小精灵无人机发展研究.docx

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小精灵无人机发展研究

“小精灵”无人机发展研究

长期以来，美军不断提升有人战斗机各项性能，但在设计、作战使用和替换等环节资金投入巨大。

在国防预算有限的大环境下，美军开始考虑采用分布式低成本无人机集群替代有人战斗机执行任务。

2014年11月7日，DARPA发布“分布式机载能力”信息征询书，对大型运输机/轰炸机发射回收无人机的可行性开展评估。

DARPA希望开展相关概念验证，并计划引入此前“自主高空加油”（AHR）和“战术侦察节点”（TERN）等项目成果，由此诞生“小精灵”（Gremlins）项目。

2015年9月16日，DARPA公布“小精灵”项目跨部门公告，寻求强对抗环境下空射型低成本小型无人机集群创新技术及系统解决方案，设计低成本、可重复使用的“小精灵”无人机以及机载型无人机发射回收设备。

“小精灵”项目旨在实现无人机蜂群通过C-130运输机、B-52/B-1轰炸机等平台空中发射，在空中组网和其他有人平台协同执行ISR、电子战、破坏导弹防御系统等任务，完成任务后通过C-130运输机最大限度的回收。

“小精灵”无人机的设计目标：

作战半径555～926千米；续航时间1～3小时；设计载重27.3～54.5千克；飞行速度0.7～0.8马赫；发射高度12192米以上；推进系统可选型现役发动机、改进型发动机或全新设计型发动机；有效载荷功率800～1200瓦；有效载荷模块化设计，应包括光电/红外传感器、无线电系统等；无人机至少可重复使用20次；出厂单价（不包括载荷）低于70万美元。

发射回收系统/平台的设计目标：

大型平台能发射超过20架无人机；30分钟以内回收8架或更多无人机；成功回收率大于95%；发射或回收平台因搭载“小精灵”无人机实施分布式空中作战而坠毁的概率低于每飞行小时10-7次；回收后再次发射的时间不超过24小时；发射回收平台的改装成本（不包括指挥和控制系统）不超过200万美元；发射平台不限于C-130运输机、B-52/B-1轰炸机。

“小精灵”无人机作战概念图

发展历程与研制进展“小精灵”项目分三个阶段进行：

第一阶段（2016年第1季度～2017年第2季度），复合材料工程公司、动力系统公司、通用原子公司、洛马公司获得1610万美元合同，进行无人机概念验证和空中发射回收设备概念验证；第二阶段（2017年第1季度～2018年第3季度），DARPA在第一阶段4家公司中选出2家公司并授予合同，开展技术成熟和风险降低工作；第三阶段（2018年第3季度～2020年第2季度），DARPA将在第二阶段2家公司中选择1家并授予合同，开展原型机制造、集群飞行演示以及空中发射回收演示。

2016年9月20日，通用原子公司在2016年度空、天、网大会上展示了其在“小精灵”项目中发展的全尺寸无人机方案，但并未公布无人机具体设计细节，只表示空基发射回收是重中之重，而指挥和控制、自主能力是核心技术。

通用原子公司计划把“小精灵”无人机装配到该公司的MQ-9“死神”无人机上，MQ-9可外挂载荷1362千克，而“小精灵”无人机重量为320千克，满足装配要求。

通用原子公司“小精灵”无人机方案2016年9月，通用原子公司战略发展部副总裁在美国空军协会会议上表示，该公司正在研发可空中发射回收“小精灵”无人机的机械臂。

关键技术“小精灵”项目涉及的关键技术包括：

空中发射回收技术；协同技术；低成本、可损耗的无人机机体设计；无人机有限寿命设计；自动发射波次策略；高精度数字式飞行控制；油箱自动惰化和发动机自动关闭技术；小型分布式有效载荷集成；相对导航技术；高效小型涡轮发动机技术；编队无人机定位技术；小型无人机空中加油技术；高精度气动分析；气动弹性分析；模块化载荷能力；发射回收平台低成本改装技术及其他赋能技术。

以上关键技术不仅与“小精灵”项目相关，更是无人机领域需要重点发展的技术方向，美国曾开展多项探索，包括无人机空中发射回收技术、协同技术、无人机空中加油技术。

无人机空中发射回收技术2003年，美国海军航空系统司令部开展了C-130运输机发射无人机概念演示验证项目，借助C-130运输机货舱门斜板上安装的气动弹射器成功发射重36千克的“鹰眼”（XPV/GLHawkeye）无人机。

所使用的气动弹射器核心部件由气缸、轨道构成，在200psi压力下，弹射无人机速度可以达到3m/s。

此外，为实现C-130运输机安全分离无人机，开展了飞行状态下C-130和无人机外流场气动模拟。

2004年，美国海军研究署起草SL（Sonochute-Launched）无人机规范，计划研发一种可以从标准机载声纳浮标中发射的一次性型无人机，为P-3C“猎户座”巡逻机提供防区外监视能力，“郊狼”（Coyote）无人机由此诞生；2010年1月，“郊狼”无人机经由P-3“猎户座”飞机成功发射，完成首飞；2015年，C-130H“大力神”运输机通过导弹通用发射管成功发射“郊狼”无人机；目前“郊狼”无人机配装在美国国家海洋和大气管理局的P-3“猎户座”飞机上开展飓风的监视工作，雷声公司计划在P-8海上巡逻机、V-22“鱼鹰”及“捕食者”无人机上进行“郊狼”无人机的发射试验。

“郊狼”无人机机翼与尾翼采用可折叠设计，部署前预置在标准声纳浮标管中，部署时，飞机投放声纳浮标管，在声纳浮标管下降过程中无人机打开降落伞减速并获得稳定性，过程中，无人机脱离声纳浮标管，展开机翼并启动推进系统，最后无人机脱离降落伞，转为水平飞行。

“郊狼”无人机空中投放示意图装载“郊狼”无人机的声纳浮标

此外，DARPA在“战术侦察节点”项目中发展的“侧臂”（SideArm）系统已完成演示验证，该系统是一套能水平发射回收重达500千克无人机的小型机械装置，可实现无人机安全发射和受控减速回收，DARPA计划将其部署到中小型舰船、卡车等平台，技术成熟后可能被集成到大型飞机。

协同技术“小精灵”项目中，无人机集群经由发射平台空中发射，在空中组网与有人战斗机协同作战，涉及有人机和无人机之间的协同技术、无人机与无人机之间的协同技术。

1、“分布式战斗管理”2014年2月，DARPA公布“分布式战斗管理”（DBM）项目跨部门公告，寻求发展可帮助机载战斗管理人员及飞行员管理空对空及空对地作战的自动辅助决策系统，该系统将管理由携带武器、传感器和电子干扰等不同载荷的有人及无人飞机编队。

DBM项目是DARPA“体系综合”构想的关键组成部分。

2016年5月，空军研究实验室代表DARPA授予洛马公司DBM项目第二阶段合同，设计全功能的决策辅助软件原型。

在DBM项目跨部门公告中，DARPA给出了DBM决策辅助软件应用案例：

假定由一架E-2D飞机、一架装备红外搜索与跟踪系统（IRST）的无人机和数架F-35战斗机组成的编队在对抗空中目标时受到电子干扰后丧失战术数据链或卫星通讯能力，在这种情况下，战斗管理人员将借助无人机的传感器探测敌方目标，数据传送至E-2D后，DBM决策辅助软件将会融合数据并结合己方资源给出建议的作战选项，战斗管理人员根据建议选择作战指令，并通过E-2D或无人机传输至F-35战斗机。

“分布式战斗管理”项目概念2、“拒止环境中协同作战”2014年4月25日，DARPA公布“拒止环境中协同作战”（CODE）项目跨部门公告，旨在通过发展协同算法，提升无人机编队的自主协作能力，使单个操作人员即可控制无人机编队执行任务。

项目重点发展4个关键技术：

单架无人机级别的自主能力；无人机编队级别的自主能力；便于操作人员指挥管理无人机的人机接口；开放式架构。

在项目第一阶段，验证了无人机自主协同的应用潜力，并起草了技术转化计划；已经选择了约20个可以提升无人机在拒止或对抗环境中有效作战的自主行为；人机接口和开放式架构正在基于“未来机载能力环境”（FACE）标准、“无人控制程序”（UCS）标准、“开放式任务系统”（OMS）标准、“通用任务指挥和控制”（CMCC）标准进行研发，并已取得一定进展。

目前项目已经进入第二阶段，洛马公司和雷声公司成为该阶段的系统承包商，丹尼尔·H·瓦格纳联盟、科学系统公司、智能信息流技术公司、翱翔技术公司、SRI国际公司、应用通信科学公司Vencore实验室成为该阶段的技术承包商。

项目第二阶段预计在2017年第二季度结束，2018年底前开展第三阶段的飞行演示工作。

3、“低成本无人机蜂群技术”“低成本无人机蜂群技术”（LOCUST）项目由海军研究署主导，佐治亚理工学院研究所（GTRI）参与，旨在发展无人机集群相关技术，无人机之间通过数据链路实现信息共享和自主协作，并通过集群战术完成攻击或防御任务。

2016年6月20～24日，海军研究署在亚利桑那州尤马试验场完成了一系列LOCUST项目陆上试验，期间实现30架“郊狼”无人机在40秒内被依次发射，并开展了一系列“蜂群”编队和机动试验。

2016年8月初，LOCUST项目在墨西哥湾一艘舰船上成功发射了30架无人机，实现无人机集群在舰船平台的发射。

LOCUST项目“蜂群”控制算法由美海军研究署无人艇“蜂群”技术升级而来，无人艇“蜂群”采用CARACaS系统，它是一型可用于多种无人平台的自主控制系统，原由NASA喷气推进实验室研发，应用在火星探测器上。

海军研究署于2004年启动无人艇自主控制系统研发项目，借助CARACaS系统发展无人艇自主能力。

目前，装备CARACaS系统的无人艇“蜂群”已经实现环境感知、路径规划、任务分配和协同作业能力，下一步将继续提升CARACaS系统的智能程度，目标是实现无人艇替代有人艇执行复杂任务。

4、“战术战斗管理员”软件2017年2月，美国海军研究实验室与海军航空系统司令部、空军研究实验室共同测试“战术战斗管理员”（TBM）软件系统，该系统可实现有人战斗机飞行员对无人机编队的控制，简化无人机和有人机的协同作战控制。

TBM软件系统在国防部长办公室资助的“空战任务自主权”项目下研发，目前海军研究实验室已经将TBM与空军研究实验室的“仿真整合建模分析框架”（AFSIM）以及海军航空系统司令部的“下一代威胁系统”（NGTS）集成。

小型无人机空中加油技术1、“自主空中加油验证”项目2006年，DARPA启动“自主空中加油验证”（AARD）项目，项目由DARPA和NASA代顿中心联合开展，使用一架F/A-18飞机扮演一架UAV，与一架装备软式加油系统的波音707加油机配合，进行自主空中加油演示。

2007年，项目成功验证了高性能飞机能够易于实现自主空中加油（与常规加油机配合）的能力，但现有多数无人机的飞行速度、飞行高度和飞行性能难以与现有的加油机相匹配。

另外，2007年的验证还需要在机上保留1名负责条件设定和安全监控的飞行员。

2、“自主高空加油”项目为实现无人机在复杂高空飞行环境中全自主空中加油能力，DARPA于2010年启动“自主高空加油”（AHR）项目，延续AARD项目对空中自主加油能力的探索。

AHR项目总投资3300万美元，由DARPA、诺格公司和NASA代顿飞行研究中心验证两架“全球鹰”无人机之间的自主空中加油技术。

项目2012年结束，成功完成了接近和编队试飞，验证了无人机具备自主高空加油能力。

在2012年1～5月试飞期间，项目实现多项里程碑，包括：

受油机受油软管多次伸展和收回；加油机展示精确控制能力，成功进行了手动和自动脱离；两架“全球鹰”首次实现紧密编队飞行，相互距离最近达到9米；在一次试飞中，两机在13600米高空进行超过2.5小时的自主汇合飞行。

影响意义1、填补无人机高空回收技术空白

2017年3月15日，美国防部国防高级研究计划局（DARPA）宣布，已完成“小精灵”（Gremlins）空中发射／回收无人机蜂群项目第1阶段的工作，并从该阶段的4个团队中，选择Dynetics公司团队和通用原子航空系统公司团队进入第2阶段，且合同已授出。

3月16日，Dynetics公司在其官网宣布自己已获得该项目第2阶段合同。

实际上，Dynetics公司的合同最早于3月13日，由DARPA在美国联邦政府“联邦商机”网站公布，金额为49,7791美元；通用原子航空系统公司的合同最早于3月8日在“联邦商机”网站公布，金额为149,7790美元。

两份合同均被称为“小精灵”项目“第2阶段B部分”合同。

“小精灵”项目设想在各类军用飞机上（轰炸机、运输机、战斗机和小型无人固定翼平台）发射无人机蜂群。

在任务完成后，蜂群可由C-130运输机在空中回收，并返回基地；该蜂群有能力在24小时之内开展下一任务。

每架“小精灵”无人机可使用20次，相比传统有人平台作战和维护成本大幅降低。

DARPA提出的“小精灵”作战构想，试图用该机提供适应强对抗环境中的分布式空中能力，可突防一定距离后以蜂群方式对威胁进行探测或干扰，并与防区外的其他“小精灵”或F-35战斗机通信（DARPA图片）DARPA“小精灵”项目经理斯科特·威尔兹般诺夫斯基（ScottWierzbanowski）表示：

“第1阶段研究了无人机空中发射和回收系统的可行性，其可保证母机的改装程度最小；在第2阶段，项目将进一步孵化两个公司的系统概念，为极大拓展美军无人机蜂群的作战范围、灵活性和经济可承受性而努力”。

2016年9月，通用原子公司在美空军协会举办的年度空、天、网大会上展示的其“小精灵”无人机全尺寸模型（通用原子航空系统公司图片）Dynetics公司围绕“小精灵”项目组建了研究团队，成员包括克拉托斯（Kratos）防务和安全解决方案公司、内华达山脉公司、应用系统工程公司、威廉姆斯国际公司、Systima技术公司、穆格公司、国际航空响应公司。

在第一阶段，Dynetics公司团队成功设计了空中发射和回收、低成本有限寿命机体设计、高精度分析、精确数字飞控、相对导航和在站保持的飞行验证概念。

该公司“小精灵”项目经理马克·米勒（MarkMiller）表示：

“非常高兴DARPA能够选择我们的方案。

我们的目标不仅是成功完成‘小精灵’项目的验证，还要帮助DARPA完成向军队的转化”。

Dynetics公司公布的其“小精灵”无人机运用想象图。

远处有B-1B轰炸机和C-130运输机在投放“小精灵”蜂群，近处则是C-130在回收该机（Dynetics公司图片）“小精灵”项目第2阶段将持续一年，拟完成全尺寸技术验证系统的初步设计，为单个系统部件进行风险降低试验。

DARPA计划在2018年年初选择一家团队进入第3阶段工作，发展一套全尺寸技术验证系统，并在2019年开展无人机蜂群的空中发射和回收飞行验证。

DARPA小精灵分布式无人机集群