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变不可思议为现实——DARPA那些塑造世界的技术

发布时间:2016-01-12浏览次数:
万军态 供稿 本文不得转载
  每一天,DARPA关注的焦点都是确保其各个项目的成功。但DARPA工作的终极目标是在国家安全能力方面实现意义重大、意想不到的进步。在这方面,DARPA的记录是无可匹敌的。精确制导弹药、隐身技术、无人系统、先进ISR和红外夜视等技术,不管是单个而论,还是合在一起而言,都使美军部队的作战和打赢方式发生了卓越变化。与此同时,这些军事能力背后的赋能技术,如新材料、导航授时设备、专业化微电子、高级组网和人工智能等,为商用领域的投资奠定了基础,其影响范围已远远超出了战场,所形成的产品和服务改变了人们的生活工作方式。这些尖端商用产品和服务的影响进一步扩大,正被DARPA和美国防部其他机构用来推进美国国家安全并确保军事优势。
  下面讲述的几个成功故事,描述了DARPA一些意义最为重大的影响。每一个故事都叙述了DARPA如何启动投资,如何将所产生的技术转化为应用,以及这些技术最终又如何推动了国家安全。所有这些故事都有一个共同的主题,那就是,每一个成功都包含了无数的个人和机构,既包括公共的也包括私人的,这是对美国这个国家庞大的、充满活力的技术生态体系之重要性的写照。不过,在每一个案例中,都是DARPA进行了关键性的早期技术投入,才使得不可思议的东西变成了可能,并将貌似无法完成的目标变成了现实。
  
今天有幸在DARPA效劳的每一个人,都会努力追随前辈的足迹,打造各项有助于确保下一代未来安全的新技术。这些代表了DARPA过去所产生的重大影响的成功故事,会时刻提醒DARPA人牢记自己为什么要做这些工作,同时鞭策所有人百尺竿头更进一步。  DARPA的成功故事1:精确制导弹药
  
◆需求与机遇
  
冷战期间,苏联优越的坦克力量给驻欧美军和北约部队造成了一种严峻的常规威胁。虽然美军核武器能够为这种力量失衡提供一种紧急关头的抵御方案,但军事领导人也都承认,美军精确制导弹药(PGM)能够在苏联发动入侵之后,对第二梯次的敌军坦克构成远程外科手术式打击威胁,从而提供一种非核的抵御方案。美军在越南的军事行动,突显了对制导弹药或“智能武器”的需求,以便以更小的附带损伤、更加精确地打击目标。具有更大精准度的弹药,能够专门瞄准基础设施目标,例如可以隔离部队的桥梁,以及雷达和综合防空系统、指挥控制中心和机场等。此外,如果弹药在发射之后能够自我引导,就能从更远的距离上进行发射,从而降低对飞行员和飞机的风险。更近一个时期以来,为了应对美军精确制导弹药的不断胜利,对手们改变了他们的战术,包括在城区环境下更多地运用分散的作战人员,从而对美军弹药的精准度提出了更高的要求。今天,随着作战空间和敌人变得越来越分散、越来越难以捕捉,对精确制导弹药的需求之大前所未有。
  
◆解决方案

  DARPA对于精确制导弹药的贡献,可追溯到20世纪6O年代和70年代早期对激光、光电传感器、微电子、数据处理器和雷达等一系列技术的研究工作,这些技术最终成为了首批精确系统的关键组件。1978年,DARPA将其中的多项研究工作并入其“破袭者”项目之下,经过4年的时间,为最终投入野战应用并大获成功的几种智能武器系统奠定了技术基础,其中包括:联合监视目标攻击雷型系统(JSTARS),该系统将精确制导弹药与DARPA支持研发的先进ISR系统集成在了一起;“全球鹰”无人机;一种带有末段制导弹药的空军空对出导弹;远程、快速反应、地对地的陆军战术导弹系统,其功能特征包括可有效打击移动目标和其他目标的全天候、昼/夜能力;卓越的反装甲坦克(BAT)子弹药,可使用飞翼上的声学传感器来探测并瞄准目标坦克。
  
DARPA在20世纪80年代为实现精确制导药微型接收机所做的开创性研究,再加上其研发的惯性导航能力的进步,通过“附加型”联合直:攻击弹药(JDAM)GPS套件等创新成果,使美国国家精确制导弹药的武器库进一步扩大。“附加型”JDAM GPS套件,给其他无制导弹药或激光制导弹药带来了高精确的新能力。这些研发成果的关键是通过DARPA的单片微波集成电路项目而开发的砷化镓芯片,该项目还实现了精确武器中所需的射频和毫米波电路。
  
通过其20世纪70年代中后期的“坦克破解者”项目,DARPA在开发那些最终发展成自导反装甲“标枪”导弹系统的概念和技术方面,发挥了重要作用。DARPA做了大量的努力,将红外成像阵列纳入了“标枪”的设计之中,尤其是二维阵列,最终在该型导弹的寻的装置中发挥了卓有成效的作用。此外,对“标枪”系统的成功至关重要的焦平面阵列所使用的交流电源,也是由DARPA资助研发的。
  
DARPA还帮助实现了其他一些现代化弹药,包括先进中程空对空导弹(AMRAAM)、传感器定时武器,以及管射光学跟踪线导反坦克导弹和先进巡航导弹。
  
◆影响与冲击
  
越来越精确的制导武器的开发和运用,使得美军部队能够从更远的距离、以更高的成功概率,攻击并消灭更棘手的目标。这些能力推动了美国在冷战期间、海湾战争中以及近期的战略,因为美军部队不得不与那些没那么集中而又更易于逃脱的敌人奋战。简言之,飞行员过去常说的是每目标批次,而现在说的则是每批次目标个数。
  
例如,在20世纪90年代发生在伊拉克和巴尔干地区的作战行动中,精确制导弹药就证明了这些新技术在连续的、高度有效的外科手术式打击中的有效性,主要包括巡航导弹和激光制导弹药。通过提高成功打击目标的可靠性以及最大程度地降低美军部队损失及目标周围附带损毁的风险,精确武器在这些冲突交战中为美国领导人提供了更广泛的外交政策和军事选项。
  
特别是在伊拉克,DARPA所实现的精确制导弹药能力,包括初次在战斗中崭露头角的“标枪”系统,证明了其可发挥的关键作用。在冲突早期,精确打击摧毁了伊拉克的一体化防空系统,以及敌军的地面部队和地面上的飞机。而且在整个战役期间,与DARPA直接密不可分的增强型GPS能力,如JDAM,对美军精确有效地打击关键固定目标起到了重要作用。
  
DARPA所研发的精确制导弹药技术的后续改进和应用,对美军在阿富汗的作战优势做出了显著贡献,使美军飞机得以为地面部队提供了多批次高度有效的近空支援。
  
◆转化与应用
  
DARPA研发的精确制导弹药技术,已转化应用到了美国海军、陆军、空军和海军陆战队。
  
◆未来发展
  
DARPA正在与海军研究办公室共同合作,加快开发部署远程反舰导弹(LRASM)。这种精确制导反舰导弹,旨在满足不断增长的从远距离防区外突破敌方先进防空系统的能力需求。LRASM以成功的联合空对面防区外导弹增程(JASSM-ER)系统为基础,旨在降低电子战环境下对于ISR平台、网络链路和尖端外部导航的依赖性。
  
此外,DARPA的持久近空支援项目已开发出改进型的商用设备,使得地面上的战术用户能够请求打击空中投射的精确制导弹药。目前,这个与海军共同投资开发目标打击工具的项目,正在证明其在战场上的极度有益性,进一步的改造和改进也在开发之中。  DARPA的成功故事2:隐形
  
◆需求与机遇
  
到了20世纪70年代早期,美国的军事优势受到了威胁,战略选项也因高级防空导弹系统的问世而受到了危险性地挤压。这些一体化防御系统包括雷达引导的面对空导弹(SAM),以及配有雷达引导导弹并与预警、目标捕获和目标打击雷达联网,且通过先进指挥控制网络与现代战斗机进行协同。在遭受了此类系统在越南造成的严重损失后,美国开始寻求能够突破敌一体化防空系统并对这些系统的关键节点实施攻击的手段,以便能够快速运用美国的空中力量来打击防护严密的敌方目标,并确保美军的制空权。
  
◆解决方案
  
DARPA对几项研发性的战略和技术进行了综合探索,以降低为打击敌方目标而部署的美军飞机的雷达探测概率,否则这些飞机极易受到攻击。
  
20世纪70年代中期,作为这项努力的一个初步综合产品,DARPA研发并验证了全球第一架具备实战能力的隐身飞机“拥有蓝天(Have B1ue)”,这得益于新的设计概念、新的雷达截面预测工具、新的材料以及最终的新战术。“拥有蓝天”直接促成了美国空军对F-117隐形战斗机的采购。
  
20世纪70年代中后期和80年代早期,DARPA研发并验证了第一架装备雷达的隐形飞机“寂默蓝天(Tacit B1ue)”。该飞机验证了在威胁频率中操作雷达并保持足够小的雷达截面的能力,以实现对高价值目标的追击。该项目奠定了美国空军B-2隐形轰炸机的基础。
  
在DARPA研发的低发现概率关键技术中,包括可减小雷达截面的曲面、雷达吸波材料、红外屏蔽、散热、减少可视特征、低截获概率雷达、入口屏蔽、排气冷却和调整、挡风涂层和计算能力。
  
◆影响与冲击
  
装备了隐形设计和技术的美军部队,很快就攻克了敌方部队的防空,并摧毁了伊拉克(1991年的“沙漠风暴”和2003年的“伊拉克自由”行动)、阿富汗(2001年的“持久自由”行动)和利比亚(2011年)境内的关键目标,对改变这些战争的形态和前景起到了决定性作用。隐形技术在这些成功任务中所做出的重要贡献得到了其他技术的补充,而且也依赖于国防部对于其他技术的使用,其中包括DARPA所实现的、由隐形和非隐形飞机部署的精确制导弹药,从而得以更加精确地打击目标,同时可以最大程度地降低附带损毁。今天,美国的对手尽管在尖端的网络化防空系统方面进行了巨大投人,但其抵御美军隐形作战力量夜间空袭的手段方法还非常有限。
  
整个射频频谱上的信号管理,已成为美空军几代战斗机(包括F-117、B-2、F-22和F-35)的一个重要设计特征,而且也已成为业界研发关注的一大焦点。隐形技术还被广泛应用于多种武器系统和军事平台,包括导弹、直升机、地面车辆和舰艇,包括实验用的“海影”隐形舰和海军的DDG 1000驱逐舰。
  
◆转化与应用
  
DARPA研发的隐形技术已在空军的几种战斗机和轰炸机上实现了应用转化。在“拥有蓝天”和“寂默蓝天”中,DARPA都与空军的采办和作战机构及完成人,特别是洛克希德公司和诺斯罗普公司,进行了密切合作,使其能够将概念迅速转化为产品。
  
◆未来发展
  
现在,对手正通过分层式的纵深一体化防空系统以及利用所认定的其他漏洞,力图夺走美国的隐形优势。DARPA将继续探索潜在的突破性技术,以便扩大延伸美国武器库发动战略突袭的能力。
  
DARPA的成功故事3:无人机
  
◆需求与机遇
  
无论是情报监视侦察、战斗损毁评估、地面或海上力量支援,还是空中打击任务,空域对于国家安全来说都是至关重要的。飞行本身就有风险,而对抗环境下的飞行风险更甚。因此,几十年来,美国防部一直在努力获取能力空前强大的无人机(UAV),以增强其空中资产。
  
随着技术的进步,无人机的任务能力包以及战术条件下的作战距离也已逐渐扩大。不过,随着无人机系统能力的发展,对这些资产的战略需求也已持续增加。今天,依然迫切需要具备下述功能的无人机系统:比当前的机型更加可靠;拥有更大的距离、载荷和续航力;具备能够在对抗环境下运行的改进型通信链路;而且能够执行更多的战术作战任务,可支持系统之系统体系结构。
  
◆解决方案
  
自20世纪60年代以来,DARPA一直在投资研发无人机。当时,使用无人机的概念在军事圈内引起了广泛的质疑。DARPA的前瞻视野以及对无人机的持续关注,包括对于结构、推力、制导、传感器、通信和自主性的研究,帮助推动了无人机领域的一场革命,这场革命一直持续到今天。
  
1962年,DARPA开创了早期的无人垂直起降(VTOL)技术,并与海军合作开发QH-50“雄蜂”反潜直升机(DASH)。该平台能够携带反潜鱼雷,使得驱逐舰能够攻击敌方潜艇,打击距离远远超过了其反潜火箭。后来,针对在越南的ISR任务,DASH又配备了电视摄像机,那里的美军部队亲切地称它为“史努比(窥探者)”。
  
20世纪70年代,DARPA启动了“野鸭雨”工程,重点改进无人机的引擎性能和设计,还启动了Praeire和Ca1ere项目,验证了其在作战要求的持续时间内携带相当数量有效载荷的能力。同时,DARPA还开始为海军研制其首个小型隐形遥控驾驶飞机(RPV)。20世纪70年代后期,DARPA又资助了无人机上使用的小型机载传感器技术的研发,包括微型稳定系统、运动目标指示器、雷达和抗干扰数据链路,所有这些都促进了平台生存能力和作战距离的提高。
  
20世纪80年代,DARPA支持研发了“琥珀”长航时无人机,其组件后来被“蚊虫(Gnat)”和MQ-1“捕食者”采用,进而推动了MQ-9“收割者”ISR和打击平台的开发。这一时期,DARPA的投资还为“神鹰(CONDOR)”飞行测试项目提供了支持,该项目验证了增强型无人机的ISR能力。
  
20世纪90年代,DARPA主持开发了RQ-4“全球鹰”,全球首个、也是唯一成功用于实战的高空长航时ISR无人机,在伊拉克、阿富汗及全球其他作战区域得到了广泛应用。1996年,DARPA启动了其微航空器(MAV)项目,重点关注可侦察局部地形的更小型无人机系统。T-Hawk无人机就是这项工作的诸多成果之一,其垂直起降导流风扇直径13英寸,配有视频摄像机和红外传感器,用于搜查伊拉克的路边炸弹和执行其他ISR任务。  DARPA微航空器项目的另一个产品是“黄蜂(Wasp)”,其特点包括固定翼翼展仅16英寸、重量不到1磅,而且能够以20-40英里的时速飞行1个小时。Wasp可装在背包内,易于用手发射,其安静的推进系统能够在开阔环境及城区环境下,实现班一级按需实时侦察能力。
  
21世纪初,DARPA启动了无人战斗机验证项目,以推进协作型任务规划、航空器自主性和有人-无人组合作战概念。通过海军和空军提供的输入信息,该项目演变成了联合无人空战系统项目,进而生产了海军用于航母作战的X-47B无人空战航空器验证机,目前已在美军航母上完成了多个“首次”验证。

  2005年,DARPA在其“纳航空器”项目下,再次将无人机的发展推向了极限,开发了基于扑翼、外观像蜂鸟的盘旋系统,可执行室内和室外ISR任务。这些系统的特征包括翼展仅6英寸、重量不到1盎司,首次验证了任何携带自身能源并且只使用扑翼实现推进和控制的飞行器系统的可控盘旋和快速前飞能力。
  
同样是在这一时期,DARPA还为增程型无人垂直起降作战铺平了道路,主持开发了另一种“蜂鸟”,即A-160长航时高速无人直升机,连续飞行了18.7小时,创下了该重量级无人机续航能力的世界纪录。
  
◆影响与冲击
  
DARPA的无人机创新和技术转化工作,使ISR任务发生了革命性的变化,不仅确保了美国防部的制空权,而且确保了美国防部和其他机构的制信息权。作为DARPA这些努力的一个直接结果,装有ISR载荷的无人机如今能够在空前的高度上实现更长时间的作战,同时还可收集数量空前的数据,为在全世界的作战行动提供高清晰图像。同时,DARPA研发的技术也使得无人机操作员更容易使用这些重要的战场资产。例如,Wasp中的尖端GPS和微微型自主驾驶功能,使得很小型的飞机第一次能够自我飞行,这样,无人机的操作人员就能够把注意力聚焦在任务以及收集必不可少的战术图像上。2008年,Wasp成为美军为支持备案项目而采用的首个微航空器。
  
在DARPA所持续关注的工作如何能够支持多代独特技术的进步方面,无人机提供了一个绝佳的例子,其中每一代技术都促成了各自新的能力和实用转化机遇。从早期在越南上空的无人机,到20世纪90年代为支持联合国维和任务而提供关于波斯尼亚火炮位置的情报和目标捕获信息的更加先进的无人机,再到更近一些在阿富汗和伊拉克执行ISR、目标捕获、打击和损毁评估任务的无人机,DARPA所研发的无人机技术已经证明了其对美国军事效能和国家安全的至关重要性。
  
此外,无人机也已成为国防部外巨大的企业创造力和投资关注的重点,推动了民用商用市场的发展。事实上,无人机如今已成为航空航天行业发展最快的一个部分,也是对DARPA传统投资的一个明证。除了执法和公共安全机构外,商业公司也在开发相关的无人机概念和计划,以帮助实现电力线监测、农作物评估、森林野火探查、采矿、伐木以及远程通信链路提供――好莱坞及相关娱乐行业对无人机的早期采用,就更不用说了。
  
◆转化与应用
  
DARPA的无人机及与无人机相关的技术,已转化应用到了空军、海军和陆军,而且如上所述,已成为美国防部不可或缺的重要工具。
  
◆未来发展
  
军事和国家安全需求,将会需要更多、更多样化的无人机能力,而且随着无人机的继续激增,还将需要对其任务进行管理的技术。DARPA当前的很多项目都具有进一步拓展无人机性能能力的潜力,包括那些与空气及非空气推进概念、先进旋翼创新、热管理、制导、导航、飞行控制、传感器和先进载荷有关的技术开发项目。DARPA的其他项目正在解决可对无人机和相关ISR平台所收集的及所要求的巨量数据进行更好管理和处理的需求。
  
DARPA还在解决这样一个事实,即今天的大多数无人机都需要带有很长跑道的地面基地或者航空母舰,才能实现起飞和降落,这些要求会带来沉重的财政、外交和安全负担,与快速反应能力相冲突。DARPA与海军的一项联合工作,即战术运用侦察节点(Tern)项目,设想使用小型舰艇作为中空长航时固定翼无人机的移动发射回收站,甚至是在波涛汹涌的海面上。
  
DARPA还设想通过其空中可再配置嵌入式系统(ARES)项目,消除机务人员在危险艰苦地形上执行发射任务的风险。该项目预计将开发一种能够抓起、发射并投放传感器套件、重要补给和战斗装备等模块化载荷的垂直起降无人机。
  
DARPA的成功故事4:情报、监视与侦察技术
  
◆需求与机遇
  
了解对手的决心和能力以及在任何条件下、任何时间、任何地点识别目标的能力,对于国家安全至关重要,而且可在很大程度上通过一套众所周知的情报、监视与侦察(ISR)活动来实现。冷战时期,对制ISR权的需求根源于战术力量上的一种失衡:苏联军队在火炮、装甲和人力上的数量优势,显著超过了美军和北约部队。卓越的ISR能力,成为了美国及其盟友制衡这种不对称性的一种手段。苏联解体后的几十年来,美军对尖端ISR技术的需求有增无减,以缓解来自其他国家政府的威胁,并抵消队伍越来越壮大的非政府叛乱分子和恐怖团伙所享有的战术优势,包括在平民中藏匿的能力。
  
◆解决方案
  
在冷战时的几十年间,DARPA开发了一系列空前先进的能力,帮助确保了美国ISR能力世界第一的地位。例如,在20世纪70年代,为了对抗苏联的威胁,DARPA启动了其“铺路机”目标捕获武器投射雷达项目,通过该项目开发了一种移动目标指示雷达,能够从背景信号中辨识缓慢移动的目标。1978年,DARPA将“铺路机”和相关技术集成到了“破袭者”项目中,使得美军远程打击资产能够使用DARPA研发的机载侦察和制导技术,攻击敌领土纵深内的装甲力量。除了这些高级雷达系统外,这些技术还包括前沿性的光电传感器,以及能够使这些系统协同工作的数据链路。
  
其中一些技术后来经过改进,纳入到了更加现代化的系统和平台中,其中包括20世纪80年代的JSTARS空军作战管理与指挥控制飞机,这种飞机能够跟踪地面车辆,并将图像转发给战区指挥官。后来,车辆及车下采集雷达(VADER)吊舱的使用,不仅能够跟踪车辆,而且能够跟踪下车人员。

  为了从“破袭者”项目所开发的雷达以及更高级的战术雷达中挖掘更大的军事价值,DARPA启动了3项倡议:运动目标采集、可负担的水面运动目标交战及NetTrack(“网络跟踪”)项目。这些工作所产生的软件工具,能够引导高精确弹药,识别广泛地域上的细微活动模式,包括机动式导弹等低剖面威胁的活动模式。