《军民融合：DARPA创新之路》：III级-“暗星”项目中的军民融合创新（六） | 评论赠书
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III级-“暗星”项目中的军民融合创新
III级-“暗星”项目，可以说是采办创新的创始项目，也是首个获得认可的先期概念技术验证项目，并且获得了首个第845条协议。
5.2.1 起源
1990年1月，联合需求监督委员会批准了有关“侦察、监视和目标截获（Long Endurance Reconnaissance，Surveillance and Target Acquisition，RSTA）能力”的任务需求声明。1993年7月，联合需求监督委员会批准了获得“长航时”能力的三级方法。达到第三级的无人机所具有的能力最强，也就是我们所说的具有隐形功能的高空长航时无人机。但是，国防科学委员会在1993年7月的“夏季研究”中得出结论，“现有的、可能的”（原文如此） III级项目不是无法满足任务需求声明的要求，就是太为昂贵。由于成本的原因，第III级项目被否决了。因此，采办过程简化和飞行器出厂单价限制就成了“暗星”和“全球鹰”项目必须实现的目标[]。“暗星”项目和“全球鹰”项目均由联合项目办公室负责管理，拥有同样的采办灵活性，但是在项目执行方面存在的关键差异使得它们存在很有趣的对比：
l “暗星”项目是在类似（但更大）系统之前工作的基础上，作为唯一供应商采购项目启动的，而“全球鹰”经历了一个竞争阶段。
l 最初“暗星”是作为一个特殊权限项目启动的，其在低可侦测（“隐形技术”）方面的要求，有涉及“全球鹰”项目所没有的持续设计惩罚。
l 虽然“暗星”和“全球鹰”都使用了第II阶段的成本加奖金协议，但在具体执行方面还是存在差异。与简明扼要的“暗星”协议比较起来，简化后的“全球鹰”协议都显得非常冗长。
l 联合项目办公室最初对“暗星”项目非常严格，甚至使用了DARPA标准来进行监督，其关注点都集中在了费时的II级+竞争上。
在某种程度上，事件与效果之间的差异都与上述项目的差异有关。为满足国防航空侦察办公室提出的III级-要求，洛克希德和波音公司提出了一个成本更低的设计方案。1994年6月20日，洛克希德/波音公司团队获得了III级系统设计、制造和测试的唯一供应商DARPA协议。项目的各个部分都被授予了特殊权限，其细节直到差不多一年之后（1995年6月1日）新产品首次推出时才向公众发布[]。
5.2.2 项目管理
主要从III级-协议、进度表、项目运行等方面，对其项目管理进行论述。
5.2.2.1 III级-协议
DARPA和洛克希德高级研发公司（Lockheed Advanced Development Company，LADC）于1994年6月20日签订18页的初始III级-协议[]。该协议主要用于设计、生产和测试两架概念验证飞行器，1个雷达传感器，1个光电传感器、1个发射、控制与回收系统，以及规定的数据传输器设备[]。在该协议下，仅有一个飞行器完成了飞行测试。DARPA制定了一个为期21个月的项目：13个月用于硬件的交付，3个月用于检查，5个月用于飞行测试。但是，DARPA也给了洛克希德高级研发公司“自行选择”15个月完成项目的权力。
洛克希德马丁臭鼬工厂认为，从技术角度来说，“暗星”无人机的风险很低。合同商同时也认为其已经通过之前的工作对低可侦测侦察无人机有所了解，其技术并没有太多根本性的编号。“暗星”的基本组成部分对以下常用领域均有涉及：数字飞行控制系统、飞翼式飞机的航空动力学特性、低可侦测成形与处理，以及数据传输器。合同商猜测低可侦测Ku-波段天线应该是风险最大的部分，并预计其在飞行器出厂单价中应该会占去大约100万美元。
1994年的采办环境促成了这种低风险观念的形成。由于裁军和缺乏新项目，当时洛克希德马丁臭鼬工厂正在经历裁员。该公司一直以来都很为其在小型、技术先进的特殊项目方面最佳合同商的称号感到自豪，所以会以“敢于尝试”的方式开展III级-项目。协议规定，洛克希德高级研发公司和波音公司可以通过另签一份合作协议的方式开展合作。该协议基本上会平均分配工作；洛克希德高级研发公司负责飞行机的机身和系统、最终安装以及测试，而波音公司则负责提供机翼、自主控制器，以及航空电子设备集成。
项目预计总成本为1.157亿美元；如果再加上固定酬金和奖金，DARPA需支付的总价格就达到了1.249亿美元。对于超出1.157亿美元的部分，DARPA和洛克希德高级研发公司同意均摊。下图5-5中给出了最初的III级-成本和费用结构[]。随着成本的减少（沿着横轴向左移动），费用增加。成本加费用就是政府应该承担的成本。如果说简化的项目所需的成本更低，合同商肯定会选择15个月的进度。还有一点需要注意的是，需要完成更为严格的“项目目标”的合同商，可以获得的边际收益会随着整个项目成本的减少而减少，这就会更加刺激合同商选择以相对较短的时间来完成项目[]。
图5-5 III级-初始成本/费用结构
协议中包含的工作说明书（Statement of Work，SOW）给出了两个目标：
l 利用先期概念技术验证理念研发一个……系统
l 发展概念验证原型机项目，以确保以最有成本效益的方式完成向作战原型机的转移。
工作说明书之后的内容解决了“成本效益”问题：跟II级+项目一样，在1994财年（以美元计），编号为11-20的飞行器的平均出场单价都被设定为1000万美元。但是，其未讨论转移至生产过程所使用的机制、与其相关的标准，以及概念验证机设计的预期变化等问题。该协议仅涉及第II阶段（飞行测试）末之前的项目部分；第III阶段（用户验证）本来是应该就延长项目时间问题进行修改的[]。
5.2.2.2进度表
图5-6给出了之前计划的整个III级-项目的原始进度表，其中包括：用户验证部分[]。值得注意的是，作为第III阶段的组成部分命名的“有限战场验证”在之后更名为“第IIB阶段”。设定该临时阶段的必要性在于，当时II级+项目的进度落后于III级-项目，但第III阶段用户验证则需要两个系统同时可用。但是在之后第三阶段进度的推迟，随后III级-阶段进度表的延误就消除了这个阶段问题。值得注意的是，之前在类似（但是更大）系统上的工作就使得I阶段没有必要。
图5-6原项目的III级-进度表
图5-7给出的是早期的III级-项目进度表，只涉及了包含在DARPA协议内的项目II阶段。在此处，第II阶段计划会持续21个月。需要注意的是，从签订合同到首次飞行的时间是16个月，紧接着就是为期5个月的飞行试验。图中未反映出洛克希德公司是否更倾向于15个月而不是21个月的项目周期；即便如此，在基准进度表中所表现出来的进取精神也非常显而易见。
图5-7原为期21个月的项目的III级-第II阶段进度表
5.2.2.3项目运行
III级-项目应该遵循标准的先期概念技术验证监督程序的要求，也就是III级-项目经理（Program Manager，PM）分别向高空长航时无人机联合项目办公室项目经理、DARPA负责人，以及负责先期技术的国防部副部长帮办层层上报。在联合项目办公室内部，III级-项目经理会采纳II级+项目人员的专业意见。但是，与同等级的II级+项目活动相比，联合项目办公室在合同商活动方面的出席率非常有限，只有大概6位政府人员参加了项目评审。另外，虽然我们不知道以下情况会对III级-任务中人员的可用性造成多大的影响，但我们必须注意到，在早期，联合项目办公室的II级+项目部分由于第I阶段的竞争已经处于超负荷运转状态。
5.2.3系统描述
1995年6月1日，也就是声称的21个月周期之前的2个月，或者说协议签订11个月之后，“暗星”无人机首次推出。该事件标志着该项目已放松特殊准入管制。
“暗星”采用的是飞翼式飞机设计，其精心设计的技术参数如表4.3所示。III级-系统中除了“暗星”飞行器之外，还包含一个共用地面部分。最初的发射、控制与回收系统，以及相关的处理与显示系统（Processing and Display System，PDS）最终都会被共用地面部分所取代。
公认的每架次1 / 200的损耗率、有限的设计使用寿命、缺乏全天候特性，以及受约束的飞行包线都显示项目与之前声称的完全一致：其有效和快速地完成了概念验证过程。有限的验证目标是展示一架可以在战场上携带传感器的巡逻低可侦测无人机。飞行器的“可消耗性”（受高损耗的约束）是可接受的。之前高级政府官员曾经说，“……在50个小时后，埋掉它们。”合同商会在适航性飞行测试之前首先验证传感器的功能。最初的“暗星”项目计划是否生产出符合军事效用稳健性要求的飞行器是一个开放性的问题，因为“军事效用”并没有确定的定义。在“银色子弹”“暗黑”无人机独特的功能方面，任何程度的消耗对于作战规划人员来说很可能都是可以接受的。关键问题是，政府最初的关注点是否放在可消耗的系统之上，以及是否有合适的可用资金。
表5-3 “暗星”技术参数
性能目标 | 值 |
设计任务高度 | 45,000英尺 |
空中待命时间 | 8小时 @ 500海里 |
最大总重量 | 8600 磅 |
安装有效载荷 | 1000 磅 |
安全系数（结构） | 1.25 |
正常负荷限值（结构） | +2.0，0.0 |
最大横摇角 | 35° |
（在最大重量下的）空速限值 | 117～140 节（与之相当） |
起飞和着落速度 | 120节（最大重量） |
最大偏航角 | 15° |
除冰 | 无 |
防冻 | 航空资料传感器 |
设计使用寿命 | 300小时/50圈/3年 |
安全着陆架次概率 | 0.995 |
跨距 | 69英尺 |
长度 | 15英尺 |
“暗星”飞行器设计背后的基本原理阐明了这一项目关于风险的最初设想。低可侦测要求促使“暗星”使用了独特的设计，主要通过外形塑造实现。外形塑造是隐形设计的一个隐性成本，因为它从本质上决定了所有其他部件的特征——与雷达吸收材料不同，其重量和成本的影响只是简单累积的。在“暗星”这个案例当中，盘旋任务和隐蔽能力的要求使得平直翼成为必然的选项。传感器的有效载荷被放进了半圆形且边缘清晰的机身，从而提供一个较为合适的低全方位角雷达回波。“暗星”的俯视图如图5-8所示，必须妥协于空气动力学来进行设计。有了在F-117隐形战斗机中的经验，这种妥协对洛克希德高级研发公司并不陌生。然而，没有较大下摆或尾巴的飞行翼就必然面临一个固有问题，那就是怎么产生桨力从而应对大气干扰或起飞要求。
图5-8“暗星”俯视图
因此，必须妥协于空气动力学来进行设计。有了在F-117隐形战斗机中的经验，这种妥协对洛克希德高级研发公司并不陌生。然而，没有较大下摆或尾巴的飞行翼就必然面临一个固有问题，那就是怎么产生桨力从而应对大气干扰或起飞要求。几何体对飞机飞行控制系统提出了特殊要求，也就是它必须迅速做出反应，从而让机翼保持在较低的攻角范围。如果这个装置拥有一个像“暗星”拥有的后置主起落架的配置，这个问题就解决了。轻载型大展弦比机翼，如“暗星”（必要的耐力），就存在更多的问题。阵风响应会被放大，地面效应的相互作用变得更大（着陆和起飞时的问题），气动弹性效应（机翼弯曲）使飞行控制系统的设计变得复杂化。“暗星”的设计师当然了解这些空气动力方面的复杂问题，但是由于这个项目需要以最快的速度将传感器送入空中，再加上消耗性设计理念，这个项目才得以继续推进。
5.2.4问题与解决
很明显，洛克希德高级研发公司从一开始就想要选择15个月的项目周期，这也是其在协议中的选择。协议中指出了成本和绩效方面的动机，而洛克希德高级研发公司选择基于成本考虑，尽早完成项目。
在签订协议之后，“暗星”的配置被冷冻了11天。此后不久，波音风洞试验表明，由于旋涡的形成，“暗星”的机身在攻击操作角度方面提供了意想不到的升力和阻力。在压缩行程的情况下，洛克希德高级研发公司通过将两英尺翼插入机翼根部，然后以扭曲的方式来减少机身影响，并重新平衡攻击角的升力。在产品首次推出之后的六个月里，所有当事方都意识到了第一次飞行时间会推迟，大家提出了很多问题。洛克希德高级研发公司发现他们低估了让现有火力控制系统适应“暗星”需求方面的难度。商用现货航空电子设备的整合就是一个意想不到的难题。此外，广泛用于军事的ARC-210无线电收音机需要进行改动，才能供“暗星”使用。在此期间，并没有出现空气动力学问题。1995年2月是波音的最后一次风洞试验发生时间。然而，波音公司在测试过程中出现了一个重要的参考误差，这导致了飞行试验数据与仿真结果之间存在差异。
从1996年1月到3月，洛克希德高级研发公司进行了30海里到78海里速度的滑跑试验。洛克希德高级研发公司原本打算进行将滑行试验一直进行到90海里，但“由于对分析模型信心的日益增强......合同商建议预飞测试可以缩短”，所以并没有进行90海里速度的测试。1996年3月29日，“暗星”完成了首航。虽然飞行本身太平无事，但是起飞存在明显异常：飞机用头部机轮沿着跑道降速”轮子摇摆滑行了大约100码。
在第二次飞行之前，工程师们就知道预测数据和实际飞行数据之间存在很大的分歧，这些都可以说明仿真模型存在缺陷。这些工程师及其产品综合研发小组领导告诉项目经理还没有准备好进行第二次飞行。项目经理将消息转达给了高空长航时无人机联合项目办公室。然而，合同商项目经理决定按照缩短的进度表安排，在得到DARPA最大支持下，不顾警告向前推进。针对这一异常，洛克希德高级研发公司在飞行控制系统软件和起飞技术上做了改动，并在1996年4月22日进行了第二次飞行尝试。飞机在高速地面行驶（大约90海里）时发生了俯仰振荡，在离开地面后不久，立刻组建飞机失控起飞后坠毁事故调查委员会。委员会总结到：
l 事故发生的首要原因是与地面的交互作用；
l 起落架和飞行器质量；
l 飞行器控制系统无法消除振荡；
l 仿真中保真度不充分；
l 测试团队缺乏情境意识。
为了让“暗星”项目重回正轨成立了一个独立审核小组。独立审核小组是用来评估：
l 合同商对这个系统的理解；
l 用于识别稳健系统解决方案的进程和程序；
l 对软件和硬件变更提供建议，从而形成稳健的系统；
l 系统测试和评估计划。
1996年12月2日～5日以及1996年9月23～27日期间，独立审核小组进行了两次会面。评估结束时向负责先期技术的国防部副部长保罗·卡明斯基（Paul Kaminski）博士进行了简报。修订的方案得到了负责先期技术的国防部副部长的批准，包括：计划采办的、用于验证的另外两个飞行器。独立审核小组建议洛克希德高级研发公司：
l 改善仿真的保真度；
l 通过压力测试，提高飞行控制软件系统的稳健性；
l 使用登山前起落架来防止地面滚振荡（这会使飞机在加速之前保持零升，然后再延伸前起落架进行旋转和空翻）；
l 审查方案风险管理方法；
l 提高飞行测试小组的情景意识。
解决起飞问题的技术和程序变更被认为是次优的。飞机坠毁的最直接原因是起落架位置错误。虽然，移动主起落架可以解决立即起飞的问题，这就要求对主要飞行器部分进行重新设计，而重新设计则需要较高的费用。独立审核小组作了一些适合整个项目构思和环境的有趣评论（没有包括在最终向Kaminski博士最终简报中提到的）：
l “先期技术验证多于先期概念技术验证”
l “进度压力会导致系统软件和飞行测试过程的压力。”
l “不允许对第一次飞行数据进行适当的时间评估，也不允许模拟飞行验证。”就这一点来说，尽管没有完全理解某些严重问题…… 在这个时候，却依旧保持着按进度表保持项目进度的心态。
l “在目前的配置中，III级-项目包括那些相对新的技术，且在不同程度上存在技术风险。这些技术是：完全自主的飞行操作；第一对称机翼弯曲模态的主动模态抑制系统；将机头起落系统集成到纵向飞行控制系统中。”
l “III级-的稳健性问题是一个机翼在攻角= 5度时机身继续上升从而转移前进。由于耐力和雷达横截面问题，对飞行器进行重新设计并不可能。”
l “我的总体印象是这种设计在飞行测试中是可以接受的，但由于缺乏健壮性，其操作实用性可能大打折扣。”
l “整个系统的设计不足和轻负载经验有限，大展弦比，无尾配置就造就了一个有意思的测试平台，但是它却不具备足够的安全性和常规作战能力。”
基于独立审核小组从有人驾驶飞机的角度对问题的分析，洛克希德马丁臭鼬工厂和联合项目办公室，在与兰德公司沟通中低估了这些观察结果，且并没理解无人机。我们认为这足以成为将无人机设计师与载人飞机主流相分离的一个持续文化鸿沟的证据，这是无人机风险承受能力或规避风险问题的核心。
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