低成本化

寧浩

當今，現代空戰模式已經由平臺中心戰加速向網絡中心戰轉變，“無人僚機”編隊是一個聚焦點。

2015年，美國空軍提出了“忠誠僚機”計劃，該計劃的目的就是為F22和F35開發一款忠誠可靠的“無人僚機”。2017年4月，基于“忠誠僚機”概念的有人/無人機編組演示實驗成功完成，實現了無人僚機自主與長機編隊飛行并開展對地打擊，為美軍翹首以盼的新型空中作戰打上了一針“興奮劑”。以制造無人靶機聞名的美國克拉托斯防衛與安全公司正在為美空軍研究實驗室的“忠誠僚機”概念制造“低成本可消耗打擊演示機”（以下簡稱LCASD），并正在競爭“灰狼”低成本巡航導彈原型機項目。

“低成本可消耗打擊演示機”項目簡介

LCASD項目旨在尋求在拒止環境下前沿基地難以使用或無法運作時，有能力遂行打擊和信息、偵查和監視（以下簡稱ISR）任務，并可消耗的遠程無人機譜系，以最大程度降低無人機壽命期成本作為重點，從而為美軍提供改變戰爭規則的能力。項目的關注重點是成本，即在成本、性能以及飛機的可消耗性之間實現平衡。同時，項目也將甄別關鍵使能技術，并為空軍研究實驗室提供未來能力。

空軍研究實驗室為LCASD無人機設定的成本及能力目標包括：99架以內無人機單位采購成本不超過300萬美元，100架以上無人機的單位采購成本不超過200萬美元；任務范圍2780千米，有效載荷能力為230千克；內部武器艙應能攜載至少2枚GBU-39“小直徑炸彈”。其他目標還包括：不依賴跑道起飛和回收的能力，最大限度地使用商業現貨材料、子系統、制造工藝及開放式任務系統體系結構概念。

◎XQ-58A

總部位于美國加利福尼亞州的克拉托斯防務與安保解決方案公司在低成本可消耗無人機發展方面處于業界領先地位。2015年6月美國空軍研究實驗啟動LCASD項目不久，7月，克拉托斯公司就在LCASD項目競爭中擊敗其他6個業界團隊贏得了合同。根據合同，該公司將發展、制造和試飛XQ-58A“女武神”無人機。此外，該公司的UTAP-22“灰鯖鯊”無人僚機已參加了此前美軍的多次演習用以驗證有人/無人協同作戰能力。在2017年6月19日開幕的巴黎航展上，美國克拉托斯公司就高調宣傳著其科幻的“忠誠僚機計劃”，并展出上述兩款最新無人機。這兩款無人機就是專門為有人戰機設計的無人僚機。

XQ-58A無人機長8.8米，翼展6.7米，是新一級的高速、遠程、低成本系統，適于有人/無人編隊，可以為ISR、打擊、空對空作戰或電子攻擊任務提供一種經濟可承受的選項。XQ-58A采用固定式后掠翼和V形垂尾，由內置型渦輪風扇發動機提供動力，最大速度達馬赫數0.85，最大飛行高度約13716米，最大航程為3426千米。該機的原型機計劃在2018年年初首飛。

XQ-58A的特點在于采用內置武器艙，整個機身呈棱錐形，具備了低雷達截面積設計，讓它能在充滿先進防空系統的戰場上大幅度增加生存力。內置彈艙可攜帶多種致命性彈藥，必要時還可在翼下設置掛架，使其具備執行ISR、對地攻擊、空戰、電子攻擊等多種任務。LCASD并不是一次性的，但具有足夠好的經濟性，在戰斗中消耗得起。通過完全壓制敵方防空，可消耗的“忠誠僚機”能夠提高有人駕駛戰斗機的生存力。

由于遵循“低成本可消耗”的設計原則，在機體結構、機載設備等方面，XQ-58A都盡量采用第四代有人戰斗機以及無人機成熟設計，以盡量降低成本。XQ-58A單價大約是200～300萬美元，比美軍現役的“捕食者”系列察打一體無人機便宜很多。LCASD整個計劃并未有預算超支的情況，且政府方給出LCASD計劃的評價為“極為杰出”，大幅降低了計劃因資金風險發生腰斬的可能性。

為了進一步降低成本，配裝忠誠僚機的發動機需要設計成可以低成本制造，部件更少，并且壽命為數百小時。

◎UTAP-22“灰鯖鯊”

UTAP-22“灰鯖鯊”無人機是BQM-167A“火蜂”無人靶機的先進衍生型，旨在作為現成的“力量倍增器及無人僚機”，可滿足“反介入/區域拒止”環境的作戰需求。

其設計的目標是將類似戰斗機的戰術速度、機動性與有人/無人編隊協同作戰能力結合起來。UTAP-22全長6.12米、翼展3.2米、總重達929千克、內部荷載226千克、外部可掛載362千克、翼端兩邊則各能掛載45.3千克電子戰吊艙。其極速可達馬赫數0.91，升限達15240米，可做出-2～9g的機動，并擁有長達3個小時的續航力，最大航程約2600千米。該機采用尖錐形頭部，圓柱體機身，小展弦比中等后掠角中單翼，單垂尾，后掠平尾。其采用滑軌發射、傘降降落的方式實現回收。

在美海軍的支持下，UTAP-22無人機已經進行了3次演示，驗證了無人作戰飛機相互之間以及與有人駕駛飛機之間協同行動的概念和技術成熟性。2015年下半年，美國海軍陸戰隊的AV-8B“獵兔犬”戰斗機在加利福尼亞州的中國湖測試場演示了飛行中控制UTAP-22無人機“狼群”的能力。據克拉托斯訪務公司防務網站2017年8月10日發布的公告，該公司在Mako無人機中集成了一套典型的有人機任務系統，結合此前通過單機、多機、有人/無人協同驗證的自主能力，使該無人機系統的作戰能力邁上了新的臺階。

發動機是控制成本的關鍵

許多大型無人機都使用成熟的發動機。原因包括：第一，降低風險，從而將技術發展資源集中投向無人機的機體和電子設備；第二，降低成本。然而，新一代可消耗低成本無人作戰飛機和巡航導彈的發動機需求有著自己的獨特性。

據《航宇日報》網站2016年3月28日報道，美國空軍正在向工業界征求能向未來亞聲速“第五集群”無人飛行器系統提供低成本發動機的技術信息。該需求與LCASD相關。征詢書指出：“該工作將為高速、遠程、低成本、有限壽命打擊無人機設計、開發、組裝和試驗技術基線。”美國空軍稱，現有的商用現貨發動機能提供必要的性能，但其典型的設計壽命為5000-15000小時對于這種用后可棄UAS來說可能經濟性難以接受。

舉例來說，XQ-58A無人機配裝一臺美國威廉姆斯國際公司的FJ33-5渦扇發動機，該發動機為正在生產的現貨，此前配裝公務機。它的大修間隔達3500小時，而可消耗型無人機的發動機只要求能滿足200～300小時的飛行時間。一臺可以持續運轉50小時的發動機就足以執行5次任務，如果安排合適，那就足夠無人機完成相關的作戰任務。這么長的壽命，實在有些浪費。不過，最具挑戰性的恐怕不是XQ-58A，而是更小型的“灰狼”巡航導彈。因為發動機估計占飛行載具成本的40%，但AFRL希望將灰狼巡航導彈的成本控制在20萬美元。而傳統的導彈發動攻擊就需要10萬美元，占單價的50%。

低成本、短壽命發動機要求制造商采取新的業務模式。這種模式不會有維護、修理和大修，而制造商的傳統模式是依靠MRO的收入來回收研發投入。在新的業務模式中，制造商面臨的挑戰是將充分降低發動機的成本，以便在一年生產數百臺發動機的情況下掙錢。

因此，美國空軍計劃為一家單位授予745萬美元的合同來開展30個月的工作，其中包括一次飛行演示驗證。對于LCASD發動機，空軍正在啟動技術調查以確定用于遠程、高亞聲速“第五集群”UAS的推進系統的“當期和未來狀態”。空軍稱：“這一尺寸級別的發動機的性能、壽命和成本之間很好地權衡還沒有被理解得足夠透徹”。

威廉姆斯公司是當今世界領先的小型航空發動機制造商，20世紀90年代，威廉姆斯公司與羅·羅公司合作，開發出FJ44系列民用渦扇發動機，在此基礎上又開發出了推力較小的FJ33系列渦扇發動機。

威廉姆斯公司還是美國最重要的導彈用渦扇發動機制造商。其產品有F107-WR-100、F107-WR-400、F112-WR-100和F121-WR-100等，主要用于AGM-86、AGM-129等巡航導彈，也用于多種靶機。1999年，F107發動機在繼發展型F121/ F122之后，進—步發展出縮比型發動機F415，用于“戰斧”巡航導彈。F107/F112/F415系列發動機的特點是重量輕、結構緊湊、耗油率低和使用維護方便，飛行重量只有50千克左右。該系列應用范圍廣、使用成本低，是世界上用途最廣泛的彈用渦扇發動機。進入21世紀，針對軍方需要，公司更是直接把民用型FJ44降低推力發展出軍用型F129發動機，用于巡航導彈。

2016年美國空軍和DARPA聯合啟動“小精靈”無人機項目，目標為在C-130運輸機上發射小型無人機蜂群，并使用其它C-130平臺進行回收。“小精靈”無人機平臺可在對抗空域中重復使用20次，裝備偵察、監視和電子戰等各種載荷，摧毀或癱瘓敵方的通信、防空導彈和戰區網絡系統，并在任務完成后回收未被擊落的無人機。在“小精靈”項目中，威廉姆斯國際公司專門負責發動機的研發和制造。

無人僚機/巡航導彈用小型渦扇發動機的發展主要采用兩種途徑：一是在現有的發動機基礎上采用先進的技術進一步改型發展，另一條途徑是發展全新的發動機。大效益、低成本和大采購量的發動機適合全新研制。小效益、高成本和小采購量的發動機適合在現有發動機基礎上改型。而對于低成本可消耗型的無人機和一次/有限次性巡航導彈，美軍更傾向于全新研制。

無人僚機將成為F-35等有人戰斗機的“空中保鏢”

UTAP-22、XQ-58A將在加州莫哈韋沙漠進行高級飛行試驗，采用更先進的感應技術，進一步測試戰斗無人機的自主飛行能力。

美空軍目前正在使用大量帶寬發送實時視頻，并已開發出更加智能的機載處理器。這些系統可以隨著時間學習，進而成為美空軍的力量倍增器。隨著計算機技術、自主性和人工智能不斷發展，無人機未來將有能力在某個區域懸停，并且在特定時間內識別特定的相關對象和目標，不再需要人工操縱。這是一項具有特殊意義的技術，因為大量的ISR視頻需要組織算法和技術幫助處理并篩選收集到的大量圖像，以查明并匯報與戰術相關的信息。有了圖像處理和模式識別技術，相關人員只需發送一個信號，不再占用所有帶寬發送視頻和語音。這種技術發展可使戰機攜帶更多的武器、傳感器、瞄準吊艙和有效載荷來執行任務，大大擴展任務范圍，提高其靈活性和效能。

作為有人機的重要補充，無人僚機可以在有人駕駛戰斗機之前飛入防御密集或高風險的地區，評估敵方防空能力，減少飛行員所面臨的風險。人工智能能夠在不需要人工干預的情況下運行，被稱為“決策輔助支持”的人工智能系統將在戰機座艙或地面，以及更多的趨于自主的平臺上運用。為無人機開發的自主算法可能會發展到一個節點，使無人機能夠自動跟隨戰斗機飛行，不再需要地面導航員規劃飛行路線。同時自主算法必須具備應對不可預料的事態發展、快速移動等動態目標的能力，當前空中飛行的問題基本上已經得到有效解決，目前正在解決的關鍵問題是當無人機必須對環境做出更多響應、威脅從身后襲來時的對策。因此，研究人員正在努力提高無人機的自主水平，使其達到欺騙雷達系統、確定威脅方位并更快地自動識別目標這種程度。

美空軍高級官員透露，F-35、F-22等戰斗機不久將采用升級版的人工智能來控制附近無人僚機。后者可攜帶武器測試敵方防空能力，或在高風險地區執行ISR任務。我們可以設想，在未來的戰場上F-35戰斗機飛行員利用數據鏈指揮命令一架XQ-222無人機或UTAP-22無人機向F-35的前方飛行出較遠距離，離開本方控制區域進行偵察、監視活動，并將目標或敵軍集結地等信號及時回傳F-35的座艙顯控系統，并由F-35飛行員決定是否派出另一架攻擊型的無人機，對目標進行精確打擊。而根據目前的技術水平，F-35戰斗機可以連接10到20架甚至更多的無人機，進行有人機控制無人機作業。

新型無人僚機計劃前景被看好

盡管克拉托斯公司獲得的高速智能無人機合同僅為1260萬美元，無法同數億甚至數十億美元的“捕食者”無人機等大型軍事開發項目相提并論。但新型戰斗無人機代表了美國軍方將機器人用于未來戰爭的最新探索，使智能化武器的發展向前推進了一大步。

除了克拉托斯公司，洛馬公司的臭鼬工廠正通過與空軍研究實驗室合作開展“海弗-突襲者”項目，進一步推動了其有人-無人編隊能力。“海弗-突襲者”系列試驗實現了3個目標：基于任務優先事項和可獲得的資產，規劃并完成了一次自主的對地打擊任務；演示了在執行一項任務的過程中適應環境變化的能力，包括“自動地管理能力失效、路徑偏離、失去通信等意外事件”；運用了完全符合美空軍“開放式任務系統”標準的軟件集成環境。

洛馬公司在LCASD項目中輸給了克拉托斯公司。但是，該公司的先進技術研發部門——“臭鼬工廠”仍看好可消耗無人機的前景，因為除了美空軍外，美國防部國防高級研究計劃局和美海軍也在探索它們各自的概念，低成本可消耗無人機有“許多機會”。洛馬公司正繼續投資發展，期待有朝一日這些無人機能伴隨諸如F-35等有人駕駛戰斗機展開作戰行動。

除了上述兩家公司，美國諾格公司、極光飛行科學公司和波音公司都已按照空軍研究實驗室授予的小額研究合同，發展它們自己的可消耗飛機概念。可以說，可消耗型無人機正成為美軍現階段重點發展的方向之一。對于美國空軍而言，有人機+無人機編組作戰方式一旦成功推出，必將在美軍甚至于全世界空軍范圍內掀起一場關于無人機技術的大變革。