美軍典型無人機蜂群系統(tǒng)發(fā)展分析

楊曉帥

無人機蜂群是指在操控人員的指揮或監(jiān)督下，參照自然界蜂群、蟻群等的集體行為方式，以自主組網(wǎng)方式遂行統(tǒng)一作戰(zhàn)任務(wù)的一組小型無人機集群。2016年，美國空軍首次明確了無人機蜂群概念，探索在寬松和對抗環(huán)境中運用無人機蜂群實施多域作戰(zhàn)。2018年，美國國防部將無人機蜂群列為無人系統(tǒng)19大關(guān)鍵技術(shù)之一，并認為2042年將實現(xiàn)高度自主的無人機蜂群作戰(zhàn)。無人機蜂群具有機上無人、回路有人特征，研制成本低、周期短、技術(shù)迭代快、維修性好，易于大量生產(chǎn)和儲備，越來越多國家開始布局發(fā)展無人機蜂群裝備技術(shù)。

通過梳理美軍在研無人機蜂群平臺，按照部署回收方式，可將其分為空射型、陸基型和艦基型無人機蜂群；按照平臺大小，可將其分為小型、中型和大型無人機蜂群平臺；按照任務(wù)類型，可將其分為偵察型、電子戰(zhàn)型、打擊型、誘餌型等。蜂群無人機為代表兼具機動性、低成本、智能化等特征，裝備技術(shù)日趨成熟，任務(wù)能力持續(xù)提出，逐漸成為美軍裝備發(fā)展的一個重要方向。我們選取“小精靈”“灰山鶉”“西卡德”三類典型無人機，分析美軍蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)最新研究進展。

“小精靈”無人機

無人機蜂群裝備通常存在“腿短”問題，即中小型蜂群無人機平臺小，續(xù)航時間短，遠程跨域作戰(zhàn)能力有限，實戰(zhàn)化能力不足。通過空中大型載機投放平臺投放和回收蜂群無人機，可以實現(xiàn)蜂群無人機快速部署回收和可重復(fù)使用，有效擴展中蜂群無人機作戰(zhàn)范圍，提升任務(wù)效能。為此，美軍提出“小精靈”無人機設(shè)想，探索在敵防區(qū)外由包括運輸機、轟炸機和戰(zhàn)斗機等多種載機平臺發(fā)射攜帶紅外、光電、電子戰(zhàn)等任務(wù)載荷的蜂群無人機，滲透到敵防區(qū)內(nèi)之后，針對特定目標共同執(zhí)行情監(jiān)偵、電子攻擊或地理空間定位等作戰(zhàn)任務(wù)。任務(wù)完成后退出敵防區(qū)，并由載機完成空中回收。

2015年9月，美國國防預(yù)研局發(fā)布了X-61A“小精靈”項目跨部門公告，向工業(yè)部門尋找具備經(jīng)濟性的小型無人機空中發(fā)射和回收方案?！靶【`”項目計劃研制周期共計4年，分為三個研究階段。

第1階段，由國防預(yù)研局選定4家承包商分別設(shè)計和開發(fā)“小精靈”原型驗證系統(tǒng)、制訂相關(guān)技術(shù)研發(fā)計劃；

第2階段，由國防預(yù)研局選定其中兩家承包商開展進一步技術(shù)開發(fā)工作，并完成初步方案設(shè)計和風險測試，2017年3月，國防預(yù)研局選擇通用原子航空系統(tǒng)公司和戴內(nèi)提克斯公司進入項目第2階段，項目通過了初步設(shè)計評審。

第3階段，選定確定供應(yīng)商，正式開展“小精靈”無人機驗證系統(tǒng)的詳細設(shè)計和制造，研制原型機，并同步開展試驗驗證。2018年4月，戴內(nèi)提克斯公司在競標中取勝，獲得價值3860萬美元、為期21個月的 “小精靈”項目研制合同，該公司曾完成GBU-43/B大型云爆彈和GBU-69/B“小型滑翔武器”研制工作，具有豐富研制經(jīng)驗。項目研發(fā)團隊由包含戴內(nèi)提克斯公司在內(nèi)的多家公司參與，涵蓋了機體設(shè)計制造，發(fā)動機設(shè)計制造，降落傘制造，C-130運輸機支持保障等多項內(nèi)容。

2021年11月，美國國防預(yù)研局宣布成功使用C-130運輸機在空中回收了“小精靈”無人機，證實了無人機空中回收技術(shù)的可行性。自2019年以來，美國國防預(yù)研局共完成四次空中無人機回收能力測試，前三次均以失敗告終。此次飛行試驗中，兩架X-61A完成了自主編隊飛行，并抵近C-130運輸機后方；后者打開機尾艙門，使用被稱為“子彈”的機械裝置捕獲到其中1架X-61A，并將其拖入貨艙完成回收。

在系統(tǒng)組成方面，“小精靈”系統(tǒng)主要由無人機平臺、載機和空中投放回收系統(tǒng)組成，每個載機可攜帶和發(fā)射超過20架無人機，并在30min以內(nèi)完成8架次無人機的回收工作，回收后再次完成準備和發(fā)射時間不超過24h。成本控制方面，該機出廠單價（不包括載荷）低于70萬美元，發(fā)射或回收平臺的改裝成本（不包括指揮和控制系統(tǒng)）不超過200萬美元。

在機載系統(tǒng)方面，“小精靈”無人機設(shè)計載荷功率低于1200W，載荷采用了模塊化設(shè)計理念，可根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)快速更換，這也符合“小精靈”無人機空中回收和再次布放的作戰(zhàn)任務(wù)設(shè)定，可攜帶光電/紅外系統(tǒng)和電子戰(zhàn)設(shè)備等，執(zhí)行戰(zhàn)場情監(jiān)偵和電子戰(zhàn)任務(wù)。

在戰(zhàn)技指標方面，美國國防預(yù)研局為“小精靈”無人機提出的性能目標要求為：作戰(zhàn)半徑926km，作戰(zhàn)半徑處可待機3h，有效載重54kg，最大飛行速度Ma0.8，最大發(fā)射高度超過12000m，推進系統(tǒng)設(shè)計壽命為20次。

“小精靈”項目是DARPA探索蜂群作戰(zhàn)裝備技術(shù)的重要抓手。結(jié)合其此前布局的體系架構(gòu)、編隊協(xié)同、作戰(zhàn)管理等項目工作，已基本打通了由技術(shù)攻關(guān)到原型驗證流程，基本具備實戰(zhàn)化運用能力?！靶【`”無人機屬于美軍“蜂群”裝備體系中的中型蜂群作戰(zhàn)平臺，由運輸機空中投放后覆蓋的任務(wù)半徑超過900km，可進入“反介入/區(qū)域拒止”作戰(zhàn)環(huán)境，為隱身戰(zhàn)斗機等提供態(tài)勢感知、目標指示等支持?！靶【`”無人機與美軍最新發(fā)展的無人系統(tǒng)類似，采用了模塊化開發(fā)、即插即用設(shè)計等思路，結(jié)合先進的算法軟件，可在有限操作人員的監(jiān)控下高效完成情監(jiān)偵、電子戰(zhàn)等作戰(zhàn)任務(wù)，提高集群化作戰(zhàn)能力，降低操控人員任務(wù)負擔。

結(jié)合美軍提出的蜂群和分布式作戰(zhàn)構(gòu)想，“小精靈”無人機可能成為其未來空戰(zhàn)體系的重要一環(huán)，具有多種作戰(zhàn)運用潛力。第一，攜帶電子戰(zhàn)任務(wù)載荷的“小精靈”無人機由運輸機投放后，在運輸機、預(yù)警機、轟炸機等高價值空中作戰(zhàn)單元附近建立作戰(zhàn)巡邏圈，與戰(zhàn)斗機協(xié)同執(zhí)行空中護航任務(wù)；第二，攜帶情監(jiān)偵任務(wù)載荷的“小精靈”無人機由運輸機投放后，可攜帶低可探測數(shù)據(jù)鏈深入敵縱深區(qū)域，作為探測和目標指示節(jié)點，與F-22、F-35等隱身作戰(zhàn)平臺協(xié)同，遂行進攻性制空作戰(zhàn)任務(wù)；第三，攜帶情監(jiān)偵任務(wù)載荷的“小精靈”無人機可與“遠射”無人機協(xié)同，構(gòu)建閉合殺傷鏈，作為四代、五代戰(zhàn)斗機的“耳目”，協(xié)同遂行制空作戰(zhàn)任務(wù)。

“灰山鶉”無人機

2014年，戰(zhàn)略能力辦公室開始實施“無人機蜂群”項目，旨在快速發(fā)展和形成創(chuàng)新的空射微型無人機蜂群作戰(zhàn)能力，并選中麻省理工學(xué)院研發(fā)的鋰電池推進、全復(fù)合材料的“灰山鶉”無人機。該無人機定位為可消耗無人機，可由各類作戰(zhàn)平臺發(fā)射，在更昂貴、更大型的戰(zhàn)斗機等裝備前執(zhí)行誘餌欺騙、情監(jiān)偵等任務(wù)。截至目前，項目開展大量空中投放和編隊飛行試驗，創(chuàng)造了多項空射無人機編隊飛行紀錄。

在系統(tǒng)組成方面，“灰山鶉”無人機采用特殊氣動布局，有前后兩副機翼，上翼為平直翼，下翼翼尖向上彎折，采用3D打印技術(shù)制造，能源模塊為內(nèi)置鋰電池，動力系統(tǒng)為尾部螺旋槳推進。通信鏈路方面，“灰山鶉”無人機具備一定自主能力，預(yù)先編程的個體同步飛行，而是一個有機集合體，共享一個分布式大腦進行決策并相互適應(yīng)，以應(yīng)對戰(zhàn)斗的復(fù)雜性。在戰(zhàn)技指標方面，“灰山鶉”無人機長16.5cm、翼展30cm、投放重量0.3kg，飛行速度75～110km/h，續(xù)航時間大于20min。

在作戰(zhàn)運用方面，“灰山鶉”無人機可從戰(zhàn)斗機的干擾彈發(fā)射裝置投放，飛行高度低，可從特定角度觀察隱匿目標，并通過無線電向母機回傳信息。該無人機單機采購價格約為1萬美元，較ADM-160B“微型空射誘餌”低90%。截至目前已完成500多次試驗、試飛超過670架次，美軍計劃發(fā)展由1000架“灰山鶉”無人機組成的無人機集群，主要執(zhí)行區(qū)域偵察任務(wù)。

2015年6月，美國空軍在“北方利刃”演習中開展了由F-16戰(zhàn)斗機空中投放“灰山鶉”無人機的飛行試驗。2016年10月，3架F/A-18F戰(zhàn)斗機在空中投放了103架“灰山鶉”無人機，驗證了無人機自主編隊、集群決策和自適應(yīng)編隊能力。“灰山鶉”無人機重量輕、續(xù)航時間短，載荷能力有限，任務(wù)水平也受到多方面限制，目前官方提出的任務(wù)能力以情監(jiān)偵為主。未來，隨著微電子技術(shù)不斷發(fā)展，“灰山鶉”無人機可能搭載電子戰(zhàn)等載荷，執(zhí)行誘餌干擾、火力打擊等任務(wù)。

“西卡德”無人機

2005年，美國海軍研究實驗室（NRL）開發(fā)“西卡德”（CICADA）近戰(zhàn)隱蔽自主無人一次性飛行器無人機，以開發(fā)能夠大規(guī)模投放使用的蜂群無人機，美國海軍將其描述為“可飛行的印制計算機集成電路板”，經(jīng)數(shù)年發(fā)展，該機目前仍處于試驗開發(fā)階段。美國國海軍提出該項目最終目標是大量部署“西卡德”無人機，組建蜂群探測傳感器網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行偵察監(jiān)視作戰(zhàn)任務(wù)，該機目標成本1000美元，批生產(chǎn)后可降至約250美元。此前，美國海軍提出發(fā)展“超級蜂群”計劃，提出由上百萬架無人機組成的超級蜂群，以執(zhí)行規(guī)模化進攻和防御作戰(zhàn)行動，西卡德無人機具有極高效費比，成為該計劃的重要潛在平臺。

在系統(tǒng)組成方面，“西卡德”無人機主要由3D打印的電路板組成，除機翼結(jié)構(gòu)外，還包含一套自定義的自動駕駛系統(tǒng)。該無人機能源系統(tǒng)為內(nèi)置鋰電池，為控制系統(tǒng)及傳感器提供電力，同時可對機身內(nèi)電子設(shè)備加熱，以維持低溫環(huán)境下的正常運行。

在通信鏈路方面，“西卡德”無人機可選多種無線數(shù)據(jù)傳輸模式，一是基于全球移動通信系統(tǒng)（GSM）標準的通信系統(tǒng)，該通信手段受限于地面基站對空覆蓋能力，通常只能在超低空或地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)；二是使用XBee-Pro S2C 2.4GHz無線電模塊，采用點對多點的通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，有效范圍約1200m。

在機載系統(tǒng)方面，“西卡德”無人機可以配備壓力、溫度和濕度傳感器，能夠準確估算風力和風向，生成預(yù)期滑翔路徑。無人機還可攜帶GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、WGS-84世界測地系統(tǒng)和雙軸陀螺儀，具備實時定位和導(dǎo)航能力，可將著陸精度控制在4.5m以內(nèi)。此外，無人機還可裝配聲學(xué)和生化探測設(shè)備，執(zhí)行危險區(qū)域探測活動。

在戰(zhàn)技指標方面，“西卡德”無人機重約65g，無動力裝置，可由9000m高空滑降，可在零下57℃溫度環(huán)境和75km/h的風速下飛行，滑翔速度約為74km/h，滑翔距離可達17500m。

在作戰(zhàn)運用方面，“西卡德”無人機可由UH-60直升機、P-3海上巡邏機直接投放，也可使用聲吶浮標發(fā)射管進行部署。根據(jù)美國海軍設(shè)想，該無人機可搭載麥克風和振動傳感器，降落后搜集降落點附近的聲學(xué)和震動信息，還可攜帶生化探測載荷，進行放射性污染區(qū)檢測。2019年，美國國家航空航天局蘭利研究中心使用4架大型無人機完成了100余架“西卡德”無人機投放試驗。

結(jié)束語

美軍加速發(fā)展各種類型的無人機裝備，加速構(gòu)建有人無人協(xié)同的新型作戰(zhàn)體系，發(fā)揮有人機決策優(yōu)勢，無人機高機動、成本低、可消耗等優(yōu)勢，實現(xiàn)有人機與無人機之間以及整個作戰(zhàn)體系的信息和資源共享，解決先進有人機機隊規(guī)模與武器掛載能力有限的短板，增強有人機生存能力和作戰(zhàn)效能，同時獲得空戰(zhàn)場對抗的質(zhì)量優(yōu)勢和數(shù)量優(yōu)勢。未來，美軍將構(gòu)建出以有人機為核心、各類無人機為支撐的先進協(xié)同空戰(zhàn)體系，依托低成本可消耗、人機協(xié)同打擊、多輪持續(xù)火力等優(yōu)勢，可能顛覆傳統(tǒng)的“對等消耗”式作戰(zhàn)模式，形成“單向傷亡”的新型作戰(zhàn)模式，顛覆未來空中戰(zhàn)場形態(tài)。