云弹药引信的技术命题

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(1.北京理工大学机电学院，北京 100081；2.解放军63961部队，北京 100012)

0 引言

云弹药系统是基于分布式感知与计算和自主组群与协同攻击的智能集群弹药系统[1]，云弹药引信即集群弹药智能引信。云弹药系统由大量低成本微小型智能巡飞弹等无人飞行器及其携带的多类载荷组成。这是一类高度自主的察打一体智能无人武器系统，是实现无人战争或人机协同非接触式战争的重要手段。其主要作战任务使命是：1)对预定区域中的技术兵器等装备和人员实施时空压制；2)对防空导弹阵地、舰面武器等重要目标实时饱和攻击；3)对机库、掩体内目标、从掩体中露出的时敏目标、利用地形地物进行遮蔽的目标以及运动目标实时精确攻击；4)对地面雷达实施电子欺骗和电子干扰。云弹药可对上述目标实施多方向多批次多毁伤效应饱和攻击，以及电子干扰、假目标欺骗、通信中继等多种作战任务。以打击防空导弹武器系统为例，云弹药作战使用流程是，组成云弹药的巡飞弹以子弹药形态装于作战飞机、无人机、机载布撒器和导弹等运载体内，巡飞弹携带侦察、毁伤、干扰、诱饵等不同载荷。运载体在接近目标处抛出大量巡飞弹并自动组群构成云弹药，各群巡飞子弹药的数量规模依对目标类型的自动识别而自动优化组合。例如携带干扰载荷的巡飞子弹药在空中组成稀疏群，对地面雷达实施持续的分布式干扰，以掩护其他巡飞弹群的攻击。对于导弹发射车和相控阵雷达天线，可由携带破甲杀伤多模战斗部或云爆战斗部的巡飞子弹药组群攻击；对于指挥通信车、电源车等支援保障车辆或方舱，可由携带破甲杀伤战斗部的巡飞子弹药组群攻击。导弹发射车和相控阵雷达天线属于高重要度目标，巡飞子弹药优先组群对其实施全向饱和攻击，剩余的巡飞子弹药再自动组群对其他目标如指挥通信车等支援保障车辆或方舱等实施攻击。

当巡飞弹群受到地面攻击而损伤时，通过“群间呼唤”自动调动准备攻击非高重要度目标的巡飞弹自动“入群”实行云弹药跨群自组织修复(自愈)。

由上述可知，云弹药的主要技术特征是“分布式、集群、智能、协同、多效应攻击。”它为人工智能技术在弹药领域的应用提供了广阔的发展空间，相应地对其引信也提出了许多新的需求，构成云弹药引信的技术命题。

1 国外云弹药发展概况

曾任美国空军第一副参谋长的戴维·德普图拉中将于2011年率先提出“作战云”的概念[2]，其基本内涵是以全球栅格化信息网络为基础，以分布式指挥与控制体系为核心，将高度信息化的空天平台与陆基、海基武器联系起来，自动构建一种无所不在的防御复合体，且具有受到攻击时自我修复的能力，以应对中国不断增强的“反介入与区域拒止”能力。

2014年9月，美国《航空周刊》发表了“作战云”构想图，由侦察/通信/导航卫星、F-15/16四代战机、F-22/35隐身战机、RQ-180无人侦察机以及航母战斗群构成高度融合的作战体系[3]。

2015年2月，美国智库战略与预算评估中心高级研究员布莱恩·克拉克在国际海上安全中心(CIMSEC)网站上发表了“拨开层级 一种防空新概念”的文章[4]，对美国海军正在推动的以“分布式杀伤”概念实施反舰和对地攻击进行了分析。

2015年4月，美国海军研究局的李·马斯托洛安尼报道了美国海军的“低成本无人飞行器蜂群技术(LOCUST-Low Cost UAV Swarming Technology)[5]，利用多管发射装置发射大量成本低于1万美元的“郊狼(Coyote)”巡飞弹，如图1所示。

“郊狼”可在自主或有限人为干预的状态下集群协同编队飞行，执行战场侦察监视，假目标诱骗吸引火力、通讯干扰或集群攻击等任务，以瘫痪敌方高价值目标或防御体系。

2016年5月23日，美国海军研究局(ONR)和佐治亚理工学院(GIT)联合发布了LOCUST项目的30枚“郊狼”巡飞弹自主协同编队飞行演示试验的视频。

2016年8月，LOCUST项目在墨西哥湾进行了由30枚“郊狼”巡飞弹组成的“蜂群”自主协同飞行试验，验证了“蜂群”编队的智能算法、感知、通信、自动避障、解构与重构以及自动返回等能力。

2017年1月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)发布了“进攻性蜂群使能战术(OFFSET-Offensive Swarm Enabled Tactics)”项目的招标书，寻求开发以城区作战为军事需求，规模大于100枚巡飞弹蜂群编队的系统架构、博弈软件设计及系统集成与算法。进攻性蜂群使能战术主要包括五个关键领域：蜂群自主性、人与蜂群编队、蜂群感知、蜂群网络和蜂群逻辑，以提升作战部队的C4KISR能力。

2017年1月，美国军方公布了微小型巡飞器“山鹑”(Perdix)的最近一次飞行演示，利用三架海军F/A-18F战斗机，以0.6Ma飞行速度投放了103枚“山鹑”巡飞器，测试了“山鹑”自适应编队飞行、集体决策等群体智能行为。

图2所示的“山鹑”是麻省理工学院(MIT)的硕士研究生设计并用3D打印技术制作的，它的轮廓尺寸仅有4.9 cm×6.2 cm×18 cm，重量不到500 g，利用电动力螺旋桨推进飞行，用锂电池作为动力源[6]。美国国防部战略能力办公室(SCO)于2014年9月开发“山鹑”巡飞器的军事用途，2015年6月，美国国防部在阿拉斯加的“北方利刃”军事演习中利用F-16的曳光弹投射器进行了72次“山鹑”的投射与飞行测试，累计投射了500枚“山鹑”，完成电子对抗任务。

2 云弹药引信的8个技术命题

2.1 基于目标类型及部位识别的智能起爆控制

云弹药可以携带破甲/杀伤/纵火多模战斗部，这种战斗部有多个起爆点，依所攻击目标的类型，通过改变战斗部的起爆点和起爆时间序列，可以形成单个杆状射流、多个爆炸成型弹丸(EFP)或大量自然破片，对目标产生不同的毁伤效应[7]。

由于大多数云弹药以0.1～0.6Ma低速飞行，为成像末制导系统提供了足够的目标探测识别、制导控制时间，其对目标类型的识别率和命中精度很高。对于导弹发射车这种较大尺度的目标，云弹药不仅可以识别目标类型，还可以选择所攻击的目标要害部位。例如装于储运发一体化发射箱中的“爱国者”防空导弹，其上部1.2 m为制导舱段，往下依次为战斗部舱段和发动机舱段。可用多枚携带多模战斗部的巡飞弹自动组群对其不同部位实施多向多部位集群饱和攻击。当攻击制导舱段时，引信应控制实现有限多点起爆，使战斗部形成多个爆炸成型弹丸破坏制导舱段内部的器件和电路；当攻击战斗部和发动机舱段时，由于导弹战斗部和发动机采用低易损性炸药和低易损性推进剂，需要用较大威力的杆式聚能射流才能将其引爆或引燃，因此引信应控制低炸高近炸单点起爆。

2.2 集群智能协同毁伤控制

当对目标射击时，多发弹药同步起爆产生的爆轰冲击波迭加毁伤效应要明显大于非同步起爆的毁伤效应，这就是国内外炮兵部队均开展“单炮多发同时着地”射击训练的原因。对于实施集群攻击的云弹药来说也是如此。

当用云弹药系统攻击相控阵雷达天线等面积较大的目标时，若用杀爆战斗部仅在雷达天线上形成有限尺寸的破孔，只能降低天线的探测效能而不能使其彻底瘫痪。可以采用带有含能破片多模战斗部和云爆战斗部的巡飞弹，实施集群协同多攻击点同步起爆，使天线产生大面积结构损伤和大尺度变形，使其彻底丧失功能。

这种“同向异位同步起爆”的集群协同毁伤效应，只有采用带有智能引信的云弹药才能实现。它对于攻击机场停机坪上的飞机、飞行指挥控制塔台以及驱逐舰上的雷达天线、导弹发射装置、舰载直升机以及舰艏等目标要害部位也具有明显的优越性。

2.3 集群密集飞行的弹间抗干扰

2016年2月26日，《参考消息》网站转载《华盛顿邮报》发表伊格内休斯的文章：“五角大楼想要威慑俄罗斯和中国的奇特武器”。文中报道美国国防部副部长沃克和空军上将塞尔瓦在2016年2月提出，美军在用于对付中国和俄罗斯的“第三次抵消战略”中，正规划可在90 min内投放2 700枚UAV对中俄机场、雷达站、导弹发射阵地、弹药库发动饱和攻击的相关技术，如图3所示，并已拨款开展研究。

当云弹药以密集队形实施末端攻击，引信已解除保险处于待发状态时，需解决弹间近距离飞行防撞和防止弹间干扰导致提前误爆的问题，由此需要研究巡飞弹近程探测自动规避技术和近炸引信抗弹间干扰技术。

2.4 巡飞弹二次攻击的“恢复安全”控制

当巡飞弹攻击目标时，如未命中目标从目标旁擦边而过，可以返飞回来对目标进行二次攻击，这是巡飞弹比导弹在功能上的一个显著优点，当巡飞弹自目标“擦边而过”之前，引信已经解除保险处于待发状态。“擦边而过”之时，引信不能产生起爆信号。“擦边而过”之后，引信应立即自动恢复保险再次处于安全状态，为下次攻击做好准备。巡飞弹引信应具有安全—解除保险—恢复安全自主控制的功能。

2.5 基于战场态势感知的自毁/绝火自主控制

云弹药引信依对战场的态势感知，在空域和时域不用维度上对自毁或绝火实施自主控制。当巡飞弹飞出规定的作战空域且无法自动飞回时，或被袭受损、能源耗尽下落时，引信应转为“自毁”或“绝火”。当处于敌方区域时，引信应自毁，一是实现装备与技术的保密，二是可以对敌方地面目标造成附带损伤；当处于己方区域时，则应“绝火”，防止因战斗部爆炸对己方地面设施、装备和人员造成附带损伤。

2.6 毁伤效果实时评估、自主学习与再次攻击优化

云弹药包括引信还可以具有自主学习功能。在一个集群内，尚未实施攻击的巡飞弹基于对已完成攻击任务巡飞弹对目标的毁伤效果评估与学习，自动优化集群的弹种组合、攻击方向、攻击部位、攻击时序和起爆方式，以达到更好的毁伤效果。

2.7 弹间攻防对抗的敌我识别

发展云弹药相关技术，不能只着眼于“攻”，还要考虑“防”。如何针对国外正在大力发展的“蜂群”攻击武器与战术，发展我国的相关防御武器与战术，是一个现实而紧迫的课题。

不论是防空导弹或高炮，均不具备有效防御上百乃至上千枚巡飞弹“蜂群”攻击的能力。可以考虑采用高功率微波武器或强激光武器，对巡飞弹的飞控系统实施电子干扰，或烧毁巡飞弹的电子部件及电池；即使采取这些防御对抗措施，仍会有不少“漏网之鱼”仍对我方目标造成损伤。此时就要“以群治群，以弹对弹”，发展“巡飞弹群间对抗技术”。这时巡飞弹制导系统和引信必须具有敌我识别功能，制导系统控制只迎击或追逐敌方巡飞弹，引信则保证只对敌方巡飞弹予以毁伤，不会误伤己方巡飞弹。

2.8 动态无损回收的安全控制

2015年8月，美国DARPA宣布启动“小精灵(Gremlins)”项目，旨在研发低成本可回收重复使用的蜂群UAV系统，该项目使用C-130运输机等空中平台进行投放 ，蜂群UAV携带不同的载荷，在敌区自主协同进行侦察监视、情报搜集、电子干扰和火力压制敌防空系统，完成任务后剩余的UAV由C-130运输机进行空中动态无损回收，并对其进行维护，以保证在24小时内能够再次投入使用。

2017年3月15日，DARPA宣布Dynetics等4家公司均已完成第一阶段研究任务，将从中优选出两家继续开展第二阶段研究，2018年初再从两家中优选出一家，计划在2019年开展“小精灵”项目的演示验证飞行试验，验证蜂群UAV的空中投放和回收性能。

对于毁伤型巡飞弹，要研究空中或地面回收时引信的安全控制问题。对于已处于待发状态的引信，需要在回收前恢复到安全状态。关键是如何让巡飞弹引信“知晓”它将要被回收，从而在回收前进行恢复安全的状态控制。

3 拓展视野，创新思维，开创人工智能在引信中应用的新局面

3.1 云弹药及其引信是弹药与引信智能化的高级形态

云弹药与其他智能化弹药的最大区别，是对目标实施分布式、集群、自主协同攻击与优化决策，以及未命中后再次攻击。它为人工智能在弹药中的应用开辟了广阔的空间，云弹药的高度智能化，体现了智能弹药技术与装备的高级形态。同样地，解决上述8个技术命题的云弹药引信，也是智能引信的高级形态，它向我们展示了引信技术与装备未来发展的一个重要方向，值得开展持续深入的研究。

3.2 云弹药及其引信是人工智能技术在弹药引信领域应用的一个广阔舞台

国务院在2017年7月20日发布的《新一代人工智能发展规划》(国发[2017]35号文)中指出，人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会生活、改变世界，人工智能成为国际竞争的新焦点。人工智能是引领未来的战略性技术，世界主要发达国家把发展人工智能作为提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略，力图在新一轮国际科技竞争中掌握主导权。

文件从维护我国国家安全和战略利益出发，要求必须放眼全球，把人工智能发展放在国家战略层面系统布局、主动谋划，牢牢把握人工智能发展新阶段国际竞争的战略主动，打造竞争新优势，开拓发展新空间，有效保障国家安全。

文件明确指出，群体人工智能是人工智能技术的一个发展重点。要求突破群体智能、自主协同与决策等基础理论研究，突破低成本低能耗智能感知、复杂场景感知、实现超人感知和高动态、高维度、多模式分布式大场景感知，群体智能的组织、涌现、学习的理论与方法；重点突破面向自主无人系统的协同感知与交互、自主协同控制与优化决策、知识驱动的人机物三元协同与互操作理论，形成自主智能无人系统创新性理论体系架构。

文件的这些要求，全面深刻地揭示了人工智能技术在云弹药及其引信中应用的研究方向，特别是协同感知与交互、自学习、自主协同控制与优化决策，是引信智能化的研究重点。

3.3 云弹药引信必须与云弹药的飞行控制、制导控制及数据链路交融发展

在思考与规划云弹药引信的研究命题时，必须防止“将云弹药引信从云弹药系统中摘出来独立研究”的思维方式，这是由云弹药系统本身是一个开放的复杂人工智能系统的本质所决定的。云弹药引信的感知、确认、推断和控制必须与云弹药的飞行姿态控制、飞行航路控制、自动避障、群自愈、跨群航路控制等飞行控制以及目标识别与分类、攻击点选择、二次攻击决策与控制等末制导控制有机结合在一起，实现三者的传感器共用、信息共享、算法关联、软件嵌套、硬件共体交融发展。

[1]李杰，游宁，李兵，等. 云弹药系统[J]. 兵工学报，2015，36(2)：250-254.

[2]杜和.作战云概念和组织变革：空天作战指挥与控制的新时代[R]. 北京：知远战略与防务研究所，2014.

[3]Butler A. Pentagon’s combat cloud’ concept talking shape[J]. Aviation week & Space Technology，2014.

[4]Rryan Clark. Peeling back the layers: A new concept for air defence[EB/OL](2015) [2017].http:cimsec.org//5222.

[5]Lee Mastroianni. LOCUST-Low Cost UAV swarming technology[EB/OL]. (2015-04-15)[2017-11-09]. http://www.onr.navy.mil.

[6]John Hansman. Project perdix capstone[EB/OL]. (2011)[2017]. http:// beaverworks//.mit. edu.

[7]蒋建伟，俊峰，李娜等. 多模毁伤元形成与侵彻效应的数值模拟[J]，北京理工大学学报，2008(9)：756-758.