無人機集群及其動力需求分析

■ 張健 吳雄 / 中國人民解放軍92728部隊

無人機集群和穿透型制空是美國戰略重點重新回到大國競爭、針對在強對抗環境中作戰而發展出的新型體系化作戰概念。其中，無人機集群是網絡化協同，將大型、昂貴、多功能空戰裝備的功能分解到大量低成本無人機平臺上，利用架構、自主、協同、控制等技術使少量有人機和大量無人機形成統一的空戰整體。

按照美國空軍《2016 — 2036小型無人機系統飛行規劃》給出的定義和相關描述，無人機集群是指在空中或地面駕駛員的操作或監督下，參照自然界蜂群、蟻群等的集體行為方式，由多架以自主方式組織起來遂行統一作戰任務的小型無人機集群。集群無人機可以是相同的（同構），也可以是不同的（異構）；組群方式可以是主從式的，也可以是無中心的。需特別指出的是，美國空軍在這份文件中明確了“集群”與“忠誠僚機”和“編組”概念的對比和不同，主要體現在這3種作戰樣式協同對象的不同：“集群”為大量小型無人機之間的機-機協同；“忠誠僚機”是指無人機與有人機之間的有人-無人協同；“編組”是指控制站與控制站之間的人-人協同。2018年8月，美國防部發布《2017—2042財年無人系統綜合路線圖》，再次將“集群能力”列為無人系統的15項關鍵技術之一。

集群無人機發展概況

無人機集群具有成本低、結構簡單、損傷冗余度高等優勢，可在對地、對空等復雜作戰任務中與少量高性能平臺組成編隊。隨著無人機集群作戰概念的不斷完善和豐富以及相關技術的不斷成熟，無人機集群必將成為未來大量配備的航空主戰裝備。無人機集群將逐步具備對地、對海、對空監視偵察甚至攻擊的能力。無人機集群大規模服役后，空中作戰將從強調隱身單平臺或小編隊作戰向注重網絡化、分布式、體系化作戰轉變，不斷豐富的空中作戰方式將對未來航空裝備體系的構成和作戰樣式產生重大影響。

無人機集群作戰概念圖

目前，集群無人機種類眾多，總體上可分為旋翼式和固定翼式兩類。動力類型大體分成兩種：一種是純電驅動，即“電池+電動機+旋翼或螺旋槳”，基本上所有的旋翼式蜂群無人機和大部分小型固定翼集群無人機都采用這種動力形式，以美國的低成本無人機集群技術（LOCUST）項目、“灰山鶉”（Perdix）無人機集群項目為代表；另一種是燃氣渦輪發動機，采用這種動力的多為大型的固定翼集群無人機，以“小精靈”（Gremlins）空中可回收無人機集群項目為典型。

“郊狼”無人機基本型

“灰山鶉”無人機

低成本無人機集群技術由美國海軍研究辦公室（ONR）主導，2015年啟動研制，可提供陸、空、水面和水下平臺發射的情報、監視、偵察（ISR）精確無人機，并可單獨或成群地與有人作戰系統協同作戰。無人機平臺是“郊狼”（Coyote）無人機，2016年4月，完成地面發射試驗，發射后進行編隊飛行；同年7月，實現了30余個“郊狼”無人機快速發射和機動飛行。

“灰山鶉”無人機集群由美國戰略能力辦公室（SCO）主持，2014年啟動研制，主要應用于代替空射誘餌，執行誘導欺騙、前出偵察等。2016年，項目演示了由3架F/A-18飛機快速投放的103架“灰山鶉”實現按指令組群飛行，創下軍用無人機蜂群最大規模飛行紀錄。試驗中，“灰山鶉”集群未預先編寫飛行程序，展現了集體決策、自修正和自適應編隊的自主協同飛行能力。

美國國防預先研究計劃局（DARPA）于2015年啟動的“小精靈”項目，研究小型無人機集群的空中投放／回收等關鍵技術，主要任務為區域監視和偵察、電子戰和攻擊（破壞導彈防御系統），因此已經上升為可在大國軍事行動中執行戰略級任務。

“小精靈”項目原本分3個階段進行:第一階段(2016年第一季度—2017年第二季度)，復合材料工程公司、動力系統公司、通用原子公司和洛馬公司獲得1610萬美元合同，進行無人機概念驗證和空中發射回收設備概念驗證；第二階段（2017年第一季度—2018年第三季度），DARPA在第一階段4家公司中選出兩家公司并授予合同，開展技術成熟和風險降低工作；第三階段(2018年第三季度—2020年第二季度)，DARPA在第二階段兩家公司中選擇1家并授予合同，開展原型機制造、集群飛行演示以及空中發射回收演示。“小精靈”項目本應在完成當前的第三階段后結束，但由于認識到可消耗無人機的價值，DARPA和美國空軍決定增加第四階段。“小精靈”項目的第四階段將聚焦作戰能力，旨在通過約兩年的時間使X-61A能夠執行壓制/摧毀敵防空的任務。這將涉及無人機與ISR傳感器、自主系統的整合，可借鑒DARPA之前轉化到海軍航空系統司令部的“拒止環境協同作戰”（CODE）項目的技術。

“小精靈”無人機

截至目前，“小精靈”項目已進行了3輪測試。2020 年1月，由C-130A運輸機載飛并發射，進行了首次飛行試驗，2020年7月和10月，完成第二次和第三次飛行試驗，主要驗證了無人機的投放、飛行與回收；并計劃在2021年10—11月進行新的飛行試驗，主要驗證“攜帶子無人機或彈藥，完成一項任務后，返回母機，再加油和重新武裝后發動另一次攻擊”的重復使用功能。

目前，“小精靈”無人機的動力形式尚未被披露，但從公開的數據看，“小精靈”無人機質量為320kg、速度為Ma 0.8、有效載荷為50kg、作戰半徑為900km、續航3h、重復使用20次、采用空中回收方式，根據上述平臺指標推測，須采用燃氣渦輪噴氣發動機才能滿足動力要求。

無人機集群關鍵技術和發展趨勢

近年來，無人機集群成為各國爭先研究的熱點，相關進展主要包括：創新協同理論，探索集群協同的模式，包括無人機集群協同、無人機集群和有人機協同、無人機集群和大型載具協同、無人機集群和其他無人裝備跨域協同；強調體系協同，構建分布式指揮架構；加強基礎研究，突破核心關鍵技術；加緊集群驗證，形成非對稱優勢。

多個典型的研究項目表明，無人機集群的主要關鍵技術是集群控制，其難點主要來自于：質量、功耗、空間和成本限制對機載通信、計算和存儲能力的約束；數量規模、任務耦合、局部信息不一致和無人機動力學給集群控制和集群任務協同等帶來較多的挑戰。集群控制關鍵技術主要包括集群體系架構、集群通信與組網、集群決策與規劃、集群無人機平臺系統、集群飛行與隊形重構、集群安全與沖突消解、集群指揮控制等。其中，動力技術只是平臺系統中的一部分，這與有人機研發過程中發動機占有的比重差異較大。

無人機集群的未來發展趨勢可簡要概括為：群體智能，具有任務能力的無人機集群系統；多樣化任務，易擴展互操作的集群體系結構；分布式在線處理，協同包以德循環（即觀察—調整—決策—行動，OODA）回路響應時間和行為決策能力；意外事件處理，大規模集群協同飛行控制算法；低成本輕質化，無人機系統平臺/載荷/通信系統；平行仿真，虛實結合的標準化開放性集群協同測試環境。

集群無人機動力需求分析

結合上述項目的作戰目標、參數指標和動力選取的異同可以看出，針對大國戰略競爭或軍事作戰使用的戰略級集群無人機動力應具有如下需求與特點。

一是具有相對大的作戰半徑與航時，以適應大國大縱深的防御與進攻。與城市作戰不同，大國特種軍事作戰和反介入/區域拒止（A2/AD）作戰，無人機集群啟用前的運載平臺與任務目標應有較遠的距離，為保證執行作戰任務的能源供給，無人集群應有相對較好的續航能力，在此方面燃氣渦輪動力優于純電動力。

二是具有相對較快的飛行速度，以適應集群為應對戰場狀況而隨時產生的密集編隊和稀疏編隊之間的多次變換。如針對無系統防御能力的地面低速目標進行打擊與偵察，無人機集群編隊情況比較簡單，但是如果需要躲避來自地面或空中的系統性防御打擊，或者目標為空中機動目標、地面/海上快速移動目標（或目標群），則無人機集群編隊情況需要根據面臨的打擊或任務目標的位置變化，產生敏捷的密集與稀疏之間變換，此時無人機集群個體靈活度對動力性能提出了較高的要求。

三是具有相對較大的有效載荷，以適應面對高對抗強度作戰空域所需的ISR、電子戰、對面打擊和對空打擊（自殺式）等多種任務。這些有效載荷首先需要足夠的推力/升力，其次在高對抗強度作戰任務中，這些載荷需要消耗較多的能量，特別是ISR與電子戰，需要動力系統具有相對較強的功率提取能力。

結束語

無人機集群的特點在“群”，帶來的關鍵技術是“協同”，包括無人機集群與裝備體系的協同和無人機集群內部的協同，包括作戰管理、組網、自主編隊、態勢感知與共享、任務規劃與決策等，這些關鍵技術的驗證，采用小型平臺即可，對應動力主要是純電驅動推進器。作為武器裝備執行A2/AD戰場的任務，除了上述“協同”能力，還需要無人機平臺具有一定的航程/航時、速度和載荷，從經濟可承受性的角度考慮，成熟渦噴/渦扇發動機或衍生發展型是主要動力形式。此外，隨著動力技術的發展，混合電推進也是待選的動力方式。