摘要
低成本可消耗无人机的设计理念可以满足不断变化的任务需求,加速作战概念的革新。从可消耗、可重复使用、低成本、模块化和人工智能驱动五个方面介绍了低成本可消耗无人机的概念。概述了天空博格人、小精灵、拒止环境下的协同作战等美军低成本可消耗无人机项目的发展,从节约成本、提升部署弹性以及提高生存力等三个方面分析了低成本可消耗无人机的使用优势及其典型作战使用模式。探讨了低成本可消耗无人机的发展趋势,并提出了相应的建议。
引言
随着机器学习、嵌入式计算机及先进制造技术的不断突破，无人机自主能力逐渐提升，而人工智能技术和模块化概念的融合，也加速了新一代无人机诞生。目前，美国空军正在开发一系列能够飞行有限的架次且造价低廉，同时，可在对有人机具有高损耗风险的威胁环境中使用的无人机。这些低成本可消耗无人机具有基于人工智能的自主性，允许它们与其他飞机协同执行多项任务。美国空军分析认为，除了F-35A和B-21等高端装备外，采购低成本可消耗无人机是提高其战斗力和平衡其他需求的一种经济、合理的方法。大量采购低成本可消耗无人机，能够提高美军在对抗环境中的作战能力、杀伤力和生存能力。同时，美军认为低成本可消耗无人机不是有人战机的替代品，而是对有人装备的有效补充和战力增幅，是面向未来战场的智能化、模块化无人装备。当前，美军正积极探索低成本可消耗无人机与有人驾驶飞机和无人机协同作战的作战概念，并通过演示验证试验对关键技术进行探索，研究低成本可消耗无人机在多种任务中的作战价值，以期达到快速部署并形成作战能力，确保美军的空中优势。本文首先从低成本、可消耗、可重复使用、模块化和人工智能等五个方面对低成本可消耗无人机的内涵进行了介绍，并对美军可消耗无人机的发展情况进行了简要概述，最后分别分析了低成本可消耗无人机的使用优势和作战方式，为后续无人机的发展提供参考。
低成本可消耗无人机的概念
低成本可消耗无人机是一种低成本的无人驾驶飞机，用于在对抗环境中进行有限架次的飞行，其主要特点有如下五点。
可消耗
美国空军使用可消耗一词来描述新型无人机 ，其具有低成本、高可靠性并具有一定的耐用性。与必须持续进行数十年维护与保养的载人战斗机和轰炸机不同的是，可消耗无人机具有更廉价的组件，而其寿命周期通常以几年或几个月来计算。
可重复使用
美国空军使用可重复使用一词来描述低成本可消耗无人机，因为其不是导弹那样的一次性消耗系统，而是具备有限寿命和有限出动架次的装备。著名的低成本可消耗无人机包括XQ-58A女武神（Valkyrie）、忠诚僚机和小精灵（Gremlin）无人机 ，如图 1～3所示。
图1 XQ-58A女武神
图2忠诚僚机概念
图3 C-130发射和回收小精灵概念
低成本
根据空军研究实验室的说法，通过强调未来的灵活性、开放性、模块化和可扩展性，可消耗飞机技术为美军提供了一种创新方式，旨在为与对手的潜在交战做准备，而费用仅为传统系统的一小部分。低成本可消耗无人机的单位成本只有几百万美元到数千万美元 ，这主要取决于其尺寸、射程、有效载荷、任务系统和其他属性。
低成本可消耗无人机的操作成本远远小于典型载人战斗机平均飞行小时成本。使用寿命周期短的低成本可消耗无人机既不像现役载人战斗机和其他载人飞机那样需要大量的维护，同时，其操控人员所需的训练也将大大减少。而且，低成本可消耗无人机即便停止使用，也无需像有人驾驶飞机那样进行基地级的维修和保养。这将有助于提高低成本可消耗无人机机队的任务准备率。
模块化
低成本可消耗无人机可以使用适应性更强的开放式体系架构和“即插即用”的设计理念进行定制，以满足不同的任务需求。这将把单一任务作为优先级考虑，模块化设计允许随着作战需求的发展变化，灵活且快速集成新技术和任务系统。模块化还包括改变机翼和其他低成本可消耗无人机气动结构的能力，以增加其航程和续航能力或降低其在电磁频谱中的特征。
人工智能驱动
随着人工智能技术的发展，低成本可消耗无人机在执行任务期间将比现役的遥控驾驶飞机（RPA）更有能力自主应对意外威胁和其他事件。由于低成本可消耗无人机在强对抗环境中运行时其数据链可能容易受到敌方干扰和其他反制措施的影响，美军计划更多地采用人工智能的自主性优势对其指挥和控制。未来，低成本可消耗无人机将能够探测到操作环境中的威胁和其他变化，然后使用嵌入的人工智能算法来采取适当的措施 。
美军低成本可消耗无人机发展概述
天空博格人项目
，正式对外发布的天空博格人项目是三个美国空军先锋科技项目之一 ，旨在对新的武器系统和作战概念进行原型设计和试验。项目的主要目标是研发一款类似于战斗机的模块化飞机，该无人机具有高度的自主性，具备快速更新和迭代执行复杂任务的能力，以支持作战人员。该项目主要是将一个自主的核心任务系统和一套服务与多个低成本传感器或任务系统集成，用于执行一种或多种任务。其核心是开发一种数字化人工智能架构和配套软件，这一软件具备自主学习能力，并借助有人机飞行员对软件进行训练，以提高自主执行任务的能力，从而支持一系列低成本可消耗无人机的有人 -无人协同作战。此外，天空博格人项目还将探索从前方作战地点大规模出动低成本可消耗无人机的概念和技术，使己方基地免遭对手攻击。天空博格人项目是对现有技术的一次整合升华，以达到低成本可消耗的目标，从而为美国空军提供多功能的无人装备，支持未来作战。项目计划开始原型机试验 。
自主协同平台项目
美国空军研究实验室的自主协同平台项目是一项战略项目 ，旨在为低成本可消耗无人机提供自主技术、机身、推进、传感器和接口以及任务系统，以便与其他飞机协同作战。自主协同平台还将为未来低成本可消耗无人机能力的发展提供研发途径。空军的低成本可消耗飞机技术（ LCAAT）计划是自主协同平台计划的基础部分，为设计低成本的可消耗飞机提供了原型机概念、方法和工具。在低成本可消耗飞机技术基础上，低成本可消耗攻击演示（LCASD）联合能力技术验证（JCTD）项目研发了XQ-58A，这是第一款经过飞行测试的可消耗无人飞机。XQ-58A正在支持空军网络化无人机实验，并可能成为一种功能全面的无人机，除了传统的由遥控驾驶无人机执行的情报、监视、侦察（ISR）以及打击和通信支持任务外，还可以执行更广泛的任务，如电磁战和制空巡逻。未来，作为诱饵或干扰防空通信链路的低成本可消耗无人机也将提高美国空军高价值装备的生存能力。
XQ-58 A无人机
空军研究实验室和DARPA正在研发的可在有跑道或没有跑道的情况下发射和回收的低成本可消耗无人机XQ-58A，可由航空集装箱进行运输，其带有火箭助推起飞系统和其他发射所必需的设备。未来，将使用便携式的电磁飞机发射系统来发射XQ-58A。该型无人机可以在执行任务后使用制导降落伞系统进行回收，该系统可以通过安全气囊增强伞降系统，以帮助保护飞机的敏感部件免受着陆冲击，，XQ-58A完成首飞，XQ-58A与F-22、F-35A战斗机进行了首次编队飞行，标志着美军低成本无人机项目已经进入新的阶段。
低成本可移植飞机平台共享项目
低成本可移植飞机平台共享项目（LCAAPS）的近期目标是提供两种源自通用系统架构的低成本可消耗无人机的改型机，这些改型机具有独特的核心系统功能并针对执行特定任务而量身定制，类似于XQ-58A的模块化定制版。本质上，LCAAPS设想为各种低成本可消耗无人机开发一种核心系统，类似适用于不同车型的通用底盘，而低成本可消耗无人机机身可配备不同任务所需的专用设备和软件。预计这将降低低成本无人机的适航要求，使空军能够快速更新低成本可消耗无人机技术，并对不断变化的任务需求作出更快调整。
空战进化项目
美国空军与DARPA在空战进化项目（ACE）中进行密切合作 ，旨在开发自主空战所需的人工智能技术。该项目还致力于提高作战人员对空战自主性的信任，这是朝着未来有人 -无人协同作战迈出的关键一步。建立这种人机间的信任对于在未来战争中充分利用人类飞行员和人工智能机器的各自优势至关重要。8月，空战进化项目完成了阿尔法狗斗（Alpha Dog Fight）试验，证明了先进人工智能算法在近距空中的可行性 。
拒止环境下的协同作战项目
拒止环境下的协同作战项目（CODE）最初由DARPA支持，近期移交给海军航空系统司令部（NAVAIR）进行后续演示验证研究。CODE的重点是使无人机群能够在一个任务指挥官的指挥下协同作战，而不是要求每个无人机都有任务操作员。除了开发新的算法和软件来改进这种协同自主性之外，CODE还帮助创建了拒止环境下的协同作战使能系统的作战概念。CODE算法和软件的设计是为了将它们移植到国防部现有或未来的低成本可消耗无人机上，并针对不同的任务集进行定制。12月，开展了人工智能软件的自主飞行测试 。
小精灵项目
DARPA的小精灵项目正在开发一种低成本可重复使用的无人机，它可以从大型飞机（如C-130）和轰炸机上发射，类似于巡航导弹从敌方防御圈外围进行发射。这些低成本可消耗无人机可以穿透对抗区域，完成任务并撤离，然后由配备有空中牵引回收系统的C-130进行回收。C-130母舰将把回收的小精灵无人机送回远征基地，确保小精灵可以在24 h内再次出动。12月，小精灵项目完成空中第三次飞行测试，测试了小精灵无人机回收过程中的空中预对接流程，并计划于开展空中回收验证试验。
低成本可消耗无人机的优势与使用方式分析
低成本可消耗无人机的优势
低成本可消耗无人机能够有效节约成本并提升战斗力
低成本可消耗无人机的一大优势在于，由于使用寿命有限而无需基地级的维修和保养，也不需要像载人飞机那样频繁地飞行以达到训练和其他目的，这极大降低了飞行成本，节约出的预算成本可以用于采购其他高价值的武器装备。分析表明，与F-16战斗机相比，XQ-58A等低成本可消耗无人机仅需要1/5的人员和1/2的设备来操作和维护 。同时，用采购高价值有人战机的预算能够采购十倍甚至几十倍的低成本无人机，从而在有限的预算条件下尽可能多地增加装备数量，以达到执行多种任务的目的。最后，具备人工智能技术的低成本可消耗无人机可独立运行或与其他先进有人战机协同作战，这将极大扩展指挥官的进攻和防御选择。同样地，低成本可消耗无人机可与其他空中、地面和海上武器系统共享战场情报，这将进一步拓展有人装备的作战半径和感知空间，提升有人装备的战斗力 。例如，配备多种任务载荷和武器的低成本可消耗无人机可以扩大有效传感器范围，而和 F-22、F-35A战机协同使用，将大大提高杀伤半径，即使用较小数量的无人机即可覆盖更大的作战空间，并在每次出击时消灭更多的威胁 。
低成本可消耗无人机将提高空军的部署弹性
低成本可消耗无人机可以从战场前线的分散地点进行发射和回收，不受机场使用限制。而配备火箭助推组件的短距起降低成本可消耗无人机可以使用跑道、道路和其他简易区域进行起飞，这将极大提高空军的武器投射、快速部署能力和突防能力。分散部署和频繁发射的能力可以使得敌方难以快速发现、锁定跟踪并进行反击，其结果是敌方不得不投入更多的防空力量来寻找和攻击分布在战场区域内的低成本无人机，从而削弱敌方战斗力，增加敌方防御成本，使得敌方难以预计自己的打击效果，最终结果是使得己方分布式作战能力得到提升。
低成本可消耗无人机将提高作战风险承受能力和生存能力
低成本可消耗无人机的另一大优势是能够在高对抗战场环境中以可接受的风险损失水平进行空战。低成本无人机可以刺激敌方防控系统以暴露其部署位置，定位移动防空系统，阻塞防空指挥与控制节点。与有人战斗机和轰炸机相比，低成本可消耗无人机的高战损率更容易被接受。同时，部分低成本可消耗无人机的大小只相当于2～4枚GBU-39小直径炸弹，其有效载荷能力可达272～544 kg，可以作为辅助有人战斗机和轰炸机的协同远程传感器，充当指挥与控制节点执行任务，并进行电磁战，以提高其他有人装备的生存能力。此外，装备电子战设备的低成本可消耗无人机，能够与其他飞机协同作战，可以提高空军的电磁战能力，增强在对抗环境内作战的有人装备和战斗人员的生存能力 。
低成本可消耗无人机作战使用模式分析
电磁侦察
得益于模块化设计，低成本可消耗无人机可以根据战场态势进行传感器配置，以提升其电磁战能力。例如，在对抗环境中使用低成本可消耗无人机作为遥感器，以降低有人驾驶飞机的雷达反射量。带有主动或被动传感器的低成本可消耗无人机可以检测并对比收集到的情报信息，以定位防空搜索雷达以及其他的威胁，并将威胁信息转发给有人战机，从而使其能够回避威胁或直接进行攻击以压制敌方防空系统 。来自敌方通信系统和无线电发射机的辐射信号可以被协同编队的低成本可消耗无人机被动探测到，并确定威胁的位置。
诱导防空火力
低成本可消耗无人机可通过电磁辐射或其他方式探测敌方防空系统，诱使其暴露自己的位置，并使其受到压制性或毁灭性打击。另一方式是作为诱饵机使用，在电磁频谱中产生类似于高端战斗机或轰炸机的信号，迫使敌方做出反应，探测敌方的空中和地面防御，进而消耗敌方地对空和空对空武器，为有人战机或攻击类无人机的成功突防并完成任务创造时间和空间上的作战窗口 。
扩展战场态势感知能力
广泛分布在战场上的模块化低成本可消耗无人机，可以携带各种主动和被动传感器载荷，收集到的情报数据可以通过机队间空对空数据链路共享，并传送给有人机，有人机可以将信息与自己的传感器和其他装备收集的数据进行融合及对比分析 。一旦发现威胁，有人战机可以协调低成本可消耗无人机并优化其协同感知能力，然后对威胁发动攻击或向威胁区域外的远程打击系统提供高质量的目标数据，从而达到扩大制空范围并保持空中优势的目的。
协同作战与分布式进攻
低成本可消耗无人机与有人驾驶飞机配合，可以有效提高编队的整体态势感知能力和空对空武器发射能力。将装备空对空导弹的低成本可消耗无人机分布在整个战场将补充有人战斗机的有效武器载荷能力，增加其潜在攻击载体的数量，从而增加每架次攻击的目标数量 。低成本可消耗无人机还可以进行分布式进攻行动，从而使敌方的反击和防御能力不堪重负 。如果敌方不能从有人驾驶的战斗机和轰炸机中分辨出正确配置的低成本可消耗无人机，其防御挑战将更加复杂。这可能会导致敌人利用其高端防御系统打击低成本可消耗无人机，从而削弱对有人战斗机的威胁。
可以预见，一支具有人工智能的自主无人机部队，将增加作战行动的复杂性和不可预测性，这将使未来战场评估和指挥能力变得更加复杂。
发展趋势与启示建议
发展趋势
低成本无人机将改变未来战场，低成本可消耗无人机即可单独执行任务，也可通过集群模式作战，还可以作为有人/无人系统僚机使用，由于其用途的多样性，未来将围绕其作战使用开展一系列的研究，如携带不同传感器的低成本无人机集群化、网络化作战，将实现广域覆盖侦察及打击能力，极大改变战场环境。同时，由于低成本可消耗无人机将衍生新型作战模式和人机指控关系，人机权限分配将成为作战研究的重点。
由于未来战场环境具有高强度对抗、电磁环境复杂等特点，抗干扰、反诱骗、多源信息融合、人工智能等技术将成为重点发展方向，以提升低成本无人机在高威胁区域的使用和生存能力。同时，一系列模块化和开放式软件架构将提高技术创新能力，通过成熟技术的不同组合来满足不断变化的作战需求，并加快向作战人员提供新的衍生作战能力。
为进一步降低低成本可消耗无人机的复杂性和成本，将进一步提升弹性制造技术、自动装配工艺等低成本制造技术，并制定相应的标准规范。同时，着重发展模块化任务载荷和新材料，以实现战时快速大量制造和载荷的快速换装，从而实现规模化、体系化部署，提高作战效能。
启示建议
低成本可消耗无人机改变了无人机的设计和使用理念，必须重视低成本无人机技术的发展，研究相应的作战概念，从而实现装备体系的升级和跨越式发展。当前，有人军事装备的采购、维护和使用成本激增，低成本可消耗无人机则可以快速大规模生产与部署，其模块化的设计则使得它的用途更加广泛从而可以适应多种作战环境，而较低的采购与维护成本将改变现有武器装备成本高昂的局面，极大地降低装备采购、维护和使用成本。同时，还将衍生出一系列新型作战概念，提升空军战斗力与体系作战效能，从规模和性能上保持空军的传统优势。为满足未来高强度复杂对抗环境下的作战需求，必须针对低成本可消耗无人机的使用特点，研究如何将其融入现有作战体系及其集群化使用模式。同时，还应研究低成本无人机与有人装备的协同使用模式，针对不同作战场景开展装备体系设计和优化，从而提升装备性能，加速战斗力的形成，以应对未来复杂战场环境。必须针对不同应用场景研究低成本可消耗无人机的反制策略和技术，以应对未来战场出现的低成本可消耗无人机。
结束语
低成本可消耗无人机利用了人工智能和无人系统这两种最有前途的技术，是提升战斗力的一种有效且经济的手段，提高了空军在对抗环境下的作战风险承受能力、生存能力和杀伤力，将改变未来各国空军的作战方式和理念。密切跟踪与研究美军天空博格人项目和低成本可消耗无人机技术的发展，对于无人机技术发展和使用具有重要的帮助。
来源：飞机设计视界
转自：无人机
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