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2020年国外先进军用无人机技术研究进展概述
The following article is from 海鹰资讯 Author 袁成、董晓琳等
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引言：2020年，虽受新冠疫情影响导致一些项目未按预期设想推进，但国外军用无人机技术发展仍取得诸多重大进展，例如DARPA小精灵无人机开展多次试飞；美空军天空博格人项目授予原型机研制合同；美国苍鹭系统公司空战智能算法战胜人类飞行员等。上述先进技术在未来将转化出无人机蜂群、忠诚僚机等多个无人机装备型号，为实现无人机自主作战和有人机-无人机协同作战奠定基础，塑造出未来全新的空中作战形态。
军用无人机最近几年呈现出爆发式发展态势，不断在全球范围内扩散，已成为各国广泛运用的航空装备。当前，全球无人机服役总量已达数万架，虽被越来越多的国家、武装组织和恐怖组织实战使用，作战运用样式日趋丰富，但无人机在强对抗环境中的生存能力仍存较大不足。在有人机方面，目前高端有人战机存在研制周期长、生产成本高、服役时间长、装备数量有限、较难承受大量消耗等发展瓶颈，导致各国未来六代机的装备图像仍不清晰。因此鉴于当前发展态势，通过人工智能等技术大幅提高无人机在强对抗环境中的作战能力，与有人机协同作战或独立自主作战便成为军事航空领域的重点发展方向。近年来，美国等军事强国在顶层战略、作战概念和关键技术等方面正不断推动有人机-无人机协同作战和无人机自主作战向前发展。
在顶层战略方面，2014年美国防部着眼大国对抗正式提出了第三次“抵消战略”，虽然其支撑性研发项目当前仍处保密阶段，但在2015年时任国防部常务副部长罗伯特·沃克表示，深度学习、高级有人-无人作战编组是全新“抵消战略”的发展重点。除此之外，美国防部2017年公布的《无人系统综合路线图2017-2042》战略文件表示，有人无人协同作战近期将通过无人僚机增加空基传感器和武器的数量。中远期将进一步增强美军作战能力，无人机将从作战工具变为人类的队友。
在作战概念方面，DARPA在2017年提出了马赛克战概念，打算仿照马赛克画简单、可快速拼接等特点，实现大量低成本、功能相对单一装备的动态组合和密切协同，进而形成敏捷集成、极具弹性的作战体系。2019年，美空军协会米切尔航空航天研究所发表了《“马赛克”战：重塑美军竞争力》报告，认为自主是实现这种作战概念的关键因素，是实现有人无人协同作战的基础。
在技术研发方面，近几年世界军事强国启动了大量忠诚僚机、无人机蜂群、自主空战、小型战术自主无人机等研究项目，并通过实际飞行试验进行验证，若干重要项目即将进入作战试验阶段，距离列装服役更近一步。
有人机-无人机协同和自主无人机具备变革未来空中作战的潜力，具体表现在以下4个方面：
1）可通过无人打有人，可确保新型航空装备敏捷介入高强度作战环境。
2）自主无人机可在防区外投放，忠诚僚机替代有人机前出，大幅提升有人机生存概率。
3）大规模的无人机可遂行多种任务，实现“数量也是一种质量”的新制胜理念。
4）美空军1架蜂群无人机仅数十万美元，1架“忠诚僚机”约200万美元，而防空导弹成本约数百万美元，将使对手面临巨大战争成本挑战。
2020年，国外无人机蜂群技术研发取得重要进展的国家主要是美国和英国，而俄罗斯、韩国、法国、芬兰等前些年曾透露过无人机蜂群发展计划的国家，均无后续进展的报道。美国以DARPA为主，其小精灵、进攻蜂群战术、体系增强小型作战单元等原有项目稳步向前推进。英国近些年在无人机蜂群领域发展迅猛，不仅早于美军成立了蜂群中队，还开展了若干演示验证试验，值得我们密切关注。
美军无人机蜂群技术研发进展
小精灵项目
2020年1月，美国戴内提克斯公司宣布，X-61A小精灵无人机已于2019年11月完成首飞试验。一架无人机由C-130运输机载飞并发射，持续飞行了1h41min。首飞的试验内容包括：无人机空中发射；速率捕获、机翼展开、发动机冷起动和过渡到稳定的动力飞行；验证包括数据链在内的空基和陆基指控系统性能；收集无人机机载系统的运行和性能数据；展开无人机回收对接装置；演示无人机的飞行终止和地面伞降回收。但由于降落伞发生故障，小精灵无人机在成功开展飞行试验后坠毁。
7月，项目开展了第2次飞行试验，以进一步降低技术风险。试验中无人机飞行正常，并与C-130飞机编队飞行，但着陆时因降落系统的气囊未完全充气，机体后部着地速度过快，垂直安定面断裂，无人机被迫返厂维修。
10月，项目开展了第3次飞行试验（图1）。试验使用了3架小精灵无人机，验证了自主编队飞行能力，但是9次空中对接尝试均告失败，3架无人机在飞行超过2小时后成功伞降着陆。预计DARPA将在2021年春开展无人机的空中回收试验。由此可见，在当前技术水平下，无人机空中回收的难度仍较大，而未来实际作战时态势瞬息万变，C-130无人机载机可否在预设阵位安全回收无人机仍存疑问，未来仍需密切跟踪项目研发和转化情况。
图1 小精灵无人机开展飞行试验
小精灵项目理论上应在第三阶段后结束，但由于其作战潜力较大，DARPA和空军决定增加第四阶段，聚焦作战能力验证，在两年时间内使无人机能执行压制／摧毁防空任务。目前美国防部正与戴内提克斯公司进行第四阶段谈判，计划在2021财年第一季度签订合同。
进攻蜂群战术（OFFSET）项目
OFFSET项目旨在研发由250个平台组成的自主作战无人蜂群，在城市作战中协同小型地面部队，提供重要的态势感知信息。2020年，该项目按照预定规划取得了诸多进展。
1月，开展了第3次外场试验（图2），验证了异构蜂群的城区突袭作战任务。蜂群发现了建筑物内的多个模拟目标，并实现了以触摸屏或手势等方式指控无人蜂群、绘制建筑物内地形和自动分配资源等功能。
4月，DARPA向查尔斯河分析公司、密歇根理工大学等9家单位授予了第5轮“核心蜂群冲刺”合同，发展蜂群战术和实物试验台，并计划在2020年12月进行试验。
图2 OFFSET项目的第三次外场试验
9月，开展了第4次外场试验。试验以城市作战为背景，划分了多个试验阶段，验证了无人车、固定翼无人机、多旋翼无人机异构蜂群自主定位可疑目标、保卫多个模拟目标的能力。
小型作战单元体系增强（SESU）项目
SESU项目打算向200~300个士兵提供大量配有传感器和武器的无人蜂群，以助力大国间的地面作战。2020年1月，DARPA授出多份竞争性成本补偿合同，资助SESU项目的第一和第二阶段，其中德事隆系统公司获得447万美元、雷神公司获得2311万美元、诺格公司获得1699万美元。
英军无人机蜂群技术研发进展
成立无人机蜂群中队
2020年4月1日，英国皇家空军在林肯郡的沃丁顿军事基地组建了第216试验中队。该中队将进一步发展无人机蜂群技术并把这种作战能力引入部队。英国是首个对外宣布组建无人机蜂群部队的国家，估计该部队将通过作战试验加速无人机蜂群的技术转化进程，同时探索未来无人机蜂群的作战编组，标志着这种新型无人机距离实际应用更近了一步。
多架无人机使作战轻松项目
2019年英军启动了多架无人机使作战轻松项目，发展由单人控制的20架小型无人机蜂群，探索技术的可行性和军事用途，并授予蓝熊系统公司合同。
2020年4月，蓝熊系统公司演示了无人机蜂群的超视距全自主飞行技术。10月，公司宣布使用20架异构固定翼无人机蜂群，开展了超视距飞行试验。该蜂群由5种不同类型和大小的无人机组成，使用了5家公司的6种载荷。试验共飞行了220多架次，最大组群规模达到20架。
无人机蜂群电磁作战演示验证
10月，英国皇家空军快速能力办公室（RCO）表示，通过与莱昂纳多公司、卡伦•伦茨公司、蓝熊系统公司合作，实现了无人机蜂群的快速研发并开展了飞行试验（图3）。试验中，卡伦•伦茨公司的无人机蜂群配装了莱昂纳多公司闪云诱饵，迷惑和压制了防空雷达。
图3 莱昂纳多公司电磁战无人机蜂群
2020年是国外无人僚机技术大发展之年。在美国，其空军的天空博格人项目正全面统筹无人僚机发展，计划投入4亿美元经费，并组织了十几家承包商，大有快速进入型号研制阶段之势。澳大利亚空中力量编队系统（ATS）已开展低速滑行试验，英国轻型经济可承受新型作战飞机（LANCA）项目结束了第一阶段研制。另外俄罗斯和日本或展出了无人僚机模型，或披露了相关发展计划。总体上看，无人僚机进入美、英等军事强国的部队服役已是大势所趋，美国空军已把天空博格人称为下一代无人机，有人机-无人机协同作战锋芒初显。
美国天空博格人项目发展如火如荼
天空博格人项目旨在开发低成本可消耗智能无人机，与有人机配合执行各种任务，包括察打一体、近距空中支援、火力投送、进攻/防御性制空和空中截击等，单机成本可能在200~500万美元之间。2020年，美国空军开始全力推进项目研发，自主控制系统和无人原型机齐头并进发展，未来可能通过非常规采办流程实现快速定型列装。
3月，项目使用“反叛”喷气式航模进行了第二轮测试，开展了5次飞行试验，验证机器学习自主软件的可行性。
5月15日，美国空军发布了天空博格人原型化、试验和自主能力发展（SPEAD）项目的跨部局通告（BAA）。SPEAD项目为期5年，应为天空博格人项目下属的子项目，旨在将低成本可消耗无人机平台与自主能力相融合，将授出总价值4亿美元的多份不确定交付日期/不确定交付数量（IDIQ）合同。
5月18日，美空军研究实验室宣布雷多斯公司成为天空博格人设计代理，主要负责开发名为天空博格人自主核心系统的智能控制系统。该公司正整合来自工业界和军方的多种自主系统，未来将配装至不同公司设计的多型低成本无人机中，以执行不同的作战任务。
7月，美空军寿命周期管理中心在SPEAD项目下授予波音公司、通用原子航空系统公司、克拉托斯公司、诺格公司天空博格人无人原型机开发合同，并表示将在2~3个月后选出原型机制造商。空军透露希望获得多种类型和数量的原型机，以期拥有更多的可能性，并表示目前已确定了大约15种不同的任务配置构型。
9月，天空博格人进入了第二阶段。空军寿命周期管理中心在SPEAD项目下向美国航空环境公司、奥拓达因（Autodyne）公司、BAE系统公司、蓝军技术公司、弗雷加塔（Fregata）系统公司、洛马公司、下一代航空公司、塞拉（Sierra）技术服务公司、威奇托州立大学等9家机构授出了最新一轮不限期交付/不限数量合同，极大扩充了项目的技术来源。
12月，美国空军在SPEAD项目下授予波音公司、通用原子公司和克拉托斯公司合同，制造天空博格人原型机，诺格公司被淘汰。波音公司获得2580万美元，通用原子公司获得1430万美元，克拉托斯公司获得3770万美元。首批无人机计划于2021年5月前交付，2021年7月将开始有人机-无人机编组试验。克拉托斯公司将以XQ-58A参与竞标，该机今年1月完成了第4次飞行试验，实现了所有目标，且相比前几次试飞进一步扩展了飞行包线。波音公司将以空中力量编组系统（ATS）为基础设计无人机，通用原子公司的方案目前未知。
美国空军打算在2023财年获得天空博格人无人机的初始作战能力版本，后续的多种版本可通过下一代空中优势（NGAD）项目或其他项目资助。关于天空博格人无人机的作战编组，美国空军作战集成能力中心认为，未来将装备5~10个中队的低成本可消耗无人机，或将无人机与现有的有人机中队融合。目前，美国空军正研究为F-35战斗机配备2架低成本可消耗无人机的可行性，空军退役中将大卫•德普图拉为此表示，有人机-无人机协同作战中队未来将被称为“空中优势中队”。
其他国家无人僚机的发展
澳大利亚ATS无人机
2020年，澳大利亚公布了ATS无人机的一些作战构想和设计细节。该无人机可与皇家空军F/A-18E和F-35A战斗机、EA-18G电子战飞机、E-7A预警机、P-8A海上巡逻机协同作战，如F/A-18E可与3~4架ATS无人机组成编队，大幅增加装备的数量和生存力。
ATS无人机使用了开放式系统接口，其长2.6m、内部空间1.5m3的机头可灵活更换，以执行各类任务。另外，该无人机使用基于模型的系统工程方法设计，也是波音公司全面使用数字孪生技术的型号之一。
2月，波音澳大利亚公司完成首架ATS无人机的机身主结构组装。5月5日，推出了首架组装完成的ATS无人机（图4）。9月试车了商用涡扇发动机，10月开展行了低速滑行测试。该无人机计划2020年底首飞。波音公司表示，将与英国分享ATS无人机的设计技术。
图4 波音澳大利亚公司展示首架ATS无人机
英国LANCA无人机
英军在无人僚机方面同样不甘人后，国防科学与技术实验室推出的LANCA超声速无人机可携带多种传感器、电子战设备，执行各类作战任务，且成本预计仅为有人战斗机的十分之一。2020年5月，为期1年的LANCA项目第1阶段研制顺利结束。接下来，英国将评估LANCA无人机与暴风下一代战斗机协同作战的可行性。项目第2阶段将在2023年中期完成，届时将开展飞行演示验证。
俄罗斯雷霆无人机
俄罗斯喀朗施塔特技术集团在2020年8月的“军队-2020”防务展上公布了雷霆隐身无人作战飞机（图5）。该机构型与XQ-58A类似，长约13.8 m，翼展10 m，高3.8 m，质量7 000 kg，最大载重2 000 kg，飞行速度1000 km/h，实用升限12 000 m，作战半径700 km。根据设想，雷霆无人机可与俄有人战斗机编组，协同遂行作战任务。
图5 俄罗斯“雷霆”无人机
日本无人僚机
2020年10，日本表示将在2021年为F-X下一代战斗机研发无人僚机，并将于2024年开始飞行试验。日方设想1架F-X战斗机同3架无人僚机协同执行任务，后者主要履行传感器搭载和武器发射平台职责。
智能空战算法取得重要进展
智能空战算法在与无人僚机结合后，可孕育出制空型无人机，与有人机协同夺取制空权。2020年，DARPA的空战竞赛及随后的空战进化项目取得了重要进展，人工智能算法完胜人类飞行员吸引了全球的目光。
为解决美军飞行员对自主系统的信任问题，变革未来空战体系和作战样式，DARPA在2019年6月发布了空战进化项目的跨部局通告，发展自主空中格斗算法等关键技术，并利用建模仿真、商用小型无人机和真实军机开展演示验证。
在项目启动前，DARPA率先实施了名为“阿尔法空中格斗”的虚拟空中格斗竞赛，以夯实自主算法基础，吸引更多开发人员参与。首场竞赛于2019年11月19日至21日在约翰霍普金斯大学应用物理实验室进行。8支参赛团队在一系列1V1格斗中，与DARPA提供的敌方算法竞技。第2场于2020年1月28日至30日在该实验室举办，展示了更先进的算法，与能力更强的敌方算法对抗。第三场受新冠疫情影响推迟到8月举办，8支参赛团队使用格斗算法与敌方算法开展1V1对抗，并在循环赛中相互角逐。最终苍鹭系统公司的人工智能算法获得第一名，并与空军F-16战斗机飞行员进行模拟空战，且取得了5:0的骄人战绩，人类丝毫没有还手之力。
11月，DARPA授予波音公司、埃皮西斯公司、佐治亚技术研究院、苍鹭系统公司和物理人工智能公司等5家机构“空战进化”合同，要求在“阿尔法空中格斗”竞赛的基础上发展更先进的算法，并把视距内空战场景从1V1扩展到2V1和2V2。
2020年新冠疫情肆虐，非洲等偏远地区的地面运输条件有限，样本和药物投送困难，突显出对货运无人机的需求。未来作战环境复杂，可以预期同样存在对货运无人机的大量需求，无人货运将成为无人机自主作战的重要样式。2020年，除美国GD-2000和APT-70等已有项目取得相应进展外，最大看点为美国空军的敏捷至上项目。该军种未来可能投入数亿美元，发展电动货运无人机，优化升级后勤保障作战样式。
美国空军敏捷至上电动货运无人机项目
美国空军“敏捷至上”项目旨在探索电动垂直起降技术在特种作战、短距运输、救援搜索等领域运用的可行性，推动民用技术参军。敏捷至上飞行器设想了3种类型，其中第3种要求发展大型电动货运无人机，技术指标为有效载荷超过230 kg、最大起飞质量超过600 kg、航程超过320 km、航时超过100 min、飞行速度超过161 km/h。
2020年2月，美国空军发布了项目的信息征询书，希望原型机在2020年12月17日前首飞，2023财年前具备大规模列装的能力。3月，美国海军陆战队作战实验室表示已与空军敏捷至上项目开展合作，发展面向后勤空运的电动垂直起降无人机，并计划2030年服役。4月27日，项目进行了线上活动，吸引了众多机构参与。活动内容涵盖电动垂直起降技术、经费与监管标准等。5月，美国空军表示，2025年前将花费数亿美元开发和采购电动垂直起降飞行器。10月，空军参谋长查尔斯•布朗将军表示，敏捷至上电动货运无人机是空军发展无人后勤能力的重要抓手。
目前，已有多家承包商公布了竞标方案。军刀飞机公司推出了Rhaegal-B远程无人旋翼机（图6），其配装电动涵道风扇，可以垂直或水平等模式起降。该机在垂直起降模式下载重2 450 kg，水平起降模式下载重4 500 kg，最大飞行高度6 700 m，在370 km/h的飞行速度下航程为1 852 km。
图6 Rhaegal-B方案
艾罗依航空公司以礼拜堂四旋翼无人机方案参与竞标，该机可在载重100~225 kg情况下飞行500 km。皮亚塞茨基飞机公司提交了两种方案，第1种是由DARPA资助过的可重构嵌入式航空系统模块化涵道风扇垂直起降无人机，第2种是全电动PA890低桨盘载荷旋翼减速复合无人直升机。
其它货运无人机项目
2020年1月，美国耶茨航宇公司宣布完成宽体型GD-2000自主货运无人机设计。该无人机根据美军和外军特种作战部队实际作战需求开发，机身尺寸1 m×1 m×3.9 m、翼展14.6 m、空重907 kg、最大载重567 kg克、货舱容积3.96 m3、滑翔比7.63：1、飞行距离58 km。公司表示其拥有两家启动客户，曾计划在2020年第2和第3季度交付10架试验机，但未见后续报道。
1月，美国贝尔公司APT 70自主货运无人机完成了首次视距外飞行，飞行距离16.1 km。目前，APT 70已完成120余次飞行试验，包括载重27 kg飞行了29 km。APT 70无人机的最大载重为32 kg。
3月，美国ThereCraft公司提出了YCS17不停航货运无人机（图7）概念。该无人机内部有放置货物的隔舱，下部有快速装卸的隔舱。无人机在到达交付地点之前会俯冲下降，放下货物，然后快速上升到空中，并返回到起点。目前公司还没有透露更多的设计细节。
图7 YCS17货运无人机
微小型侦察无人机是在战场中大幅提升战术等级态势感知能力的重要手段。该领域由于进入门槛相对较低，因此每年都会出现若干全新项目，但除美陆军短程侦察（SRR）等项目外，均未见后续相关报道。
4月，美国陆军研究实验室表示，成功设计出一种能从40 mm枪榴弹发射器发射的新型侦察无人机（图8）。无人机航程2 km，电池续航时间1.5 h，飞行高度60 m。发射后，无人机展开机翼，由士兵控制飞行，摄像头向地面站提供视频影像。
图8 陆军研究实验室新型侦察无人机
4月，美国鹦鹉公司表示已进入美国陆军短程侦察（SRR）无人机项目的最终研发阶段，并计划在7月把原型机交付至陆军和国防创新单元（DIU）。2019年4月，美国陆军和DIU选择鹦鹉公司和另外5家制造商研发无人机原型机，并在2019年11月至2020年1月进行了初始试验。
10月，美国航空环境公司推出了弹簧刀600察打一体无人机，其由弹簧刀300改进而来，杀伤力更强，航程更远，续航时间更长，能执行战术侦察、监视和目标捕获任务，可精确打击装甲目标。
近些年美国、英国、法国等启动了若干临近空间太阳能无人机项目，并制造了原型机，有些开展了飞行试验。但在2020年，可能受新冠疫情和经济形势较差等方面影响，临近空间太阳能无人机领域进展相对较少，重大事件仅为英国PHASA-35无人机进行了首飞。人类一直对太阳能无人机孜孜以求，但仍有很多关键技术需要攻克，发展之路任重道远。
1月，法国泰雷兹集团表示，已与法国武器装备总局签订合同，使用同温层巴士临近空间太阳能无人机开展情报侦察监视作战概念研究，并希望在2023年底进行飞行演示。
2月，由英国国防科学技术实验室和澳大利亚国防科学技术集团共同资助、英国BAE系统公司研制的PHASA-35太阳能无人机（图9）在南澳大利亚某空军试验场成功首飞，并计划在12个月后供客户使用。
图9 PHASA-35无人机
6月，美国HAPS Mobile公司表示，计划在新墨西哥州开展鹰30临近空间太阳能无人机飞行试验。该无人机可在19 800m的平流层飞行，续航时间达6个月，能为310万公顷的区域提供蜂窝数据传输服务，2019年9月在NASA阿姆斯特朗飞行研究中心完成了首飞。目前，公司正在建造两架鹰30原型机。
虽然无人机蜂群、忠诚僚机等新型无人机尚未进入部队服役，且受技术发展和体制机制等影响，未来的实际作战能力也未可知，但无人机成为军用航空技术和信息技术发展的重要推动力以及军事智能化的重要牵引装备已是大势所趋，无人机通过自主作战和与有人机协同作战在未来战争中发挥越来越重要的作用已是势不可挡。2021年，天空博格人无人机将实现首飞，ATS无人机也会进行飞行演示，而小精灵无人机将完成期待已久的空中回收试验，货运无人机和微小型侦察无人机等预计也会取得诸多进展，先进军用无人机领域的未来发展令人期待。
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