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美国防部国防高级研究计划局重要航空项目研究进展

时间:2017-05-23 来源:空天防务观察 点击:

美国防部国防高级研究计划局(DARPA)被称为美军创新引擎,曾发展出互联网、隐身、GPS等多项颠覆性技术,对美空中作战能力的提升产生极其重大的影响。最近几年,美军第三次“抵消战略”进入了高强度实施阶段,该战略着眼于应对中、俄等大国“挑战”,从而确保自身军事优势。当前,DARPA在航空领域采取一系列新动作并取得多项新进展,今后很可能为第三次“抵消战略”提供有力支撑。

当前,DARPA在航空领域实施的科研项目涉及体系、高超声速、航电、通信、网电空间和机载武器等。该局近期总共发布了12份跨部门公告(BAA),包括“小精灵”、“分布式作战管理”(DBM)等项目;授出16份项目合同,总金额7.6亿美元,涵盖“拒止环境中的协同作战”(CODE)、“垂直起降试验飞机”(VTOL X-Plane)、“高超声速吸气式武器概念”(HAWC)等项目。4个项目开展了飞行试验,涉及“快速轻量自主”(FLA)、VA001无人机、“驾驶舱内自动化系统”(ALIAS)等项目。

一、DARPA航空领域重要项目研究进展

20153月,DARPA发布了最新版战略规划《服务于国家安全的突破性技术》,明确指出“保持美军在强对抗环境中的空中优势”是航空领域的发展目标。为此,该局正围绕体系作战技术、新概念无人机技术、高超声速飞行器技术和强对抗环境作战支持技术等4个领域安排了一系列项目,同时在其他领域也安排了一些项目,力求“重塑”美军面对未来复杂环境的军用航空系统。DARPA2017财年安排的重要航空项目约35个,总经费约5.7亿美元。
 


 

1.体系作战技术

美军认为,其空中作战装备正面临采办费用高和新技术引入困难等问题,导致未来可使用的高性能装备数量持续减少;与此同时,精确制导和网络对抗等技术在全球持续扩散,潜在对手对空作战能力日趋增强。这两个因素将使美军高性能军机被击落或干扰的风险激增。为此,DARPA正重点发展分布式空战和无人机蜂群作战等体系作战概念及技术,设想让大量高度网络化协同的功能各异的中小型无人机与少量高端有人/无人装备配合作战,实现降低发展成本、提高作战冗余度和灵活性、维持或扩充装备数量的目的。2017财年,DARPA在此方向安排了4个重要项目,当年总经费约1.2亿美元。

 

“小精灵”项目。2015年推出,旨在发展并演示小型无人机蜂群的空中发射和回收技术。20163月,DARPADynetics公司、通用原子航空系统公司、Kratos公司和洛马公司授出第1阶段合同,4份合同总金额为1610万美元。20173月,项目进入第2阶段,Dynetics公司和通用原子航空系统公司获胜,将进一步使设计方案成熟。DARPA希望项目在2019年开展飞行试验,验证这种空中发射回收无人机蜂群的可行性及作战潜力。目前,项目累计投入达5200万美元。
 

通用原子航空系统公司的“小精灵”由C-130运输机回收想象图(美国通用原子航空系统公司图片)
 

“体系集成技术试验”(SoSITE)项目。2014年启动,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武器在体系层面的即插即用,极大提升分布式空战的灵活性。20168月,DARPA向洛马公司授予金额3640万美元的第2阶段合同,继续发展体系架构,验证架构的作战效能和鲁棒性,预计2019年完成。目前,项目累计投入达8920.1万美元。

 

“拒止环境中的协同作战”(CODE)项目。2015年启动,通过发展先进算法和软件,探索分布式空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。20166月,DARPA向洛马公司及雷神公司授予项目第2阶段系统集成合同,2017年将开展由12架真实飞机和若干虚拟飞机组队的飞行试验。
 

CODE项目在第一阶段工作中开展的任务模拟(DARPA图片)
 

“分布式作战管理”(DBM)项目。2014年启动,通过发展先进算法和软件,提高分布式空战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复杂作战任务。20165月,DARPA向洛马公司授予1620万美元的项目第2阶段合同,设计全功能决策辅助软件原型,帮助策划有人机和无人机参与的复杂空战。目前,项目累计投入达3244万美元。

2.新概念无人机技术

DARPA不断探索扩大无人机的性能边界和运用创新,正在实施若干新概念项目,可能于未来数年内推出无人运输、无人高速旋翼、海上起降中空长航时察打一体、室内侦察等多型演示验证原型机。2017财年,DARPA在此方向安排约8个重要项目,当年总费约1.03亿美元,以下为取得重要进展的项目。

 

“垂直起降试验飞机”(VTOL X-Plane)项目。2013年启动,旨在发展性能更好的垂直起降无人机原型,持续飞行速度556741千米/时,巡航状态升阻比不低于10,最大起飞重量45005400千克。20163月,极光飞行科学公司的混合动力飞行器“雷击”赢得竞标,获得8944万美元的第2和第3阶段合同。20173月,“雷击”缩比验证机完成试飞任务,验证了自动起飞、持续悬停、方向与平移控制、航路点导航和自动着陆等内容。该项目接下来将发展XV-24A全尺寸验证机,预计2018年首飞,验证项目设定的各技术指标。目前,项目累计投入达1.77亿美元。
 

极光飞行科学公司的XV-24A“雷击”垂直起降无人机缩比验证机已在20173月初完成试飞(美国极光飞行科学公司图片)
 

“入境、可控、空中发射和不回收系统”(ICARUS)项目。2016年启动,旨在发展任务完成后可融化消失的精确自主导航货运无人机原型。该无人机的最大尺寸小于3米,载重1.362千克,最远可滑翔飞行161千米。20166月,DARPA授予施乐公司帕洛阿尔托研究中心、DZYNE技术公司和MORSECORP公司金额970万美元的第1阶段合同。如果项目进入下一阶段,将开展原型机试飞。

 

“战术侦察节点”(TERN)项目。2013年启动,旨在发展可在驱逐舰等普通舰船上起降的中空长航时察打一体无人原型机。该项目在2016年完成了主机身部件制造,开展了发动机台架试验和软件集成,而且诺格公司另获一份金额1780万美元的修改合同,制造和试验第2TERN原型机。TERN原型机将于2018年首飞。目前项目累计投入达1.22亿美元。
 

TERN无人机带弹舰上起降想象图(美海军图片)
 

“快速轻量自主”(FLA)项目。2015年启动,发展全新算法,使小型无人机仅凭所搭载的高分辨摄像机、激光雷达、声呐或惯性测量单元,便可在房间等设障环境中自主导航飞行,搜集态势感知数据。该项目在2016年利用商用四旋翼无人机在设置障碍物的机库内进行了验证试验,达到了20米/秒的飞行速度指标。未来,项目将继续优化避障算法,扩展感知范围,以更好进行急转弯等快速机动动作。

3.高超声速飞行器技术

美军认为高超声速飞机和武器是突防中俄下一代防空系统的革命性装备。目前DARPA正与美空军联合实施两个战术级高超声速武器大型演示验证项目,并启动了高超飞机使用的全尺寸涡轮基组合动力技术发展项目,力求加快美军高超声速飞机和武器的实用化进程。2017财年,DARPA在此方向安排约4个重要项目,当年总经费约1.32亿美元,以下为其中取得重要进展的项目。

 

“战术助推滑翔”(TBG)项目。2014年启动,旨在集成验证战术级空射高超声速助推滑翔导弹的关键技术,并发展出演示验证原型弹,最大马赫数910、射程10002000千米。20169DARPA授予洛马公司金额1.47亿美元的第3阶段合同,研制TBG原型弹,2018年首飞。20173月,洛马公司表示将基于该方案参与美军下一代陆基洲际弹道导弹项目竞争。目前,项目累计投入达2.1亿美元。
 


 

“高超声速吸气式武器概念”(HAWC)项目。2014年启动,旨在集成验证战术级吸气式空射高超声速巡航导弹的关键技术,并发展出演示验证原型弹,最大马赫数56、射程约1000千米。20169月和10月,DARPA分别授予洛马公司(1.71亿美元)和雷神公司(1.74亿美元)项目第3阶段合同,研制HAWC原型弹,2018年首飞。目前,项目累计投入达4.5亿美元。

“先进全速域发动机”(AFRE)项目。旨在研究配装高超声速飞机的涡轮基组合动力(TBCC)推进系统的可行性。20168月,DARPA公布该项目跨部门公告,指出AFRE发动机是在马赫数05+范围内无缝工作的可重复使用、碳氢燃料、全尺寸TBCC推进系统,用以支撑能在拒止环境中执行情报监视侦察任务的高超声速飞机发展。项目在2017财年预算草案中申请900万美元,预计在2020财年前完成整机地面自由射流试验。

4.强对抗环境作战支持技术

美军认为,强对抗环境中的电磁干扰和网络攻击,将使其难以获取空中优势。为此,DARPA已布局多个研究项目,探索相关的通信、组网、导航和雷达等技术,为提升美军空中力量的看不见的“内力”打牢技术基础。2017财年,DARPA在此方向安排约14个重要项目,当年总经费约1.74亿美元,以下为其中取得重要进展的项目。

 

100Gbps射频高速链路”(100G)项目。2014财年启动,旨在设计、制造和试验与光纤通信能力相当的机载通信数据链,并可在远距离传播过程中有效穿透各种天气环境。该数据链通信速率为100吉比特/秒,配装高空长航时飞机时的对空作用范围200千米,对地作用范围100千米。2016年,项目验证了100吉比特/秒网络的可行性,创造了数项毫米波调制和传播的纪录。项目2017年将启动第3阶段,并开展飞行试验,目前累计投入达6058.8万美元。
 


 

“满足任务最优化的动态适应网络”(DyNAMO)项目。旨在通过发展网络动态适应技术,使美军各独立设计的空基网络在面对敌方主动电子干扰时,仍可在一定安全等级下及时、高速通信。雷神公司在2016年收到DARPA两份金额900万美元的项目合同,研究动态调整无线电参数以及在不兼容网络间分享信息的有效途径,并将开展硬件在回路试验。目前,项目累计投入达2355万美元。

 

“导引头成本转变”(SECTR)项目。旨在开发具有被动捷联电光/红外传感器、GPS接收机和惯性测量部件的小型经济可承受导引头原型,在激光目标指示和数据链不能正常工作的环境中提供自主导航和精确末制导,实现对移动、重新定位和静止目标的打击。2016年,DARPA授予洛马公司金额820万美元的项目合同,继续研发具有开放和模块化体系结构的尺寸小、重量轻、功耗和成本低的导引头原型。目前,项目累计投入达2865.8万美元。 
 


 

“雷达自适应对抗”(ARC)项目。2013年启动,旨在发展模块化、开放式和可拓展的软件处理技术,使美军机载电子战系统可在复杂电磁环境下区分友、敌和中立发射机,并针对快速变化且未知的雷达威胁进行对抗及效果评估。20166月,DARPA授予BAE系统公司金额1340万美元的第2阶段合同,11月又授予该公司1330万美元的第3阶段合同,进一步发展算法、制造原型系统开并展试验,做好向五代机等平台转化的准备。目前,项目累计投入达9374万美元。

5.其他取得较大进展的项目

除上述4类项目,DARPA在其他领域的项目有些也取得了较大进展。

 

VA001无人机项目。旨在发展常规布局的中空超长航时无人机技术。2016年底,VA001无人机连续飞行了56小时,创造了该等级无人机的续航时间纪录。未来,项目将开展连续飞行10天的验证试验。
 

201611月至12月,VA001无人机在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯创下连续飞行56小时的世界纪录(美国“香草”飞机公司图片)

 

“试验性太空飞机”(XS-1)项目。2014年启动,旨在验证可重复使用空天飞机技术。现有三个团队开展了方案初步设计和关键技术攻关。20164月,DARPA与工业部门针对项目第2和第3阶段的工作进行了协调,同时诺格公司牵头的团队也公布了若干技术细节,如飞行器采用垂直起飞/水平降落方式,使用了复合材料低温油箱设计。目前,项目累计投入达1.16亿美元。 
 


 

“驾驶舱内自动化系统”(ALIAS)项目。2015年启动,旨在发展先进的机器人自动驾驶技术。2016年,原型系统在第2阶段成功开展飞行试验,并授予西科斯基公司第3阶段合同,将在7型飞机上进一步开展验证。目前,项目累计投入达5978万美元。

“射频任务操作中融合的合作式单元”(CONCERTO)项目。旨在发展能在通信、雷达和电子战之间自适应和灵活切换,可配装小型平台的射频原型系统。20165月项目公布跨部门公告,第1阶段将孵化各项技术和创造架构,持续15个月;第2和第3阶段将开展设计、制造和试验,持续33个月。

二、几点看法

1DARPA着力拓展未来无人机的应用范围和领域

为帮助美军继续保持无人机装备技术优势,使无人机在提升作战能力方面发挥更大作用,DARPA正着力拓展无人机的应用范围和领域:拓展范围方面,正通过TERN、“浮沉载荷”(UFP)和FLA等项目,探索可在驱逐舰起飞、从深海发射和在建筑物等复杂环境使用的情报监视侦察或察打一体无人原型机;拓展领域方面,正通过“小精灵”、“可重构嵌入式航空系统”(ARES)和ICARUS等项目,发展蜂群作战和无人运输原型机,使无人机承担更多重要的作战任务。

2DARPA发展航空技术着眼强对抗环境作战

目前,DARPA正尝试从4个技术方向增强美军在强对抗环境下的作战能力。一是高动能,TBG等项目中发展战术级高超声速武器技术,使敌方难以防御美军攻击武器;二是高聚能,在“持久”等项目中发展机载激光武器技术,提升空中装备的攻防能力;三是高智能,ARC等项目中发展认知电子战技术,利用机器学习等人工智能技术对抗事先未知的电磁频谱威胁;四是体系化,SOSITE等项目中发展分布式空中作战技术,实现大量低成本无人机与少量高端航空装备高度网络化协同,打造全新的航空装备体系和作战样式。

3DARPA的研究将对美空中作战能力的变革起到至关重要的支撑作用

在美军高强度实施第三次“抵消战略”的背景下,美军各军种对该局的研究项目表现出浓厚兴趣,DARPA也称“我们和军种之间的关系十分紧密”。各军种的重视和早期介入十分有利于DARPA实现成果转化概率。根据计划,DARPA2020年前将开展一批技术演示验证原型机试飞。参考该局以往做法,原型机的试飞或持续12年左右;如进展顺利,项目成果都将在数年内完成转化,有可能在2025年左右为美军空中力量带来能力变革。

袁成先生此前已为《空天防务观察》提供4篇专栏文章,如下表:

序号

篇名

发表日期

2016

1

美国国防高级研究计划局发展创新的近距空中支援技术

2月29

2

刀尖上的新舞者——美国防高级研究计划局航空航天专项办公室分析

3月11

3

美国防高级研究计划局2015年航空领域科技项目分析

4月27

4

美国防高级研究计划局“小精灵”空中群射/回收无人机项目分析

10月11

 

(中国航空工业发展研究中心  袁成)