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在对抗环境中运用低成本可消耗无人机

2020年5月11日,美国兰德公司发布《在对抗环境中运用低成本可消耗无人机》研究报告(以下简称《报告》)。《报告》受美空军作战集成能力中心委托,以台湾海峡为作战场景,研究提出以数百架低成本可消耗无人机作为前出部队阻止我海军两栖舰艇登陆台湾本土的作战概念,探讨了无人机的功能和性能、发射回收方式、瞄准网络的能力等,并通过推演仿真验证了作战效果。

一、研究背景

美空军委托兰德公司开展上述研究主要有两大背景因素:一是落实“大国竞争”战略、全力备战大国战争。自特朗普政府2017年正式锁定中俄为最大战略对手并提出“大国竞争”战略以来,美军全力备战大国战争,重点研究如何战胜对手的“反介入/区域拒止”能力。兰德公司在《报告》中披露,该机构经过一系列兵棋推演,认为中俄的弹道导弹、巡航导弹、反太空武器、网络和电子战等装备将严重挑战美军兵力投送。如在冲突爆发的前几天,美军事基地和航母编队将遭到大规模导弹齐射攻击,美军防空反导拦截系统可能被摧毁,欺骗、诱饵、分布等被动防御措施虽可能有效,但无法真正影响胜负。因此,美军需要探索在大国战争中完成力量投送的新方法。

二是技术发展可初步支撑新形态无人机装备,而美空军正在开展探索性研究和实验。把先进技术和新型作战概念相结合,进而形成作战优势一直是美军应对重大挑战的抓手。随着增材制造、自主控制和传感器小型化等技术的进步,美军正瞄准未来持久大规模大国战争,全面探索发展低成本可消耗无人机技术,如美空军的XQ-58A“战神婢女”低成本可消耗隐身作战无人机和美国防部国防高级研究计划局的X-61A“小精灵”空射可回收蜂群无人机均已开展试飞,初步证实了技术可行性。因此兰德公司在《报告》中提出,在强对抗环境中大量使用低成本可消耗无人机前景良好,它可在敌防区内遂行各种作战任务,并通过数量规模优势抵抗中俄打击。但是美军迄今并未系统性探讨运用问题,在这种情况下,美空军委托兰德公司开展研究,完成了《报告》。

二、报告内容

《报告》提出了在对抗环境中运用低成本可消耗无人机的基本概念,分析了实现该概念所需的主要支撑要素和运用方式,并以在台湾海峡为场景进行了概念推演仿真。

1. 作战概念

《报告》提出的作战概念为:在强对抗环境中使用大量低成本可消耗无人机,利用机上各类传感器构建瞄准网络,形成情监侦、定位导航授时等能力,进而生成对地对海目标识别、推荐打击武器类型和制导防区外发射武器等功能,为美军进入“反介入/区域拒止”环境并赢得大国战争提供优势。值得注意的是,概念中的无人机之间有密切的信息交互,而没有较多的行动交互,仅协同保持行动间距,因此不属于“蜂群”。

2. 支撑要素

《报告》设想了两种无人机。其中较大的就是美空军研究实验室正试飞的XQ-58A,较小的是兰德公司自己提出的“小猫”无人机概念,具体参数见表1。其中,“小猫”无人机成本仅30万美元,并可利用大展弦比机翼实现较强耐久性,如可在距发射点1850千米的战位停留2小时。上述无人机都将配装体积小、重量轻、成本低的光电/红外传感器、合成孔径雷达、电子情报传感器以及低功率短距定向无线电设备。部分无人机还将携带远程无线电设备,可与卫星等通信。《报告》主要围绕“小猫”无人机阐述作战概念,表明兰德公司可能更认可这种无人机。

表 1 使用低成本可消耗飞机技术的无人机和“小猫”无人机的特点

《报告》认为无人机发射装置必须简单且对场地要求低。如“小猫”无人机的发射装置为配装导轨的牵引车,重45~90千克,成本20万美元,其结构紧凑,可储存在集装箱内由卡车转移。“小猫”无人机的发射装置对场地要求低,仅需类似于一小片平整耕地便可发射回收。这类场地可靠近城镇道路,方便物资供应,也可在山丘丛林中,易于隐蔽,而且在受到攻击时,还能迅速转移至附近的类似场地,十分灵活。

图中为使用“谷歌地图”随机选择日本南部九州岛的一个部署区域,位于一条山脉边缘的一片耕地中。该区域中配备了大约15架“小猫”无人机和发射装置、任意数量的消耗性备用无人机、约20名人员,以及每天可分配约7000磅燃油的运输设备(兰德公司图片)

图中所示区域为20千米×40千米,约占九州岛陆地面积的2%。其中,上图所示区域在本图中用红色标出,另外19块类似的农田用黄色标出。日本自卫队的新田原空军基地显示在底部中间的橙色框内,平时“小猫”无人机的发射回收装置可以存放在那里(兰德公司图片)

3. 运用分析

《报告》设想了由数百架无人机组成的广域覆盖情监侦和瞄准网络。网中每架无人机将观测其传感器探测范围内的目标,且多架配装不同传感器的无人机可观测同一目标。获得信息后,无人机会把其传递给附近的无人机,之后网络将利用人工智能算法进行融合处理,确定目标类型。完成目标识别后,网络将确定可用的最佳武器和攻击剖面,还能引导武器攻击目标的脆弱点。

《报告》假定在100千米×100千米的区域内有500架无人机,它们在9200米的高度飞行,传感器有效距离为10千米,无人机彼此间隔3至5千米。在这种情况下,大约15架无人机携带的传感器能同时探测到观测区域内任意位置的某个目标(兰德公司图片)

《报告》讨论了该网络抵抗我军攻击的措施。如用饱和探测策略应对导弹打击,即使损失部分无人机,仍可利用信息共享设计保持网络的功能;使用数十吉赫兹的高频通信应对电子干扰,由于大气对该频率电磁波的吸收率较高,故远离地面或舰载干扰设备作用距离将受到严重限制;以闭环设计抵抗赛博攻击,网络整体不与外界交互,仅与导弹之间建立数据链。《报告》分析了中队级部队的作战能力和成本。据分析,约900人的中队每6小时可发射回收300架XQ-58A,每天1200架;504人的小规模中队则可每12小时发射回收600架“小猫”无人机。一支中队的装备(无人机和发射回收装置)成本约3亿美元,人力成本为每年5000万美元。另外,作战时不需要对无人机维修,用新机替换即可。

4. 仿真场景及推演结果

《报告》对上述作战概念进行了推演仿真,交战地点为台湾海峡1万平方千米的区域,交战背景为我军1550艘两栖登陆舰队从东南沿海出发驶向台湾,其中包括50艘高价值舰船、500艘低价值舰船和1000艘无价值诱饵船。美军的卫星和防区外侦察机仅能探测到这些舰船,但无法可靠识别,需要部署600架左右无人机识别目标,并为1000枚“捕鲸叉”反舰导弹提供制导。

台海上空使用数百架小型无人机携带的传感器提供的覆盖范围(兰德公司图片)

《报告》假设无人机飞行高度为9200米、通信距离为5千米、传感器探测范围10千米,传感器单次观测识别准确率为20%,“捕鲸叉”导弹攻击高价值舰船最薄弱点使其失去战斗力的概率为40%。推演仿真的结论是:若完全依赖卫星和防区外侦察机,使用1万枚“捕鲸叉”仅能摧毁舰队72%的运力;若使用600架无人机,仅需1000枚导弹就能摧毁80%以上的运力。

三、几点看法

首先,反无人机问题需要高度重视。《报告》所提的作战概念主要围绕台湾海峡展开,值得高度警惕。该作战概念依托的技术成熟,短期可大量装备,部署运用隐蔽灵活,战时美军大量低成本可消耗无人机可能突然出现在战区上空,对我军造成突袭。建议我国重视美军低成本可消耗无人机的潜在威胁,制定有效反制措施。如发展各种硬杀伤和软杀伤手段,降低其作战效能。

其次,要重视打造作战概念,以作战概念带动装备技术发展。兰德公司的报告凸显了根据实际场景和具体任务,立足装备技术的可能性,提出作战概念的思路。制定作战概念的目的是识别关键需求,发现能力差距,牵引出先进的军用技术和作战装备。例如《报告》可能会牵引出“小猫”无人机、强韧组网、多源信息智能融合算法等各类技术和装备。从美军长期以来的做法看,其把作战概念作为先进科技和装备发展的重要源头,通过需求输入、概念发展、任务分析、差距识别、技术探索、装备研制这一正向研发流程,不断推出切实满足未来作战需求、解决关键瓶颈问题的作战装备,保持军事优势。这种做法是值得关注、研判和借鉴的

本文第一作者袁成先生此前已为《空天防务观察》提供14篇专栏文章,如下所列:第1篇,美国国防高级研究计划局发展创新的近距空中支援技术,2016年2月29日;第2篇,刀尖上的新舞者——美国防高级研究计划局航空航天专项办公室分析,2016年3月11日;第3篇,美国防高级研究计划局2015年航空领域科技项目分析,2016年4月27日;第4篇,美国防高级研究计划局“小精灵”空中群射/回收无人机项目分析,2016年10月11日;第5篇,美国防部国防高级研究计划局重要航空项目研究进展,2017年5月19日;第6篇,“蜻蜓眼”受控生物无人机取得重要进展,2017年9月15日;第7篇,美国防高级研究计划局实施颠覆性技术创新的各方利益分析,2017年9月29日;第8篇,外军无人机蜂群技术发展态势与应用前景,2018年10月15日;第9篇,美空军新版《科技战略》针对大国战略竞争提出新目标和新举措,2019年5月20日;第10篇,美国防科技创新机构与外界交流的各种举措,2019年6月10日;第11篇,美国防部国防高级研究计划局技术研发项目立项流程概述,2019年6月17日;第12篇,美国防高级研究计划局“驾驶舱内自动化系统”项目分析,2019年7月8日;第13篇,英国国防部国防和安保加速器2018财年年报述析,2019年7月22日;第14篇,美军分布式空中作战概念最新动向述析,2019年9月2日。

(中国航空工业发展研究中心  袁成,韩杨楠冰)                                      

本篇供稿:系统工程研究所

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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