“领飞”世界:中国119架固定翼无人机“群飞”

来源:世界军事 作者:长青 时间:2017-09-13
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2016年,一部美国好莱坞出品的科幻动作片《独立日:卷土重来》上映,影片中多次出现海量无人机集群作战的场景。今年6月,这种科幻的类似场景,出现在了我国某地的上空。这是中国电子科技集团公司(编注:简称中国电科,中央直接管理的十大军工集团之一,主要从事国家重要军民用大型电子信息系统的工程建设,重大装备、通信与电子设备、软件和关键元器件的研制生产)组织的一项119架小型固定翼无人机飞行试验,试验成功演示了密集弹射起飞、空中集结、多目标分组、编队合围、集群行动等动作。119架,我国再次创造了固定翼无人机集群飞行的世界纪录,奠定了在该领域的领先地位。 

中国无人机集群试验相关情况 

曾经,高技术装备和试验对我国来说,是可望而不可即的梦。今天,在一些装备和新技术领域,我国则成为领跑者。

在无人机领域,目前,已经有诸多国家实现了多旋翼无人机集群编队的飞行试验,但在固定翼无人机集群试验上,却寥寥无几。相比旋翼无人机,固定翼无人机飞行速度更快、载重更大、巡逻半径更大,军事价值更大。相应地,管理控制也更为困难,尤其是进行空中编队和任务飞行,其对于无人机本身性能及背后的操作与控制系统都有很高的要求。此次119架固定翼无人机集群试验的成功,证明了中国在无人机军事化的路上走在全球前列。为国人赢得这一殊荣的,是中国电子科技集团公司电子科学研究院固定翼无人机集群飞行试验项目团队,项目负责人是年仅32岁的赵彦杰。

2009年10月1日,国庆60周年阅兵现场,11时11分36秒,当一架空警-2000预警机率领空中梯队151架战机飞过天安门上空时,观礼的人群沸腾了。这是解放军空军信息化建设的标志性时刻:中国空警-2000预警机横空出世。此次阅兵,中国电科研制生产的以空警-2000、空警-200预警机为代表的七型装备,首次分别组成空中方阵、雷达方阵、通信方阵三个独立方阵接受检阅。

彼时,大洋彼岸,一个人同样热血沸腾。他就是熬夜看阅兵式的赵彦杰。那一刻,他深深地感到,祖国的强大是每一个海外游子的坚强后盾。作为固定翼无人机集群飞行试验项目的负责人,赵彦杰小时候的梦想是当一名飞行员。不巧的是,那一年,他所在的地区高中不招飞行员,赵彦杰没有实现成为飞行员的梦想。2006年8月,清华大学毕业的赵彦杰,获得赴美全额奖学金留学的资格,开始了在美国八年的学习生活。出国之初,和无数的留学生一样,第一次走出国门的赵彦杰非常兴奋,然而,在美国学习生活久了之后,每一次回国都令他向往、激动。忆及那时的感受,赵彦杰说,“每一次坐在飞机上想起来,我可以吃碗正宗的面条的时候,眼泪都快下来了,我觉得每一个在海外漂久了的留学生,内心深处都是热爱自己的祖国的,所以,这些事情,让我们和其他很多留学生做了不同的选择,选择回国工作”。

2014年,赵彦杰和爱人选择回国工作。在了解了国内诸多单位后,他选择了五年前那个令他心潮澎湃的预警机总体单位——中国电科电子科学研究院。那个时候,中国的无人机发展已经处在世界的前沿,从最初的军用领域逐渐扩展到消费领域,国内无人机市场一片火热,普通民众对无人机的认可程度和需求度逐渐攀升,无人机也走出了国门。但是,在无人机集群方面,研究尚处于基础阶段。

刚入职电子科学研究院的时候,赵彦杰参加了一次事故纪念会:2006年,有40位科学家和军人在事故中牺牲了宝贵的生命。这带给赵彦杰的震撼是巨大的。“能不能让我们的科学家,让我们的军人,少牺牲,不牺牲,至少在未来的战争中,我不想让我们的孩子,被机器人伤害,所以,我们才要发展无人的装备。”

然而,快速实现无人机集群试飞,谈何容易!相对于一些欧美国家,我国在无人机领域起步较晚,要在短期内赶超欧美国家,科研团队承受了不小的压力。在中国电科,赵彦杰的团队非常年轻。团队中的几十个人,大多都是80后、90后,项目负责人赵彦杰本人,也只有32岁。在人们印象中,像这种尖端的科技项目,一般都由年龄比较大的院士负责。

面对质疑,最好的办法就是用行动证明。赵彦杰介绍,智能无人机集群项目团队,更像一个创新创业的公司。有人说,创业公司跟大公司比,竞争力就像针一样具有穿透力,得在一点上铆足了劲,以最大压强迅速穿破眼前的障碍。为此,团队克服一切困难,希望做出一番成绩来。一次,一架出故障的飞机脱离队伍,掉到水库里。为获取飞机上的原始数据,研究人员绕着水库寻找,终于发现一条渔船,不料却是漏的,但时间不等人,几个人做好游回来的准备坐上破渔船,终于把飞机找了回来。飞机掉到山谷里,也不是稀奇事。这个时候,研究人员就要冒着巨大风险,下到山谷搜寻。在大规模试验时,需要密集弹射,研究人员冒着烈日去安装弹射架,甚至冒着被弹射器打到手的危险……赵彦杰他们面对的,是中美之间齿轮式的竞赛。近两年,在固定翼无人机集群飞行方面,首先是2015年美国释放的50架,接着是2016年11月赵彦杰团队的67架,仅仅两个月后,2017年1月,美国释放了103架……压力无疑是巨大的。这么短的时间,就被别人超越了。其时,集团公司年度大会马上要召开,此前准备好的文字材料和视频资料,不得不做了紧急修改。“科技竞赛,大国博弈,新故相推,日生不滞。”赵彦杰在微信的朋友圈里写下这句话……不到半年,赵彦杰团队再次反超美国,将这一纪录改写为119架。其间到底经历多少艰辛,想必只有赵彦杰和他的团队最清楚。 

无人机集群技术相关概念 

关于无人机集群技术:正如上世纪初发明飞机是受到飞鸟的启发一样,无人机集群技术概念的灵感,来源于对昆虫、蜜蜂的仿生研究。因而,无人机集群作战系统,又形象地称为“蜂群”无人机。无人机集群技术研究的目标,就是模拟群聚生物的协作行为与信息交互方式,作为一个自主化和智能化的整体协同完成任务。举一个好理解的例子——蚂蚁搬东西。在蚁群中,每个蚂蚁都能搬动物体,但物体的重量是有限的。不过,蚂蚁可以通过分工协作,共同抬起一个比它自身重很多很多倍的物体。这就是集群智能简单的表述。

无人机集群作战系统,由大量无人机基于开放式体系架构进行综合集成,以通信网络信息为中心,以系统的群智涌现能力为核心,以平台间的协同交互能力为基础,以单平台的节点作战能力为支撑,构建具有抗毁性、低成本、功能分布化等优势和智能特征的作战体系。

相比于功能复杂全面的某一单机作战平台,无人机集群在作战时具备以下优势——

功能分布化:将单个完备作战平台所具备的各项功能,如侦察监视、电子干扰、打击与评估等能力“化整为零”,分散到大量低成本、功能单一的作战平台中,通过大量异构、异型的个体来实现原本复杂的系统功能,系统的倍增效益将使无人机集群具备远超单一平台的作战能力。

体系生存率:无人机集群具有“无中心”和“自主协同”的特性,集群中的个体并不依赖某个实际存在的、特定的节点来运行。在对抗过程中,当部分个体失去作战能力时,整个无人机集群仍然具有一定的完整性,仍可继续执行作战任务。

效费交换比:功能单一的无人机平台成本较低。在执行作战任务时,敌方应对大量的无人机个体,需要消耗数十倍甚至上百倍的成本来进行防御,这为无人机平台使用方带来显著的成本优势。因为大型的高价值的武器平台,很难对付这种小型的密集的无人集群。从探测的角度讲,这种小平台很难被探测到。同时,这种小平台可以以一种饱和的方式,对大型的高价值的武器平台进行袭扰,甚至是攻击。美国有一个仿真试验,针对“宙斯盾”的防空系统,以8架飞机为一个集群进行突破,每一个集群平均有2.8个可以突防。

在传统的观念中,战争就意味着军人的流血牺牲。但是,“零伤亡”的需求必然使战争进入“无人”时代,而“无人”时代迅猛发展又使作战进入了“无人集群”时代,这是军事发展史上的一个超越。届时,在未来的战场上,很可能不再是有血有肉的士兵,而是成群结队的群化武器系统。

关于无人机集群数量:很显然,无人机集群的数量越多,系统越难协调,通信、传感的压力也会相应增大。有业内人士表示,这就如同100个人排成一队显然比10个人排成一队要难许多。值得一提的是,鉴于无人集群飞行技术具有无中心化、自主化、自治化的特点,无人机集群中个体数量的多少,固然是一个考量的因素,但集群真正的难度在于无人机自主性的高低,以及个体数量增多以后带来的集群协同性。

关于固定翼无人机集群:空军军事专家傅前哨介绍说,与春晚上惊艳亮相的四旋翼无人机集群相比,固定翼无人机光是编队飞行的难度就高得多。因为四旋翼无人机可以在空中悬停,更容易精确定位和编写控制程序。理论上讲,只需预先制定好每架无人机的飞行路线,这些飞机就可以按照程序在空中组队飞行,但其实相互之间没有联系。与此相比,固定翼无人机的编队飞行就困难很多。因为固定翼无人机必须保持一定的速度才能维持在空中飞行,每架无人机不仅需要知道自己在哪里,还得知道附近其他无人机的位置和方向,并根据情况调整方向,以避免发生“空中撞机”事故。这就意味着固定翼无人机必须有“相互沟通”能力,从而对它们的传感器、通信、定位等技术提出了极高要求。也正因为固定翼无人机编队飞行不易,因此,今年3月巴基斯坦阅兵式上的“飞马”无人机(经中国授权生产的“彩虹—3”无人机(三机编队,才让世界瞩目——这是全球第一次无人机以编队飞行的方式参加阅兵。

与无人机集群作战的优势特点相对应,这一新概念技术和作战运用在发展过程中,仍面临一些亟待解决的问题和矛盾,诸如传统理念与技术创新之间的矛盾:如果减少了人在无人机系统中的控制权限,无人机系统可能成为未来战场上的威胁。

未来,无人机集群作战技术将呈现三大发展趋势。装备系列化趋势:以组成集群的无人机为例,形成以十克级、百克级、千克级、10千克级、100千克级等系列化平台为基础的作战系统序列。应用多样化趋势:集群将逐步应用于预警探测、广域监视、抵近侦察、电子对抗、饱和攻击、主动防御、特种作战等复杂、强对抗、高不确定性的战场场景。覆盖全域化趋势:随着无人平台的多样化发展,集群概念将覆盖到陆、海、空、天全域,从“蜂群”衍生出“狼群”“鱼群”“鸟群”“星群”等作战概念。 

无人机集群作战技术相关研究 

这是一次国外无人机集群作战演示验证和实战战例:在研究的模拟试验中,装有传感器和武器的100架无人机集群,与现有的一个可部署单位进行了作战效能的比较,结果无人机集群摧毁了63个目标,探测到91%的敌军部队,而现有的可部署单位只消灭了11个目标,探测到33%的敌军部队。试验充分展现了无人系统集群极为可观的作战效能。因此,近年来,不少国家在陆海空战场都展开无人系统集群作战的研究。

在陆地战场,以地面无人系统为主体的集群作战,已经走上战场并初露锋芒。2017年1月19日,俄军在叙利亚首次使用战斗机器人参加作战行动。在支持叙政府军攻占位于拉塔基亚郊区名为754.5高地的战斗中,俄军使用了两种型号共10部战斗机器人,6部名为“平台-M”的多用途战斗机器人和4部名为“阿尔戈”的火力支援战斗机器人。战斗中,10部战斗机器人与3架无人机、“仙女座-D”自动化指挥系统联为一体,掩护叙政府军攻入高地。整个战斗持续20分钟,以打死70名武装分子、叙政府军仅有4人受伤的“战绩”成功占领高地,充分展现了无人系统集群作战的威力。这是第一个公开报道的地面无人系统集群作战战例。

    在海上战场,主要展开的是以无人艇和无人潜航器为主体的集群作战研究。2016年10月5日,美国海军研究办公室宣布,海军在无人系统集群作战方面已取得突破性进展,所研发的无人系统集群作战技术将利用多艘无人艇的协同合作,保护己方舰艇、巡逻港口,并对抗敌方威胁。此前,美国海军已经进行了由13艘无人艇展开的集群作战试验,下一步还将拓展到20艘或30艘的规模进行试验部署。这个项目主要用于为高价值水面舰艇保驾护航。同时,美军正寻求建立一支由无人潜航器构成的水下无人舰队,实施反水雷和水下攻击作战。

在空中战场,美俄空军都已展开无人系统集群作战的相关研究。2016年10月28日,美国《国家利益》杂志网站一篇《美国空军希望打造“蜂群”杀手》的文章,提出要以F-35和F-22等战机控制无人机队,实现“忠诚僚机”的作战概念。此前的2016年7月13日,俄罗斯塔斯社也报道,俄罗斯下一代战斗机方案将于2025年公布,战机飞行速度可达4至5马赫,并且能指挥控制5至10架装备高频电磁炮的无人机集群作战。

作为最早开展无人机集群技术创新研究的国家,2016年5月,美国空军正式提出《2016-2036年小型无人机系统飞行规划》,希望构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统,并在2036年实现无人机系统集群作战。该规划明确了美国空军小型无人机系统近期、中期和远期主要发展目标,特别是提出了“蜂群”“编组”“忠诚僚机”和“诱饵”四种作战概念,以及将其用于压制/摧毁敌防空、打击协调与侦察、反无人机、超视距运用、传感器空投、气象探测等10项任务。在美国国防部的统一领导下,国防先进研究计划局(DARPA)、战略能力办公室(SCO),以及空军、海军等开展了大量的研究和论证工作,启动了多个项目。这些项目在功能上相互独立、各有侧重,在体系上又互为补充,融合发展。

“小精灵”(Gremlins项目:2014年,DARPA发布信息征询书,征求新的分布式空战能力。2015年8月,DARPA在前期工作基础上,宣布启动“小精灵”项目。该项目的目标是研究一型低成本无人机,以低成本、可快速替代的方式,搭载情报、监视、侦察等传感器模块和非动能有效载荷,同时开发一个无人机发射和回收装置,使得未来的作战飞机可以快速部署廉价、可重复使用的无人机集群。

低成本无人机集群技术(LOCUST)项目:为实现无人机快速发射并进行集群作战,以达成对敌方的压倒性优势,美国海军研究办公室开展名为低成本无人机集群技术(LOCUST)的项目研究。项目旨在释放大量小型无人机,通过自适应组网及自治协调,对某个区域进行全面侦察,并对诸如指控系统等的关键节点与目标进行攻击破坏等。

“山鹑”(Perdix)项目:美国国防部战略能力办公室,主导了“山鹑”微型无人机高速发射演示项目。2014年9月,SCO首次利用F-16战机开展“山鹑”无人机空中发射试验。2017年1月,美军公布了其近期开展的一次微型无人机“蜂群”演示。演示中,海军三架F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机,以0.6马赫速度投放了103架Perdix无人机。这群小型无人机演示了先进的群体行为,如集体决策、自修正和自适应编队飞行。

近战隐蔽自主无人一次性飞机(CICADA)项目:该项目旨在通过空中布撒由3D打印、PCB印刷电路板等制成的无动力自主滑翔无人机集群,在空中沿途收集电磁、气象等环境信息,实现按需对目标区域上空空域的精细化环境感知。进攻性蜂群使能战术(OFFSET)项目:2017年1月,DARPA发布了进攻性蜂群使能战术(OFFSET)项目的招标书。OFFSET项目主要工作将聚焦于开放式软件与系统架构、博弈软件设计与基于博弈的社群开发、沉浸式交互技术,以及用于分布式机器人的机器人系统集成与算法开发,以开发并测试专为城市作战“蜂群”无人系统设计的“蜂群”战术。此外,DARPA研究人员希望这种“蜂群”系统还能引出新的“蜂群”无人系统使能技术,比如分布式感知、可靠与弹性通信、分布式计算与分析,以及适应性集体行动等。

体系集成技术和试验(SoSITE)项目:2014年5月,DARPA发布体系集成技术和试验项目指南,寻求开发并实现用于新技术快速集成的系统架构概念,无须对现有能力、系统或体系进行大规模重新设计。其目标是探索一种更新、更灵活的方式,将单个武器系统的能力分散到多个有人/无人/武器平台上。

拒止环境中协同作战(CODE)项目:2014年,DARPA提出“拒止环境中协同作战”(CODE)项目。项目目标是发展一套包含协同算法的软件系统,可以适应带宽限制和通信干扰,减少任务指挥官的认知负担,通过自主能力、编队协同、人机接口和开放式架构,支撑拒止环境下协同作战。

对敌防空压制/摧毁“蜂群”作战(SEADDEAD)项目:2009和2012年,雷神公司向空军分别交付了微型空射诱饵(MALD)和微型空射诱饵一干扰型(MALD-D,并于2013年完成高速反辐射导弹(HARM)升级版的交付。美国空军和雷神公司基于这两种飞行器及更早研制的模块化设计的联合防区外武器(JSOW),开发了对敌防空压制/摧毁的空射集群作战样式。

要做就做最好的,要力争前沿突破,而不是跟随。电子科学研究院院长吴曼青院士,多次指示赵彦杰团队。赵彦杰把这句话作为团队的座右铭,他清楚,未来还有很多路要走。

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