无人机忠诚僚机与集群技术的发展

航空工业成都飞机设计研究所，四川 成都 610091

介绍了忠诚僚机的概念、特点和发展情况，选取了几个典型的“忠诚僚机”及相关项目进行说明，包括美国“忠诚僚机”计划、美国克拉托斯公司无人作战飞机、日本“无人僚机”计划、武器任务包技术、武器小型化技术、有人/无人协同作战技术等。从无人机集群的概念角度，分析了无人机集群与忠诚僚机概念之间的联系，综述了其发展情况和主要特征。

忠诚僚机概念

一般来说，僚机是指编队飞行中跟随长机执行任务的飞机，僚机应保持在编队中规定的位置，观察空中情况，执行长机的命令。

小型无人机系统作为僚机配合作为长机的有人作战飞机，提高整个作战效能。长机通过对武器化小型无人机的控制，扩展总的弹药量；隐身飞机通过让僚机执行最容易被探测到的任务来避免暴露自身的位置信息；僚机充当远程传感器、“射手”或者诱饵，提高长机的灵活性和生存性，从而扩展在高危险环境执行持久作战的能力。但这同时也存在一些问题，例如如何高效地帮助飞行员做出决策、如何与飞行员形成紧密团队协同作战、如何管理飞行员的工作负担等。

忠诚僚机能够跟随有人驾驶飞机，在责任区实施情报、监视与侦察、空中遮断（拦截）、打击敌方综合防空系统、进攻性反航空兵作战、微型无人系统指挥控制等任务，或作为武器载体，增加攻击方的机载武器数量。忠诚僚机具有自我防御能力，因此在中、高度威胁环境中具有一定的生存能力。此外，忠诚僚机也可能是一架大型无人机，用于货物运输或者充当加油机。

忠诚僚机主要有以下两个优势：无人机具有低成本、无人员伤亡、适应性强、配置灵活等特点，通过提供忠诚伴随及进入危险环境，为有人机提供有力的护卫、侦查、感知、干扰和打击协助。结合无人自主认识能力的提升，无人“忠诚僚机”可以降低作战人员在认知方面的工作负荷，使之能够专注复杂的规划和作战任务，以更快的响应速度应对瞬态多变的战场环境。

忠诚僚机的发展情况

隐身作战与信息化、智能技术的出现改变了现有空中作战方式，空战场正朝着单向透明与分散混沌化发展，空战场未来发展趋于无人化、智能化、自主化。

隐身飞机作战样式是空中主动猎杀，作战方式较为传统，而近年来，随着无人技术的快速发展，随之而来的是智能化，自主飞行、自主情景感知、决策判断的应用，因此，配合隐身飞机空战的忠诚僚机变得现实和紧迫；另一方面，空天海战场广度深度的拓展加剧了空中对抗的复杂程度，对单独的有人或无人作战体系提出了严峻的挑战。

美国“忠诚僚机”计划

2015年夏，美国空军研究实验室(AFRL)正式启动了“忠诚僚机”的概念研究，并向航空工业界发布了信息征询书（RFI）。RFI要求“自主技术应有效增强未来美国空军在对抗和拒止环境中的作战行动能力，这些技术应能无缝实现飞行员及其驾驶的战斗机与具备自主作战能力的无人机之间的有效集成，使其作为一个编队协同作战，从而提高作战效能”。RFI中还要求无人驾驶的僚机应能携带更多数量的机载武器，从而充当第五代战斗机的飞行弹药库，并根据有人机飞行员的态势判断和指令，随时攻击空中和地面目标。

2015至2016年，美国空军与洛·马公司“臭鼬工厂”等机构合作，先后完成了“海弗一空袭者”I和“海弗一空袭者”II两轮演示试飞。

综合美国空军和洛·马公司透露的情况，2015年进行的首轮演示试飞（“海弗一空袭者”I）利用一架F-16战斗机和一架扮演无人作战飞机的F-16试验机（保留飞行员以确保安全）形成长、僚机编队，完成了长机指挥控制僚机、自主编队飞行、僚机航线跟随、僚机完成长机指定的预先规划任务后进行毁伤评估、僚机重新加入编队、自动空中防撞系统等演示，为第二轮演示试飞（“海弗一空袭者”II）奠定了基础。

图1 UTAP-22无人机

2017年4月10日，洛·马公司宣布，“臭鼬工厂”与AFRL、空军试飞员学校和卡尔斯潘公司一起在美国空军爱德华基地成功完成了基于“忠诚僚机”概念的有人机（F-16）/无人机（由F-16扮演的无人作战飞机）编队演示试验（“海弗一空袭者”II）。在持续两周的专项演示试验中，“僚机”自主与长机进行了编队飞行并执行了一次对地打击任务，在完成任务后又重新加入长机编队。

美国克拉托斯公司无人作战飞机

克拉托斯公司近期先后推出了两款新型无人作战飞机，UTAP-22“鳍鳖”（Mako）和XQ-222“女武神”（Valkyrie）。该公司目前正在规划两款无人机的试飞工作，并且设立了额外的厂区以应对未来日亦增加的无人机订单需求。而不论是UTAP-22“鳍鳖”还是XQ-222“女武神”，这两款无人机的设计目的都是成为有人战斗机的低成本、可消耗、半自主的“忠诚僚机”。

图2 XQ-222无人机进攻作战概念场景

图3 日本“无人僚机”作战方案

全称为“无人战术空中平台-22”（Unmanned Tactical Aerial Platform-22，UTAP-22）的“灰鲭鲨”无人机是一款衍生自BQM-167A靶机的无人作战机，航程为2592km，可半自主化工作。由于BQM-167A是克拉托斯目前供应给美国空军的产品，因此在其基础上改装研制UTAP-22可以降低成本。

UTAP-22全长6.1m,翼展3.2m、总重929kg、内部载荷226kg、外部可挂载362kg载荷、翼端两边则各能挂载45.3kg载荷（电子战吊舱），最大飞行速度可达0.91马赫，升限达15240m，可进行-2～9g的机动，并拥有长达3小时的续航能力，最大航程2600千米。

XQ-222“女武神”无人机采用滑轨发射，回收时利用降落伞进行安全着陆。XQ-222全长8.8m，翼展6.7m，最大速度可达0.85马赫、升限13716m。其最大特点是具备低雷达截面积隐身设计，因此大幅提升了其在具有先进防空系统的战场上的生存力。

克拉托斯公司表示，XQ-222的单价仅为约200～300万美元，大幅降低了该项目因资金风险而终止的可能性。目前克拉托斯公司己制造了三架XQ-222原型机，其中一架己送交给AFRL，另外两架则计划用于在2018年第二或第三季度进行试飞。

其他“忠诚僚机”相关项目

日本“无人僚机”计划

2016年8月31日，日本防卫省防卫装备厅发布了首版《未来无人装备研发愿景》，以无人机为重点分析并提出了日本未来的无人装备研发计划。日本决定进行跨越式发展，跳过空地型，直接研制空战型无人机。防卫装备厅提出了一种高性能自主飞机的概念。这种飞机被称为“战斗支援无人机”或“无人僚机”，将作为有人驾驶战斗机的助手，由有人机飞行员向其下达指令。在有人机前方的无人僚机相当于传感器载体，而紧随其后的有人战斗机则负责瞄准和攻击。

ATLA表示，日本将在未来15～20年内研制出无人僚机所需的高自主性技术。并计划在2029～2033财年申请对该技术进行验证。与此同时，F-3战斗机将会进行适应性升级，从而与无人僚机兼容。

图4 ATLA的无人僚机概念图

第一类完成的无人僚机将被作为传感器平台，这一概念有望在15～20年内实现。20年后将会出现第二类无人僚机，可能采用与第一类无人僚机相同的机身和发动机，但可携带武器。同时，ATLA要求第一类传感器无人机必须能发挥“导弹海绵”的作用，即利用战术策略和电磁对抗手段来挫败导弹攻击，这是因为搭载先进传感器的僚机比发射导弹的僚机成本高很多，而且不能承受打击。

武器任务包技术

美军的武器任务包技术被称为“飞行导弹列车”，它被定义为一架至少能携带1枚AIM-120中距主动雷达制导空空导弹的微型飞行平台。美军战斗机将可以携带这一“列车”，在需要时将它发射出去，然后这一列车将独立飞行，等待战斗机飞行员指令，向敌机发射导弹、实施攻击。飞行导弹列车与以往提及的作战无人机相比，有这一根本区别：以往美军构想的由F-22、F-35指挥的作战无人机，实际上是可以单独作战的无人机，只不过能够接收有人战斗机提供的作战信息、目标情报与作战指令，从而实现美军有人战斗机指挥多架无人机灵活作战。而飞行导弹列车的根本目的，只是为F-22、F-35提供额外的导弹携带平台，它并不能自主作战。

DARPA希望最终实现一个月生产500架这样的低成本“列车”，也就是说，美军最终装备的几百到一千来架F-22、F-35战斗机，将可以拥有数量达到几千架的飞行导弹列车。借此，美军战斗机将可以掌控大量的空空导弹，打破一架战斗机只能携带4～8枚AIM-120空空导弹的限制——原因是，虽然一架战斗机只能携带大约两部飞行导弹列车，但可以控制其它飞机发射的“列车”，使得一架战斗机掌控的导弹数量大增。

武器小型化技术

洛克希德·马丁公司研制的CUDA空空导弹是一枚小型高性能、中程杀伤性概念导弹，具有致命拦截性，可直接锁定单个目标并摧毁。通过瞄准既定目标，横扫大片目标区域。其直接命中捣毁的精确性、机动性和致命性使其具有灵活击败敌方飞机、无人驾驶机及其他空中威胁等多种功能。CUDA导弹的成本很低，支持360°全覆盖，拓展了可视距接触区，提升了可视距“无逃脱区”，具有极好的机动性，极大提高了作战能力和平台生存能力，从而使美国及其盟国在相对低的飞行成本上快速实现空中优势。

相比美军现役的主力空空武器AIM-120，CUDA将成倍提高载机装载的武器数量。据洛·马公开的模型显示，CUDA导弹采用直接碰撞杀伤，长1.78m，重70kg，F-22可携带14枚，F-35可携带12枚。

有人/无人协同作战技术

图5 CUDA导弹模型

图6 DARPA体系集成技术与实验（SoSITE）项目中的有/无协同场景

DARPA在2014年启动了“体系集成技术与实验（SoSITE）”项目，要求研究分布式有人/无人机异构平台协同作战的集成与验证，并在2016年授出 “拒止环境中的协同作战（CODE）”项目阶段合同，就无人机与有人机协同作战人机接口、编队级自主、开放式架构等协同关键技术的初始子集进行研究，并使用这些技术开展由1架或2架真实飞机与若干架虚拟飞机的编队飞行试验。如果试验成功，将在下一阶段开展由6架真实飞机和若干虚拟飞机的复杂任务试验，包括目标搜索、识别及交战。DARPA同年还授出了“分布式作战管理（DBM）”项目阶段合同，以高对抗环境中的有人机和无人机协同作战为场景，就预警探测、战术规划、辅助决策和作战管理进行研究，并要求在大规模仿真和真实飞行状态（及虚拟战斗场景中）进行演示验证。

无人机集群

无人机集群可以算是在无人僚机的基础上衍生出的一种新型作战概念。美国防部自2014年开始推行第三个“抵消战略”，目的是确保对中、俄等大国的慑止和制胜能力。美军认为，对手的一体化防空系统对其现役空中装备威胁很大，即便是B-2隐身轰炸机，到2020年也将在“反介入/区域拒止”（Anti-Access And Area-Denial，A2/AD）环境中面临生存威胁。在当前国防预算依然受限的背景下，美军无法通过对大规模高端装备更新换代来解决问题，需要全新的作战概念，牵引出更低成本、更高效能的装备，实现在强对抗环境中的压倒性军事优势，而无人机集群作战概念就是在这种背景下诞生的。

集群概念的产生

集群技术也叫作蜂群技术，对集群技术的研究起始于Grasse在1953年对昆虫群落的行为研究。例如，蚂蚁个体结构和行为非常简单，但由这些简单个体构成的群体——蚁群却表现出了高度结构化的社会组织特性，能够完成远远超出个体能力的复杂任务。因此，集群就是指由实体（Entity）组成的拥有共同目标的群组（Group），自组织（Self-Organizing）是集群在获取或者尝试获取该目标时产生的协调行为，这些行为不需要或者最少需要控制中心授权，基于每个个体特定的任务，随环境变化而动态调整。

图7 美国海军X-47B集群构想

无人机集群技术就是借鉴自然界的自组织机制，使具备有限自主能力的多架无人机在没有集中指挥控制的情况下，通过相互信息交互产生整体效应，实现较高程度的自主协作，从而能在尽量少的人员干预下完成预期的任务目标。

集群技术的发展

2012年，美国通用原子公司提出了“复仇者”（Avenger）无人机集群与F-22战斗机协同作战概念，计划2017年实现4架F-22战斗机护航下，两个由8架“复仇者”组成的无人机集群，摧毁敌方地空导弹阵地的能力。

此外，在X-47B“无人空战系统验证机”（UCAS-D）项目中，为提高作战效能，美国海军以中国为假想敌进行了集群作战构想。构想中，以3艘航母为活动基地，形成3个舰载机联队，其中2个为标准的舰载机联队，另一联队以无人舰载战斗机为中心。15架X-47B组成集群，与E-2D预警机协同实现自主作战。X-47B的续航时间可达到50h，该X-47B集群构想能够实现航母战斗群3240km以外，24/7全天候的战略侦察。这将极大地提高无人作战飞机在高度对抗的不确定战场环境中的生存能力和任务成功率。

2014年11月，美国DARPA提出了“空中航空母舰”的作战概念。在这个概念中，他们设想用大型有人驾驶飞机作为“空中航空母舰”，并由这些“空中航空母舰”携带大量小型无人机进入空中，在敌防空火力以外，将携带的小型无人机发射并回收、甚至投放到“反介入/区域拒止”（A2/AD）空域，让其执行侦察、干扰和攻击等任务。DARPA认为，用较大的有人驾驶飞机携带、发射和回收多个小型无人机联合作战的方案，能最好地将两者各自的特点相结合：既可以同时延长有人驾驶飞机和无人机的作战航程，又增强了整体的安全性，从而能以有效成本实现突破性的功能，可用于执行情监侦和作战等各种任务。

2014 年4 月，美国海军研究局公布“低成本无人机集群技术”项目，研制可快速连续发射的高自主性无人机，通过集群战术对敌方进行压制。2015 年5 月，美空军启动“微型无人机集群高速发射演示验证”项目，旨在利用微型无人机对敌方雷达实施压制和干扰，或执行地毯式搜索任务。2015 年9 月，DARPA 发布了“小精灵”项目的广泛机构公告，在该公告中，要求载机在防区外发射带有多种侦察载荷与电子战载荷的无人机集群来执行任务，并在集群完成任务后对幸存的无人机进行回收。2016 年5 月，美空军提出《2016～2036 年小型无人机系统飞行规划》，推动小型无人机的技术开发和作战概念发展，并将其集成到空中和网络领域既有的或新开发的武器系统，优化作战能力和效费比，最终实现无人机集群作战。2017 年1 月，DARPA 又公布了“进攻性蜂群战术”项目的跨部门公告初稿，希望研究复杂的蜂群战术和人机编组。

图8 无人机集群信息交流示意图

无人机集群的主要特征

（1）支持体系动态重构，群体包含的个体是完全分散式的，没有中心控制，较为容易和当前网络环境下的工作状况相匹配，不会因为单一个体或者几个个体出现不确定时，或有另外的无人机增援时，或任务状态发生变化时而影响全局。因此整个系统具有更强的稳定性，能够及时进行调整以便更好地完成任务，整个系统是一个开放的、可伸缩的系统。

（2）每个个体不能直接得到整体信息，仅能感知部分信息，并有十分简单的单个自治个体的规则，只需要最小的智能，具有简单性，同时，群体通过个体间简单的一些行为就能够解决较为复杂的问题，执行较为复杂的任务。

（3）群体中个体之间通过非直接通信相互合作，通过这种方式进行信息的传输与交互，个体越多，通信消耗的增幅也就越大，系统具有更好的可扩展性。

（4）具有良好的自组织能力。由于操作员数量有限，并且无人机与地面站之间可能会出现通信中断，无人机群具有自组织能力。

（5）支持动态任务分配。由于战场态势瞬息万变，需要地面站与无人机群进行协同任务规划，重新分配任务，最大限度地保证任务目标的实现。

无人机集群作战概念同时整合了无人技术优势和系统族群优势，但这一概念的新颖性和当前无人机技术发展水平使得现实与预期存在一定的差距，因此，无人集群作战概念也面临着一些发展问题。

具体来说，无人机集群的优势体现在4个方面：侦察-攻击优势、规模作战优势、灵活反应优势和成本优势；其主要问题有：理念认可问题、系统集成与整合问题和网络鲁棒性问题。

结束语

随着未来战场的对抗性、不确定性和动态性愈加升级，单架无人机执行任务的能力愈加有限，生存能力受到越来越大的挑战，忠诚僚机和无人机集群的概念愈来愈得到世界各国的重视。一方面，有/无人机或多架无人机协同作战，可通过能力互补和行动协调，实现单架有/无人机的任务能力扩展以及多无人机系统的整体作战效能提升；另一方面，由于自主技术不断进步，无人机将逐步从简单的遥控、程控方式向人机智能融合的交互控制发展，这也将推动有/无人机协同作战和无人机集群协同作战从概念走向现实。