从DARPA研究项目评析精确打击武器及其技术发展
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本文转载自海鹰资讯（ID：hiwing_news）
作者：北京海鹰科技情报研究所 吴洋、葛悦涛、张冬青
引言
美国国防高级研究计划局（DARPA）作为美国国防部下设的一个研发机构， 主要宗旨是“保持美国的技术领先地位，防止潜在对手意想不到的超越”。自1958年成立以来，DARPA始终将精力放在对未来颠覆性技术的探索上，现下设国防科学办公室（DSO）、战略技术办公室（STO）、战术技术办公室（TTO）、微系统技术办公室（MTO）、信息创新办公室（I2O） 以及生物技术办公室（BTO）等6个技术办公室，凭借其对前沿技术的高度敏感性和独立评估机制，孵化出了众多高风险、高收益的尖端科技项目。
DARPA的研究由国会拨款支持，近年来经费投入呈递增趋势，2018财年DARPA预算经费约31.7亿美元，比2017财年增加约2亿美元。
DARPA资助的技术成熟后，DARPA将其转移给相应军种，由各军种通过招标的方式与成熟的企业签订合同，进行原型机的改进设计与生产，最终提供给军方使用或转化成民用。近10年来，DARPA联合美国各军种、实验室、高校、研究所、公司等，在高超声速武器等精确打击武器及其关键技术、作战概念等研究方面，连续推出了一系列研究项目，为美军抢占未来战争的“制高点”提供技术储备。本文通过梳理近十年DARPA项目，筛选出DARPA近期在精确打击武器及其关键技术、作战等方面开展的重点研究项目，并以此分析精确打击武器的未来发展方向。
精确打击武器
01
高超声速打击武器
美国将高超声速打击武器列为当前高超声速飞行器研究的重点，其发展目标是在2020年前后进入工程研制，2030年前后装备部队。目前，DARPA正与美国空军研究实验室联合实施吸气式高超声速武器概念（HAWC）和战术助推滑翔导弹（TBG）两大“高速打击武器”（HSSW）项目，全面推进高超声速打击武器实用化发展进程。另外，DARPA还开展了猎鹰（Falcon）等高超声速飞行器项目和高 34 47360 34 16163 0 0 9984 0 0:00:04 0:00:01 0:00:03 9983超声速技术、综合高超声速（IH）等高超声速基础研究项目，支撑其长远可持续发展。
HAWC项目于2013年正式确立，为美国全球快速打击体系下的HSSW项目的两个子项目之一。作为X-51A的后继项目，HAWC项目的目标是为发展一型射程925km左右、速度为Ma 6的高超声速巡航导弹进行关键技术开发和验证，用以对敌方先进防空系统及时敏目标进行打击，提高第5代战斗机应对反介入/区域拒止（A2/AD）挑战的能力。2016年9月，DARPA授予美国洛马公司1.71亿美元的HAWC项目合同，并于同年10月授予雷声公司1.75亿美元的HAWC项目合同。
TBG项目首次提出是在2014年DARPA公布的2015财年预算提案中。该项目与HAWC项目同属美国HSSW项目。TBG项目旨在研发并演示验证一种空射、战术射程的高超声速技术演示验证飞行器，最高速度达Ma 9，射程数百千米，后续还将考虑与海军垂直发射系统（VLS）整合，此前美国洛马、雷锡恩、波音等公司都曾获得TBG项目的竞争性合同。2016年9月，DARPA授予美国洛马公司1.47亿美元的TBG项目合同。目前，该项目处于技术开发阶段，美国计划2020年前进行首次飞行试验。
02
进攻类导弹武器
随着美国第三次抵消战略、亚太再平衡战略的实施以及世界反恐作战态势升级，未来战场攻防对抗愈发激烈，目标机动性能极大提高，这就要求提高导弹武器打击效率，在有限的时间内摧毁目标，DARPA开展的重点导弹武器研究项目有远程反舰导弹（LRASM）、三类目标终结者（T3）等，导弹武器装备正朝着多用途、智能化方向发展。
LRASM项目由DARPA和美国海军合作开发，于2009年正式启动。项目旨在为美国海军提供可进行远程目标打击的先进反水面作战能力，强调自主作战能力，降低对GPS等精确信息的依赖。目前，LRASM导弹已进行4次B-1B轰炸机空射试验，1次F/A-18E/F战机空射试验，3次舰载垂直发射试验和1次模拟舰载甲板倾斜发射试验。装载LRASM导弹的B-1B轰炸机和F/A-18E/F战机将分别在2018财年和2019财年达到早期作战能力。
T3项目旨在开发先进空空导弹，系统性突破可打击隐身飞机、巡航导弹、先进防空系统三类目标的双用途导弹关键技术。DARPA于2010年向波音公司和雷神公司分别授出T3项目合同，其中波音公司的试验弹尺寸与AIM-120接近，但飞行速度和射程均高于AIM-120，共进行了4次试飞。
03
防御类武器
近年来，作战环境日益复杂，精确制导武器的快速发展和扩散对下一代防御类武器系统提出了更加严苛的要求。从近几年DARPA发布的项目来看，DARPA正重点依托高能液体激光区域防御系统（HELLADS）和多向防御快速拦截交战系统（MAD-FIRES）两项研究开展防御类武器系统研究，新概念、低成本的反导武器系统将是未来防御武器的一个重要发展方向。
HELLADS旨在研制一个150 kW的激光武器系统，尺寸和重量是目前相似功率激光器的1/10，使其可集成到战术飞机上，抵御并击溃地面威胁。2017年9月，美国特种作战司令部透露，该司令部计划2018年在AC-130J武装运输机上进行60千瓦或120千瓦级机载激光武器对地攻击演示，目标是使地面停放的车辆、飞机和固定的通信节点（如手机信号塔）失能。
MAD-FIRES旨在研发低成本中口径制导弹药相关技术，将导弹所具备的制导、精度及准确性与子弹通常所具备的速度、速射能力及大弹量结合起来，从而提升防御性火炮系统的技术水平。该系统将可以拦截精确制导导弹，每次导弹发射的成本低于10万美元。
精确打击武器关键技术
01
动力技术
动力技术是精确打击武器的核心关键技术之一，近年来，DARPA重点发展可提高飞行速度、射程和有效性的动力技术，利用推进科学等项目开展针对小型军事平台的推进系统定制化研究，基于21世纪推进剂等项目探索新型推进剂技术，并在支撑高超声速飞行器的动力技术方面开展火神（Vulcan）和先进全速域发动机（AFRE）等项目，逐步突破射程和速度瓶颈，以夺取新的战略优势。
推进科学项目旨在为无人机、无人水下机器人、微纳卫星和机器人等小型军事平台提供小型、高性能的推进系统（小于10马力）。该推进系统将改善燃油效率，并具有一定的适应性和可扩展性。该项目于2012财年启动，主要开展微机电系统的电力推进架构的原型设计、静态蒸发冷却技术的测试等。
21世纪推进剂项目首次在2017财年预算文件中提出，旨在研究支持更远射程的新型固体火箭推进剂，为现役及在研的全射程空空弹等小型导弹系统提供当前推进剂无法提供的速度-射程组合能力，同时还能降低动力系统的体积和重量。该项目将针对新型推进剂开展可控燃烧速率、重起能力、安全性（战时处理及运输安全）、储存期限（要求大于15年）、先进制造等方向研究。该项目于2017财年启动创新性技术方案研究，并对备选技术开展风险降低试验。
Vulcan项目主要采用“涡轮+定容燃烧（CVC）”这一技术途径，旨在发展和验证CVC发动机技术，可为高速巡航飞行器（Ma=0~4+）提供动力。目前该项目已完成第二阶段的主要工作，研究了CVC在海军舰船用燃气轮机上的应用，可大幅节约燃油费用。
AFRE旨在为未来高超声速飞机研发全尺寸、可重复使用的“涡轮基组合循环”（TBCC）推进系统，并对该系统进行地面演示验证。TBCC系统将利用通用的进气道和喷嘴，把低速运行所用的涡轮发动机与高速运行所用的冲压发动机/超燃冲压发动机组合起来。2017年9月，DARPA授予轨道ATK公司价值2140万美元的AFRE项目合同。
02
导航技术
长期以来，GPS对于武器装备和平台的导航都起到了关键的作用，但GPS具有的局限性日益明显。为此，DARPA大力发展自主导航技术，开展了一系列的项目以摆脱长期以来对GPS的依赖，但各项目各有侧重。
Micro-PNT项目主要利用微电子和MEMS技术开发芯片级的组合原子导航仪，降低PNT系统的尺寸、重量和功耗，预期样机体积小于8mm3，功耗小于1W。该项目包括时钟、惯性传感器、微尺度上的集成以及试验与鉴定等四个关键研究领域，共由十个具体研究项目组成，研究内容涵盖了从核心部件到系统集成、测试与评估的整个环节，形成了较为完善的技术体系。
STOIC项目主要开发在电子干扰、电磁脉冲武器及遮蔽等GPS性能下降或无法使用的对抗环境下的导航方案，包括超低频发射机和接收机、超稳定战术时钟、协同移动平台导航方案等。该项目2018财年计划投入1563.2万美元，开展光学时钟长远性能验证、使用战术数据链信号进行精确时间传输的实时演示等工作。
适应性导航系统（ANS）
ANS包括精确惯性导航系统（PINS）和全源定位与导航（ASPN）两个子项目，以惯性系统和精确时钟为核心，综合利用所有可用资源，可即插即用，按需灵活地配置不同传感器进行导航。目前，美军已完成了PINS和ASPN在各平台的演示验证。
POSYDON在海床上安装声学信号源，建立一种类似于GPS星座的水下导航系统，综合运用水下声波信号、水面浮标、水下信标或节点、GPS信号等信息进行无人系统的定位，并将数据传回水面舰艇或潜艇的指控系统。目前，DARPA正在与BAE公司合作进行该项目的第一阶段工作。
另外，DARPA还在开展提高相关导航器件精度的项目：光纤陀螺：提供绝对参考的紧凑型超稳定陀螺仪（COUGAR）；冷原子干涉陀螺仪：精确惯导系统-高动态范围原子传感器（PINS HiDRA）；MEMS惯性测量单元：精确制导弹药导航级惯性测量单元（PRIGM: NGIMU）。
03
制导技术
针对制导系统，DARPA也开展了相关的研究，但相关项目没有导航的项目丰富。主要有导引头成本转换（SECTR）项目，前期为低成本导引头项目，采用被动捷联光电/红外传感器，并采用开放式系统架构，旨在研制、设计、集成并验证小尺寸、轻质量、低功耗和低成本（AWaP-C）导引头，在进入强对抗环境中能够利用成像传感器进行目标识别、定位和瞄准。在强对抗环境下，无外界信息进行定位时的工作时间为15分钟，精度等同或优于现有导引头。
04
探测与侦察技术
DARPA在探测、监视、侦察与瞄准领域研发能力齐全，覆盖海、陆、空、天全作战域，涵盖射频、光学、声学等多种体制装备系统，并应用太赫兹、量子、人工智能技术等多种前沿技术，实现智能感应与目标识别。大型系统探测、监视、侦察与瞄准向高功率、大口径、高集成、高性能发展；而同时又向分布式小型系统的紧凑型、低功率、低功耗、低成本、灵活、协同探测发展。主要包括以下项目：
ARC利用深度学习技术研发的能够连续不断感知、学习和适应敌方多功能相控阵雷达系统，从而有效规避敌方雷达探测的电子战系统。目前，该项目由BAE系统公司完成最后一阶段的样机研制与工程测试工作，预计将于2018年完成。
ViSAR使用极高频波段开发能够透过云层、灰尘和其它遮蔽物进行成像，并能定位机动目标，具有穿透云层等对目标定位的能力。目前，ViSAR项目已完成对改装DC-3飞机上的电光和红外传感器的测试，下一阶段将会对装有该雷达的一架配备完整战斗管理系统和实时目标接触能力的飞机开展演示验证试验。
CDMaST在强对抗环境下，利用水下、水上、空中等的有/无人系统的雷达、光电、声学等探测装备，构建广域、跨域、分布式对海洋监视和瞄准体系架构。目前，DARPA发布了该项目第二阶段广泛机构公告文件，寻求开发针对海上、水下的目标瞄准能力。
TERN使得小型舰船能够为中空长航时无人机提供发射和回收能力，为舰艇提供远程情报、监视、侦察信息，扩展打击范围。该项目将于2018年年初开展陆基试验，2018年年底进行一系列海上飞行试验。
TRACE主要包括搭载低功耗计算系统战术飞机的军事目标识别能力；对复杂战场环境下的目标低虚警率；利用有限训练数据对新目标进行快速学习能力。2015年7月，DARPA授予DLA公司价值600万美元合同用于技术开发，预计2018年三季度前完成算法改进并在普通处理器上完成试飞。
05
材料技术
DARPA一直高度重视新材料的发展，支持多项材料技术的研发，助力美国材料领域领先发展，相关研究成果成功应用于发动机、、蒙皮、集成电路等，为精确打击武器的发展提供了基础支撑。
A2P项目旨在开发相关的解决方案，将原子尺度的纳米材料组装成至少毫米级尺度的部件、系统或材料，使其能够保持纳米特性。DARPA计划分两步走，先从原子级到微米级再到毫米级，项目计划3年完成。
MCMA计划将对大型结构工程的设计思想应用到对微观晶粒级别的材料微结构构建技术中，以提升材料的性能，最终目的是能够通过对材料微结构的重构设计来定制材料，以满足对特定指标的需求（如高强度材料、、吸波材料、吸能材料等）。
MATRIX项目旨在开发具有实用性的新型能量转换材料，提供具有革命性的军用能力，并在军用装置和系统应用中体现出重量、尺寸和功率等方面的优势。与此同时，项目还将开发供工程师设计使用的创新性的模型和仿真工具。
一些材料在高压状态下形态将会发生变化（变为高压相态），并表现出比常压状态下更好的化学、物理及功能特性，此类高压材料具有应用于国防领域的广阔前景。XSolids[30]将继续探索此类高压材料的特性，并将研究高压材料的制备方法，通过寻找稳定的中间态进行过渡、采用多步合成的方式来制备高压材料，使高压材料能够得到实际应用。
MDP项目旨在开发用于材料研发的新工具和新方法，目的是将材料的开发周期降低75%，即开发时间从平均10年或更长缩短为2.5年。MDP计划建立一个跨学科的研发平台，涉及集成计算材料工程（ICME）材料科学与工程、以及与作战平台开发相关的设计、分析与制造等多个学科。MDP项目的目标在于加快用于特定平台的新材料开发以满足已有作战任务需要，而不关注常规材料的研发，从而将当前材料技术“分散推动式”的研发模式（例如MCMA项目和A2P项目和）转变为以作战平台设计和任务需求为牵引的“主动牵引式”的研发模式。
LoCo项目旨在开发可在低温条件下实现薄膜沉积工艺的方法。DARPA认为向沉积反应提供能量支持是薄膜沉积工艺的关键，而传统的高温（热能）加热方法只是其中一种提供能量方式，并不是决定性因素。DARPA计划通过对薄膜沉积工艺中的反应物通量、表面迁移等关键技术点进行优化，从而形成全新的低温薄膜沉积工艺技术。
06
先进制造技术
在拥有先进材料的基础上，亟需发展的下一个环节就是将其制备成满足使用功能要求的复杂产品或零件。为此，DARPA投入了大量的精力在先进制造技术领域，将增材制造技术作为其发展的核心，并同时扩展其它的先进制造技术。
Open Manufacturing项目通过对增材制造过程中变量参数的全面捕获、分析和控制，形成对制造过程的快速构建和演示验证能力，从而实现对制造成品性能的快速预测。这些技术的应用并非仅局限于增材制造技术，而是适用于任何潜在的新型制造方法。该计划的研究内容主要包括以下三项：a）低成本快速增材制造技术（RLCAM），旨在预测以镍基合金粉末为原料并利用直接金属激光烧结（DMLS）技术所成型的材料的性能；b）钛制造（tiFAB），主要研究影响大型结构件（如机翼）制造成型质量的关键参数；c）转化可靠组合结构（TRUST），现阶段利用增材制造技术生产的复合材料结构件为了保证结构强度需要同时使用粘结剂和紧固件，这项工作旨在推动仅采用粘结剂将复合材料连接成结构件，消除复合材料结构件对于紧固件的依赖，从而减轻结构重量并简化装配流程。
Micro Factory项目是使用上千个类似蚂蚁的微型机器人（体积小于一美分硬币）协同工作，高效率的组装桁架结构。这些微型机器人全部由低成本的磁性材料制成，将它们放置在特定的印刷电路板上，通过电路板的电流所产生的磁场来驱动微型机器人工作。机器人之间相互独立，有些负责搬运结构零件，有些负责涂抹粘结剂，有些则是在实时监控检验建造工程的质量。该技术已经完成了概念演示验证，成功制备了约12英寸的桁架结构。“微工厂”项目的最终目标是能够以低成本精确组装出实用的大型零件，未来可用于快速生产军用电子器件、为小型无人机系统建造机翼等。
可对精确打击武器产生影响的作战概念
近年来，DARPA正重点发展蜂群作战和分布式空战等一系列新的作战概念及技术，将对未来精确打击武器产生重要影响。
01
蜂群
Gremlins项目由DARPA于2015年推出，主要是完成小型无人机蜂群的空中发射与回收、设备载荷与机体一体化概念设计、低成本结构设计、有限寿命设计、自动复飞策略、精确数字飞控与导航、小型高效涡轮发动机、发动机自动关机技术、小型分布式载荷集成技术、精确位置保持技术等工作。目前，DARPA选择GA-ASI和Dynetics公司进入第2阶段，设计全尺寸方案，验证关键技术，并开展飞行试验。
OFFSET旨在促进蜂群自主性和人-蜂群编组方面取得突破。美空军的最终目标是使250个无人平台在6小时内在8个街区执行任务。OFFSET项目目前阶段目标是使100个无人机和无人地面车辆在2小时内在4个城市街区作战。
02
分布式空战
SoSITE项目旨在探索开放式体系架构技术，将单一装备的航空作战能力分布在大量可互操作的有人和无人平台上，以提高多种武器的整体作战效能，更快更低成本地将全新技术和系统集成到现有作战系统中。2017年，开展一系列项目试飞，评估了有人与无人平台不同混合的效能。
CODE项目旨在探索分布式作战无人机的自主、协同技术，构建开放式体系架构，提供电子干扰、通信较差、天气恶劣和其他不利条件下的态势感知及控制能力。2016年6月，DARPA向洛马公司及雷神公司授予项目第2阶段系统集成合同，后续将开展由1至2架真实飞机和若干虚拟飞机组队的飞行试验。
DBM项目旨在提高任务自适应规划和态势感知等能力，主要研究作战管理的控制算法和决策辅助软件以及用于驾驶舱的先进人机交互技术等，形成可应对空空、空地作战任务的综合分布式管理能力。2016年5月，AFRL代表DARPA，向洛马公司授予了一份总金额1620万美元的第二阶段合同，要求发展一体化分布式作战管理能力，以在强对抗环境中管理空对空和空对地作战。
评述分析
DARPA高度重视以先进国防技术为核心的国防创新工作，近年来在精确打击武器及关键技术领域推出一系列重点研究项目。DARPA开展的大多数项目属于创新研究，一般持续时间不长。但从精确打击武器及关键技术领域DARPA项目发展来看，也有的如HELLADS等项目持续十年以上，HAWC等项目可能会到2030年之后才能真正投入应用，这表明DARPA对新概念武器和可能影响未来作战实用的重大技术问题高度重视，在精确打击武器及关键技术领域已做好当前与长远布局，持续、有序地推动军事技术的不断发展创新。
作为“第三次抵消战略”的重要能力支撑，美国特别重视对人工智能/自主技术进行超前部署、重点培育，确保其在空中、海上、地面、太空和网络空间等各作战域内的优势，加快人工智能/自主技术向武器装备的转化进程。DARPA加大人工智能/自主技术探索，在智能目标识别、自主导航、智能感应等领域开展多个项目研究。智能目标识别领域，重点开展TRACE、SECTR等项目，可在强对抗环境下对目标进行识别。自主导航领域，重点开展Micro-PNT、STOIC、ANS等项目，大力发展不依赖GPS导航的先进导航技术，改善定位、导航和授时性能。智能感应领域，重点开展ARC等项目，利用深度学习技术有效规避敌方雷达探测。人工智能/自主技术的成熟将成为提升导弹武器作战效能的重要手段，可以促进武器装备的智能化发展。
近年来，随着主要对手“反介入/区域拒止”（A2/AD）能力的提升，尤其是中、俄在高超声速武器技术领域取得快速进展，美国有关方面开始担忧在高超声速装备发展上被对手赶超。美国高超声速技术经过半个多世纪的发展，在推进、控制、材料技术等方面的技术成熟度已达到一定水平，面向实战化应用，重点探索高超声速武器和执行情报、监视、侦察使命任务的高超声速飞机研究，公开的项目主要是DARPA和空军研究实验室开展的高速打击武器（HSSW）项目（包括HAWC和TBG两个技术验证项目），持续推动高超声速武器化关键技术的成熟并完成飞行演示验证，为后续进一步发展性能指标更为先进的高超声速导弹奠定基础。
DARPA作为美国国防重大科技攻关项目的组织、协调、管理机构，主要负责高风险、高回报的基础性与应用性研发项目，致力于为美国国防部增强未来军事能力“提供技术解决方案”与充当“技术引擎”，以继续维持美国的军事与技术优势。美军提出的“分布式作战”、“蜂群”等一系列新型作战概念，推动了LRASM、TERN等相关项目的部署，可能带来颠覆性改变，直接关系到武器装备建设的长远发展，体现很强的前瞻性与创新性。颠覆性技术的应用可实现武器装备非连续、超常规、跨越式发展，将对传统战争带来颠覆性效果，可能改变未来战争的游戏规则。
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