2018年国外先进军用航空技术研究进展综述
2018年，世界各军事强国特别重视科技创新这一作战能力提升途径，使先进航空技术领域又催生出了一系列重要的研究成果。例如，为探索未来空中作战装备和样式，美、欧均在构想分布式空中作战。运输无人机、临近空间太阳能无人机及人工智能技术在军民用领域都存在巨大需求，发展势头迅猛。根据反恐战争经验，为增强复杂环境中的态势感知能力，美军特别重视发展巷战无人机技术。另外，国外在机载定向能武器技术领域也取得诸多进展，值得密切关注。当前在研的先进航空技术可比沃土，未来的航空型号将充分吸收其养分茁壮成长。本文总结了2018 年国外先进航空技术的重要发展成就，提出了一些观点。
最近几年，美、英等军事强国不断探索未来空中作战的装备形态和作战样式，并均把具备有人-无人协同特征的分布式空中作战识别为重要的研究方向。美国国防预先研究计划局（DARPA）提出“马赛克战”概念，认为当前的装备体系是“拼图”，每个型号均有各自独特的功能，缺一不可。而未来的装备体系应该是具备可消耗性和网络化协同特点的“马赛克图”，即灵活组合大量低成本传感器、指挥控制节点和武器平台，利用网络化作战，实现高效费比，形成新的不对称优势。此外，2018年11 月，英国智库皇家联合军种国防研究所（RUSI）发布了《下一代战机：威胁展望与潜在解决方案》报告，认为在充斥大量传感器的未来高对抗空域，不被发现极其困难。因此，在继续发展下一代有人战机的同时，应发展无人作战飞机，通过有人-无人协同实现空中优势。
根据DARPA 定义，分布式空中作战是着眼于未来强对抗环境而探讨的全新作战样式，主要思想是将昂贵大型装备的功能分解到大量中、小型平台上，设想让大量高度网络化协同、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，实现降低装备发展成本、提高作战冗余度和灵活性、维持或扩充装备数量、在强对抗环境中取得压倒性空中优势的目的。
分布式空中作战的核心是有人-无人协同。在有人机方面，未来六代机为了继续增强生存力，必将进一步提高隐身性能，并会重视速度、敏捷性和电子战等能力的发展。这将使六代机的全寿命周期成本更高、装备数量更少，在空战中主要发挥刀尖和指控的作用。在无人机方面，将包括各种与有人机协同的无人僚机及蜂群无人机，它们都具备装备数量多、成本低、可消耗和使用灵活等特点。蜂群无人机作战时，作战人员对蜂群整体发送指令，蜂群内部各无人机通过自主协同完成任务，故在分布式空中作战中可把由几十或成百架组成的一组蜂群当作一架无人僚机使用。
美军是分布式空中作战概念的提出者，实施了大量技术研发项目，部分项目开展了飞行演示验证。梳理美军分布式空中作战各研究项目，可认为体系集成和技术试验（SoSITE）项目是负责顶层设计，主要研究分布式空战开放式体系架构和开放式任务系统技术。美国空军研究实验室（AFRL）的低成本可消耗飞机技术（LCAAT）项目和DARPA 的分布式作战管理（DBM）项目主要面向无人僚机，前者研发XQ-58A 平台，后者研究无人僚机的指挥控制和任务规划。DARPA 的小精灵和拒止环境中的协同作战（CODE）项目主要面向蜂群无人机，前者研究无人机平台和空中发射回收技术，后者探索蜂群的指挥控制和任务规划。
SoSITE 项目目前由DARPA 和AFRL 共同负责，着重探索开放式体系架构技术，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机载武器的即插即用，极大提升分布式作战的灵活性。2018年7月，项目在对抗空域开展了一系列飞行试验，验证了一种被命名为“缝合”的全新集成技术，实现了地面站、飞行试验床（可能是半物理飞行试验系统）、C-12 和飞行试验飞机之间的互操作。“缝合”技术的实现基于洛马公司臭鼬工厂的“爱因斯坦盒”系统，即面向复杂组织体的第二版开放式系统架构任务计算机（EMC²）。
LCAAT 项目的验证机被美国空军命名为XQ-58A。该机采用中等后掠角中单翼、V 型尾翼、背负式进气道隐身化布局，机长8.84m，翼展6.7m，最大飞行速度达到马赫数0.85，航程8700m，有效载荷不少于230kg，成本低于200万美元。根据AFRL 设想，XQ-58A的定位是有人-无人编队中的无人僚机，计划于2018 年年秋季首飞，但目前未见报道。
分布式空中作战涉及的装备数量多、分布广，网络化协同是核心。但由于强对抗环境干扰强烈，通信和协同不确定性较大。因此，DARPA 和AFRL 共同实施了DBM 项目，发展先进算法和软件，提高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飞行员进行快速且合理的决策，在强对抗环境中更好地执行分布式空中作战任务。2018 年3月，DARPA 向BAE 系统公司授出项目第三阶段合同，并披露了部分设计细节。DBM 系统配装了两种软件：网络对抗环境态势理解系统负责构建可分享至每个平台的统一作战场景，反介入实时任务管理系统为每个平台制定合适的任务和飞行路径。执行任务时的工作流程大致为：DBM 系统首先把任务分解，明确各平台的工作，然后持续对网络状态进行评估，一旦发现中断，每个平台将不断评估自己获取的信息的重要性等级以及其他平台的具体位置，在网络联通后迅速交换重要信息，更新态势图，进行任务重规划，重新明确每个平台的任务。在项目第二阶段，DBM 系统成功开展飞行验证，第三阶段将实施更加复杂的试验。
小精灵项目由DARPA主管，空军情报监视侦察部门后来也参与其中，目标是研发蜂群无人机平台及空中发射回收等技术。2018年4月，Dynetics 公司获得第三阶段合同，公布了无人机和发射回收系统构型。无人机与巡航导弹相似，横截面呈类三角形，便于隐身。主翼为平直下单翼，回收时可整体转动90°，与机身轴线平行，便于收回进机舱内部。尾翼呈X 型，在获得稳定性和操纵性前提下，显著降低了尾翼的横向尺寸。类似空中加油受油管的对接机构藏于机背内部，回收时可从机身内向上翻起。发射回收系统由绞车、线缆、线缆末端的对接装置、机械爪等部件组成，与目前成熟的空中加油系统相仿。发射时，无人机的对接机构与发射回收系统的对接装置相连，之后由绞车和线缆从C-130尾舱门向外投放。到达安全距离后，无人机与对接装置分离，凭借自身动力向前飞行。回收过程类似于空中加油。首先，线缆末端的对接装置与无人机的对接机构对接。之后，无人机发动机停车，机翼折叠，并被线缆拖至尾舱门附近。最后，机械爪抓住无人机， 把其放回机舱。近期，DARPA 对该发射回收系统开展了与安全发射和对接相关的飞行测试，并计划于2019 年下半年在C-130 运输机上实施多架无人机的发射回收试验，回收速率为30min/4 架。
图1 小精灵项目无人机和空中发射回收系统方案
CODE项目通过发展先进算法和软件，探索蜂群无人机的自主和协同技术，使蜂群在一名操作人员管理下协作完成发现、跟踪、识别和攻击目标等任务。2018年11月，6架真实的和24架虚拟的无人机在真实/虚拟/构建（LVC）的环境中开展了地面和飞行试验，验证了CODE 蜂群无人机在强对抗环境中针对非预期威胁的适应和应对能力。无人机群可有效分享信息，协作规划和分配任务，制定协调的战术决策，并在最小通信情况下合作对动态、高威胁环境进行响应。DARPA 正深入发展CODE技术，2019年春天结束后项目将全部转化至海军航空系统司令部。
除了美军，法国和德国联合研发的未来作战航空系统（FCAS）也与分布式空中作战密切相关。FCAS包括隐身战斗机、中空长航时无人机、超隐身无人作战飞机、未来巡航导弹和蜂群无人机等平台。为支持FCAS构想，2018年9月，空客集团进行了有人-无人编队的飞行试验，在一架有人指挥控制飞机上的任务指挥官控制了5 架Do-DT25喷气式靶机。
图2 法国和德国的FCAS构想
运输无人机是最近几年无人机领域的热点，也是军民融合重要的发展方向。目前总的发展态势是：民用市场空间广阔，各公司自筹经费研发；军用领域也有需求，美军将进行试验验证。
在民用领域，运输无人机主要以垂直起降电动力或混合动力为主，应用方向为飞行出租车、快递物流、抢险救援、海上石油平台补给等。2018年1月，波音公司推出了可载重227 kg 的CAV 电动无人运输原型机。该原型机融合了极光飞行科学公司电动垂直起降技术和波音风险投资部门HorizonX获得的一系列自主化软件，目前已完成初始飞行试验。贝尔直升机公司公布了“自主交通舱”（APT）尾立式起降电动货运无人机，机翼最大可倾转45°。中型APT 可飞行140~370km，大型APT 能飞行555km。贝尔公司认为APT 还可满足军事后勤需求，为士兵提供补给。
在军用领域，运输无人机多为垂直起降或空投滑翔构型，可遂行伤员后送、药品等补给运输、传感器预置等任务。由于军、民用垂直起降类运输无人机的共用技术较多，故以民参军可能是这类无人机的发展途径。美国耶茨电子空间公司2014 年开始研发GD-700无声箭头无人运输滑翔机。它成本低于10 000美元，可从37~79km的防区外投送317.5kg货物。目前，公司正为美国海军陆战队作战实验室（MCWL）生产10 架全尺寸飞机，其中6 架已建成，正开展飞行测试，以总结性能特征。2018年8月，美国陆军发布中型运输无人机原型机征询书，寻求运输弹药、水及食物的电或燃油动力无人原型机，载重272kg，最大起飞质量600 kg。2018年12月，美国海军宣布于2019年3月的先进海军技术演习中开展垂直起降运输无人机为舰船补给的试验，届时将邀请各机构展示各自的无人机。海军要求无人机载重9.1~22.7kg，速度不低于74km/h，飞行高度不超过610m，在不依靠其它发射回收设备情况下实现起飞和着陆。成功演示的机构可能获得海军的原型机合同，而波音公司的CAV 和贝尔公司的APT 无人机将是有力竞争者。
图3 无声箭头运输无人滑翔机
临近空间太阳能无人机在大气层内以月或年为单位飞行，在军民用领域均有使用需求且技术通用性较强。民用方面，可开展移动信号发送、边境监视、大气研究等业务；军用方面，能执行广域情报监视侦察、通信中继、早期预警等任务。临近空间太阳能无人机并不是新出现的概念，国外已发展数十年，说明对这类飞行器确有需求，但一直未出现实际应用的型号。最主要的原因还在于基础技术尚未取得重大突破，如光电转换效率低、电池能量密度低等，导致载重极小等诸多不足。另外，这类飞行器翼展较大，导致运输困难和对机场条件要求高，另外飞行速度也较缓慢，因此使用模式大多是在本土周边某一区域上空持续徘徊。最后其生产数量有限，对企业来说经济效益较低。目前，临近空间太阳能无人机总的发展态势是：民用领域由于技术和政策影响，发展受挫；军用领域美、欧齐头并进，即将实际应用。
在民用领域，2018年7月，脸书公司决定放弃天鹰座太阳能无人机的研发。该机旨在为偏远地区提供互联网服务，翼展42m，有4个电机，巡航高度18~28km，可保证50km 范围内90天的通信服务。未来脸书公司将与空客公司合作开发飞控系统和高密度电池等更底层的技术。此前，谷歌公司也放弃了开发类似无人机的计划。除了技术，缺少电磁频谱使用权和监管环境的限制也是阻碍应用的重要原因。
在军用领域，2018年8月，空客公司西风S 太阳能无人机创造了新的续航时间世界纪录，达到25天23h57min。该无人机翼展25m，载重5 kg，起飞质量小于75 kg，白天飞行高度约22.5km，夜间依靠电池也能保持在15.2km。目前，英国国防部订购了3 架该机，正在加紧建造中。西风S的有力竞争者是英国BAE 公司和棱镜公司合作开发的PHASA-35。该机质量为150kg，翼展35m，有效载荷15kg，留空时间1年，将在2019 年首飞。目前棱镜公司正在制造2 架原型机，批产将由BAE公司承担。棱镜公司认为，与运行在600km 轨道的卫星相比，18~27km的无人机距离目标近了30倍，使相机孔径和信号噪声要求降低900倍，因此15千克的载荷可以满足需求。PHASA-35的目标用户是政府和军方，以开展持久监视和通信中继，但也希望在商业领域有所建树。2018年11月，波音公司子公司极光飞行科学公司推出了奥德修斯大型太阳能无人机。该机翼展74m，巡航高度超过20km，使用锂聚合物电池和薄膜砷化镓光伏板，留空时间3 个月。极光公司认为，与西风S相比，奥德修斯有效载重更大，飞行速度更快。这架飞机最初的任务是研究臭氧层空洞，但也有潜在军事用途，如通信中继，持续监视或作为故障卫星的临时替代方案。目前，首架奥德修斯正在进行地面测试，计划于2019 年4月首飞。
图4 奥德修斯临近空间太阳能无人机
美军经过多年的信息化建设，已经具备了强大的指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察（C4ISR）能力，但是在城市、丛林等复杂作战空间中，视觉范围有限、无线电通信距离短、GPS 信号不稳定，难以发现隐蔽的目标。复杂空间中信息化能力的严重不足使美军在反恐战争中积累了很多经验教训。因此，美军希望借助自主、传感器小型化、微小型机器人等技术，实施进攻性蜂群战术（OFFSET）、快速轻量自主（FLA）等项目，发展巷战无人机，为复杂战场环境中的信息化能力补课。
OFFSET项目由DARPA主管，旨在为面向地面士兵的无人系统蜂群发展作战战术、人机交互和软硬件集成，克服美军在城市作战中面临的各种挑战。项目有两个技术领域，一是蜂群自主性，包括智能移动、决策和与环境相互作用；二是人-机编队，保证蜂群指挥官可以判断、配合和影响蜂群的行为。由于无人蜂群领域技术发展日新月异，因此DARPA 除授予诺格和雷锡恩公司第一阶段主承包商合同外，为了实时获取最新技术，还单独设立了“蜂群冲刺”的快速技术研发和集成活动。该活动分为两种，一是核心蜂群冲刺，半年举行一轮，聚焦蜂群战术、蜂群自主、人-蜂群编队、虚拟环境试验台、真实环境试验台中的某些领域；二是AD HOC 蜂群冲刺，可根据特定技术领域按需开展活动，周期希望也是6个月。每轮活动结束时，都要在真实环境和虚拟环境开展基于能力的试验。2018年2~3月，DARPA分别授予洛马公司和查尔斯河分析公司首轮核心蜂群冲刺合同，聚焦蜂群战术。10月，卡内基∙梅隆大学等8家单位获得第二轮蜂群冲刺活动合同，开发自主能力。目前，DARPA 正寻求第三轮冲刺的建议书，将研究人-蜂群编队和蜂群战术。
FLA 项目也由DARPA 主管，旨在通过发展全新算法使大约2.27 kg 的四旋翼无人机仅凭机载高分辨度摄像机、激光雷达或惯性测量单元等，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。7 月，项目成功开展第二阶段飞行试验，研究人员优化了算法，使用了更高性能的商用传感器，降低了无人机的重量和尺寸，提高了飞行速度。试验中，FLA 无人机可在多层建筑间快速度飞行，通过窄街时确认感兴趣的目标，通过窗户飞进建筑物，在屋内搜索并创建三维地图，并从敞开的门退出建筑物。
图5 FLA 项目第二阶段试验实况
机载定向能武器包括激光、射频定向能和粒子束等，是AFRL 确定的三大技术研究方向之一。机载定向能武器提供了一种新的毁伤方式，拥有反应速度快、攻击灵活、毁伤精确、无弹药挂载量限制等优势，但也有质量大、功率低、持续瞄准困难等不足需要解决。目前，机载定向能武器技术的发展态势是：机载激光技术正在为型号研制做准备，射频定向能技术研究机构扩充，美国可能发展粒子束武器等。
在激光技术方面，2018年5月，美国空军寿命周期管理中心（AFLCMC）发布了一份对激光武器系统在真实作战环境下进行快速验证和确认的信息征询书，以评估潜在的机载高能激光柔性原型机项目的可行性、成本、进度和风险。答复者应提供激光武器系统用于航空用途的证据，估算完成剩余研发、子系统级测试、系统级集成和地面测试所需的成本和时间。机载高能激光柔性原型机项目将选择现成的、适合机载应用的激光武器系统开展为期1 年的验证试验，为未来激光武器系统型号研制和生产奠定基础。虽然AFLCMC 表示这份信息征询书仅用于了解信息和进行规划，不是型号招标公告。但由于该机构是美国空军的型号管理部门，而非AFRL 这样的科技研发部门，故这份信息征询书表明美国空军已在着手准备未来机载激光武器的型号项目，具有重要意义。8月，美国防部导弹防御局（MDA）授予洛马公司、通用原子电磁系统公司和波音公司各一份合同修订，修订了2017年底授予的初步研发合同， 各公司合同的平均金额为3300万美元左右， 以开展低功率激光演示器（LPLD）项目后续研发工作。该项目旨在验证装在高空长航时无人机上用于拦截助推段弹道导弹的激光武器技术，计划在2020 年装机试飞，2021年验证光束稳定性。
在射频定向能技术方面， 除了AFRL 正在研发先进反电子设备高功率微波导弹项目（CHAMP），2018年4月，英国国防科学技术实验室也授予MBDA 公司一份2793万元的合同，开展射频定向能技术研究，制定发展规划，为潜在的立项工作提供支持。
在粒子束技术方面，2018 年3 月，美国防部研究与工程副部长格里芬表示将拓展定向能武器的研究范围，表达了对粒子束武器研究的兴趣。粒子束武器基于中性粒子束加速器，可把原子和亚原子粒子加速到接近光速。这些粒子将以定向束流形态轰击目标，使目标过热并解体。
人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的技术科学，可以辅助或代替人类完成各类任务，是全球军民用领域发展热点。支持者认为人工智能在与社会各领域高度融合后，将极大解放生产力，全面提高人类社会的文明程度，是全球第四次工业革命和美军第三次“抵消战略”的核心技术。但像霍金、比尔·盖茨这样的谨慎观察者认为，人工智能还有很多基础问题尚未解决，无法获得人类百分百的信任，并会带来很多伦理问题，在失去控制后可能为人类文明带来灾难。例如DARPA 的机器人副驾驶（ALIAS）项目就因为信任问题未应用人工智能技术，仅使用了传统的“确定性”软件。为了解决人工智能技术的基础问题，探索在航空领域的应用潜能，2018 年美、俄、法等航空强国开展了大量研究工作。
2018年9月，DARPA 局长史蒂文·沃克在60周年庆典上宣布，将在未来5年花费20亿美元实施未来人工智能（AI Next）项目，让机器拥有上下文推理能力，并告诉人类得出答案的过程，即拥有可解释性，以便在人与机器之间建立更信任、更协作的合作伙伴关系。
2018 年1 月，达索航空公司和泰雷兹集团得到国防部武器装备总局（DGA）项目合同，开展人机协同技术的研究：定义未来座舱；探索人机协同创新技术，特别是自主决策和机器学习；提升智能/自学习传感器技术水平。法国国防部长帕丽参加了项目的启动典礼，并公布了《人工智能与创新路线图》。
2018年3月，俄国防部第一副部长洽里科夫表示，人工智能将会越来越广泛的应用在俄军事力量中，俄军致力于成为人工智能领域的领先者，并推动民用方向的发展。目前，俄军的部分无人系统已开始使用个别领域的人工智能技术。
纵观历史，人类为了更好的生活和拥有更强的作战能力，在古代发明了冶金术、指南针和火药等技术，近现代伴随各次工业革命发明了各种机械、电气化和信息化工具、装备，人类社会的文明程度也因此不断提升。
目前，遂行航空作战的主体是人，人类发明、使用、操控上述工具和装备，不断拓展自身的杀伤力、作战范围、机动性和信息获取能力。即便在反恐战争中立下赫赫战功的“全球鹰”“捕食者”等无人机也是在地面由人类驾驶员遥控飞行的。
然而从当前先进军用航空技术发展趋势看，有人机项目寥寥，绝大多数的科技项目都面向各种类型的无人机。因此可以预见无人机大量出现在未来战场是大势所趋，而且这些无人机将很少依赖于人类，甚至可以实现自决策。例如临近空间太阳能无人机在数月的飞行过程中可以基本不依赖人类控制，利用导航设备实现自动飞行。蜂群无人机、无人僚机、巷战无人机等，在自主和智能等技术的加持下，甚至可以实现复杂环境中的多平台协同作战，人类操作员仅需在环路上监管，而不用制定具体决策。
这种情况不仅仅出现在军用航空领域，船舶领域正在大力研发无人水面艇和无人潜航器，而无人地面战车是陆上作战领域的发展重点之一。另外，这种情况也不仅仅出现在军用领域，民用领域的无人驾驶汽车、无人货运飞机、机器人、各种可穿戴智能设备也是市场投资的重点。可以预见，随着各种高自主水平的机器大量涌入人类社会，人类文明可能即将翻开新的篇章，生活、生产、作战方式都会发生巨大变化。人机共生可能成为主要的社会形态，而人机协同将是主要的战争形态。在这种预想到来之前，我们还需深入研究各种技术，一是继续发展无人系统技术，提升性能水平和可信任程度；二是研究人机接口技术，让人类与机器良好互动；三是加强伦理、法律等社会科学研究，避免用冰冷的机器完全取代人类的思想、情感、风格、创造和态度。
本文刊载于《飞航导弹》2019年第4期
作者：航空工业信息中心 袁成
北京临近空间飞行器系统工程研究所 郑宇
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