DARPA四大冷门无人航空技术概念验证项目

李丽　周颖　陈宇

美国国防部先进研究项目局（DARPA）作为美军军事高新科技研发的主管机构，一直为解决中、远期美国国家安全问题提供高技术储备，并将具有潜在军事价值的新高技术应用在众多军事项目上。近期，DARPA发布了4项无人航空技术概念验证项目，显示了美国空军武器装备发展的最新动向。

无人机协同作战

让无人机“学会”协同作战，是美军新概念研发的一大重点。美国国防部希望在人类的监控和指挥之下，使无人机具备集群式协同作战能力。任务指挥官通过预先计划、态势感知、实时调控等一系列的作战流程，将无人机群整合至现有作战体系之中。当前，美军无人机已经进行了大量实战应用，但是主要形式还是操作员指挥/操作单机执行战术级别的任务。该项目形成的集群式协同作战能力，无疑将使美军的无人机作战向战役甚至是战略层次拓展。

为实现上述目标，美国国防部先进研究项目局（DARPA）启动了“拒止环境中协同作战”（CODE）项目，通过改进现有无人机的软件和算法，实现对无人机的平台技术状况和战况的实时监控，将无人机作战从多种操作员操控一架无人机，向一名操作员操控多架无人机转变。CODE项目当前的验证目标是一名操作员指挥6架以上的无人机群协同作战，群中无人机具备不同的独立任务能力，比如情报侦察监视（ISR）或对地面（水面）目标打击任务，指挥官将这些必需的作战能力整合，就能执行更复杂的协同任务。

CODE无人机群还应具备一定的自主能力，能向基地的指挥官建议下一步应该采取什么行动，指挥官可以肯定或否定其行动建议，或输入指令命令其实施打击，或命令其继续收集监控数据。无人机群自主作战在区域拒止作战环境或复杂电磁条件下的空域之中，采取模拟狼群围猎的方式作战进行，能够提升任务的灵活性，减少空地指挥协同造成的通信带宽需求，增加美军已停产空中装备的任务效费比，降低未来作战运行成本。

DARPA选择洛克希德一马丁和雷神公司作为CODE项目的主要承包商，2016年上半年签订了项目第2阶段（系统集成阶段）合同。两家公司领导弗吉尼亚州汉普顿的丹尼尔·瓦格纳联盟、马萨诸萨州沃本的科学系统公司、密西西比州明尼阿波利斯的智能信息流技术公司、密歇根州安娜堡的索尔技术公司、加利福尼亚州门洛公园的SRI国际公司和新泽西州巴斯金里奇的Vencore应用通信科学实验室等6个团队继续CODE项目验证，这6家机构也都参与了项目第1阶段工作。

CODE机群的无人机都要具备模块化能力，比如具备数据共享、通信联络、任务协商和同步行动能力，因此需要嵌入开放的软件架构，建立符合美军作战原则的交战规则，支持多架无人机同步地搜索、跟踪、定位、识别、打击目标。CODE无人机还能够召唤附近的友邻无人机，增强机群实力，应对突发战况和未知战场威胁。

据DARPA项目主管简·查尔斯·莱德介绍，CODE项目第1阶段通过模拟成功验证了无人机协同作战的潜在军事价值，证明该项目具有很强的技术优势，项目组已经为未来可能的作战系统制订了过渡计划。DARPA从两大承包商的方案中选择了20种自主方式，这些方案都能够增加遗产武器平台的任务能力，使其在区域拒止作战环境下完成复杂任务。

另外，項目组也完成了CODE原型机人机界面（HSI）和开放架构设计。人机界面设计理念先进，一名士兵、一名飞行员或一个地面控制站内的操作员，可能通过更直观的方式，在界面上观察、监视、指挥无人机群作战，任务指挥官通过界面可以了解无人机群的作战状态和技术状况，查看预设的作战计划，并根据战况实时修订作战方案。

比如，任务指挥官可以从机群中“点击”选择某一架（或几架）无人机，在指挥信息显示屏上单独操作，并标定为“第1组”。在作战地图其他位置勾选一个区域，输入命令“第1组搜索这个区域”。然后，软件自动为勾选的无人机创建一个子群，单独划分子群的搜索任务，并重新调整分配“第1组”的初始任务。美军认为，这种能力可以极大地简化大型无人机编队的指挥控制过程。人机界面的其他研究聚焦如何显示新的作战计划，包括对其他任务目标的潜在影响，无人机群依据预设任务规则，或者直接执行计划，或者等待指挥官审批之后执行。

DARPA目前正在基于现有作战规则的开放架构，发展CODE人机界面和自主作战的规则，比如，美国海军和美国陆军使用的“未来机载能力环境”（FACE）和“无人控制组件”（UCS）标准，以及美国空

军使用的“开放任务系统”（OMS）和“通用任务指挥控制”（CMCC）标准。

在CODE项目第2阶段，DARPA计划为这些架构进行实飞测试，利用1～2架无人机建造嵌入上述两种架构的原型机，试飞成功之后进入项目第3阶段。第3阶段的主要工作是组建测试团队，试验6架真实的无人验证机之间的自主协同作战，以及他们与模拟机群的协同作战。届时，一名士兵就能指挥一个无人机群，完成目标搜索、识别、交战等复杂任务，用来对付现实和潜在的作战对手。

如果这一目标能够如期实现，美军的无人机操作员紧缺问题就能从根本上得以解决，节约无人机部队作战运行成本之外，带来的潜在效应可能是空军编制员额能够进一步削减，便于美军将更多经费用于未来武器平台研发。

“小精灵”空射型可回收无人机

“小精灵”（Gremlins）是DARPA启动的另一个无人机验证概念，目标是发展“空射型可回收无人航空系统”（UAS），通过安全可靠的无人机部署和回收平台，使得未来的作战飞机可以在空中快速部署廉价的、可重复使用的无人机群，适应未来的全谱作战环境。

“小精灵”的项目名称来源于二战期间英国飞行员使用的吉祥物“小魔怪”（Gremlins，二战中传说的一种会对飞机捣乱的小精灵），设想研发一种能够让现有作战飞机（轰炸机、运输机或战斗机，甚至其他小型固定翼空中平台）从空中发射的小型无人机，使这些作战飞机远离作战对手的防空威胁。比如，C-130“大力神”运输机就可以作为载机，搭载“小精灵”实施发射与回收后飞回机场，地面保障人员能够在24小时内完成下一次作战的准备。“小精灵”的设计使用寿命为20次，每次发射回收成本在70美元以内。这些特点能够降低载荷和机身成本，也具有较低的任务和维修成本，因此比现有这些设计寿命几十年的作战系统具有更大的成本优势。

2016年，DARPA向复合工程公司、Dynetics公司、通用原子航空公司（GA-ASI）和洛克希德一马丁公司领导的4个团队授予了“小精灵”第1阶段研发合同，分别开发不同的作战概念、创新技术和系统验证，为建造原型机奠定技术基础，验证空中发射回收多个“小精灵”的作战概念。项目开发包括不同的技术领域，比如发射与回收技术、装备与飞机整合技术，寻求低成本、有限寿命的机身设计，DARP要求承包商充分利用现有技术，现有载机平台只需要适度改装即可实现功能。项目还将涉及高保真分析、精確数字化飞行控制、航行与位置保持等相关技术领域。

Dynetics公司在项目第1阶段合同期间从4家竞争同行中脱颖而出，成功设计了无人机发射和回收技术、低成本的机身设计和高保真数据分析以及精确飞控等。2017年3月，Dynetics公司获得了DARPA的“小精灵”无人机项目第2阶段合同。项目第2阶段计划为期12个月，合同价值2100万美元，Dynetics负责空中发射系统的开发与项目验证，最终将这种能力以某种形式转移到战斗机。

Dynetics的技术供应商团队包括Kratos防务与安全公司、内华达山脉公司、应用系统工程公司、威廉姆斯国际公司、Systima技术公司、机载系统公司、Moog公司和空中响应国际公司。团队提供多样化的专业知识。这些分包商都所在领域最为出色，能够为项目推进提供可靠的系统基础。Dynetics在第2阶段的研发重点是将这些技术成熟化。DARPA计划在2018年初授予第3阶段合同，在基于第2阶段的成果之下，“小精灵”将在C-130运输机上进行安全发射和回收试验。

无人僚机“阿凡达”

美国国防部还启动了无人战斗机项目“阿凡达”，项目原名“忠诚的僚机”，目标为第三代（美国现称为第四代）战斗机如F-16“战隼”和F/A-18“大黄蜂”开发无人驾驶版本，作为F-22A“猛禽”战斗机和F-35“闪电Ⅱ”联合攻击机这两种第四代（美国现称为第五代）隐身战斗机的僚机编队飞行。无人版僚机具有一定的自主飞行能力，F-22A飞行员不需要全时操纵这些无人飞机，借助无人驾驶技术为这些稍早的飞机赋予新的生命。

美国国防部原副部长罗伯特·沃克表示，美军将F-16改造成完全没有飞行员的飞机将使三代机与F-35这样的四代机协同作战。五角大楼多年以来一直都在设想让无人驾驶战斗机与有人驾驶战斗机共同组成飞行编队，甚至专门给这种无人驾驶战斗机起了“忠诚的僚机”的名字。美国空军已经开始为这一概念进行了技术验证，整个五角大楼未来也将继续重视这个项目。

美军目前的“三代机”一般是指从20世纪80年代服役至今的战斗机，包括F-15、F-16和F/A-18，而且在美军大量列装。在“四代机”F-22A和F-35隐身战斗机量产并开始换代三代机的情况下，美国空军在国防部战略能力办公室（SCO）领导下研发无人驾驶的F-16，就是为这些早期装备延寿的重要举措。2013年，波音公司已经将一些退役的F-16改造成无人靶机OF-16。之前，美国空军已经在空靶实弹训练中使用过更早期的F-4“鬼怪”战斗机。可以说，这种由全尺寸实体机改装成的远程遥控无人靶机为“阿凡达”奠定了良好的技术基础。

美国空军实验室强调，“阿凡达”面临的技术难点是如何将目前遥控飞行的战斗机，改装成能够自动完成驾驶，并能接收另一架战斗机飞行员发出的指令的自主式飞行器。所需的机载自动化技术要实现很高的成熟度，才能让“阿凡达”完成所有的基本飞行任务，无需接受地面控制台的指令，也无需全程接受人工指挥。“阿凡达”的自主飞行作战同样需要开发一种自动化算法，嵌入到F-16或其他同代机型中，充当这些无人驾驶僚机的“大脑”。据悉，美国空军实验室将于2018年开始正式启动项目，计划在2022年进行飞行验证。

美军希望通过无人驾驶僚机来更好地扩展美国的军事实力，而不是仅仅借助人力资源来扩充军力。五角大楼将这种发展战略称作“第三补偿”（ThirdOffset）。罗伯特·沃克表示，尽管在战场上使用无人驾驶技术和平台已经不可避免，“这是不可阻挡的，迟早会成为现实”，但是美军不会让无人驾驶僚机自主执行杀伤性任务，是否使用武器这样的关键决策必须由人来决定。

DARPA为“阿凡达”进行的技术储备还包括“舱内机组自动系统”（ALLAS），这种模块化的自动飞行系统可以嵌入到美军现有战斗机，驾驶时只需要通过触屏向系统下达命令，据称能够代替5名机组人员的工作量。系统能够实现自动起飞、巡航和降落等过程，甚至能够处理紧急的飞行失误，任务能力和飞行器的安全性都有所增加。ALLAS项目也包括人机界面设计，统一简洁的仪表将飞行员的身份从“系统操作者”提升到“任务指挥官”，飞行员只需要通过触屏操作或者语音下达命令就能操控飞机。

另外，美国陆军为“黑鹰”无人驾驶直升机开发的Matrix软件系统也是DARPA自动驾驶战斗机可以吸纳的关键技术成果。Matrix由西科斯基、库塔技术、Think-A-Move和先进光学系统公司合作研发，所用的机载计算机系统和新的电传飞行控制系统验证了直升机自动起飞、飞行和着陆的概念。自动驾驶技术能够实现“黑鹰”无人直升机的视距内和视距外操控，目前已经实现了低空和障碍物条件下飞行，未来将向垂直起降型（VTOL）固定翼飞机进行技术扩展。

无人垂直起降飞机

垂直起降X飞机（VTOL X-Plane，VXP）是DARPA推出的混合动力垂直起降验证项目，目标是建造一种高速垂直起降平台，创新多旋翼飞行器设计概念。目前，DARPA授予了极光飞行科技公司价值约9000万美元的成本加固定费用研发合同，计划于2018年首飞命名为XV-24A“闪电打击”的验证机。另外，合同还包括第2阶段和第3阶段的垂直起降飞机研发。

垂直起降x飞机的设计概念是静音、节能、高效，具有很强的适应能力和独立作战能力，通过全新设计的系统和子系统，突破先前项目机上任务空间过小的瓶颈。目前，极光飞行科技公司已经推出了“闪电打击”的缩比验证机，采用无人驾驶设计，两个大型后置主翼内部设置的电动涵道风扇提供动力，机头附近设置一对鸭翼。采用罗罗AE1107C涡轴发动机，为3部霍尼韦尔发电机提供动力，每部发电机输出功率4000马力（2941千瓦），共同驱动24具电动涵道风扇。

“闪电打击”的电力分配系统由高度一体化的分布式涵道风扇组成，辅以同步电力传输系统，将动力分配到24具涵道风扇上，提供强大的悬停能力和高速飞行能力。其中18具电动涵道风扇布置在飞机的主翼上，每侧9具；鸭翼上布置6具，每侧3具。主翼和鸭翼都能倾转，以改变涵道风扇的推力方向：涵道风扇向后时飞机向前飞行，涵道风扇向下时悬停，这两个状态之间的角度，还可以使飞机低速斜向爬升或下降。每个涵道风扇都能独立受控，保证飞机在飞行和悬停时自行调整位置。

DARPA要求“闪电打击”验证机的飞行控制系统采用极光公司的“半人马”（centaur）和“猎户座”（Orion）的成熟技术。飞行控制系统采用三余度设计，确保在前飞和垂直状态下探测并修正飞行异常。“闪电打击”的无刷电动机由ThinGap公司提供，主翼上涵道风扇使用100千瓦定速电动机，小翼上涵道风扇使用70千瓦电动机，通过改变叶片螺距调节推力。这种新型混合动力推进概念能够将飞机的悬停效率从60%至少提升到75%，巡航升阻比从5～6上升到10以上，飞行速度可达300～400节（540～720千米/时）。飞机全重4535～5443千克，最大载荷约1500千克。

在海上垂直起降型飞行器方面，DARPA与美国海军研究办公室（ONR）联合启动了“燕鸥”（Tern）项目，意图研发一种部署在护卫舰和驱逐舰上的舰载飞机，能够在多种水面舰艇上起降，适应多种海况条件，搭载ISR或打击类载荷，执行陆上和海上中空长航时（MALE）任务。项目前两个阶段已经在舰上试飞了验证机，正在开发适合更小型的舰艇搭载的无人机。

2016年初，DARPA授予诺思罗普一格鲁门公司9300万美元的合同，进行项目第3阶段研发，继续发展验证一种立式垂直起落飞翼式飞机。“燕鸥”验证机在机头部位安装两具对转螺旋桨，能够在护卫舰的飞机甲板上起降，提供水平飞行所需动力，执行任务之后可以安全地收置在舰艇内部。“燕鸥”翼展约9米，机翼边缘有4个控制面，4个不可回收的起落架，目前的最大载荷约227千克，最大航程约1111千米。第3阶段项目目标是发展到最大载荷约270千克，最大航程约1670千米的任务能力。

编辑：石坚