美軍無人機蜂群的關鍵技術和應用前景

袁成

2018年4月18日，美國代奈提克斯公司擊敗通用原子航空系統公司，獲得了美國國防部預研局“小精靈”項目價值3860萬美元、為期21個月的第三階段合同。“小精靈”項目旨在探索小型無人機蜂群的空中發射和回收等關鍵技術，為此代奈提克斯公司計劃2019年下半年在C-130運輸機上實施多架“小精靈”無人機的發射和安全試驗。相比傳統多功能、高性能航空裝備，無人機蜂群在可在降低作戰成本的同時提高作戰能力，具備深刻變革未來裝備發展模式的潛力。

美軍無人機蜂群的研發背景

以F-35等戰斗機為代表的美軍最新一代高性能航空裝備，研制周期長、成本過高、升級和維護困難、故障頻發，在其國防預算削減和中俄防空能力快速提升背景下，難以取得壓倒性優勢。故美軍當前正尋找研制周期短、成本低、技術更新迅速的新型航空裝備，希望與高性能裝備在強對抗環境中配合作戰。這使無人機蜂群技術及作戰概念成為關注重點。

無人機蜂群由數十至成百上千架小尺寸、低成本、有限功能、任務相同的無人機構成。蜂群可選擇使用情監偵、電子戰或武器等載荷，借鑒蜂群、鳥群等群體行為模式，在人類指揮或監督下協同開展搜索、干擾或攻擊等行動。無人機蜂群作戰具備諸多優勢：一是無人機數量多、覆蓋面積大，態勢感知能力強，可壓制或干擾敵防空火力;二是損傷冗余度較大，即便損失部分無人機，蜂群作為整體仍可完成任務;三是單架無人機成本遠低于防空導彈，增加敵防御成本;四是作戰靈活性強，可與各型高性能有人/無人航空裝備配合作戰。

據公開信息，目前國外系統性研究無人機蜂群技術和作戰概念的國家只有美國。另外，韓國陸軍去年表示正在也在研發搭載爆炸物的無人機蜂群。美國在上世紀90年代開始探索無人機蜂群技術，開展了大量作戰概念研究、仿真驗證和室內編隊飛行工作。目前，隨著無人機領域感知、數字化、網絡、人工智能等技術的不斷發展，美軍的無人機蜂群正處于關鍵技術飛行驗證階段。戰略能力辦公室2016年底開展了面向空地任務的蜂群試驗，103架微型無人機已實現空中快速發射和按照指令集成編隊;海軍研究辦公室2016年5月實施了面向空海任務的蜂群試驗，實現了30s發射30架小型無人機，驗證了編隊飛行、隊形變換、協同機動等能力。

美軍無人機蜂群的關鍵技術

無人機蜂群的實戰化應用需要攻克編隊飛行算法、蜂群協同作戰算法、有人機/蜂群協同算法、蜂群快速發射與國收、小型多功能載荷、蜂群作戰體系架構和蜂群作戰管理等多項關鍵技術。蜂群的規模越大、作戰環境越復雜，對自主水平、協同能力和傳感器性能等也會提出更高要求。目前，美軍實施了大量無人機蜂群項目，對上述關鍵技術開展研究。

編隊飛行算法。無人機蜂群作戰需要具備多無人機的自主編隊能力，面臨編隊構成與重構、隊形保持、避免碰撞等問題。在戰略能力辦公室“無人機蜂群”項目中，103架微型“山鶉”無人機在空中被依次發射，并按指揮人員的指令環繞電子地圖中的某點飛行，或圍繞一條直線飛行。另外，通過人為墜毀一架無人機驗證了“山鶉”蜂群的編隊重構與保持能力。

協同作戰算法。無人機蜂群在編隊飛行的基礎上，還需研究協同作戰算法，以具備實際作戰能力。為此，美國國防部預研局實施了“拒止環境協同作戰”項目，通過發展先進算法和軟件，探索無人機蜂群的自主和協同技術，使蜂群在一名操作人員的管理下合作完成發現、跟蹤、識別和攻擊目標等任務。該項目的研究方向為提升無人機自主作戰能力、發展使指揮官保持態勢感知的人機界面、發展蜂群等級的自主能力、發展蜂群協同開放式架構等。目前，美國國防部預研局已選擇雷神公司進行項目軟件的最終研發。

快速發射和回收。美國國防部預研局認為，在沒有可靠陸基或海基著陸點時，空基發射和回收將是小型、大作戰半徑無人機蜂群最簡易后勤和最低成本的解決方案，同時還具有對無人機性能影響最小和再次發射迅速等優勢。因此在該局“小精靈”項目中，代奈提克斯公司的空中發射和回收系統參考了空中加油系統，其由絞車、線纜、線纜末端的對接裝置和機械爪等部件組成。發射時，無人機與對接裝置相連，通過絞車和線纜從C-130的貨艙門向外投放，到達安全距離后與對接裝置分離，使用自身動力向前飛行。回收時，無人機與對接裝置在空中對接。之后發動機停車，無人機由線纜拖至C-130貨艙門附近，由機械爪捕獲并放回機艙。

小型多功能載荷。目前的雷達、電子戰和通信射頻系統使用分離且專用的硬件、軟件和天線，使空間和電功率受限的小型無人機很難擁有全部三種功能。為此，美國國防部預研局面向無人機蜂群發起“射頻任務操作中融合的合作式單元”項目，研發融合、輕便、規模可變的射頻架構，使射頻系統擁有雷達、電子戰和通信等多種功能，關鍵技術包括射頻調節與數字變換、功放和天線/機體集成、混合式射頻處理等。2017年，BAE系統公司獲得540萬美元的項目合同。

作戰體系架構。無人機蜂群作戰需根據不同的使命任務合理規劃、配置無人機的種類、數量和功能，以及有人機數量和功能。為此美國國防部預研局實施了“體系集成技術試驗”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，極大提升蜂群作戰的靈活性。項目的研究方向為架構開發和集成技術開發，前者聚焦無人機蜂群架構的概念，后者聚焦開發工具，使異構任務系統快速集成至不同類型飛機。洛馬公司將在2019年10月完成項目第二階段研究。

作戰管理。無人機蜂群作戰時小型平臺數量較多，雖有自主和協同等技術支撐，但仍需要有人機對蜂群開展監督和管理，以在強對抗環境中更好地執行作戰任務。美國國防部預研局的“分布式作戰管理”項目將研發決策輔助原型軟件，幫助作戰管理員保持態勢感知、推薦任務、生成詳細作戰計劃和保持飛行控制，以更好執行無人機蜂群作戰等復雜軍事任務。該項目正在研發兩種軟件，即“網絡對抗環境態勢理解系統”和“反介入實時任務管理系統”，前者構建可分享至每個平臺的統一作戰場景，后者以該場景為基礎為編隊中的每架飛機制定合適的任務和飛行路徑。2018年3月，BAE系統公司獲得項目第三階段合同，7月將進行空對地任務模擬演習。

美軍無人機蜂群的未來應用前景

根據美空軍2015年發布的《空軍未來作戰概念》、2016年推出的《小型無人機系統飛行規劃2016-2036》，以及美國國防部預研局的各項目構想，可預見無人機蜂群將在空對面、空對空、城市戰和作戰支援等領域擁有廣闊的應用前景。

在空對面作戰方面，由于目前的防空系統主要針對傳統多功能戰斗機設計，因此無人機蜂群將擁有非對稱作戰優勢。一是執行區域情監偵。無人機蜂群中的大量小型無人機可在某一區域同時開展針對敵坦克、指揮所等目標的情報、監視和偵查任務。各無人機可分別搭載雷達、光電、紅外甚至激光傳感器，通過多源信息融合提高捕獲目標的速度和準確性。另外，無人機蜂群也可從多個角度同時觀察同一地面目標，進一步提升了情監偵能力。二是壓制敵一體化防空系統。大量的小型無人機可飽和敵防空雷達的跟蹤和瞄準信道，使敵暫時失去防空能力。這樣即可保證美戰機快速通過敵防區，又可為美導彈打擊敵防空系統提供支持。三是充當誘餌。無人機蜂群可組成與有人機雷達反射截面類似的誘餌，浪費敵昂貴的防空導彈。四是實施對地攻擊。除了裝載各類傳感器，無人機蜂群也可安裝動能戰斗部，在發現目標后從各角度開展自殺式攻擊。五是遂行對地電子壓制。蜂群中的部分無人機可攜帶電子對抗裝置，干擾敵地面電子設備，保障蜂群或其他空戰裝備順利執行任務。六是損傷評估。在強對抗環境中，可利用無人機蜂群損傷冗余度較大的優勢，深入敵防區執行關鍵目標損傷評估任務。

在空對空作戰方面，無人機蜂群也可發揮一定作用。一是執行反無人機蜂群任務。隨著無人機蜂群研究的不斷深入，各類反無人機蜂群技術也開始浮出水面，例如利用激光和高功率微波等定向能武器。無人機蜂群也是反制敵無人機蜂群的有效手段，目前美空軍和高校都在研究無人機蜂群間的對抗技術。二是遂行對空電子壓制。無人機蜂群可在空中組成一面廣闊的電子對抗陣列，對敵來襲戰機實施電子作戰。

在城市戰方面，美小規模地面部隊目前有大量使用無人機蜂群以提高復雜環境作戰能力的需求。美軍認為，無人機蜂群有三種城市戰作戰樣式。一是在城市中確認敵人和平民。在高強度城市戰中，蜂群可飛臨每棟建筑，觀察窗口或門廊的狙擊手等目標，擾亂其作戰計劃，降低為掩護美軍部隊前進而向建筑射擊的耗彈量。二是為美軍地面部隊提供掩護。城市戰中進攻部隊時刻都處于被發現和瞄準的狀態。這時無人機蜂群可攜帶煙霧發生器，通過產生大量煙霧掩護攻擊部隊前進。三是為美軍地面部隊提供保護。無人機蜂群可在進攻部隊前方或周圍形成“無人蜂群墻”，幫助美軍地面部隊擋住來襲子彈。

除此之外，無人機蜂群也可執行彈藥、小型作戰裝備、醫療物品的空投補給以及戰場氣象監測等作戰支援任務。最后，規模龐大的無人機蜂群同時突然飛臨戰場，勢必對敵作戰人員造成極大震撼，有助于美軍贏得心理戰爭。