美国国防高级研究计划局“小精灵”项目

袁成

2016年3月，美国国防高级研究计划局（DARPA）向复合材料工程公司、Dvnetics公司、通用原子航空系统公司和洛马公司授予了“小精灵”项目第1阶段合同。该项目旨在通过探索小型无人机集群的空中发射和回收等关键技术，支撑美军为着眼大国对抗而大力发展的分布式空中作战概念。该作战概念不但将颠覆当前以F-35、B-2等大型多功能平台为核心的作战样式和装备发展思路，给敌防御带来重大挑战，也将是大幅降低作战成本的重要途径。

项目背景

2014年底，美国防部开始制定第三次“抵消战略”，并把与中、俄等大国对抗定为美军的主要使命。在此背景下，美方认为以上假想敌的综合一体化防空系统对其现役空中装备的威胁极大，2020年左右B-2将在反介入/区域拒止环境中面临生存威胁。经过长研制周期推出的高成本现役装备如被大量击落，必将严重削弱美空中作战能力。因此，美国防部正在考虑以全新作战概念牵引出更低成本、更高战力的作战装备，以维持对主要假想敌压倒性的军事优势。

近年来，以机器学习、自主作战为代表的人工智能技术在军事领域取得了快速发展，例如2016年6月，辛辛那提大学的“阿尔法”人工智能系统（非谷歌公司的“阿尔法”）在模拟空战中击败了有预警机支持的资深飞行员，为未来制空型无人机发展奠定重要基础。而DARPA和空军研究实验室（AFRL）目前也在全力攻克认知电子战技术，企图利用人工智能强大的学习、推理能力，在空中实时检测、分类、对抗未知威胁的电子信号。因此，用人工智能技术武装相对廉价空战平台产生新质作战能力，成为美军重塑复杂军用系统的重要途径，并形成了分布式空中作战概念。该概念的内涵是：大量功能单一的小型低成本无人机分解传统大型多功能平台的各项能力，在空战管理员有限介入和人工智能技术的支持下，各平台协同配合，以群体形式完成作战任务。

分布式空中作战的实现，需突破空中发射和回收、机体平台、协同作战、开放式系统架构及战场管理等多类技术。在此背景下，DARPA于2015年9月16日公布了“小精灵”项目的跨部门公告（BAA），寻求解决小型无人机空中发射和回收、经济可承受机体平台设计等技术的创新性方案。

项目概述

DARPA认为在没有可靠陆基或海基降落地点的情况下，对于大作战半径的小型无人机来说，空基回收将是最简后勤和最低成本的解决方案，另外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，“小精灵”项目的主要目标便设定为探索小型无人机集群空中发射和回收的可行性，并开展演示验证试验。根据DARPA的设想，“小精灵”无人机集群将在敌防区外由包括运输机、轰炸机和战斗机在内的各类平台发射，在渗透到敌防区内之后针对特定目标共同执行情侦监、电子攻击或地理空间定位等作战任务。任务完成后退出敌防区，并由C-130运输机完成空中回收。

“小精灵”项目的最优性能目标如下。在“小精灵”无人机方面，作战半径926千米;作战半径处的巡航时间3小时;设计载荷54.5千克，最大航速不小于马赫数0.8;最大发射高度超过12 192米;推进系统可在当前技术基础上设计全新型号，也可以使用现役发动机或其改型，载荷所需功率1200瓦;载荷类型为模块化设计的射频和光电/红外系统，并可实施基地级更换：设计寿命为使用20次：出厂单价（不包括载荷）小于70万美元。在“小精灵”作战系统方面，大型平台具备发射超过20架无人机的能力;在小于30分钟时间内回收大于4架无人机，最终目标是回收8架或更多;回收成功的概率大于95%;发射或回收平台由于挂载“小精灵”无人机实施分布式空中作战而坠毁的概率每飞行小时低于10^-7次;无人机回收后再次发射的时间不超过24小时;无人机发射或回收平台的改装成本（不包括指挥和控制系统）不应超过200万美元。

DARPA指出，为了实现项目的作战设想和性能指标，需要突破以下关键技术：创新的空中发射和回收技术;低成本、可损耗机体设计;有限寿命设计;高精度气动分析;气动弹性分析;蒙特卡洛仿真;自动的发射波次策略;高准确度数字式飞控系统，精确相对导航;空中加油技术;高效小型涡轮发动机;油箱自动惰化和发动机自动关闭;小型分布式载荷集成;模块化载荷能力;精确战位保持;发射和回收平台低成本改装技术等。

美军认为，F-35等型号的研发周期长，全寿命周期成本高，未来在强对抗环境中难以取得压倒性的空中优势

项目的研究阶段

“小精灵”项目的研究周期设定为4年左右，并分成3个研究阶段。第1阶段计划从2016财年第2季度持续至2017财年第1季度，DARPA将选出4家承包商开展“小精灵”作战系统的概念化权衡研究、设计“小精灵”演示验证系统、发展技术成熟计划;第2阶段将从2017财年第2季度持续至2018财年第3季度，经过竞争胜出的2家承包商将进一步成熟第1阶段发展的技术，并开展系统初步设计和风险降低验证;第3阶段将从2018财年第3季度持续至2020财年第2季度，DARPA将最终选出1家承包商开展“小精灵”作战系统的详细设计和制造，并将在2020财年第1季度进行首次飞行验证试验。需说明的是，第2、3阶段的上述进度将根据第1阶段的研究情况进行动态调整。

2016年2月，美国防部公布了DARPA的2017财年预算材料，其中“小精灵”项目申请的经费额度达3 600万美元，相比2016财年大幅上涨2 100万美元。3月底，DARPA授予了拥有靶机、导弹或无人机研制经验的复合材料工程公司、Dvnetics公司、通用原子航空系统公司和洛马公司等4家承包商总价1 610万美元的“小精灵”项目第1阶段合同，正式开启研发工作。7月，据复合材料工程公司表示，目前该公司的第1阶段研发工作正按计划进行，而DARPA也将在接下来的3个月内启动项目第2阶段。这说明“小精灵”项目的第1阶段进展顺利，并有可能提前完成。

“小精灵”项目设想图：数架喷气式“小精灵”无人机在海面执行作战任务，C-130开展释放和回收工作

几点看法

3D空中回收技术是“小精灵”项目面临的主要技术风险。从技术层面来看，当前支持“小精灵”项目的空射小型无人机、飞行控制和推进系统等技术均相对成熟，故如DARPA所述，该项目面临的主要挑战为无人机集群的空中回收技术。从作战使用角度分析，空中回收技术可能的解决方案有以下两点：一是可考虑不全部回收，即便舍弃部分小型无人机，其任务效费比仍有可能高于昂贵的大型多功能平台;二是无人机集群可能通过预先输入任务规划程序完成回收。而这些规划已考虑到多种情况，并不需要无人机具有很高的自主性，从而降低了复杂性和风险。鉴于美军目前在无人机空中加受油技术领域已取得重大进展，因此预计“小精灵”项目面临的技术风险是可控的。

“小精灵”项目是DARPA探索分布式空中作战技术的重要组成部分。目前，DARPA十分重视探索分布式空中作战技术，且在“小精灵”项目之前已布局多类相关项目，开展体系架构、开放式任务系统、自主协同、作战管理及射频载荷等方面的研究。例如“体系集成技术试验”（SoSITE）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，极大提升分布式作战的灵活性：“拒止环境中的协同作战”（CODE）项目通过发展先进算法和软件，探索分布式作战无人机的自主和协同技术，使无人机群可在一名操作人员的管理下协作完成发现、跟踪、识别和攻击目标等任务，“分布式作战管理”（DBM）项目通过发展先进算法和软件，提高任务自适应规划和态势感知等能力，帮助履行战场管理任务的飞行员进行快速且合理的决策，以在强对抗环境中更好地执行分布式空中作战等复杂军事任务;“射频任务操作中融合的合作式单元”（CONCERTO）项目发展能够在通信、雷达和电子战模式之间自适应切换，并可配装小型平台的射频系统。相比上述项目，“小精灵”项目由于需研发分布式空中无人作战平台并开展演示试验，因此通过其性能指标可更清晰地勾画出DARPA对于分布式空中作战的概念和能力等方面的设想，具有重要参考价值。

鉴于中、俄等国一体化防空系统的主要作战对象为传统的大型多功能平台，故DARPA认为与目前常规作战样式相比，分布式空中作战在强对抗环境中有较高的效费比。首先在反介入/区域拒止环境中小型无人机以个体方式渗入敌防区的能力强;其次小型无人机以群体方式作战将使敌防御系统产生“饱和”而无法全部应对，即便防御也需耗费昂贵的地空导弹打击廉价的单个小型无人机，使防御成本显著增加;最后，小型无人机集群还可依据敌情和自身损失，实时排列组合出最优的作战能力，以在F-22、F-35等有人机有限的指挥下实现以群体方式完成任务，作战灵活性较强。需注意的是，美国当前在大力研发分布式空中作战技术的同时，也在研究对其反制手段。例如，雷西恩公司开发了陆基高功率微波验证机，可使无人机的电子设备失效，并已验证发射一次微波消除数千米范围内多个目标的能力。

以小型无人机集群为特征的分布式空中作战与当前的空中作战样式大相径庭，如未来美军大规模践行此概念，其空中作战装备发展必将改变。大型多功能有人空中平台的技术更新速度将减缓，装备数量可能大幅降低，如DARPA认为F-35可能是美国最后一型大型多功能战斗机;同时，与低成本无人机、巡飞弹、导弹相关的关键技术将得到重视，空战装备体系中将出现越来越多的低端平台;另外，高性能小型机载射频和武器载荷技术可能成为重要发展方向;最后，自主协同的集群作战将促使空战平台的人工智能水平快速提升。总之，分布式空中作战概念牵引出的机体廉价化、平台智能化、载荷小型化等特点，将对未来空战装备的发展思路产生重大变革。