美军无人机蜂群的关键技术和应用前景

袁成

2018年4月18日，美国代奈提克斯公司击败通用原子航空系统公司，获得了美国国防部预研局“小精灵”项目价值3860万美元、为期21个月的第三阶段合同。“小精灵”项目旨在探索小型无人机蜂群的空中发射和回收等关键技术，为此代奈提克斯公司计划2019年下半年在C-130运输机上实施多架“小精灵”无人机的发射和安全试验。相比传统多功能、高性能航空装备，无人机蜂群在可在降低作战成本的同时提高作战能力，具备深刻变革未来装备发展模式的潜力。

美军无人机蜂群的研发背景

以F-35等战斗机为代表的美军最新一代高性能航空装备，研制周期长、成本过高、升级和维护困难、故障频发，在其国防预算削减和中俄防空能力快速提升背景下，难以取得压倒性优势。故美军当前正寻找研制周期短、成本低、技术更新迅速的新型航空装备，希望与高性能装备在强对抗环境中配合作战。这使无人机蜂群技术及作战概念成为关注重点。

无人机蜂群由数十至成百上千架小尺寸、低成本、有限功能、任务相同的无人机构成。蜂群可选择使用情监侦、电子战或武器等载荷，借鉴蜂群、鸟群等群体行为模式，在人类指挥或监督下协同开展搜索、干扰或攻击等行动。无人机蜂群作战具备诸多优势：一是无人机数量多、覆盖面积大，态势感知能力强，可压制或干扰敌防空火力;二是损伤冗余度较大，即便损失部分无人机，蜂群作为整体仍可完成任务;三是单架无人机成本远低于防空导弹，增加敌防御成本;四是作战灵活性强，可与各型高性能有人/无人航空装备配合作战。

据公开信息，目前国外系统性研究无人机蜂群技术和作战概念的国家只有美国。另外，韩国陆军去年表示正在也在研发搭载爆炸物的无人机蜂群。美国在上世纪90年代开始探索无人机蜂群技术，开展了大量作战概念研究、仿真验证和室内编队飞行工作。目前，随着无人机领域感知、数字化、网络、人工智能等技术的不断发展，美军的无人机蜂群正处于关键技术飞行验证阶段。战略能力办公室2016年底开展了面向空地任务的蜂群试验，103架微型无人机已实现空中快速发射和按照指令集成编队;海军研究办公室2016年5月实施了面向空海任务的蜂群试验，实现了30s发射30架小型无人机，验证了编队飞行、队形变换、协同机动等能力。

美军无人机蜂群的关键技术

无人机蜂群的实战化应用需要攻克编队飞行算法、蜂群协同作战算法、有人机/蜂群协同算法、蜂群快速发射与国收、小型多功能载荷、蜂群作战体系架构和蜂群作战管理等多项关键技术。蜂群的规模越大、作战环境越复杂，对自主水平、协同能力和传感器性能等也会提出更高要求。目前，美军实施了大量无人机蜂群项目，对上述关键技术开展研究。

编队飞行算法。无人机蜂群作战需要具备多无人机的自主编队能力，面临编队构成与重构、队形保持、避免碰撞等问题。在战略能力办公室“无人机蜂群”项目中，103架微型“山鹑”无人机在空中被依次发射，并按指挥人员的指令环绕电子地图中的某点飞行，或围绕一条直线飞行。另外，通过人为坠毁一架无人机验证了“山鹑”蜂群的编队重构与保持能力。

协同作战算法。无人机蜂群在编队飞行的基础上，还需研究协同作战算法，以具备实际作战能力。为此，美国国防部预研局实施了“拒止环境协同作战”项目，通过发展先进算法和软件，探索无人机蜂群的自主和协同技术，使蜂群在一名操作人员的管理下合作完成发现、跟踪、识别和攻击目标等任务。该项目的研究方向为提升无人机自主作战能力、发展使指挥官保持态势感知的人机界面、发展蜂群等级的自主能力、发展蜂群协同开放式架构等。目前，美国国防部预研局已选择雷神公司进行项目软件的最终研发。

快速发射和回收。美国国防部预研局认为，在没有可靠陆基或海基着陆点时，空基发射和回收将是小型、大作战半径无人机蜂群最简易后勤和最低成本的解决方案，同时还具有对无人机性能影响最小和再次发射迅速等优势。因此在该局“小精灵”项目中，代奈提克斯公司的空中发射和回收系统参考了空中加油系统，其由绞车、线缆、线缆末端的对接装置和机械爪等部件组成。发射时，无人机与对接装置相连，通过绞车和线缆从C-130的货舱门向外投放，到达安全距离后与对接装置分离，使用自身动力向前飞行。回收时，无人机与对接装置在空中对接。之后发动机停车，无人机由线缆拖至C-130货舱门附近，由机械爪捕获并放回机舱。

小型多功能载荷。目前的雷达、电子战和通信射频系统使用分离且专用的硬件、软件和天线，使空间和电功率受限的小型无人机很难拥有全部三种功能。为此，美国国防部预研局面向无人机蜂群发起“射频任務操作中融合的合作式单元”项目，研发融合、轻便、规模可变的射频架构，使射频系统拥有雷达、电子战和通信等多种功能，关键技术包括射频调节与数字变换、功放和天线/机体集成、混合式射频处理等。2017年，BAE系统公司获得540万美元的项目合同。

作战体系架构。无人机蜂群作战需根据不同的使命任务合理规划、配置无人机的种类、数量和功能，以及有人机数量和功能。为此美国国防部预研局实施了“体系集成技术试验”项目，着重探索开放式体系架构技术，目标是以美军现有能力为基础，把单一装备的空战能力分布在大量可互操作的有人和无人平台上，实现各种先进机载系统和机载武器的即插即用，极大提升蜂群作战的灵活性。项目的研究方向为架构开发和集成技术开发，前者聚焦无人机蜂群架构的概念，后者聚焦开发工具，使异构任务系统快速集成至不同类型飞机。洛马公司将在2019年10月完成项目第二阶段研究。

作战管理。无人机蜂群作战时小型平台数量较多，虽有自主和协同等技术支撑，但仍需要有人机对蜂群开展监督和管理，以在强对抗环境中更好地执行作战任务。美国国防部预研局的“分布式作战管理”项目将研发决策辅助原型软件，帮助作战管理员保持态势感知、推荐任务、生成详细作战计划和保持飞行控制，以更好执行无人机蜂群作战等复杂军事任务。该项目正在研发两种软件，即“网络对抗环境态势理解系统”和“反介入实时任务管理系统”，前者构建可分享至每个平台的统一作战场景，后者以该场景为基础为编队中的每架飞机制定合适的任务和飞行路径。2018年3月，BAE系统公司获得项目第三阶段合同，7月将进行空对地任务模拟演习。

美军无人机蜂群的未来应用前景

根据美空军2015年发布的《空军未来作战概念》、2016年推出的《小型无人机系统飞行规划2016-2036》，以及美国国防部预研局的各项目构想，可预见无人机蜂群将在空对面、空对空、城市战和作战支援等领域拥有广阔的应用前景。

在空对面作战方面，由于目前的防空系统主要针对传统多功能战斗机设计，因此无人机蜂群将拥有非对称作战优势。一是执行区域情监侦。无人机蜂群中的大量小型无人机可在某一区域同时开展针对敌坦克、指挥所等目标的情报、监视和侦查任务。各无人机可分别搭载雷达、光电、红外甚至激光传感器，通过多源信息融合提高捕获目标的速度和准确性。另外，无人机蜂群也可从多个角度同时观察同一地面目标，进一步提升了情监侦能力。二是压制敌一体化防空系统。大量的小型无人机可饱和敌防空雷达的跟踪和瞄准信道，使敌暂时失去防空能力。这样即可保证美战机快速通过敌防区，又可为美导弹打击敌防空系统提供支持。三是充当诱饵。无人机蜂群可组成与有人机雷达反射截面类似的诱饵，浪费敌昂贵的防空导弹。四是实施对地攻击。除了装载各类传感器，无人机蜂群也可安装动能战斗部，在发现目标后从各角度开展自杀式攻击。五是遂行对地电子压制。蜂群中的部分无人机可携带电子对抗装置，干扰敌地面电子设备，保障蜂群或其他空战装备顺利执行任务。六是损伤评估。在强对抗环境中，可利用无人机蜂群损伤冗余度较大的优势，深入敌防区执行关键目标损伤评估任务。

在空对空作战方面，无人机蜂群也可发挥一定作用。一是执行反无人机蜂群任务。随着无人机蜂群研究的不断深入，各類反无人机蜂群技术也开始浮出水面，例如利用激光和高功率微波等定向能武器。无人机蜂群也是反制敌无人机蜂群的有效手段，目前美空军和高校都在研究无人机蜂群间的对抗技术。二是遂行对空电子压制。无人机蜂群可在空中组成一面广阔的电子对抗阵列，对敌来袭战机实施电子作战。

在城市战方面，美小规模地面部队目前有大量使用无人机蜂群以提高复杂环境作战能力的需求。美军认为，无人机蜂群有三种城市战作战样式。一是在城市中确认敌人和平民。在高强度城市战中，蜂群可飞临每栋建筑，观察窗口或门廊的狙击手等目标，扰乱其作战计划，降低为掩护美军部队前进而向建筑射击的耗弹量。二是为美军地面部队提供掩护。城市战中进攻部队时刻都处于被发现和瞄准的状态。这时无人机蜂群可携带烟雾发生器，通过产生大量烟雾掩护攻击部队前进。三是为美军地面部队提供保护。无人机蜂群可在进攻部队前方或周围形成“无人蜂群墙”，帮助美军地面部队挡住来袭子弹。

除此之外，无人机蜂群也可执行弹药、小型作战装备、医疗物品的空投补给以及战场气象监测等作战支援任务。最后，规模庞大的无人机蜂群同时突然飞临战场，势必对敌作战人员造成极大震撼，有助于美军赢得心理战争。