袁成 ¦ 美国防高级研究计划局“小精灵”空中群射/回收无人机项目分析
2016年3月，美国防部国防高级研究计划局（DARPA）向复合材料工程公司、Dynetics公司、通用原子航空系统公司和洛克希德·马丁公司授予总金额1610万美元的“小精灵”项目第1阶段合同，正式启动技术研发工作；7月复合材料工程公司透露该项目将于10月中旬之前进入第2阶段。“小精灵”项目旨在通过探索小型无人机集群的空中发射和回收等关键技术，支撑美军为着眼大国对抗而聚焦发展的分布式空中作战概念。该作战概念不但将颠覆当前以F-35等大型多功能平台为核心的作战样式和装备发展思路，给敌方防御带来重大挑战，也可能成为未来大幅降低作战成本的重要途径。
DARPA早期发布的C-130运输机群射“小精灵”无人机和回收该机（图中左下部分）想象图（DARPA图片）
一、项目背景
1．国防预算受限要求美军以经济有效的方式实施“抵消战略”
美国防部从2014年年底开始推行第三个“抵消战略”，目的是确保对中、俄等大国的慑止和制胜能力。美军认为，对手的一体化防空系统对其现役空中装备威胁极大，即使是B-2隐身轰炸机，2020年左右也将在“反介入/区域拒止”环境中面临生存威胁。在当前国防预算依然受限的背景下，美军无法通过高端装备大规模的更新换代来解决问题，必须寻求更为经济有效的途径。
因此，美国防部正在尝试重塑复杂军用系统，即以全新的作战概念，牵引出更低成本、更高效能的装备，实现在强对抗环境中对强敌形成压倒性军事优势。分布式空中作战概念就是其中之一，其内涵是以大量功能相对单一的低成本无人机分解传统大型多功能平台的各项能力，在空战管理员的有限介入和人工智能技术的支持下，各平台协同配合，以集群形式完成特定作战任务。
2．人工智能技术的快速发展为分布式作战概念的实现提供了可能
近年来，以机器学习为代表的人工智能技术在军、民领域取得了快速发展。例如2016年6月，美国辛辛那提大学开发的“阿尔法”人工智能系统在模拟空战中击败了有预警机支持的资深飞行员；DARPA和美空军研究实验室也在全力攻克认知电子战技术，试图利用人工智能强大的学习与推理能力，在空中实时检测、分类和对抗未知的威胁信号。在此背景下，以人工智能技术武装相对低成本的空中作战平台，有望成为美军通过分布式空中作战概念实现更低成本和更高效能的重要推动力。
二、项目概述
2015年9月16日，DARPA公布了“小精灵”项目的跨部门公告，寻求小型无人机空中发射和回收、经济上可承受的机体平台等领域的创新性方案。通过分析该公告及其他情报资料，可归纳出“小精灵”项目的设想、性能目标，以及所识别的关键技术、项目进度安排。
1．项目设想
DARPA认为，在没有可靠陆基或海基着陆点时，空基回收将是小型、大作战半径无人机最简易后勤和最低成本的解决方案，还具有对无人机性能影响最小和再次发射迅速等优势。因此，“小精灵”项目的主要目标被定为探索小型无人机集群空中发射和回收的可行性，并最终以试验进行验证。按照DARPA的设想，“小精灵”无人机集群将在敌防区外由包括运输机、轰炸机和战斗机在内的各类平台发射，在渗透到敌防区内之后，针对特定目标共同执行情监侦、电子攻击或地理空间定位等作战任务。任务完成后退出敌防区，并由C-130运输机完成空中回收。
C-130H在防区外群射“小精灵”之后，小精灵对付敌防空系统示意图。从图中可以看出，后方的“小精灵”与前方的“小精灵”之间有通信联系，但是，这一点并不在DARPA所列出的本项目内容之中（DARPA图片）
2．性能目标
DARPA设定的“小精灵”无人机的最优性能目标为：①作战半径926千米；②作战半径处可巡逻3小时；③设计载重54.5千克；④最大速度不小于马赫数0.8；⑤最大发射高度超过12192米；⑥推进系统可在当前技术基础上设计全新型号，也可使用现役发动机或其改型；⑦载荷所需功率1200瓦；⑧载荷类型为模块化设计的射频和光电/红外系统，并可实施基地级更换；⑨设计寿命为使用20次；⑩出厂单价（不包括载荷）低于70万美元。
DARPA还设定了“小精灵”作战系统的最优性能目标：①大型平台能发射超过20架无人机；②30分钟以内回收8架或更多无人机；③成功回收率大于95%；④发射或回收平台因搭载“小精灵”无人机实施分布式空中作战而坠毁的概率低于每飞行小时10-7次；⑤回收后再次发射的时间不超过24小时；⑥发射或回收平台的改装成本（不包括指挥和控制系统）不超过200万美元。
DARPA曾提出的“小精灵”运用概念示意图，采用形似C-5“银河”战略运输机或B-52H“同温层堡垒”战略轰炸机的大型飞机发射、C-130运输机回收，发射后可在＞560千米距离外、高度约6100～9100米的战位持续巡飞1小时以上，并可在防区外距离上探测目标；此图显示的作战半径和续航时间与前述最优目标——作战半径926千米、在此半径处可巡逻3小时——有较大差距，可能代表着门槛值（DARPA图片）
3．关键技术
DARPA指出，上述作战设想和性能指标的实现需突破以下16项关键技术：创新的空中发射和回收方案；低成本、可损耗的机体设计；有限寿命设计；高精度气动分析；气动弹性分析；蒙特卡洛仿真；自动的发射波次策略；高准确度数字式飞控系统；精确相对导航；小型无人机空中加油技术；高效小型涡轮发动机；保障回收安全的油箱自动惰化和发动机自动关闭；小型分布式载荷集成；模块化载荷能力；精确战位保持；发射和回收平台低成本改装技术及其他赋能技术。
“小精灵”无人机从C-130运输机上群射（外侧路线）和回收（内侧路线）示意图。该无人机是低成本、可消耗的，主要追求通过数量、集群达成任务目标，并不追求全数回收（DARPA图片）
4．进度安排
“小精灵”项目的研究周期为4年左右，分成3个研究阶段。第1阶段从项目启动到2017财年（从2016年10月1日至2017年9月30日）第1季度，DARPA选出4家承包商设计“小精灵”验证系统、制定技术成熟计划；第2阶段计划从2017财年第1季度至2018财年第3季度，DARPA选出的2家承包商将进一步开展技术成熟工作，并进行系统初步设计和风险降低验证；第3阶段计划从2018财年第3季度持续至2020财年第2季度，最终胜出的1家承包商将开展“小精灵”验证系统的详细设计和制造，并将在2020财年第1季度首飞。第2、3阶段的上述进度将根据第1阶段的研究情况进行动态调整。
通用原子公司在美国空军协会于2016年9月举办的2016年度空、天、网大会上展示的“小精灵”无人机全尺寸模型（美国《航空周刊与空间技术》图片）
三、几点看法
第一，空中回收技术是“小精灵”项目或空中发射/回收无人机面临的主要技术风险。目前，支持“小精灵”项目的空射小型无人机、飞控和推进系统等技术均相对成熟，该项目面临的主要挑战是无人机集群的空中回收技术。从作战角度预估，该技术可能的解决方案一是可考虑不全部回收，舍弃部分小型无人机后其任务效费比仍有可能高于昂贵的大型多功能平台；二是无人机集群可通过预先输入任务规划程序完成回收，降低对无人机较高自主性的要求，以避免技术复杂性和风险。鉴于美军目前在无人机空中加、受油技术领域已取得重大进展，预计“小精灵”项目面临的技术风险是可控的。
第二，“小精灵”是DARPA探索分布式空中作战技术的重要项目。目前，DARPA十分重视分布式空中作战技术，在“小精灵”项目之前已布局多类项目，开展体系架构、开放式任务系统、自主协同、作战管理等方面的研究。如“体系集成技术试验”项目旨在基于现有装备，实现各类机载系统和武器即插即用，提升作战灵活性；“拒止环境中的协同作战”项目将发展先进算法和软件，使机群在一名操作人员的管理下协同完成发现、跟踪和攻击等任务；“分布式作战管理”项目聚焦发展先进算法和软件，提高任务规划和态势感知能力，面对复杂任务帮助飞行员快速做出合理决策。相比以上项目，“小精灵”项目因需验证分布式空中无人作战平台，其性能指标更明确地反映出DARPA对分布式空中作战概念的设想，对我们具有更重要参考价值。
多架“小精灵”在防区内对付威胁示意图，可见该机与母机（C-130运输机）、防区外的F-35战斗机和后方的“小精灵”之间都有通信连接。“小精灵”是DARPA探索分布式空中作战技术的重要项目。这些项目分别从体系、作战管理、机群管理与协同、空中群射/回收无人机等方面着手开展研究，显示出DARPA对突破以低成本小型无人机集群为新增装备的分布式空中作战技术做出了系统性安排（DARPA图片）
第三，分布式空中作战可显著提升美军在强对抗环境中的作战能力。由于中、俄等国一体化防空系统的主要作战对象为传统平台，故DARPA认为与目前的作战概念相比，分布式空中作战在强对抗环境中的效费比较高。首先，小型无人机以个体方式在“反介入/区域拒止”环境中渗入敌方防区的能力强；其次，小型无人机群体作战将“饱和”敌方防空系统，使其无法应对全部目标，即便进行防御也需耗费昂贵、有限的地空导弹打击廉价的单个小型无人机，防御成本显著增加；最后，小型无人机集群还可依据敌情和自身损失，实时排列组合出最优的作战能力，实现在F-22、F-35战斗机、B-21轰炸机等有人机有限的指挥下以群体方式完成使命任务，作战灵活性更强。
第四，分布式空中作战概念具备改变未来航空装备体系发展思路的潜力。分布式空中作战与当前作战样式大相径庭，如果美军践行此概念，空中作战装备发展思路也必将随之产生改变。首先，美军未来大型多功能有人平台的装备数量有可能减少；其次，与低成本无人机、巡飞弹、导弹等相关的关键技术将得到重视，航空装备体系中将出现越来越多的低端平台；再次，高性能小型机载设备和武器技术有可能成为未来航空装备体系发展的重要抓手；最后，先进的人工智能算法和软件将为空中作战能力的提升做出重要贡献。总之，分布式空中作战将牵引未来空中作战装备呈现机体廉价化、平台智能化、载荷小型化等特点，可能对未来航空装备体系的发展思路产生变革性影响。
袁成先生此前已为《空天防务观察》提供3篇专栏文章，如下表：
序号 | 篇名 | 发表日期 （2016） |
1 | 2月29日 | |
2 | 3月11日 | |
3 | 4月27日 |
有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。
（中国航空研究院 袁成）
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