DARPA突防新技术面面观

【编者按】美国《航天力量杂志网站》在其网站发表了麻省理工学院航空航天学硕士,美国空军少校保罗•卡尔霍恩的文章。文章选取了DARPA目前正在开发的三个前沿技术领域进行了详细的介绍与分析,阐述了其对美国未来战略利益的重要意义。

保持技术优势和高度重视个人生命是美国武装部队的特征。因此,美国空军在军备采购中,总是趋向于优先关注技术高端、成本高昂、尺寸和复杂性都越来越大的有人驾驶平台,是以应对现代空中战争越来越高的要求。然而可用资源有限,随着这些大型资产的单位成本上涨,数量相应缩减。今天,美国的预算早已捉襟见肘,一些新兴国家在经济上急起直追,鉴于数量是增强作战地理灵活性的一个关键因素,要想达到数量,就需要将成本拉平到合理的水平,也就意味着必须根本性调整这种基于大型单一平台的资源分配范式。

国防部副部长罗伯特·沃克在2015年下半年所做的几次政策讲话中,曾明确提出“第三次抵消战略”的五大组成要素。它们是:机器自主学习,人机协作;机器辅助人工作业,先进的人机战斗组合,联网化网空加固的半自主化作战能力。

这些要素在空中作战领域相互组合,可形成一个新型的系统化兵力结构。在这个预想结构中,有人和无人系统组成团队,通过散布组合网络能力发挥军事作用,增强适应能力,提高对手成本。把作战能力分散部署到多个联网平台上,而不是把所有的功能集中在单一的高成本平台上,可以提高作战灵活性、规模调节性以及单元专业化程度。作为第一步,用“散布”这个术语比较合适,因为它明确地有别于把多种能力集中在单一平台的传统做法。但是,随着这个概念渐趋成熟,以及现有平台不具备的新能力逐渐添加到网络中,也许在未来,用“分布式能力”这个术语将更加合适。鉴于本文主要探讨过渡阶段,因此交替使用这两个术语,不刻意区别。散布系统面临若干重要的挑战,包括平台研发、人机界面、保密可靠的网络通信,以及整体系统架构/指挥与控制。在DARPA内部,这个概念称为系统体系方式。

下文探讨DARPA目前为发展分布式作战能力而正在进行的三方面努力,目的就是利用“第三次抵消战略”的组成要素,充分发挥分布式能力的优势,应对上述各种挑战。第一个是“小精灵”项目,研发具有地理灵活性的低成本无人机。第二个是驾驶舱人员作业自动化系统项目,通过开发机器学习能力和增强型人机系统界面,奠定更有效的人机协作基础。第三个是拒止环境协同作战项目,研发人机作战团队组合和半自主化协同作战算法。

小精灵(Gremlins)项目

建造无人驾驶的有效作战系统有助于调整成本核算方程式,创建成本较低而数量增多的作战资产。这么做不仅可解决地理区域部署机敏性的需求,而且可针对A2/AD环境的挑战提出可靠的解决方案。尽管这些系统也许不能够每个都在复杂的防空环境中生存,但是它们可以凭借数量之众使敌方的交战能力达到饱和状态。低成本、可消耗的无人机以集群方式协同作战,可以在高威胁环境中执行复杂的任务,而避免美军飞行员冒生命风险。此外,这么做可以迫使敌方付出一定代价。例如,如果无人机的成本低于敌方对抗无人机所需的导弹成本,就意味着敌方必须付出高昂成本。因此,这个项目的目标是,建造的系统应该具有不容忽视的足够杀伤力,但系统成本又较低,个别系统的损失可接受。

作为DARPA的一项新努力,“小精灵”项目致力于研发一个无人平台系统,以期避免有人驾驶飞机通常所需的生命支持和复杂防御能力的高成本。“小精灵”无人机的设计构想是可集群发射,并在空中回收,这样可提供执行各种任务所需的多种能力组合与协同。但是,若要降低成本,这些航空器的尺寸必须较小,因而它们的航程有限。为了克服这个挑战,借助大型母机,“小精灵”无人机群被搭载到抗衡空域边缘再发射。由于“小精灵”无人机可以回收,而不是一次性使用,因此其每次使用成本远远低于巡航导弹或传统型假目标。

在这方面的论述中,关于“一次性的”、“可消耗的”和“可回收的”这三个术语的确切含义,并无一致意见。为了避免混淆,本文将“一次性”定义为单次使用弹药或航空器,在一次交战之后完全耗尽。“可消耗的”含义是,在执行任务时,集群中个别飞机的损失是可以接受的;任务成功的定义是,达到任务目标,而且在执行过程中被摧毁的弹药或飞机的数量不超过特定的比例。“可回收的”含义是,在任务完成之后,所有尚存的飞机返航,可用于执行以后的任务。

“小精灵”无人机将能从多种飞机发射,包括轰炸机、战斗机和运输机。项目计划做一次飞行演示,构想是在空中把无人机回收到一架带货舱的飞机中。这个项目最具挑战性的技术风险是如何解决在不危及母机的情况下进行空中回收。目前,该构想仍处于研发之中,其设计重点落在在三个关键的捕捉阶段:

(1)利用以前无人航空系统空中加油项目展示的精准导航技术,在紧接母机尾部强烈紊流区外实施软捕捉;

(2)用6自由度机械臂实施硬捕捉,抓住无人机通过母机尾部紊流区。这个阶段利用先进的机器人技术,需要注意的是,“小精灵”无人机的机体将收缩并将发动机将,以保护母机;

(3)把无人机送入货舱,自动放置在储存架上。演示目的是每30分钟回收4架无人机。成功演示空中回收之后,则可研发各种不同的航空器,以适应特定任务需要。预期,“小精灵”无人机的尺寸大致相当于一枚巡航导弹,具有下列重要属性,如表1所示。

“小精灵”无人机的机体足够携带进行情监侦和目标识别所需的光电传感器,并且拥有足够的机载功率,可实施电子攻击。在需要的时候,这些航空器可以携带一枚具有足够摧毁力的弹头,用于攻击半加固式目标。载荷和功率要求由若干其他DARPA项目设定,包括相干干扰、先进协同合成孔径雷达测绘,以及具有网空效应的电子攻击。对于许多此类射频领域效应而言,速度是重要的效应增强因素。与现有的无人机相比,“小精灵”无人机计划达到马赫数0.7以上的速度,足以提高载荷运用的灵活性。高速度还使得这些无人机能够与其他打击资产协同作战,或者在特种作战渗入/渗出团队行动之前飞到作战区域。无人机的高速和高空飞行能力还可增强其生存能力,使传统小型武器和便携式地对空导弹无法打到。无人机的体积小,自然提高隐身低显性,这也是未来的武器系统在设计方面必然要考虑的因素。

驾驶舱人员作业自动化系统项目

驾驶舱人员作业自动化系统(ALIAS)项目旨在发展新的自动化功能,植入到目前飞机中,以期减少实施作战所需的机组人员,同时提高任务效果和安全性。为此目标,该项目正在大力开拓机器学习能力,研发人机协作的有效方法。该自动化系统将设计为可快速卸装和插接到不同飞机中,要求知识快速应用和灵活实施。为满足此项目要求,目前正在研发核心问题解决算法,此算法一旦成功,很可能将广泛用于各种作战平台自主化和半自主化运作。未来的作战操作人员如何与协作行动的机群互动,很可能将取决于这个项目的研究成果,未来的飞机如何通过人工操作或自主化解决任务挑战,也很可能将依靠ALIAS计算核心。

该项目最重要的部分是提供飞行管理和系统分析的智能处理核心。大致原理为,通过知识获取系统,将信息馈入ALIAS系统。知识获取系统使用真实语言处理来消化正常文本,并把它拆分为可由处理核心查询的逻辑框架。这样,机器可以快速获取关于某个主题的所有知识,例如执行各种飞行动作的确切程序。ALIAS系统还可以由专业演示人员授教,吸纳学到的知识。馈入数据按质量优劣排列先后顺序,数据中的矛盾将由专业人员通过人工操作解决。这种快速获取各种数据并作归纳汇编的能力具有革命性,其应用将远远超出这个项目的范围。可以设想利用这个项目研发的流程精简情监侦数据分析,或者根据作战准则的应用制定实时指挥与控制建议。

在该项目的目前研究范围内,ALIAS系统将可提供任务和飞行紧急情况的无差错分析。ALIAS系统可以分析各种预选方案,向机组人员提供任务效果反馈。这样,机组人员可以起到任务协调员的作用,专注于高端执行,而不是一般的技术操作。除此之外,智能处理核心将能处理发动机故障等系统紧急情况。它会调阅合适的检查清单,甚至可以激活相应的开关,界定任务效果,向机组人员提供各种预选方案。

▲ALIAS系统已被安装在多种空中平台上进行飞行测试

ALIAS项目还在研发一种感知系统。ALIAS试图成为一种最佳状态的机器,能够测量和监控所有的关键任务要素,例如空速、高度、燃油状况、地点、子系统状态、任务意图和航空器表现。该项目采用了一个过去未曾充分探索的革命化措施,即在人机交互状况中纳入人工操作员作为参数。为了实现这项措施,可以使用摄像机跟踪飞行员姿态和反应,通过对飞行员控制动作的测量来确定飞行员的注意力集中程度。还有一项引人关注的应用,这就是利用飞行员头戴受送话器或头盔中集成的脑电图(EEG)传感器,直接监控飞行员在飞行中的脑电波活动。这个概念立足于DARPA资助的一个研究项目,称为“脑电波驾驶飞机”(BrainFlight),它严密监测飞行员在飞行中的脑电波活动,借以测量飞行员的工作负荷,并预测飞行员诱发的震荡。许多成功的脑电波检测项目都有巨大的应用潜力,可促成人脑更直接地与机器交融。把EEG作为ALIAS感知系统的输入是朝着发挥这些应用潜力迈出重要的一步。至少,监控飞行员表现将为感知系统提供重要的信息,使它能察觉飞行员是否疲劳了,或者负荷过重,或者没有注意到警告信号。这样,ALIAS系统和人工操作员之间的双向沟通将更加有效。

最终,ALIAS系统的设计意图是能够直接操纵飞机飞行,移动开关,并且像人工操作员一样执行作战行动。由于该系统设计成便携式,可以从一架飞机拆卸插接到另一架飞机中,因此致动概念通常以套件形式体现,只是根据目标飞机的具体制约条件而在组配方面略有差别。ALIAS项目以解决模糊不清的人机团队组合概念为直接目标,今后,人工操作员将与半自主化无人驾驶僚机和打击航空器协同作战。与这些散布资产协同作战,需要有合适的算法程序,把人的意图演化成经协调的半自主化行动。由于未来战争可能在射频和全球定位系统(GPS)抗衡环境中进行,实现这种演化的难度可能会更大。人机团队组合和抗衡环境中的半自主化协同作战对于实现这个愿景起着绝对关键的作用,而DARPA的拒止环境协同作战项目将提供这个核心能力。

拒止环境协同作战项目

拒止环境协同作战(CODE)项目正在研发先进的自主化算法和监督控制技术,以期增强无人机或尖端导弹在拒止环境下的作战能力。研发工作以四个技术领域为重点:协同作战自主化;航空器层面自主化;监控界面;适用于分布式系统的开放式结构。关键的技术发展注重传感、打击、通信和导航等方面的自主化协同作战,以减少所需的通信带宽和人工系统界面。目前正试图通过模拟和软件开发实现这些目标,最终将使用实体和虚拟资产在GPS和通信拒止环境中进行大规模飞行演示。

协同作战的另一个重要方面是相干射频效应。具有高精度时钟同步的多个平台可以同时发射能够增强组合效能的波形。组合的波形率按平台数目的平方值增长,4个协同作战平台的相干组合信号可以提供高达16倍的广播功率。如果相干组合数目更多的信号,则可产生极大的功率,显著扩大探测、通信和电子攻击范围,或者有助于通信信号突破敌方干扰。

在严峻的射频环境中进行协同作战时,有效使用可用带宽非常重要,其目的是使整个团队的所有成员都看到共同的态势画面。具体的做法是,通过行为和健康建模技术,减少每架航空器为了知道其他航空器的状况而需要获得的信息。例如,每架航空器都能够根据内置模型计算出团队内其他航空器上应该还有多少燃油,从而不需要连续不断地发送每架航空器上还有多少燃油的更新信息。因此,燃油状态更新信息只是偶尔发送,或者只需要在实际燃油存量偏离模型预期值时才发送。必须传递的信息有一个指派值,并且根据其对特定任务交战的重要程度予以压缩。早期研究显示,这么做可以逐渐取得极好的效果,把带宽需求减少到原先的1/20。

大量的半自主化航空器置于一名任务指挥官的控制之下,必然需要对人与系统交互界面(HSI)有一个新的观念,其中的核心挑战在于如何在通信间歇受阻的拒止环境中与数十架无人机互动。即使在很大的工作压力下,人工操作员也必须能够保持态势感知。高功能自主化作战必须在了解形势的情况下才能采用,不可放弃合适的人工监视和控制。与此同时,自主化航空器必须反应可靠,让人工操作员不断地增强信心。

在各种人工操作与航空器遥控匹配模式中,MQ-1无人机是一个极端例子,它由1名飞行员直接用人工控制所有的飞行功能。今后一个比较可行的模式是,无人飞行器自主应用指挥官的意图。就是说,无人机群带着明确界定的目标出发,即使与任务指挥官的通信中断,也能自主执行任务。根据交战规则,在执行武器投放或飞越地理界线等预定行动之前,必须通知指挥官,以获得其授权。与此同时,相关数据必须递交给任务指挥官,以便他能够做出明智的决定。但把来自众多传感器的原始数据全部传送给任务指挥官,其数量将大到难以承受。因而,可利用显示长期行为和任务相关趋势的特定信息作为行动参照依据,形成最优态势感知。

潜在A2/AD挑战最大的那些战区,都是地理广袤的区域,具体而言,是太平洋地区、南中国海、台湾海峡、俄罗斯及其前苏联加盟共和国,美国在这些地区设置前进基地的机会极为有限。因此,远程平台对于未来的力量投送极为重要。例如,美国必须大量购置B-21远程打击轰炸机,用于支援作战灵活性,必须解决战术战斗机的航程局限性问题,还必须仔细考虑后勤支援。未来的战斗情景往往是几十架第五代战斗机和攻击机整装待发,准备突防进入A2/AD环境的最纵深部分大型飞机的武器探测和交战区显著扩大,通常无法就近获得空中加油机的支援,因而战术战斗机或传统型无人机不能发挥作用。同时应该投资提高加油机的生存能力,使它们能够接近作战前缘。用传统型远程机动平台发射的Gremlin飞机等非传统型无人机可提供另一个可行的选择方案。

未来的A2/AD作战空间包含多个防御层次,非常复杂。现有的基于平台的战略很可能无法在这种环境中取得制空权,而且在财力方面也是不可持续的。大幅度转向到基于网络的系统体系方法,可以克服这些挑战。DARPA对“小精灵”、ALIAS和CODE等项目的投资正在开辟通向未来可行解决方案的道路。作为一个研究机构,DARPA只能在实现这个愿景的道路上走到这一步。要想使愿景成为现实,各军种必须接过火炬,制订支持这些努力的务实计划。

对付A2/AD环境的另一个方法是,使用远程防区外武器,不需要借助搭载平台深入拒阻空间就可以打击那里的目标。高超声速飞行是空天力量的一场重要及必然的革命,其基础是美国和其他国家目前在研发的若干技术。常规的有人驾驶高超声速航空器很可能要几十年的时间才会问世,而高超声速打击武器预期今后10年内就能投入使用。

高超声速是指超过马赫数5的飞行速度,即大约每小时飞行约5800千米或每秒飞行1.6千米。由于极端的温度和热载荷以及复杂的空气动力效应,这类航空器面临巨大的技术挑战,但同时也拥有巨大的战术优势。

今天,红外搜索与追踪以及全频谱雷达的发展已能有效地阻止大多数平台深入某些区域。高超声速防区外打击能力可置敌人目标于险境,但不危及发射平台,从而让攻击方重新掌握优势。高超声速打击武器有三个重要的优点:

第一,它们以极高的速度压缩时间域,提供灵活快速的响应;

第二,防区外精确打击能力可把力量投送到抗衡环境,而且不危及母机;

最后,高度机动的高超声速武器能够深入严密防御区域,打击其他手段无法触及的高价值目标,从而使得常规部队能够实施后续攻击。

高超声速势必带有快速响应和灵活能力。从单独一个平台发射高超声速打击武器,可以在发射后10分钟内打击距离1000千米的目标。这样,指挥官可以突破敌方的决策周期,在敌方摸清情况和采取行动之前进行打击。在打击移动目标或进行突袭时,快速行动特别重要。面对太平洋战区或俄罗斯战区等广袤区域的不利地理条件,高超声速武器可缩短到达目标的飞行时间,从而具有战术机敏性。

一架装载着几十枚高超声速打击武器的B-52飞机可以面对甚至防御最严密的环境实施有效作战,在敌方交战区外面发射防区外武器。当传统型平台能够参与这种“高端”作战时,指挥官即拥有很大的灵活性。实际上,目前正在研发的武器都趋向于小型化,以便能够从空基或海基战术飞机上发射,借以显著增大可选方案范围。像B-2那样真正的雷达突防飞机在数量上极少,因而限制了在多个区域同时做出响应的灵活性。

此外,投资于足以实现力量投送目标的相当数量的一次性使用武器,与购买大量的高价高端平台相比,具有更高的成本效益。这么说并非表示不需要一定数量的高价高端平台。但是,利用可观的防区外打击能力可以减少所需的突防平台数量——在预算严重受限的年代,这是一个必须正视的现实。最后,甚至最佳的隐身低显技术也只能风光一时,不需多久就会被下一波新防御技术一览无遗。现在,全频谱搜索与追踪能力已经限制了隐身平台的使用。随着攻防双方玩猫鼠游戏不断斗智斗勇,拥有强大的防区外作战能力可提供一个重要的制胜保障。

高超声速武器凭借高速和终端机动性,能够规避先进防空系统,从而只需要少量齐射就可以摧毁目标,而且可以攻击以前无法接近的目标。这些武器将与其他资产协同作战,打击已知的高价值防空目标,使得“小精灵”无人机群等后续资产能够更有效地执行搜索和摧毁任务。

高超声速武器的运行环境异常恶劣,包含许多巨大的技术挑战。在极高的速度下,气体分子开始分离,在航空器周围产生电离等离子体。声冲击波缠绕航空器壳体,熵梯度极高,产生干扰边界层的乱流。在本文的论述中,是否理解这些物理问题并不重要,但需要指出的是,许多一般超声速的空气动力学和热力学模型不再适用于高超声速领域。此外,动态升温极高,稍有计算错误,即会很快导致毁灭性熔化和结构烧穿。以超声速冲压喷气发动机为例,燃油必须在几毫秒之内与超声速的空气流混合并点燃。一个贴切的比方是,在龙卷风里点燃一支蜡烛并使其保持燃烧。鉴于基本科学原理已经掌握,高超声速打击武器研发的下一步是按照符合战术要求、可负担和一次性使用武器的价位,创建一个可靠的平台。高超声速航空器武器化还需要注重通信、目标锁定传感器、可负担的高温材料和制造方法以及作战概念。

不久,高超声速打击飞行器将成为空天战场的一个现实,而且这些武器有许多将在潜在的敌方手中。鉴于本文已论述的许多理由,高超声速武器可能非常难以防御。美国必须努力了解敌方系统和制订有效的防御战略,以减小敌方系统的威胁。仅仅赢得军备竞赛,率先部署高超声速打击武器并不能解决今后仍有可能挨打的问题。

相应的激光技术发展有望促成性能可靠的高能激光器面世,可提供革命性的新型军事作战能力,例如对抗新出现的传感器威胁以及创建进攻性激光武器。高能机载激光器是飞机防御方面符合逻辑的下一步发展趋势,也是一项重要的未来进攻性打击能力。过去,化学激光器是唯一能够在尺寸和重量受限前提下,具有足够功率密度,可以提供有军事实用性光束的激光武器。但是,在过去10年间,光纤激光器的使用取得了巨大进展,与以前的化学激光器相比,固态光纤激光器的功能更强大,体积更小,更适用于军事环境。一台光纤激光器以电能启动,然后将其转换成高功率、高光束质量的激光能。该激光光束被导入光纤电缆,从而可以灵活地传输和组合,形成有军事实用性的光束。光纤激光阵列、光束组合和自适调光学的发展将促成高能激光器面世,其光束将异常明亮,而其激光功率也许可达到数百千瓦等级。

过去半个世纪以来,微电子器材稳步发展,至今已到处可见,成为最令人不安的趋势之一。在军事领域,这个趋势形成巨大的挑战。先进的成像电路,尤其是焦平面阵列传感器,对机载平台构成很大威胁。这些先进的导引头直接威胁航空器,但是高能激光器可以对付这种威胁,不过需要采取新的飞机防御范式。鉴于尺寸、重量和功率等条件,可以优先考虑让大型飞机采用下一代高功率光纤激光器作为防御手段。用高能激光器替代目前的红外干扰措施(IRCM)系统,对正在接近的导弹,不仅是干扰,而是摧毁,由此显著提升飞机在半准入环境的生存能力。红外反干扰措施(IRCCM)不断发展,给予目前的导弹越来越强的抗干扰能力。下一代成像导引器的扩散使得这个问题更加复杂。从红外干扰概念变换到用物理方式摧毁导弹,未来的飞机将能够突破渐进式改善的循环。与远距离打击军事关注目标的进攻性激光系统相比,把防御性激光器配备到飞机上,用于摧毁来袭的小型对空导弹,所需的激光功率要小得多。有鉴于此,防御性系统是创建具有作战功能的高能激光系统的良好起步。光纤激光器使用光束组合方法,可立即调整规模,而且其输出功率的主要限制因素是母机平台可用的功率和冷却能力。如果有持续的研究资金,进攻性激光系统目前面临的局限性可在今后十年内克服。

进攻性激光器的打击能力可带来许多显著的战术优势:

第一,使用飞机发电的光纤激光武器基本上拥有无限制的发射能力库存;

第二,无论好莱坞影片如何渲染,激光在清洁空气中是不可见和无声的;

第三,激光武器可达到令人难以置信的精准度,具有实时反馈功能,可连续优化打击定位;

最后,激光以光速传播,几乎在发射瞬间即可打击目标。

尽管目前仍有若干主要的技术挑战需要克服,上述这些优势足以说明美国应该继续关注激光武器。不久,人们将看到如下情景:在特种作战部队实施突袭之前,一架AC-130飞机静悄悄地摧毁了一辆敌方车辆——无声无息、手术般精准、持续不断,激光打击能力可向军事作战策划人员提供重要的备选方案。

以前,机载激光器的研发曾获得不少投资,但是成效不大。随着DARPA和AFRL继续发展定向能技术,光纤激光器研发的潜在成效很大。提高作战部队对新技术的认知,对于技术过渡和采用,以及作战概念发展都很重要。激光器是一个独特的武器类别,必须努力去理解其局限性和潜力。现在,这项技术已经很先进,因此很难想象今后的作战空间没有激光器发挥重要作用。有鉴于此,现在应该制定战术、作战准则和公共政策,准备好迎接今后必然出现的这种局面。