■ 張健 吳雄 / 中國人民解放軍92728部隊

無人機集群和穿透型制空是美國戰(zhàn)略重點重新回到大國競爭、針對在強對抗環(huán)境中作戰(zhàn)而發(fā)展出的新型體系化作戰(zhàn)概念。其中，無人機集群是網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，將大型、昂貴、多功能空戰(zhàn)裝備的功能分解到大量低成本無人機平臺上，利用架構(gòu)、自主、協(xié)同、控制等技術(shù)使少量有人機和大量無人機形成統(tǒng)一的空戰(zhàn)整體。

按照美國空軍《2016 — 2036小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》給出的定義和相關(guān)描述，無人機集群是指在空中或地面駕駛員的操作或監(jiān)督下，參照自然界蜂群、蟻群等的集體行為方式，由多架以自主方式組織起來遂行統(tǒng)一作戰(zhàn)任務(wù)的小型無人機集群。集群無人機可以是相同的（同構(gòu)），也可以是不同的（異構(gòu)）；組群方式可以是主從式的，也可以是無中心的。需特別指出的是，美國空軍在這份文件中明確了“集群”與“忠誠僚機”和“編組”概念的對比和不同，主要體現(xiàn)在這3種作戰(zhàn)樣式協(xié)同對象的不同：“集群”為大量小型無人機之間的機-機協(xié)同；“忠誠僚機”是指無人機與有人機之間的有人-無人協(xié)同；“編組”是指控制站與控制站之間的人-人協(xié)同。2018年8月，美國防部發(fā)布《2017—2042財年無人系統(tǒng)綜合路線圖》，再次將“集群能力”列為無人系統(tǒng)的15項關(guān)鍵技術(shù)之一。

集群無人機發(fā)展概況

無人機集群具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、損傷冗余度高等優(yōu)勢，可在對地、對空等復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)中與少量高性能平臺組成編隊。隨著無人機集群作戰(zhàn)概念的不斷完善和豐富以及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，無人機集群必將成為未來大量配備的航空主戰(zhàn)裝備。無人機集群將逐步具備對地、對海、對空監(jiān)視偵察甚至攻擊的能力。無人機集群大規(guī)模服役后，空中作戰(zhàn)將從強調(diào)隱身單平臺或小編隊作戰(zhàn)向注重網(wǎng)絡(luò)化、分布式、體系化作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，不斷豐富的空中作戰(zhàn)方式將對未來航空裝備體系的構(gòu)成和作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生重大影響。

無人機集群作戰(zhàn)概念圖

目前，集群無人機種類眾多，總體上可分為旋翼式和固定翼式兩類。動力類型大體分成兩種：一種是純電驅(qū)動，即“電池+電動機+旋翼或螺旋槳”，基本上所有的旋翼式蜂群無人機和大部分小型固定翼集群無人機都采用這種動力形式，以美國的低成本無人機集群技術(shù)（LOCUST）項目、“灰山鶉”（Perdix）無人機集群項目為代表；另一種是燃氣渦輪發(fā)動機，采用這種動力的多為大型的固定翼集群無人機，以“小精靈”（Gremlins）空中可回收無人機集群項目為典型。

“郊狼”無人機基本型

“灰山鶉”無人機

低成本無人機集群技術(shù)由美國海軍研究辦公室（ONR）主導(dǎo)，2015年啟動研制，可提供陸、空、水面和水下平臺發(fā)射的情報、監(jiān)視、偵察（ISR）精確無人機，并可單獨或成群地與有人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)。無人機平臺是“郊狼”（Coyote）無人機，2016年4月，完成地面發(fā)射試驗，發(fā)射后進行編隊飛行；同年7月，實現(xiàn)了30余個“郊狼”無人機快速發(fā)射和機動飛行。

“灰山鶉”無人機集群由美國戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）主持，2014年啟動研制，主要應(yīng)用于代替空射誘餌，執(zhí)行誘導(dǎo)欺騙、前出偵察等。2016年，項目演示了由3架F/A-18飛機快速投放的103架“灰山鶉”實現(xiàn)按指令組群飛行，創(chuàng)下軍用無人機蜂群最大規(guī)模飛行紀錄。試驗中，“灰山鶉”集群未預(yù)先編寫飛行程序，展現(xiàn)了集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊的自主協(xié)同飛行能力。

美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）于2015年啟動的“小精靈”項目，研究小型無人機集群的空中投放／回收等關(guān)鍵技術(shù)，主要任務(wù)為區(qū)域監(jiān)視和偵察、電子戰(zhàn)和攻擊（破壞導(dǎo)彈防御系統(tǒng)），因此已經(jīng)上升為可在大國軍事行動中執(zhí)行戰(zhàn)略級任務(wù)。

“小精靈”項目原本分3個階段進行:第一階段(2016年第一季度—2017年第二季度)，復(fù)合材料工程公司、動力系統(tǒng)公司、通用原子公司和洛馬公司獲得1610萬美元合同，進行無人機概念驗證和空中發(fā)射回收設(shè)備概念驗證；第二階段（2017年第一季度—2018年第三季度），DARPA在第一階段4家公司中選出兩家公司并授予合同，開展技術(shù)成熟和風險降低工作；第三階段(2018年第三季度—2020年第二季度)，DARPA在第二階段兩家公司中選擇1家并授予合同，開展原型機制造、集群飛行演示以及空中發(fā)射回收演示?！靶【`”項目本應(yīng)在完成當前的第三階段后結(jié)束，但由于認識到可消耗無人機的價值，DARPA和美國空軍決定增加第四階段。“小精靈”項目的第四階段將聚焦作戰(zhàn)能力，旨在通過約兩年的時間使X-61A能夠執(zhí)行壓制/摧毀敵防空的任務(wù)。這將涉及無人機與ISR傳感器、自主系統(tǒng)的整合，可借鑒DARPA之前轉(zhuǎn)化到海軍航空系統(tǒng)司令部的“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目的技術(shù)。

“小精靈”無人機

截至目前，“小精靈”項目已進行了3輪測試。2020 年1月，由C-130A運輸機載飛并發(fā)射，進行了首次飛行試驗，2020年7月和10月，完成第二次和第三次飛行試驗，主要驗證了無人機的投放、飛行與回收；并計劃在2021年10—11月進行新的飛行試驗，主要驗證“攜帶子無人機或彈藥，完成一項任務(wù)后，返回母機，再加油和重新武裝后發(fā)動另一次攻擊”的重復(fù)使用功能。

目前，“小精靈”無人機的動力形式尚未被披露，但從公開的數(shù)據(jù)看，“小精靈”無人機質(zhì)量為320kg、速度為Ma 0.8、有效載荷為50kg、作戰(zhàn)半徑為900km、續(xù)航3h、重復(fù)使用20次、采用空中回收方式，根據(jù)上述平臺指標推測，須采用燃氣渦輪噴氣發(fā)動機才能滿足動力要求。

無人機集群關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢

近年來，無人機集群成為各國爭先研究的熱點，相關(guān)進展主要包括：創(chuàng)新協(xié)同理論，探索集群協(xié)同的模式，包括無人機集群協(xié)同、無人機集群和有人機協(xié)同、無人機集群和大型載具協(xié)同、無人機集群和其他無人裝備跨域協(xié)同；強調(diào)體系協(xié)同，構(gòu)建分布式指揮架構(gòu)；加強基礎(chǔ)研究，突破核心關(guān)鍵技術(shù)；加緊集群驗證，形成非對稱優(yōu)勢。

多個典型的研究項目表明，無人機集群的主要關(guān)鍵技術(shù)是集群控制，其難點主要來自于：質(zhì)量、功耗、空間和成本限制對機載通信、計算和存儲能力的約束；數(shù)量規(guī)模、任務(wù)耦合、局部信息不一致和無人機動力學給集群控制和集群任務(wù)協(xié)同等帶來較多的挑戰(zhàn)。集群控制關(guān)鍵技術(shù)主要包括集群體系架構(gòu)、集群通信與組網(wǎng)、集群決策與規(guī)劃、集群無人機平臺系統(tǒng)、集群飛行與隊形重構(gòu)、集群安全與沖突消解、集群指揮控制等。其中，動力技術(shù)只是平臺系統(tǒng)中的一部分，這與有人機研發(fā)過程中發(fā)動機占有的比重差異較大。

無人機集群的未來發(fā)展趨勢可簡要概括為：群體智能，具有任務(wù)能力的無人機集群系統(tǒng)；多樣化任務(wù)，易擴展互操作的集群體系結(jié)構(gòu)；分布式在線處理，協(xié)同包以德循環(huán)（即觀察—調(diào)整—決策—行動，OODA）回路響應(yīng)時間和行為決策能力；意外事件處理，大規(guī)模集群協(xié)同飛行控制算法；低成本輕質(zhì)化，無人機系統(tǒng)平臺/載荷/通信系統(tǒng)；平行仿真，虛實結(jié)合的標準化開放性集群協(xié)同測試環(huán)境。

集群無人機動力需求分析

結(jié)合上述項目的作戰(zhàn)目標、參數(shù)指標和動力選取的異同可以看出，針對大國戰(zhàn)略競爭或軍事作戰(zhàn)使用的戰(zhàn)略級集群無人機動力應(yīng)具有如下需求與特點。

一是具有相對大的作戰(zhàn)半徑與航時，以適應(yīng)大國大縱深的防御與進攻。與城市作戰(zhàn)不同，大國特種軍事作戰(zhàn)和反介入/區(qū)域拒止（A2/AD）作戰(zhàn)，無人機集群啟用前的運載平臺與任務(wù)目標應(yīng)有較遠的距離，為保證執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能源供給，無人集群應(yīng)有相對較好的續(xù)航能力，在此方面燃氣渦輪動力優(yōu)于純電動力。

二是具有相對較快的飛行速度，以適應(yīng)集群為應(yīng)對戰(zhàn)場狀況而隨時產(chǎn)生的密集編隊和稀疏編隊之間的多次變換。如針對無系統(tǒng)防御能力的地面低速目標進行打擊與偵察，無人機集群編隊情況比較簡單，但是如果需要躲避來自地面或空中的系統(tǒng)性防御打擊，或者目標為空中機動目標、地面/海上快速移動目標（或目標群），則無人機集群編隊情況需要根據(jù)面臨的打擊或任務(wù)目標的位置變化，產(chǎn)生敏捷的密集與稀疏之間變換，此時無人機集群個體靈活度對動力性能提出了較高的要求。

三是具有相對較大的有效載荷，以適應(yīng)面對高對抗強度作戰(zhàn)空域所需的ISR、電子戰(zhàn)、對面打擊和對空打擊（自殺式）等多種任務(wù)。這些有效載荷首先需要足夠的推力/升力，其次在高對抗強度作戰(zhàn)任務(wù)中，這些載荷需要消耗較多的能量，特別是ISR與電子戰(zhàn)，需要動力系統(tǒng)具有相對較強的功率提取能力。

結(jié)束語

無人機集群的特點在“群”，帶來的關(guān)鍵技術(shù)是“協(xié)同”，包括無人機集群與裝備體系的協(xié)同和無人機集群內(nèi)部的協(xié)同，包括作戰(zhàn)管理、組網(wǎng)、自主編隊、態(tài)勢感知與共享、任務(wù)規(guī)劃與決策等，這些關(guān)鍵技術(shù)的驗證，采用小型平臺即可，對應(yīng)動力主要是純電驅(qū)動推進器。作為武器裝備執(zhí)行A2/AD戰(zhàn)場的任務(wù)，除了上述“協(xié)同”能力，還需要無人機平臺具有一定的航程/航時、速度和載荷，從經(jīng)濟可承受性的角度考慮，成熟渦噴/渦扇發(fā)動機或衍生發(fā)展型是主要動力形式。此外，隨著動力技術(shù)的發(fā)展，混合電推進也是待選的動力方式。