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美国自销毁无人机研制进展与分析

时间:2017-4-21 13:19:55编辑:无人机之家来源:互联网栏目:国外动态点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  激光刻印的硬纸板制作的无人机原型机

  无人机投放示意图

  NASA开发的(a)可降解无人机和(b)菌丝材料

  可以在水中溶解的电路

  如何保证落入敌手的装备和电子电路不被破解,是美国军方近年来高度关注的问题。美国国防预先研究计划局(DARPA)自2013年开始,先后开展对“瞬态溶解电路”、“伊卡洛斯”等项目的资助,目的在于开发出可瞬态自动销毁的电路和无人机运载工具,寻求此问题的解决方案。目前,上述项目已初步解决关键材料问题,开发出可在水中溶解的电路板材料、可生物降解菌丝材料等,正处在无人飞行器原型方案设计研制阶段,着力解决小型发动装置难以完全溶解、载重量小等难题。预计不久的将来,自销毁无人机技术会对美军情报、侦察等军事能力产生变革。

  2011年5月,美国海豹特种部队在巴基斯坦境内击毙本拉登的军事行动中,一架绝密的改型UH-60隐身“黑鹰”直升机坠毁。行动完成后,美军为了不让坠落的直升机泄露技术秘密,利用炸药将机体炸毁后撤退。虽然美方后经交涉从巴基斯坦政府手要回了残骸,但认定时间间隔足够让其他国家获取技术秘密。自此之后,美国政府更是对关键技术高度把控,希望研制出任务完成之后一旦落入敌手就可以自动毁灭的军事装备。

  自销毁材料研究成果为装备开发奠定技术储备

  要实现空中运载工具的自销毁,最关键的是解决电路板和机身材料的自销毁问题。美国已利用“瞬态溶解电路”等项目奠定了充足的技术储备,开发出可瞬态溶解电路材料和生物降解机体材料。

  (1)可瞬态溶解电路材料是关键

  电子设备是军事装备中涉及秘密信息的关键部件。现代电子设备通常结实耐用,便于恶劣战场环境应用,但一旦落入敌方之手就很容易被对方破解,获取机密技术和信息。DARPA早在2013年1月,启动了“瞬态溶解电路”项目(VAPR),目的是开发特殊电路设计,在可控的范围内直接将这些电子设备进行自动销毁,以防止机密技术泄露。

  该项目是在DARPA前期“自溶解生物医学植入物”项目的基础上发展而来,目的是开发出不仅功能恰当好用,而且一旦下达指令或受周围环境条件触发(如温度),就最终消失的材料。有消息指出,DARPA利用自溶解生物医学植入物项目,已经开发了一种可以在水中溶解的小型电子设备。这一设备设计的初衷是当战场上有士兵受伤后,他们可以吞下这款设备来杀死病菌以避免感染,而这一设备会在随后自己溶解,并最终被身体吸收,且不会对人体造成任何危害。

  2013~2015年,DARPA共花费1040万美元,先后资助霍尼韦尔、IBM、BAE等三家公司参与VAPR项目研究。其中,霍尼韦尔航空航天微电子及精密传感器部门为VAPR项目开发内置计算代码和其他电子元件,目的是开发出性能与商业产品相当,但使用寿命有限的电路产品。

  IBM为VAPR项目开发自损伤芯片。芯片的电路板采用玻璃作为基板,信号一旦触发,玻璃熔化烧毁其顶部的硅互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。DARPA的项目经理表示,IBM打算利用应变玻璃基底破坏粉碎作为驱动力,使附着的CMOS芯片变为硅和二氧化硅粉末。触发媒介可采用熔丝或是活性金属层,用于触发玻璃基底的破坏。这个过程需要外部射频信号触发。IBM将开发多个方案,提升玻璃破坏性粉碎技术,并将该技术转移到硅CMOS设备。BAE公司则为VAPR项目开发一个不需要就能简单溶解的传感器。

  DARPA透露,已研制出可以在水中或其他化学物质中自动溶解的电路,且目前VAPR计划的合作伙伴正在开发大量的瞬态溶解材料,其机械性能已超出了预期。这些瞬态材料包括可直接从固态升华成气态的高分子板以及具有内部高压力结构的电子玻璃带,内部高压可使材料很容易被引发,粉碎成为超细微粒。

  (2)快速降解机体材料是基础

  NASA也高度关注该问题。为了解决侦察、探测的军用无人机坠落后不被发现且无环境污染问题,2014年11月,在NASA艾姆斯研究中心资助下,斯坦福大学研究团队推出了一架由蘑菇材料制成的可降解无人机,且完成了首飞。无人机的降解过程是可控的,包含一个酶的释放机制,只有在人为控制释放酶之后,或者在特定的情况下(如设定好的时间、地点),无人机才会加速降解。NASA的设计团队表示,如果这台无人机坠落在生态环境敏感的地方时,比如珊瑚礁,因为它可以慢慢降解,所以并不会影响当地的环境。如果是执行不用返回的任务,比如侦察森林火灾、核基地的放射性等或是落入敌手,那么这台无人机可以完美的在传回数据后“自我毁灭”,融入自然。

  这架原型机的机身结构由三部分组成:1)主体结构部分由纽约Ecovative设计公司提供的菌丝体材料制造,具有不错的强度。菌丝体是真菌的营养体,由许多菌丝聚集在一起组成。菌丝体被培育成了定制的无人机形状。2)主体结构外面覆盖一层利用细菌制造出的黏性纤维素保护层。3)最外层表面覆盖上具有防水功能的蛋白质。这些蛋白质是利用胡蜂的唾液克隆的,类似蜂蜡,具备很强的可塑性。

  该无人机的电路系统没有应用DARPA最新瞬态溶解的电路技术,而是采用商业化的银纳米粒子墨水印刷的,虽然不能瞬态溶解,但能够生物降解,非常具有环保性。其他部件如传感器、螺旋桨、操纵装置和标准电池等仍是生物无法取代的。研究团队的下一步目标将确保生物无人机的电子传感器也能够安全降解,他们已经开始探究如何利用大肠杆菌来制造传感器。

  可自动降解无人机原型提上日程,取得初步成效

  在VAPR项目的研究解决材料问题的基础上,可自动降解无人机进入设计研究阶段。2015年10月,DARPA发布“伊卡洛斯”(Inbound,Controlled,Air-Releasable,Unrecoverable Systems,缩写ICARUS)的项目招标书,研究在完成任务后会自动降解消失的一次性运载工具的设计方案。该项目分为两个阶段,周期为26个月,总经费约为800万美元。ICARUS项目的最终成果是使无人机在完成运输任务4小时后自动溶解,或者在30分钟内像机器人一样自行离开。该无人机能够在32英尺(约10米)高处对指定地点准确投递3磅(约1.4千克)重的物资,使用GPS系统进行位置设置,任务完成后便消失。另外,当从万米高空的气球上释放时,ICARUS无人机必须能直线飞行90千米。此外,无人机设计的一个前提条件是,其翼展尺寸必须小于10英尺(约3米)。

  2016年6月,DARPA与两家公司签署了研发合同。一家是帕罗奥多研究中心(PARC),合同价值230万美元;另一家是DZYNE科技公司,合同价值290万美元。PARC研究中心和DYXNE技术公司参与项目的第一阶段,研发的原型机将能够从约1万米高空,距离目标区域149.7千米处释放。

  此外,DARPA在ICARUS项目下,授予美国Otherlab技术研究公司额外合同。2017年3月,该公司发明了一款名叫APSARA的“一次性”纸质无人机,可在紧急情况时作为一次性运送工具。该无人机几乎完全采用纸板制成,用胶带密封,没有发动机,需要通过飞机进行发射。数百架无人机可同时发射,完成覆盖数百公里的不同地方的运输任务。该无人机根据空气动力学原理设计,内部配备小型电脑,电池和引导方向的传感器。该无人机可以88千米/时的速度飞行约150千米,可载重达1千克,在预设着陆点10米内着陆。与普通无人机不同,一次性纸质无人机制作及操作成本低,可强行着陆,无须回收,纸板会在几月内自动降解。

  硬纸板只是Otherlab初步采用的可降解无人机材料,在最终设计中,Otherlab会采用来源于蘑菇的物质——菌丝来制作飞机。会在短短数天内分解,菌丝是真正的可再生资源,对环境不会有任何影响。目前,Otherlab在纸质无人机里安置了一个GPS元件和两个襟翼马达,进而控制纸飞机在预设着陆点的50英尺(约15米)内着陆。再下一步,DARPA需要让无人机的电子设备也能迅速消失。为了完成这一目标,DARPA正在资助一个一次性电子设备项目,可让无人机机身乃至电子设备都得以彻底降解。Otherlab的一家衍生公司Everfly则希望能够在APSARA的基础上进一步进行改进,将最大载重增加到10千克。

  未来发展和展望

  从目前得到的技术情报分析,DARPA可在水中瞬态溶解的自销毁电路研究成果、Ecovative设计公司的菌丝体材料商业化产品以及NASA的一次性可降解无人机设计探索,都说明美国具备了研制自销毁小型军用无人系统的技术能力,其军事应用化产品有望在不久的将来将投入使用。

  自销毁无人机技术可以变革美军情报、侦察等军事能力,防止相关情报或技术外泄。例如,在军事环境中,瞬态消失传感器和自销毁监测无人机可以在自然环境中分解,在有限时间内提供关键数据。此外,采用由瞬态材料制备的小型无人运载系统可以轻松地完成水、电池或紧急医疗用品的供给,而没有回收打包这些运载系统的负担。例如,部队或运载设备需要在地震或海啸后将食物、易失效的疫苗、胰岛素、血液和血浆产品运送到许多难以到达的地方。一旦运输设备完成了任务就可以完全不去考虑它们的残骸,这将减轻应急组工作人员包装和运输车辆的物流任务,并基本上消除了车辆调配对环境的影响。

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