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DARPA科技成果:精确制导武器、隐形技术、无人机

时间:2018-3-12 22:01:54编辑:无人机之家来源:互联网栏目:军警海事点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  DARPA作为美国最尖端的科技研究机构,长期以来都被全球所关注。在成立至今的数十年间,DARPA的很多项目为全球的科技发展做出了巨大贡献。

  根据DARPA发布的报告《国家安全突破性技术》,将陆续向大家介绍DARPA在精确制导武器、隐形技术、无人机(UAVS)、信息侦察监控技术、红外夜视技术、全球定位系统GPS、个人电子技术基础、人工智能等8个领域所取得的科技成果。

  图片来源:《国家安全突破性技术》

  美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,英文缩写DARPA)是美国国防部属下的一个行政机构,成立于1958年,主要负责研发用于军事用途的高新科技。

  图片来源:DARPA官网

  1 精确制导武器需求与机遇

  冷战期间,苏联精锐的坦克部队,曾对美国和北约在欧洲的军事力量构成了严重的威胁。虽然美国拥有核武器,能够抵消这种不平衡,但是军事指挥者认识到,通过第二梯队坦克的侵入,苏联能对美国造成大范围的威胁,而精确制导武器(PGMs)也就产生了非核抵消的作用。在越南战争中,为了降低损伤,迫使美国对炸弹进行引导或采用“智能武器”,以更准确地打击目标。

  炸弹的精确度高,就能够对桥梁等基础设施进行目标性打击,从而实现对部队、雷达、综合防空系统、指挥控制中心和机场的隔离作用。此外,如果炸弹一经发射就能够自行导引,那么就可以从更远的地方发射,从而降低飞行员与飞机的风险。

  2013年,空军武器负责人在阿富汗的一架A-10C上装载精确制导弹药

  近些年来,随着美国在PGMs方面取得的成功,对手也已经相应地改变了策略,例如,城市区域采用分布式作战,这就要求美军需要进一步的提高武器精度。如今,随着战场和敌人越来越分散和难以捕捉,对PGMs的需求比以往任何时候都更加迫切。

  DARPA的解决方案

  20世纪60年代和70年代初,DARPA(美国国防部高级研究计划局)开始致力于PGMs的研究。其中,包括激光器、光电传感器、微电子、数据处理器和雷达在内的一系列技术工作,最终成为第一个精密系统的重要组成部分。1978年,DARPA实施了“突击破坏者”计划。该项目在四年的时间里,将许多这样的技术进行整合,从而为最终取得成功的几个智能武器系统奠定了技术基础。

  其中包括,将PGM与先进的ISR系统集合起来的联合监视目标攻击雷达系统(JSTARS);全球鹰无人机;一种具有终端引导子母弹的空对地导弹;具有全天候、日夜能力、能够远程有效对抗机动目标且反应迅速的地对地陆军导弹系统;以及通过在机翼上安装声音传感器,来探测和瞄准坦克的反装甲坦克(BAT)子母弹。

  美国BAT智能反装甲子弹药

  20世纪80年代,DARPA开展了对GPS接收器进行小型化的开创性工作,并与惯性导航方面的研究相结合。通过诸如“螺栓连接”联合制导攻击武器(JDAM)等各项创新,不断增加PGMs的数量,同时提高激光制导弹药的精确度。 而取得这些发展的关键在于,用于单片微波集成电路程序的砷化镓芯片的开发,并且这也使用于精密武器所需的毫米波电路成为可能。

  美军“杰达姆”(JDAM)联合制导攻击武器

  DARPA在20世纪70年代中后期实施的Tank Breaker项目,对自导式标枪反坦克导弹系统的概念和技术的形成起到了重要作用。 DARPA通过不断的尝试与努力,在标枪反坦克导弹的设计中加入了红外线成像阵列,特别是在导弹的导引头中成功加入二维阵列。DARPA还资助了用于焦平面阵列的备用源,这对标枪反坦克导弹的成功设计起到了至关重要的作用。

  美国进行bgm-71陶氏反坦克导弹实弹训练

  DARPA研制的其他现代武器还包括先进中程空对空导弹(AMRAAM)、传感器引信武器、以及管发射和光学瞄准的陶式(TOW)反坦克导弹和巡航导弹。

  美国CBU-97传感器引信炸弹

  技术影响

  随着越来越精确的制导武器的开发和使用,美军能够在更远的距离攻击和消灭更困难的目标,且能够保证更高的成功率。这些能力在冷战期间、海湾战争以及如今美军应对的分散且难以捕捉的敌人中,起到了极大的作用。简单来说,飞行员从以前讨论的每个目标的飞行次数,改成了现今的每次出击的目标。

  例如,20世纪90年代,在对伊拉克和巴尔干进行的PGM行动中表明了,巡航导弹和激光制导弹药在连续且高效的目标打击中的有效性。精确制导武器通过增加命中目标的可靠性,降低美国部队损失和目标附带损失的风险,从而扩大美国领导人在这些冲突中的外交政策和军事选择空间。

  尤其在伊拉克战争中所使用的PGM,包括首次亮相的标枪反坦克导弹,证明了其至关重要的作用。在冲突初期,通过精确打击,使伊拉克的综合防空系统、地面部队以及飞机失灵。在整个战役中,具有GPS增强功能的JDAM,很大程度上提高了美国对主要固定目标攻击的精确性和有效性。

  美标枪反坦克导弹

  通过对DARPA开发的PGM技术的不断改进和使用,对美国与阿富汗的战争中具有重大贡献,为美国飞机的高效飞行和地面部队的空中支援提供了便利。

  技术转移

  DARPA开发的PGM技术已经在海军、陆军、空军和海军陆战队中使用。

  下一步目标

  目前,DARPA正与海军研究室合作,加快研制和部署“远程反舰导弹”(LRASM)。这种精确制导反舰导弹,旨在能够穿透敌方防空导弹系统,从而满足形势发展的需要。基于已成功的空对地导弹扩充系统(JASSM-ER),通过LRASM减少电子战中对ISR平台、网络链路和复杂的外部导航的依赖。

  LRASM远程反舰导弹

  此外,DARPA的近距离持续空中支援计划,通过改进装置,目前已能够使地面部队能够请求空中的PGM支援。该计划与海军合作,研制这些瞄准设备被证明对现今的战场是非常有利的,并且进一步的改进正在进行中。

  驻阿富汗海军远征旅的军械技术人员在坎大哈机场向AV-8B装载联合制导攻击武器

  2 隐形技术 需求与机遇

  20世纪70年代初期,美国在军事上的优势受到威胁,迫使其引入先进的防空导弹系统。这些综合防御系统包括雷达制导的地对空导弹(SAMs)和装备有雷达制导导弹的现代战斗机,其中,导弹与预警、采集和瞄准雷达联网,并由复杂的指挥和控制网络协调。美军在越南遭受重大损失后,采取手段打入对方的综合防空系统,攻击这些系统的关键点,使美国的空中力量能够很快的进入被敌方保护的目标,从而保证美国空军的优势。

  DARPA的解决方案

  DARPA通过将多种发展战略与技术相结合,降低雷达可探测性,否则美国飞机会暴露给敌方而受到攻击。经过努力的研制,作为20世纪70年代中期一个初步整合的成果,DARPA开发并展示了世界上第一款实用型战斗隐形飞行器“Have Blue”。该突破得益于新的设计理念,新的雷达截面预测工具,新材料以及新战术。Have Blue直接促使F-117隐形战斗机的产生。

  世界上第一款实用型战斗隐形飞行器“Have Blue”

  传奇“夜鹰”——洛克希德F-117隐形战斗机

  在20世纪70年代中后期和80年代初期,DARPA研制出了第一架配备雷达的隐形飞行器“沉默之蓝”(Tacit Blue)。 这种飞行器具有操作雷达的能力,能够在威胁频率上保持足够小的雷达截面,从而获得具有高价值的目标。这个计划为空军的B-2隐形轰炸机的产生奠定了基础。

  美国隐形飞机“沉默之蓝”

  美国隐形飞机“沉默之蓝”

  DARPA开发的低可观测性技术主要包括:用于减少雷达横截面、雷达吸收材料、红外屏蔽、散热、减少视觉特征、低拦截雷达、入口屏蔽、排气冷却等的曲面以及挡风玻璃涂层和计算能力。

  技术影响

  装备了隐形设计和技术的美军,迅速突破了敌方的防空力量,摧毁了伊拉克(1991年沙漠风暴和2003年伊拉克自由行动),阿富汗(2001年持久自由行动)和利比亚(2011年)的重要目标,彻底改变了这些战争的局势。这些任务中,采用隐形技术能够取得成功的关键是,美国国防部利用其他技术(包括由隐形和非隐形飞机部署的DARPA精确制导弹药)进行补充与配合。通过这些技术的联合,能够更精确地打击目标,同时最大限度地减少附带损害。即使到现在,尽管对手在网络防空系统上投入了大量资金,但仍很难抵御美国隐形部队的夜间空袭。

  DARPA研制的世界上第一款实战隐形飞行器“Have Blue”

  在射频频谱上的签名管理技术,已经成为几代美国空军作战飞机(包括F-117、B-2、F-22和F-35)的重要设计特征,同时也是行业研发的重点。目前,隐身技术已广泛的应用于武器系统和军事平台,其中包括导弹、直升机、地面车辆和舰船,如实验型海上隐形舰和DDG 1000型驱逐舰。

  美国海军“朱姆沃尔特”号导弹驱逐舰(USS Zumwalt DDG-1000)

  技术转移

  DARPA开发的隐身技术已经转移并应用到战斗机和轰炸机。在“Have Blue 与Tacit Blue”的研制中,DARPA通过与空军收购和运营公司(特别是洛克希德公司和诺思罗普公司)密切合作,从而使他们能够快速将概念转化为产品。

  美军B-2隐形轰炸机空中加油

  下一步目标

  目前,对手正在不断地深入加强综合防空系统,通过利用所谓的弱点,以减弱美国的隐形优势。鉴于此,DARPA将继续探索突破性技术,从而进一步提高美国军事力量能够发动战略突击的能力。

  3 无人机(UAVS)需求与机遇

  无论是情报、监视和侦察(ISR)、战斗损失评估、地面或海上部队支援,还是空中打击,领空对于一个国家的安全来说都是至关重要的。但是,航空本身就是有风险的,在有争议的空中飞行风险会更大。因此,几十年来国防部一直努力需求在无人机(UAV)方面的突破,以增加领空对抗能力。

  随着技术的改进,无人机的任务组合和可以运行的战术条件范围已经逐步扩大。但是,随着无人机系统能力的不断提高,对这些资产的战略需求也不断增加。 其中包括,迫切需要比目前更可靠的无人机系统;有更大的范围、有效载荷和耐力;能够在有争议的领域中运行的先进的通信链接;能够支持更多的战术作战任务的系统体系结构。

  DARPA的解决方案

  20世纪60年代,DARPA开始致力于无人机的研发。虽然,这一时期军界对使用无人机的概念是普遍表示怀疑的,但是,从今天来看,DARPA对无人机的远见和不懈的努力,包括对结构、推进、指导、传感器、通信和自主性的研究,、推动了无人机的革命。

  1962年,DARPA开创了早期的无人垂直起降技术(VTOL),并与美国海军合作,开发QH-50无人机反潜直升机(DASH)。该技术使驱逐舰可以携带反潜鱼雷,从而能够攻击敌方潜艇,远远超出反潜火箭的范围。后来,在越南战争中,DASH装备了用于ISR的摄像机,美军还给其起了一个绰号“史努比”。

  QH-50“无人反潜直升机”(简称DASH)

  20世纪70年代,DARPA启动了Teal Rain项目。该项目的主要目标是提高无人机发动机的性能和设计。以及此外,为了提高在操作所需的持续时间内,携带有效载荷的能力,还实施了Praeire和Calere项目。与此同时,DARPA开始为海军研制第一台小型、低可观测遥控飞行器(RPV)。 在那之后的十年中,DARPA投入了用于无人机的小型机载传感器技术的研究,其中包括小型化稳定系统、移动目标指示器、雷达和抗干扰数据链路,提高了装备的生存能力。

  MQ-1“捕食者”无人机

  20世纪80年代,DARPA的支持促进了琥珀长距离无人机的发展,后来其技术被Gnat和MQ-1“捕食者”所应用,从而推动了MQ-9收割者ISR和打击平台的产生。 此外,在此期间,DARPA还支持了CONDOR飞行测试计划,增强了无人机ISR的能力。

  20世纪80年代,DARPA对长距离无人机的研究,推动了MQ-9收割机ISR的发展

  20世纪90年代,DARPA资助了RQ-4“全球鹰”的研制,这是世界上第一个也是唯一的一个在伊拉克、阿富汗和世界其他地区广泛使用的高空长航ISR无人机。1996年,DARPA实施了研究小型无人机系统的微型飞行器(MAV)计划,旨在侦察当地的地形。T-Hawk无人机是一种直径为13英寸的风管式飞行器,配备有摄像机和红外传感器,在伊拉克的和其他ISR任务中用于搜寻炸弹。

  RQ-4“全球鹰”

  MAV计划的另一个成果是黄蜂,它的翼展只有16英寸,重量不到一英镑,可以以20-40英里/小时的速度飞行一个小时。黄蜂的静态推进系统能够安装在背包里,可以轻松地手动启动,从而实现对开放及城市区域的实时侦察。

  21世纪初,为了促进合作任务规划,飞机自主和有人无人合作的作战概念,DARPA启动了一个示范无人机计划。在海军和空军的投入下,该计划演变为联合无人作战空中系统计划,这又使得海军的X-47B无人作战飞行器运载示范装置得以研制,而且这些装置已经完成了在美国航母上的运行。

  2012年11月29日,美军X-47B无人战机首次陆基弹射起飞

  2005年,DARPA通过其纳米飞行器项目,再次改进了无人机的外形,开发了具有蜂鸟般外观的扑翼式悬停系统,可用于室内和室外的侦察。这些飞行器的翼展只有6英寸,重量低于一盎司。该项目首次展示了自身载有能源的飞行器系统,能够受控制的悬停和快速飞行,并且仅用翼的拍动进行推进和控制。

  微型无人机(MAV)

  同时期,DARPA还研制了另一种耐久的高速无人直升机:“蜂鸟”A-160。该无人机续航飞行18.7小时,在耐久性方面创造了世界纪录,同时为远程无人驾驶垂直起降操作提供了研究方法。

  A160蜂鸟:续航能力达40小时的无人攻击机

  技术影响

  DARPA的无人机创新技术彻底变革了情报监视与侦察任务,不仅保证国防部的空中优势而且还保证信息优势。今天配备情报监视与侦察载荷的无人机可以在更高空间飞行更长时间,为全球作战收集前所未有的大量数据和高分辨率图像。无人机操控人员能够受益于这些先进的飞行器。例如,“黄蜂”使用先进的全球定位系统和微型自动驾驶仪功能,飞机能够自己飞行,使其操作员可以专注于任务和战术。2008年,“黄蜂”成为美国军队使用的第一个微型飞行器。

  海军X-47B无人战斗飞行器执行载体操作

  无人机的案例表明,DARPA的持续努力可以推动多代专业技术的进步,且每种技术都有其新的能力和过渡的机会。从越南战争的早期无人机,到20世纪90年代提供波斯尼亚火炮位置情报和目标信息的无人驾驶飞机,用于支持联合国维和部队执行任务;再到近来阿富汗和伊拉克的情报监视与侦察、目标选择、打击和损伤评估任务,DARPA开发的无人机技术已经证明其对美国的军事能力和国家安全是必不可少的。

  此外,除美国国防以外,无人机也是创业和投资的焦点,这很大程度上促进了民用商业市场。事实上,今天的无人机代表了航空航天业中增长最快的部分,这是对DARPA付出的努力的肯定。除执法机构和公共安全机构之外,公司正在制定无人机的概念和计划,为电力线监测、作物评估、野火发现、采矿、采伐以及提供远程通信链路等做出贡献,更不用说好莱坞相关娱乐行业。

  技术转移

  DARPA的无人机及其相关技术已经在空军、海军和陆军中得到了应用,如上所述,无人机已经成为国防部的重要工具。

  下一步目标

  鉴于军队和国家安全的需要,无人机的能力需逐渐扩大。DARPA正计划扩大无人机性能,包括开发吸气式和非吸气式推进技术、转子创新、热管理、制导、导航、飞行控制、传感器和有效载荷项目。其他一些DARPA项目致力于对无人机的管理和相关情报监视与侦察平台收集的数据。

  目前大多数无人机的起飞和着陆都需要陆基长跑道或航空母舰,因此需要大量资金和安全保障。DARPA的战术开采侦察节点项目,将使用小舰船作为固定翼无人机移动起飞和着陆的站点。DARPA和海军联合发起了战术侦察节点计划(Tern),设想将小型舰艇用作中程长距离固定翼无人机的移动发射和停靠站点,即使在不稳定的海域也能够实现。

  DARPA还设想利用空中可重构嵌入式系统(ARES)计划,消除危险和挑战性地形下作战人员的风险。预期开发一个无人驾驶垂直起降飞行器,具有装载、传送和卸载模块载荷,比如传感器包、重要物资作战装备的能力。

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