DARPA這十年之
——精確打擊武器中的關(guān)鍵技術(shù)突破

文 / 吳洋 葛悅濤 張冬青

DARPA加大人工智能/自主技術(shù)探索，在智能目標識別、自主導(dǎo)航、智能感應(yīng)等領(lǐng)域開展多個項目研究。人工智能/自主技術(shù)的成熟將成為提升導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能的重要手段，可以促進武器裝備的智能化發(fā)展。

動力技術(shù)

動力技術(shù)是精確打擊武器的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來，DARPA重點發(fā)展可提高飛行速度、射程和有效性的動力技術(shù)，利用推進科學(xué)等項目開展針對小型軍事平臺的推進系統(tǒng)定制化研究，基于21世紀推進劑等項目探索新型推進劑技術(shù)，并在支撐高超聲速飛行器的動力技術(shù)方面開展火神和先進全速域發(fā)動機（AFRE）等項目，逐步突破射程和速度瓶頸，以奪取新的戰(zhàn)略優(yōu)勢。

推進科學(xué)項目：為無人機、無人水下機器人、微納衛(wèi)星和機器人等小型軍事平臺提供小型、高性能的推進系統(tǒng)（小于10馬力）。該推進系統(tǒng)將改善燃油效率，并具有一定的適應(yīng)性和可擴展性。該項目于2012財年啟動，主要開展微機電系統(tǒng)的電力推進架構(gòu)的原型設(shè)計、靜態(tài)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的測試等。

▲ LRASM導(dǎo)彈攻擊海面上的艦艇想象圖

21世紀推進劑項目：首次在2017財年預(yù)算文件中提出，旨在研究支持更遠射程的新型固體火箭推進劑，為現(xiàn)役及在研的全射程空空彈等小型導(dǎo)彈系統(tǒng)提供當前推進劑無法提供的速度-射程組合能力，同時還能降低動力系統(tǒng)的體積和重量。該項目將針對新型推進劑開展可控燃燒速率、重起能力、安全性（戰(zhàn)時處理及運輸安全）、儲存期限（要求大于15年）、先進制造等方向研究。

火神項目：采用“渦輪+定容燃燒（CVC）”這一技術(shù)途徑，發(fā)展和驗證CVC發(fā)動機技術(shù)，可為高速巡航飛行器提供動力。目前該項目已完成第二階段的主要工作，研究了CVC在海軍艦船用燃氣輪機上的應(yīng)用，可大幅節(jié)約燃油費用。

AFRE項目：為未來高超聲速飛機研發(fā)全尺寸、可重復(fù)使用的“渦輪基組合循環(huán)”（TBCC）推進系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行地面演示驗證。TBCC系統(tǒng)將利用通用的進氣道和噴嘴，把低速運行所用的渦輪發(fā)動機與高速運行所用的沖壓發(fā)動機/超燃沖壓發(fā)動機組合起來。2017年9月，DARPA授予軌道·ATK公司價值2140萬美元的AFRE項目合同。

▲ HTV-2高超音速飛行器

▲ AC-130J武裝運輸機發(fā)射機載激光示意圖

導(dǎo)航技術(shù)

長期以來，GPS對于武器裝備和平臺的導(dǎo)航都起到了關(guān)鍵的作用，但GPS具有的局限性日益明顯。為此，DARPA大力發(fā)展自主導(dǎo)航技術(shù)，開展了一系列的項目以擺脫長期以來對GPS的依賴，但各項目各有側(cè)重。

定位、導(dǎo)航與授時微技術(shù)項目：主要利用微電子和微機電技術(shù)開發(fā)芯片級的組合原子導(dǎo)航儀，降低系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗，預(yù)期樣機體積小于8立方毫米，功耗小于1瓦。該項目包括時鐘、慣性傳感器、微尺度上的集成以及試驗與鑒定等四個關(guān)鍵研究領(lǐng)域，共由十個具體研究項目組成，研究內(nèi)容涵蓋了從核心部件到系統(tǒng)集成、測試與評估的整個環(huán)節(jié)，形成了較為完善的技術(shù)體系。

對抗環(huán)境下的空間、時間和方向信息項目：主要開發(fā)在電子干擾、電磁脈沖武器及遮蔽等GPS性能下降或無法使用的對抗環(huán)境下的導(dǎo)航方案，包括超低頻發(fā)射機和接收機、超穩(wěn)定戰(zhàn)術(shù)時鐘、協(xié)同移動平臺導(dǎo)航方案等。該項目2018財年計劃投入1563.2萬美元，開展光學(xué)時鐘長遠性能驗證、使用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈信號進行精確時間傳輸?shù)膶崟r演示等工作。

適應(yīng)性導(dǎo)航系統(tǒng)：包括精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（PINS）和全源定位與導(dǎo)航（ASPN）兩個子項目，以慣性系統(tǒng)和精確時鐘為核心，綜合利用所有可用資源，可即插即用，按需靈活地配置不同傳感器進行導(dǎo)航。目前，美軍已完成了PINS和ASPN在各平臺的演示驗證。

深海導(dǎo)航定位系統(tǒng)：在海床上安裝聲學(xué)信號源，建立一種類似于GPS星座的水下導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合運用水下聲波信號、水面浮標、水下信標或節(jié)點、GPS信號等信息進行無人系統(tǒng)的定位，并將數(shù)據(jù)傳回水面艦艇或潛艇的指控系統(tǒng)。目前，DARPA正在與BAE公司合作進行該項目的第一階段工作。

制導(dǎo)技術(shù)

主要有導(dǎo)引頭成本轉(zhuǎn)換項目，前期為低成本導(dǎo)引頭項目，采用被動捷聯(lián)光電/紅外傳感器，并采用開放式系統(tǒng)架構(gòu)，旨在研制、設(shè)計、集成并驗證小尺寸、輕質(zhì)量、低功耗和低成本導(dǎo)引頭，在進入強對抗環(huán)境中能夠利用成像傳感器進行目標識別、定位和瞄準。在強對抗環(huán)境下，無外界信息進行定位時的工作時間為15分鐘，精度等同或優(yōu)于現(xiàn)有導(dǎo)引頭。

▲ 檢查彈艙內(nèi)的LRASM導(dǎo)彈

▲ 先進高超聲速武器（AHW）高超聲速滑翔飛行器想象圖

探測與偵察技術(shù)

DARPA在探測、監(jiān)視、偵察與瞄準領(lǐng)域研發(fā)能力齊全，覆蓋海、陸、空、天全作戰(zhàn)域，涵蓋射頻、光學(xué)、聲學(xué)等多種體制裝備系統(tǒng)，并應(yīng)用太赫茲、量子、人工智能技術(shù)等多種前沿技術(shù)，實現(xiàn)智能感應(yīng)與目標識別。大型系統(tǒng)探測、監(jiān)視、偵察與瞄準向高功率、大口徑、高集成、高性能發(fā)展；而同時又向分布式小型系統(tǒng)的緊湊型、低功率、低功耗、低成本、靈活、協(xié)同探測發(fā)展。主要包括以下項目：

適應(yīng)性雷達對抗：利用深度學(xué)習技術(shù)研發(fā)的能夠連續(xù)不斷感知、學(xué)習和適應(yīng)敵方多功能相控陣雷達系統(tǒng)，從而有效規(guī)避敵方雷達探測的電子戰(zhàn)系統(tǒng)。目前，該項目由BAE系統(tǒng)公司完成最后階段的樣機研制與工程測試工作，預(yù)計將于今年完成。

視頻合成孔徑雷達：使用極高頻波段開發(fā)能夠透過云層、灰塵和其他遮蔽物進行成像，并能定位機動目標，具有穿透云層等對目標定位的能力。目前，該項目已完成對改裝DC-3飛機上的電光和紅外傳感器的測試，下一階段將會對裝有該雷達的一架配備完整戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)和實時目標接觸能力的飛機開展演示驗證試驗。

跨域海事監(jiān)視及瞄準：在強對抗環(huán)境下，利用水下、水上、空中等有/無人系統(tǒng)的雷達、光電、聲學(xué)等探測裝備，構(gòu)建廣域、跨域、分布式對海洋監(jiān)視和瞄準體系架構(gòu)。目前，DARPA發(fā)布了該項目第二階段廣泛機構(gòu)公告文件，尋求開發(fā)針對海上、水下的目標瞄準能力。

戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點：使得小型艦船能夠為中空長航時無人機提供發(fā)射和回收能力，為艦艇提供遠程情報、監(jiān)視、偵察信息，擴展打擊范圍。該項目于今年初開展陸基試驗，年底進行一系列海上飛行試驗。

強對抗環(huán)境下目標識別和適應(yīng)：主要包括搭載低功耗計算系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)飛機的軍事目標識別能力；對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的目標低虛警率；利用有限訓(xùn)練數(shù)據(jù)對新目標進行快速學(xué)習能力。2015年7月，DARPA授予DLA公司價值600萬美元合同用于技術(shù)開發(fā)，預(yù)計今年三季度前完成算法改進并在普通處理器上完成試飛。

材料技術(shù)

DARPA一直高度重視新材料的發(fā)展，支持多項材料技術(shù)的研發(fā)，助力美國材料領(lǐng)域領(lǐng)先發(fā)展，相關(guān)研究成果成功應(yīng)用于發(fā)動機、蒙皮、集成電路等，為精確打擊武器的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支撐。

▲ B-1B戰(zhàn)略轟炸機發(fā)射LRASM導(dǎo)彈試驗

從原子到產(chǎn)品：開發(fā)相關(guān)的解決方案，將原子尺度的納米材料組裝成至少毫米級尺度的部件、系統(tǒng)或材料，使其能夠保持納米特性。DARPA計劃分兩步走，先從原子級到微米級再到毫米級，項目計劃3年完成。

微結(jié)構(gòu)可控材料：計劃將對大型結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計思想應(yīng)用到對微觀晶粒級別的材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)中，以提升材料的性能，最終目的是能夠通過對材料微結(jié)構(gòu)的重構(gòu)設(shè)計來定制材料，以滿足對特定指標的需求（如高強度材料、吸波材料、吸能材料等）。

能量轉(zhuǎn)換材料：開發(fā)具有實用性的新型能量轉(zhuǎn)換材料，提供具有革命性的軍用能力，并在軍用裝置和系統(tǒng)應(yīng)用中體現(xiàn)出重量、尺寸和功率等方面的優(yōu)勢。與此同時，項目還將開發(fā)供工程師設(shè)計使用的創(chuàng)新性的模型和仿真工具。

延伸固體：一些材料在高壓狀態(tài)下形態(tài)將會發(fā)生變化（變?yōu)楦邏合鄳B(tài)），并表現(xiàn)出比常壓狀態(tài)下更好的化學(xué)、物理及功能特性，此類高壓材料具有應(yīng)用于國防領(lǐng)域的廣闊前景。該項目將繼續(xù)探索此類高壓材料的特性，并將研究高壓材料的制備方法，通過尋找穩(wěn)定的中間態(tài)進行過渡、采用多步合成的方式來制備高壓材料，使高壓材料能夠得到實際應(yīng)用。

作戰(zhàn)平臺材料開發(fā)：開發(fā)用于材料研發(fā)的新工具和新方法，目的是將材料的開發(fā)周期降低75%，即開發(fā)時間從平均10年或更長縮短為2.5年。項目計劃建立一個跨學(xué)科的研發(fā)平臺，涉及集成計算材料工程材料科學(xué)與工程，以及與作戰(zhàn)平臺開發(fā)相關(guān)的設(shè)計、分析與制造等多個學(xué)科。項目的目標在于加快用于特定平臺的新材料開發(fā)以滿足已有作戰(zhàn)任務(wù)需要，而不關(guān)注常規(guī)材料的研發(fā)，從而將當前材料技術(shù)“分散推動式”的研發(fā)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰鲬?zhàn)平臺設(shè)計和任務(wù)需求為牽引的“主動牽引式”的研發(fā)模式。

材料合成的局部控制：開發(fā)可在低溫條件下實現(xiàn)薄膜沉積工藝的方法。DARPA認為向沉積反應(yīng)提供能量支持是薄膜沉積工藝的關(guān)鍵，而傳統(tǒng)的高溫（熱能）加熱方法只是其中一種提供能量方式，并不是決定性因素。DARPA計劃通過對薄膜沉積工藝中的反應(yīng)物通量、表面遷移等關(guān)鍵技術(shù)點進行優(yōu)化，從而形成全新的低溫薄膜沉積工藝技術(shù)。

先進制造技術(shù)

在擁有先進材料的基礎(chǔ)上，亟需發(fā)展的下一個環(huán)節(jié)就是將其制備成滿足使用功能要求的復(fù)雜產(chǎn)品或零件。為此，DARPA投入了大量的精力在先進制造技術(shù)領(lǐng)域，將增材制造技術(shù)作為其發(fā)展的核心，并同時擴展其他的先進制造技術(shù)。

開放制造：通過對增材制造過程中變量參數(shù)的全面捕獲、分析和控制，形成對制造過程的快速構(gòu)建和演示驗證能力，從而實現(xiàn)對制造成品性能的快速預(yù)測。這些技術(shù)的應(yīng)用并非僅局限于增材制造技術(shù)，而是適用于任何潛在的新型制造方法。該計劃的研究內(nèi)容主要包括以下三項：①低成本快速增材制造技術(shù)，旨在預(yù)測以鎳基合金粉末為原料并利用直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)所成型的材料的性能；②鈦制造，主要研究影響大型結(jié)構(gòu)件（如機翼）制造成型質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)；③轉(zhuǎn)化可靠組合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件為了保證結(jié)構(gòu)強度需要同時使用粘結(jié)劑和緊固件，這項工作旨在推動僅采用粘結(jié)劑將復(fù)合材料連接成結(jié)構(gòu)件，消除復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件對于緊固件的依賴，從而減輕結(jié)構(gòu)重量并簡化裝配流程。

微工廠：使用上千個類似螞蟻的微型機器人（體積小于1美分硬幣）協(xié)同工作，高效率的組裝桁架結(jié)構(gòu)。這些微型機器人全部由低成本的磁性材料制成，將它們放置在特定的印刷電路板上，通過電路板的電流所產(chǎn)生的磁場來驅(qū)動微型機器人工作。機器人之間相互獨立，有些負責搬運結(jié)構(gòu)零件，有些負責涂抹粘結(jié)劑，有些則是在實時監(jiān)控檢驗建造工程的質(zhì)量。該技術(shù)已經(jīng)完成了概念演示驗證，成功制備了約12英寸的桁架結(jié)構(gòu)。微工廠項目的最終目標是能夠以低成本精確組裝出實用的大型零件，未來可用于快速生產(chǎn)軍用電子器件、為小型無人機系統(tǒng)建造機翼等。