術體系。

對抗環(huán)境下的空間、時間和方向信息項目：主要開發(fā)在電子干擾、電磁脈沖武器及遮蔽等GPS性能下降或無法使用的對抗環(huán)境下的導航方案，包括超低頻發(fā)射機和接收機、超穩(wěn)定戰(zhàn)術時鐘、協(xié)同移動平臺導航方案等。該項目2018財年計劃投入1563.2萬美元，開展光學時鐘長遠性能驗證、使用戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈信號進行精確時間傳輸?shù)膶崟r演示等工作。

適應性導航系統(tǒng)：包括精確慣性導航系統(tǒng)（PINS）和全源定位與導航（ASPN）兩個子項目，以慣性系統(tǒng)和精確時鐘為核心，綜合利用所有可用資源，可即插即用，按需靈活地配置不同傳感器進行導航。目前，美軍已完成了PINS和ASPN在各平臺的演示驗證。

深海導航定位系統(tǒng)：在海床上安裝聲學信號源，建立一種類似于GPS星座的水下導航系統(tǒng)，綜合運用水下聲波信號、水面浮標、水下信標或節(jié)點、GPS信號等信息進行無人系統(tǒng)的定位，并將數(shù)據(jù)傳回水面艦艇或潛艇的指控系統(tǒng)。目前，DARPA正在與BAE公司合作進行該項目的第一階段工作。

制導技術

主要有導引頭成本轉換項目，前期為低成本導引頭項目，采用被動捷聯(lián)光電/紅外傳感器，并采用開放式系統(tǒng)架構，旨在研制、設計、集成并驗證小尺寸、輕質量、低功耗和低成本導引頭，在進入強對抗環(huán)境中能夠利用成像傳感器進行目標識別、定位和瞄準。在強對抗環(huán)境下，無外界信息進行定位時的工作時間為15分鐘，精度等同或優(yōu)于現(xiàn)有導引頭。

▲ 檢查彈艙內(nèi)的LRASM導彈

▲ 先進高超聲速武器（AHW）高超聲速滑翔飛行器想象圖

探測與偵察技術

DARPA在探測、監(jiān)視、偵察與瞄準領域研發(fā)能力齊全，覆蓋海、陸、空、天全作戰(zhàn)域，涵蓋射頻、光學、聲學等多種體制裝備系統(tǒng)，并應用太赫茲、量子、人工智能技術等多種前沿技術，實現(xiàn)智能感應與目標識別。大型系統(tǒng)探測、監(jiān)視、偵察與瞄準向高功率、大口徑、高集成、高性能發(fā)展；而同時又向分布式小型系統(tǒng)的緊湊型、低功率、低功耗、低成本、靈活、協(xié)同探測發(fā)展。主要包括以下項目：

適應性雷達對抗：利用深度學習技術研發(fā)的能夠連續(xù)不斷感知、學習和適應敵方多功能相控陣雷達系統(tǒng)，從而有效規(guī)避敵方雷達探測的電子戰(zhàn)系統(tǒng)。目前，該項目由BAE系統(tǒng)公司完成最后階段的樣機研制與工程測試工作，預計將于今年完成。

視頻合成孔徑雷達：使用極高頻波段開發(fā)能夠透過云層、灰塵和其他遮蔽物進行成像，并能定位機動目標，具有穿透云層等對目標定位的能力。目前，該項目已完成對改裝DC-3飛機上的電光和紅外傳感器的測試，下一階段將會對裝有該雷達的一架配備完整戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)和實時目標接觸能力的飛機開展演示驗證試驗。

跨域海事監(jiān)視及瞄準：在強對抗環(huán)境下，利用水下、水上、空中等有/無人系統(tǒng)的雷達、光電、聲學等探測裝備，構建廣域、跨域、分布式對海洋監(jiān)視和瞄準體系架構。目前，DARPA發(fā)布了該項目第二階段廣泛機構公告文件，尋求開發(fā)針對海上、水下的目標瞄準能力。

戰(zhàn)術偵察節(jié)點：使得小型艦船能夠為中空長航時無人機提供發(fā)射和回收能力，為艦艇提供遠程情報、監(jiān)視、偵察信息，擴展打擊范圍。該項目于今年初開展陸基試驗，年底進行一系列海上飛行試驗。

強對抗環(huán)境下目標識別和適應：主要包括搭載低功耗計算系統(tǒng)戰(zhàn)術飛機的軍事目標識別能力；對復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的目標低虛警率；利用有限訓練數(shù)據(jù)對新目標進行快速學習能力。2015年7月，DARPA授予DLA公司價值600萬美元合同用于技術開發(fā)，預計今年三季度前完成算法改進并在普通處理器上完成試飛。

材料技術

DARPA一直高度重視新材料的發(fā)展，支持多項材料技術的研發(fā)，助力美國材料領域領先發(fā)展，相關研究成果成功應用于發(fā)動機、蒙皮、集成電路等，為精確打擊武器的發(fā)展提供了基礎支撐。

▲ B-1B戰(zhàn)略轟炸機發(fā)射LRASM導彈試驗

從原子到產(chǎn)品：開發(fā)相關的解決方案，將原子尺度的納米材料組裝成至少毫米級尺度的部件、系統(tǒng)或材料，使其能夠保持納米特性。DARPA計劃分兩步走，先從原子級到微米級再到毫米級，項目計劃3年完成。

微結構可控材料：計劃將對大型結構工程的設計思想應用到對微觀晶粒級別的材料微結構構建技術中，以提升材料的性能，最終目的是能夠通過對材料微結構的重構設計來定制材料，以滿足對特定指標的需求（如高強度材料、吸波材料、吸能材料等）。

能量轉換材料：開發(fā)具有實用性的新型能量轉換材料，提供具有革命性的軍用能力，并在軍用裝置和系統(tǒng)應用中體現(xiàn)出重量、尺寸和功率等方面的優(yōu)勢。與此同時，項目還將開發(fā)供工程師設計使用的創(chuàng)新性的模型和仿真工具。

延伸固體：一些材料在高壓狀態(tài)下形態(tài)將會發(fā)生變化（變?yōu)楦邏合鄳B(tài)），并表現(xiàn)出比常壓狀態(tài)下更好的化學、物理及功能特性，此類高壓材料具有應用于國防領域的廣闊前景。該項目將繼續(xù)探索此類高壓材料的特性，并將研究高壓材料的制備方法，通過尋找穩(wěn)定的中間態(tài)進行過渡、采用多步合成的方式來制備高壓材料，使高壓材料能夠得到實際應用。

作戰(zhàn)平臺材料開發(fā)：開發(fā)用于材料研發(fā)的新工具和新方法，目的是將材料的開發(fā)周期降低75%，即開發(fā)時間從平均10年或更長縮短為2.5年。項目計劃建立一個跨學科的研發(fā)平臺，涉及集成計算材料工程材料科學與工程，以及與作戰(zhàn)平臺開發(fā)相關的設計、分析與制造等多個學科。項目的目標在于加快用于特定平臺的新材料開發(fā)以滿足已有作戰(zhàn)任務需要，而不關注常規(guī)材料的研發(fā)，從而將當前材料技術“分散推動式”的研發(fā)模式轉變?yōu)橐宰鲬?zhàn)平臺設計和任務需求為牽引的“主動牽引式”的研發(fā)模式。

材料合成的局部控制：開發(fā)可在低溫條件下實現(xiàn)薄膜沉積工藝的方法。DARPA認為向沉積反應提供能量支持是薄膜沉積工藝的關鍵，而傳統(tǒng)的高溫（熱能）加熱方法只是其中一種提供能量方式，并不是決定性因素。DARPA計劃通過對薄膜沉積工藝中的反應物通量、表面遷移等關鍵技術點進行優(yōu)化，從而形成全新的低溫薄膜沉積工藝技術。

先進制造技術

在擁有先進材料的基礎上，亟需發(fā)展的下一個環(huán)節(jié)就是將其制備成滿足使用功能要求的復雜產(chǎn)品或零件。為此，DARPA投入了大量的精力在先進制造技術領域，將增材制造技術作為其發(fā)展的核心，并同時擴展其他的先進制造技術。

開放制造：通過對增材制造過程中變量參數(shù)的全面捕獲、分析和控制，形成對制造過程的快速構建和演示驗證能力，從而實現(xiàn)對制造成品性能的快速預測。這些技術的應用并非僅局限于增材制造技術，而是適用于任何潛在的新型制造方法。該計劃的研究內(nèi)容主要包括以下三項：①低成本快速增材制造技術，旨在預測以鎳基合金粉末為原料并利用直接金屬激光燒結技術所成型的材料的性能；②鈦制造，主要研究影響大型結構件（如機翼）制造成型質量的關鍵參數(shù)；③轉化可靠組合結構，現(xiàn)階段利用增材制造技術生產(chǎn)的復合材料結構件為了保證結構強度需要同時使用粘結劑和緊固件，這項工作旨在推動僅采用粘結劑將復合材料連接成結構件，消除復合材料結構件對于緊固件的依賴，從而減輕結構重量并簡化裝配流程。

微工廠：使用上千個類似螞蟻的微型機器人（體積小于1美分硬幣）協(xié)同工作，高效率的組裝桁架結構。這些微型機器人全部由低成本的磁性材料制成，將它們放置在特定的印刷電路板上，通過電路板的電流所產(chǎn)生的磁場來驅動微型機器人工作。機器人之間相互獨立，有些負責搬運結構零件，有些負責涂抹粘結劑，有些則是在實時監(jiān)控檢驗建造工程的質量。該技術已經(jīng)完成了概念演示驗證，成功制備了約12英寸的桁架結構。微工廠項目的最終目標是能夠以低成本精確組裝出實用的大型零件，未來可用于快速生產(chǎn)軍用電子器件、為小型無人機系統(tǒng)建造機翼等。