美国国防高级研究计划局新兴技术发展分析

王璐 王友利 郑义 （北京航天长征科技信息研究所）

1 引言

2017年3月22日，美国国防高级研究计划局（DARPA）在美国政府联邦商机网发布《战略技术》广泛机构公告，旨在寻求创新思想和突破性技术，增强美国重大军事能力，应对不同层面和不同环境的冲突。美国目前面临的不同层面的冲突包括从实兵对抗交战到模糊复杂的“灰色区域”冲突，而不同的冲突环境则包括从条件恶劣的偏远地区到密集的大城市等多种类型的环境。为达到这些目标，美国国防高级研究计划局开展一系列突破性技术的研究，使分散的装备发挥整体作战效能。本文重点介绍美国国防高级研究计划局在分布式能力、高超声速打击武器和定向能等方面开展的突破性研究工作，这些能力可在反介入/区域拒止（A2/AD）环境中发挥重要作用，提供可信的全球打击能力。

2 分布式能力

随着美国国防预算的不断缩减，装备采办压力也越来越大。在这种情况下，美国国防部原副部长沃克在2014年下半年首次提出“第三次抵消战略”。为支持“第三次抵消战略”，美国国防部于2015年提出将重点发展以下5个技术领域：①具有自主学习能力的机器；②人机协作；③“人类作战辅助系统”；④有人/无人作战编队；⑤针对网络（攻击）和电子战环境进行加固的“网络赋能自主武器系统”。

将这些能力整合到一起可以形成新的力量架构。与传统的将所有功能集中到一个平台上相比，将各种能力分散在多个网络互连的平台上，能够增强灵活性、拓展性和专业性，分布式作战概念应运而生。

分布式系统还面临许多挑战，例如平台研发，人机接口，安全可靠的网络通信，以及整体系统架构/指挥和控制。美国国防高级研究计划局内部将该类方案称为“系统的系统”（SoS）方案。

美国国防高级研究计划局在分布式能力研究方面开展的典型项目包括：①“小精灵”项目，发展低成本分布式无人机群；②“机组人员驾驶舱工作自动化系统”（ALIAS）项目，通过机器学习能力提高人机协作的有效性，同时完善人机界面（HSI）；③“拒止环境中协同作战”（CODE）项目，研究人机编队和半自动化协作的算法。

“小精灵”项目

“小精灵”项目是研究由多个无人机平台组成的系统，可避免有人作战平台在保障维护和复杂防御方面的高额成本。

“小精灵”飞行器设计为空中发射和空中回收。为降低成本，飞行器的体积必须很小，因此航程有限。为克服这一缺点，“小精灵”项目采用较大的载机（包括轰炸机、战斗机和运输机），将无人机群运输至攻击区域的边缘再进行投放。“小精灵”飞行器为可重复使用，每一次的运行成本远远低于巡航导弹或传统弹药。项目目前的概念设计和飞行演示动画显示，空中回收是将飞行器收回到一个货舱中，如何避免回收时碰撞载机是最大的技术挑战。设计主要关注捕获过程的3个关键阶段：首先，基于无人机空中加油项目验证的精确导航技术实现对目标的软捕获；其次，利用机械臂技术实现对无人机的硬捕获，在此过程中无人机气动面收起、发动机关机，避免碰撞载机；最后，无人机被收入货舱、放至货架。空中回收技术的演示目标是在30min内回收4架飞行器。

“小精灵”飞行器可携带光电传感器执行态势感知、目标确认等任务，如果有足够的功率还能执行电子攻击；也可携带弹头打击半加固型目标。

“小精灵”飞行器的速度至关重要。若速度Ma达到0.7以上，已经快于现有的无人飞行器，在投放载荷时会更加灵活。此外，高速化也可使“小精灵”与其他打击装备编队，或作为先头部队执行渗透作战任务。提高速度和飞行高度可增强生存能力，避开传统小型防空武器和单兵便携式防空武器的攻击。机身尺寸较小，可降低被监测到的几率，这也是未来武器系统设计的重要考量之一。

空中发射和空中回收解决了“全球敏捷性”的几项关键挑战。利用目前的全球机动装备，从美国本土出发，可在36h内将“小精灵”飞行器部署到世界任何地区。空中回收技术可加快循环使用时间，飞行器可以快速的完成加油、检查，并再次投入使用。

“小精灵”飞行器主要性能指标

“小精灵”作战系统发射与回收能力目标

“小精灵”是实现分布式能力的重要方案。如果仅重视优化平台质量而忽略平台数量的发展，在低要求环境中使用高价值作战平台，会造成浪费。分布式低成本平台利用数量优势，可根据不同任务需求进行编排。在高要求环境下，可增加数量使敌方的防御系统饱和。当执行简单任务时，可部署少量平台。当面对经济上匹敌的对手时，成本效率是必要的战略考量因素。

2017年3月15日，美国国防高级研究计划局选择通用原子航空系统公司（GA-ASI）和动力系统公司（Dynetics）进入项目第2阶段。两家公司将设计全尺寸验证方案，在地面试验验证关键技术，并对安全系统和发射回收系统开展飞行试验。在第2阶段，“小精灵”项目将通过初步设计评审（PDR），并将在2018年初进入第3阶段。

“机组人员驾驶舱工作自动化系统”

平台研发仅是发展分布式能力的众多挑战之一，与作战人员的有效结合也十分重要。美国国防高级研究计划局计划通过“机组人员驾驶舱工作自动化系统”（ALIAS）项目，进一步发展人机协作和机器自主学习能力。

“机组人员驾驶舱工作自动化系统”项目旨在研发能安装在现有飞行器上的新型自动化系统，从而提高任务有效性和安全性，同时减少执行任务所需的机上人员。为实现这一目标，必须先推动机器自主学习能力和人机协作的发展。

“机组人员驾驶舱工作自动化系统”项目的关键是智能处理核心，可进行飞行管理和系统分析。通过知识获取系统将信息输入到系统中，语言处理系统进行加工后再细分至不同的逻辑框架中，通过智能处理核心进行查找。机器可以快速地获取已存储的相关知识，完成各种飞行机动，也可以通过专业的技术人员对系统进行授课。数据质量至关重要，可以由专业技术人员进行完善。“机组人员驾驶舱工作自动化系统”可对现状进行分析，并将任务状况反馈给飞行员。此时的飞行员将作为任务协调者而不是技术人员，主要开展高级别操作。此外，智能处理核心还可以处理系统异常，如发动机故障等。

“机组人员驾驶舱工作自动化系统”项目还在研发一个感知系统，可以模拟任何复杂的计算机算法，测量和监测任务中所有关键的参数，例如空速、高度、燃料状态、方位、分析系统状态和飞行器性能等。

将操作人员作为人机状态中的一个参数，是该项目的一个革命性进展。摄像机可以捕捉飞行员的姿态和反应，测量飞行员的注意力，使用飞行员耳机和头盔中安装的脑电图（EEG）传感器直接监测飞行员的脑电波。监测飞行员的表现可以使“机组人员驾驶舱工作自动化系统”判断人员是否疲惫，最终在“机组人员驾驶舱工作自动化系统”和操作人员之间建立更有效的双向交流。此外，传统的自动驾驶仪采用单一路径失败模式，在遇到紧急情况时飞行员接管控制。“机组人员驾驶舱工作自动化系统”采用三重冗余飞行控制致动器，可靠性大幅提升。

“机组人员驾驶舱工作自动化系统”的最终目标是实现飞行器自主飞行，像人一样操作。在该系统中，飞行员可不在机舱内工作，通过算法将人类意图转化为相应的半自动指令。简化操作后，一个飞行员可同时操作多架飞行器。

拒止环境中协同作战

人机编队和半自动协作是十分重要的能力，也是美国国防高级研究计划局“拒止环境中协同作战”（CODE）项目的核心概念。该项目旨在研发先进自动算法和监测控制技术，以提高在拒止环境中无人机或先进导弹的性能，相关技术领域有：①协作自动化；②飞行器自动化；③监测接口；④分布式系统的开放式架构。关键的技术改进主要是传感、打击、通信和导航方面的自动协作，降低对通信宽带和人机接口的要求。

传统巡航导弹执行打击任务是单一作战。如果能实现自动化协作，几个巡航导弹将组成协作搜索编队，采用多个传感器和方位角，提高目标定位的精度。即便GPS失效也不会受到影响，只要知道目标的相对位置就可以实现杀伤链的闭环。一旦确定目标，几个巡航导弹将包抄目标，同时进行打击，令导弹防御系统难以拦截。协同作战能显著提高效率，降低齐射规模。

协同作战的另一个重要优势是相干无线电频率效应。携带精确时钟的多个平台发射的波形，并能够组合到一起。4个协作平台产生的相干组合信号传输功率可提高16倍。大量信号的相干组合效应能显著提高侦察和通信范围，突破敌方干扰。

在充满挑战的无线电频谱环境中，有效利用可用的带宽对于协同作战也十分重要，项目目标是在编队中形成一个通用的态势感知图。

任务指挥官控制大量的半自动化无人飞行器对人机接口提出新要求。核心挑战是在间歇的拒止通信环境中，如何与多架无人机进行信息交互。“拒止环境中协同作战”项目开发了一套任务规划工具和接口，将准确的信息提供给操作人员，让他们能够正确的控制机器。

开放式架构是开发“拒止环境中协同作战”通信结构的关键。现有系统和新的设计必须在一个不断改进的环境中融合。

3 高超声速打击武器

2017年9月，美国国防高级研究计划局宣布美国轨道-ATK公司将承担新启动的“先进全速域发动机”（AFRE）项目科研工作。该项目旨在开发一种可重复使用的全尺寸碳氢燃料推进系统并对其进行地面演示验证，该推进系统可在Ma为0～5，或者5以上的全速域范围实现连续无缝运行，以确保快速响应的高超声速飞机在拒止环境下完成情报、监视和侦察任务。美国国防高级研究计划局也在同步开展高超声速飞机概念设计研究，为AFRE项目提供更加详细的飞机性能指标牵引。近几年，美国国防高级研究计划局在高超声速武器研发方面连续推出多项计划。例如“战术助推滑翔”（TBG）项目，旨在发展、验证战术射程的空射高超声速助推滑翔系统的关键技术；以及“高超声速吸气式武器概念”（HAWC）项目，旨在开展高超声速巡航导弹的演示验证。这两个项目均与美国空军联合开展，计划在2019年开展首飞试验。此外，美国国防高级研究计划局还开展了“试验型太空飞机”项目。2017年5月，美国国防高级研究计划局宣布波音公司将承担试验型太空飞机－1项目第二和第三阶段的研制工作，以研制一种有望降低发射成本的可重复使用一子级。

对抗A2/AD环境的第二种途径即使用防区外远程打击武器。红外搜索与跟踪、全光谱雷达技术的发展，加剧了大多数空中平台的突防难度。高超声速防区外打击武器的出现扭转了这种局面，在打击过程中保障了发射平台的安全性。此外，1.6km/s的飞行速度能保证作战快速响应和灵活性。一个平台可以同时发射多个高超声速打击武器，在10min以内打击1600km范围的任意目标。快速响应能力在打击机动目标或发动突然袭击时十分重要。

B－52载机可以携带大量高超声速打击武器，在敌方防区外投射武器，能有效对抗最严峻的防御环境。研发能从战术平台发射的武器将给指挥官提供更多选择。因为类似B－52的隐身轰炸机数量有限，所以在执行多领域任务时灵活性有限。另外，投资大量的一次性武器也比购买大量昂贵的平台更划算。通过提升打击武器的性能、减少所需的平台数量，在有限的经费条件下是十分必要的。最后，隐身技术与探测技术的竞争博弈仍在持续，因此具备有效的防区外打击能力才能提供重要的作战保障。

高超声速飞行器未来的武器化发展应该关注通信、目标传感器、成本适当的高温材料、制造方法和作战方案等方面。

除美国外，其他国家也在发展高超声速技术。例如，印度的高超声速巡航导弹——布拉莫斯Ⅱ。高超声速打击武器将很快出现在战场上，很有可能掌握在对手的手中。因此，美国认为更应该继续发展高超声速打击武器：鉴于高超声速武器难以防御，必须加强对敌方武器系统的了解，研发有效的防御策略，降低潜在威胁。

美国国防高级研究计划局和美国空军研究实验室（AFRL）以X－51A等成功经验为基础，继续发展可实现的作战系统。为达成目标，还需开展进一步的研究工作，包括开展足够的试验并建造研发设施；继续推进热防护、材料和结构、高超声速飞行控制和推进等技术的成熟。

4 定向能

目前，美国的弹载高功率微波战斗部技术和战术飞机机载激光武器技术正在取得突破。美国国防高级研究计划局的150kW“高能液体激光区域防御系统”（HELLADS）项目从2015年夏季开始在白沙导弹试验场进行试验。另外，美国国防高级研究计划局正在寻求一个更小型的激光武器系统使之可以安装在载人或无人载具上，同时使用一个小型的光束定向装置来追踪和打击目标。激光打击武器无声无息、定位精准且持续不断，可向军事作战策划人员提供新的备选方案。

高能机载激光器是航空防御领域的发展趋势，也是未来一种重要的进攻性打击力量。与传统的化学激光器相比，固态光纤激光器具有更好的鲁棒性，体积更小巧，更适用于作战环境。光纤激光阵列、光束合成和自适应光学技术的发展，都预示着高能激光器具备较好的发展前景，激光功率能够达到数百千瓦的量级。

先进导引头的应用对飞机平台构成直接威胁，需要发展新型防御系统。从尺寸、质量和能量等方面考虑，大型飞行器装配新一代高能光纤激光器进行防御成为首选方案。利用高能激光器取代现有的红外对抗系统，可以摧毁来袭导弹而不仅仅是实施干扰。此外，摧毁一个小型防空导弹所耗费的能量远小于打击敏感军事目标所需的能量。因此，发展防御系统是高能激光系统投入作战应用的第一步。通过光束合成方法，光纤激光器组件能迅速升级；输出功率的主要限制因素是载机平台上的电源和冷却能力。

进攻型激光武器具有多种重要的作战优势。首先，机载光纤激光器的弹药量和打击频次，仅取决于载机的电源能力；第二，激光具有不可见、无声的优点；第三，通过实时反馈,激光武器有着极高的精度，并可持续更新打击方位；最后，激光的速度如同光速，打击几乎是瞬间完成的。

机载激光器的另一个重要技术进展是自适应光学技术。该技术可以根据实际情况调整输出光束，抵消大气造成的光束畸变。解决这一问题的传统方法是在光学路径上放置一个可变形的透镜；新的方法是采用相控阵技术，由各独立、可控的激光器元素组成一个阵列，美国国防高级研究计划局的“神剑”项目对该技术进行演示验证。美国国防高级研究计划局于2012年开展的“神剑”项目寻求开发相干光学相控阵技术；采用低功率、电驱动的光纤激光器阵列，得到高质量的光束，能够穿透紊乱的大气。可扩展的光纤激光器比现有的化学激光系统轻10倍，并且更加紧凑。“神剑”项目为后续的研究工作铺平道路。采用光束合成和自适应光学技术的光纤激光器，解决了此前激光武器发展中遇到的问题，目前属于中等风险投资项目，有着高回报的发展潜力，美国国防高级研究计划局和空军研究实验室都在继续发展定向能技术。在未来的战场上，激光武器将发挥重要作用。

5 小结

技术的进步和世界局势的演变，将为美国军事力量的发展带来重大机遇和挑战。每一代军事变革都会显著提高单一军事平台的杀伤性和生存能力，同时也会大幅提升作战单元的成本。为解决不同地域作战灵活性问题，并压制分层防御的一体化防御系统，大量低成本的作战平台成为有竞争力的方案。美国国防高级研究计划局开展的分布式方案、高超声速打击武器和定向能等项目正在向这一目标努力，希望在2030年建立新的军力架构。