仿生彈藥時代的新浪潮＊

劉 方 肖玉杰 代 平 邱志明

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.總裝武漢軍事代表局 武漢 430312）（3.海軍裝備研究院 北京 100161）

1 引言

與傳統(tǒng)的非仿生彈藥相比，仿生彈藥具有惡劣條件環(huán)境下的超常適應(yīng)性、超常感知能力和蔽障能力、特定環(huán)境下的超常偽裝能力、甚至是復(fù)雜環(huán)境下的超近距離精確探測、捕獲與攻擊能力等。在當前安全保障、反恐作戰(zhàn)以及未來信息化戰(zhàn)爭中具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，是無人系統(tǒng)研究領(lǐng)域的發(fā)展重點和方向之一。

仿生彈藥的優(yōu)勢不在于某個單一裝備的性能，而在于通過遠距離大批量使用，實現(xiàn)全方位超近距精準探測、識別、捕獲和攻擊的能力，在偵察、監(jiān)視和目標捕獲、救援以及越野地形運輸?shù)确矫婢哂歇毺氐膽?yīng)用優(yōu)勢，可在城區(qū)作戰(zhàn)、反恐作戰(zhàn)、山地叢林作戰(zhàn)及其他特種作戰(zhàn)中發(fā)揮重要的作用，軍事應(yīng)用前景顯著。目前，美國空軍明確要制造小型甚至微型的攻擊型仿生彈藥，這些仿生無人協(xié)同作戰(zhàn)彈藥適用于復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，并以“蜂群”協(xié)同方式使用，以打擊城區(qū)內(nèi)的目標。這類像生物一樣“飛行與行走”的仿生彈藥被認為是2025年后戰(zhàn)場上的重要裝備之一。

目前，美國的仿生彈藥技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，學(xué)習(xí)和借鑒美國的成功經(jīng)驗，對于盡早規(guī)劃和開展我國相關(guān)技術(shù)的研究具有重要的意義。

2 仿生彈藥概念及內(nèi)涵

仿生學(xué)是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者是人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特性的科學(xué)［1］。簡言之，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。

仿生無人系統(tǒng)是一類仿生物外形特征以及某些特定功能或行為（如模仿動物爬行、昆蟲飛行以及魚類潛水等）的無人系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外仿生無人系統(tǒng)的研究主要包括仿生機器人、仿生飛行器、仿生彈藥等方面［2］，并主要集中在結(jié)構(gòu)或運動形態(tài)仿生（如：水中仿生魚、多棲仿生昆蟲、空中仿生鳥等）和探測感知仿生（如：“蛇眼”制導(dǎo)系統(tǒng)、超寬帶仿生聲納系統(tǒng)等）基礎(chǔ)技術(shù)的研究上。

仿生彈藥是仿生無人系統(tǒng)的重要組成部分，通過模仿生物外形特征以及某些特定功能或行為能夠完成對敵目標的毀傷或其它戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的仿生無人系統(tǒng)，與傳統(tǒng)彈藥相比，具有外形更隱蔽，運動更靈活，偵察更清晰，毀傷更精確等特點。仿生彈藥的內(nèi)涵主要包含以下三個方面：

1）形態(tài)仿生［3］。外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)架仿生的無人系統(tǒng)，這也是仿生無人系統(tǒng)的基本特征。

2）功能仿生［4］。功能特征（或部分功能特征）仿生彈藥，具有爬行、運動、蠕動、飛行、跳躍、自動蔽障、隱身等功能。

3）原理仿生。采用復(fù)眼探測、超聲定位、低雷諾數(shù)下機動飛行等生物原理的無人系統(tǒng)。

仿生彈藥按照不同的分類方法，可以分為不同的類型。常用的分類方法如下所示。

1）根據(jù)使用區(qū)域的不同，可以分為空中仿生彈藥、地面仿生彈藥、水中仿生彈藥和多棲仿生彈藥等。

2）根據(jù)投放方式的不同，可以分為機載型、艦載型、車載型以及人工布設(shè)型仿生彈藥。

3）根據(jù)仿生生物類型的不同，大體可以分為仿行走動物（仿人、仿犬、仿貓）、仿爬行動物、仿飛行動物（仿鳥、仿昆蟲）以及仿水中動物（仿魚、蝦、蟹）等仿生彈藥［5］。其中，仿鳥和仿飛行昆蟲的無人系統(tǒng)也稱為仿生撲翼飛行器，仿魚、蝦、蟹的無人系統(tǒng)也相應(yīng)稱為機器魚、機器蝦、機器蟹。

3 仿生彈藥研究現(xiàn)狀

2007年10月，美國空軍研究實驗室首次開始仿生彈藥的概念開發(fā)工作。2009年6月，美國空軍又明確提出了制造小型甚至微型的仿生彈藥，這些彈藥適用于復(fù)雜城區(qū)環(huán)境，并以“蜂群”協(xié)同方式使用。

根據(jù)2007年10月舉行的第33屆空軍航空武器研討會上美國空軍研究室彈藥處披露的微型彈藥，可以歸納出仿生彈藥具備如下能力：增強的彈藥靈活性；增強的態(tài)勢感知能力；增強的彈藥自主性；降低彈藥的可觀察性；在有限的空間內(nèi)使用；增強的目標探測能力；極低的附帶毀傷能力。此外，凱斯西儲大學(xué)仿生機器人實驗室也在研究空陸兩棲變形飛行器，該微型彈藥具備一枚彈藥可以對付多個目標；可針對不同目標形成適當?shù)臍Γ浑y以被探測到和被摧毀；具有多次部署能力；附帶毀傷極低等能力［6］。

目前，美國正在研制微小型仿生彈藥。明確了仿生武器概念發(fā)展的四個階段，如圖1所示。即作戰(zhàn)任務(wù)評估、偵察彈藥、功能致癱彈藥、協(xié)同作戰(zhàn)彈藥。

圖1 美國正在開展概念研究的仿生彈藥及基本概念

4 仿生彈藥的發(fā)展趨勢

仿生彈藥的產(chǎn)生，可以代替士兵完成一些特殊任務(wù)，這些任務(wù)甚至是士兵難以完成的，從而減少人員傷亡；仿生彈藥也可以作為補給支援作戰(zhàn)；隨著技術(shù)的成熟，仿生彈藥制作成本可以大幅度地降低，有效地提高武器的效費比，降低軍費的開支，如若用仿生彈藥對付敵方的常規(guī)武器，將導(dǎo)致戰(zhàn)場上出現(xiàn)“尺度不均衡戰(zhàn)爭”，使傳統(tǒng)武器作戰(zhàn)效能顯著降低。未來仿生彈藥的發(fā)展趨勢應(yīng)有幾下幾種特點。

1）結(jié)構(gòu)形態(tài)微小型化

當仿生彈藥體積變小后，它易于隱蔽，反應(yīng)速度快，機動性好，生存能力強，這些優(yōu)點非常適應(yīng)未來惡劣環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭，未來仿生彈藥甚至向納米級方向發(fā)展［7］。

2）從結(jié)構(gòu)仿生向功能仿生發(fā)展

研究生物獨特的功能，在感性認識的基礎(chǔ)上，除去無關(guān)因素，并加以抽象，提出一個生物功能模型。用模型模擬生物功能。目的是研究生物體本身的特有功能［8］。

3）從單一使用向協(xié)同化使用發(fā)展

仿生彈藥由于體積小，攜帶彈藥量少，大量的仿生彈藥相互搭配協(xié)調(diào)一起作戰(zhàn)可以彌補不足，大大地提高彈藥的作戰(zhàn)效果。協(xié)同作戰(zhàn)是戰(zhàn)斗力提升的一種“力量倍增器”，研究多仿生彈藥的隊形設(shè)計，有利于節(jié)省個體運動中的能量消耗，增強運動安全。研究多仿生彈藥的協(xié)同指揮控制技術(shù)，如仿生彈藥的任務(wù)分解與協(xié)作機制建模技術(shù)、基于動態(tài)分組組網(wǎng)的移動智能體協(xié)同定位與目標跟蹤技術(shù)、基于協(xié)商的多仿生彈藥分布式動態(tài)任務(wù)分配及任務(wù)協(xié)調(diào)等技術(shù)，對于實現(xiàn)仿生彈藥效能的最大化具有重要意義。

4）從遙控操作向自主智能化發(fā)展

未來仿生彈藥在執(zhí)行任務(wù)時，應(yīng)該能夠通過識別目標的不同特征，進行比較后確定最佳作戰(zhàn)方案，特別是在協(xié)同作戰(zhàn)時，作戰(zhàn)單位是一個群體，智能化的仿生彈藥能大大地提高作戰(zhàn)效果。

5）著眼實戰(zhàn)向模塊化方向發(fā)展

采用標準化方法，推進仿生彈藥系統(tǒng)的通用化、系列化和模塊化［9］。采用標準化方法走裝備基本型派生發(fā)展的道路，一直是美軍多、快、好、省地發(fā)展新型裝備的重要政策。在頒布了總體規(guī)劃、確立了軍方需求之后即可制定標準，包括自主、使命負載、傳感器數(shù)據(jù)格式和通信等四個方面。目標是向使命可重構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)展，即具有可互換負載，只需更換傳感器或者加裝情報監(jiān)視偵察模塊，就可在許多不同任務(wù)中使用。由于工業(yè)部門熟知這些標準界面，可以集中模塊化負載的開發(fā)，著重為軍方提供核心自主、核心通訊、核心傳感器、核心任務(wù)載荷，而不再開展新型系統(tǒng)的設(shè)計。

目前仿生彈藥還處于研究階段，國外取得了一定的成果，從研究成果來看，仿生彈藥還有很多地方需要進一步完善。地面仿生彈藥的使用范圍進一步拓展、自主能力進一步提高、協(xié)同作業(yè)能力繼續(xù)增強；空中仿生彈藥需要低成本化和小型化、單一系統(tǒng)自主智能化、集群使用協(xié)同化、使用方式更加靈活。

5 仿生彈藥若干關(guān)鍵問題

1）能源問題

仿生彈藥體積相對較小，意味著能夠攜帶的有效載荷越少，隨之帶來的問題是配用的電池或發(fā)動機更小，從而導(dǎo)致仿生無人協(xié)同的作用距離和時間越短且用途有限。通過編寫好的程序代碼，使用微型控制器等方式節(jié)約功耗，開發(fā)新能源延長仿生彈藥的使用壽命。

2）成本問題

為降低仿生彈藥的成本，國外盡可能采用商業(yè)現(xiàn)貨供應(yīng)的零件制造，包括小型攝像機、發(fā)動機和計算機等，以最終實現(xiàn)大量裝備。

3）安全問題

仿生彈藥通常采用商業(yè)現(xiàn)貨供應(yīng)的零件制造，易被干擾，可依靠隱身技術(shù)避免被偵查，并采用加固設(shè)計避免被干擾。

4）高性能傳感器問題

作為攻擊型武器使用的仿生無人系統(tǒng)，需要低成本的高質(zhì)量傳感器。國外主要利用“蜂群”技術(shù)協(xié)同使用，可降低對單一系統(tǒng)的性能要求，利用整體優(yōu)勢提高整體作戰(zhàn)效能，即使是在幾個系統(tǒng)丟失的情況下仍能完成作戰(zhàn)任務(wù)。

5）通信問題

仿生彈藥通信問題水上容易實現(xiàn)，目前相關(guān)技術(shù)比較成熟，但是水下通信是一大難點，海洋環(huán)境有其獨特的特點，由于海水的良好導(dǎo)電性，電磁波在海水中的傳播衰減很大。要想在海水中傳播較大的距離，就必須采用極低的頻率和很高的發(fā)射功率，要架設(shè)很高很長的天線，這是難以實現(xiàn)的。故水下通信一般采用聲波，由于聲波的吸收大體上與頻率的平方成正比，通信可用的帶寬很窄。又由于聲速很慢，傳播速度只有大約1500m／s，這給仿生武器水聲通信帶來很多困難［10］。

6）聯(lián)合作戰(zhàn)問題

美國2011版無人路線圖指出，無縫整合不同系統(tǒng)的能力，為聯(lián)合作戰(zhàn)提供靈活的選擇。為了實現(xiàn)這一目標，就必須解決“互操作性”、“自主性”等技術(shù)難題。

互操作是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的基本使能技術(shù)，是實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)的基本概念。互操作性是為了實現(xiàn)跨領(lǐng)域，包括空中、地面和海上，以及與有人系統(tǒng)的無縫操作。包含四層含義：執(zhí)行任務(wù)時協(xié)同行動的能力；利用和共享跨領(lǐng)域傳感器的信息來實現(xiàn)無縫的智慧、控制和通信；能夠接收數(shù)據(jù)、信息、素材和功能服務(wù)，并使得它們之間有效協(xié)作；能夠提供數(shù)據(jù)、信息、素材和功能服務(wù)給其他作戰(zhàn)單元。

自主性可以更高自主程度的技術(shù)和政策，減少決策回路時間。自主性不同于自動系統(tǒng)，自動系統(tǒng)是完全預(yù)先編程、重復(fù)作用、不受外界影響和控制的系統(tǒng)。而自主系統(tǒng)在沒有外部控制的條件下，朝著一個目標進行自導(dǎo)引，并且自身受到行為規(guī)則或策略的限制。能夠按照給定的一系列規(guī)則或限制實現(xiàn)行為決策。自動是實現(xiàn)自主的基礎(chǔ)之一，一個不能自動的系統(tǒng)根本不可能自主。

6 結(jié)語

縱觀歷史，許多新武器裝備的誕生都凝聚了許多人、甚至幾代人的基礎(chǔ)技術(shù)研究。2015年后，仿生彈藥將在陸、海、空、天武器裝備中得到廣泛的應(yīng)用，未來戰(zhàn)場上將出現(xiàn)越來越多的微小型仿生彈藥，其出現(xiàn)和使用將改變未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式，在人類戰(zhàn)爭史上具有劃時代的意義。誰先掌握仿生彈藥技術(shù)，誰將在未來戰(zhàn)爭中掌握主動權(quán)。

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