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美國國防部實驗室日:陸海空三軍項目縱覽

美國國防部實驗室日:陸海空三軍項目縱覽

美國國防部實驗室日

2017年5月18日,美國國防部舉辦第二屆主題為「解決當下問題,設計未來方案」的實驗室日,美軍63家國防實驗室和工程中心展示了80餘項創新性成果。實驗室日被稱為「美國軍方的科學大會」,每兩年舉辦一次。首屆國防部實驗室日於2015年5月舉行。美國國防部負責研究和工程的副部長米勒在開幕式上表示,國防實驗室既幫助滿足當前緊急作戰需求,也確保美軍未來的絕對優勢,還為聯合部隊提供跨所有作戰域的基礎性能力。國防實驗室推動的基礎性能力包括生化防禦、戰鬥部署、空間機器人、情報監視偵察能力、地面和空中主被動防禦系統等。從此次展示成果看,人工智慧、生物交叉及定向能技術等是美軍當前研究的重點。這些技術面向未來作戰需求,可能改變未來作戰的「遊戲規則」。本期《軍事文摘》帶您一起走進美國國防部實驗室日,一起窺探未來玄機。

著眼大國對抗 陸軍項目展示

作者:王璐菲

近20年來,美國陸軍一直在與中東敵國對抗,而美國的這些中東敵國在技術上不太成熟。據戰略與國際研究中心2017年5月發布的美國陸軍現代化報告顯示,美國陸軍的技術在某種程度上落後於競爭國家。美國陸軍與技術不成熟的敵人戰鬥近20年之後,必須重新調整對抗和俄羅斯的戰略。美國陸軍研究實驗室主任菲利普·佩爾孔蒂表示,美國陸軍正將更多的注意力轉向技術更先進的對手。

美國陸軍將要在哪些裝備和技術領域投入巨大資源,以擴大和競爭對手的差距,讓我們循著美國國防部實驗室日美國陸軍的展示項目,一窺美國陸軍未來裝備和技術發展端倪。美國陸軍研究實驗室重點展示了人工智慧、能源與激光、生物交叉等前沿技術領域的進展。

自主系統與人工智慧

微型自主系統與技術(MAST) MAST的作戰構想是:當部隊在城市和其他複雜環境作戰時,微型自主機器人將先期執行情報、監視與偵察任務,配合士兵或班組的作戰行動。微型自主系統將用於室內、戶外或地下系統等無法獲得GPS信號、無法預先獲得地圖或可靠通信地區的作戰。這些自主機器人系統還應適應作戰節奏開展協同作戰,以應對環境中的不確定性,並能進行自身狀態評估,以最大限度協助士兵作戰。

該項目研究的關鍵技術領域包括:機動性、控制與動力學;感知、探測與處理;通信、網路化與協同。該項目取得的主要進展包括:縮短了快速部署自主系統所需時間;提升了在日益複雜環境中的作戰能力;極大降低了士兵所需攜帶的攜帶型自主系統的規模;演示驗證了異構系統協同行為;具有強大的抗陣風及機動與控制能力,可完成穩健有力的動作,如可在多種環境下棲息停留和回收;針對用於微型自主系統可擴展、高度機動飛行平台的模擬工具,驗證並提升了基於計算流體力學模擬工具的先進性;發掘並實現了多種仿生學方法,可提高在複雜地形中的效率和機動性。

實驗室增強現實技術下的飛機視圖

戰術增強現實 增強現實技術是一種新興計算機應用和人機交互技術,能將虛擬對象與真實場景融為一體。增強現實技術由虛擬現實技術發展而來,與虛擬現實技術的聯繫非常緊密。虛擬現實看到的場景和人物全是虛擬的,重點是將人的感官帶入一個虛擬世界。而增強現實看到的場景和人物則部分真實、部分虛擬,是把虛擬的信息帶入到現實世界中。虛擬現實系統需要巨大運算能力的支持才能展示出沉浸式場景,且逼真程度無法達到與人感官能力完美匹配的程度;增強現實技術則是在充分利用真實環境的基礎上,疊加虛擬信息(物體、圖片、視頻、聲音等),從而大幅降低了對計算機圖形能力的要求。

未來戰術增強現實系統概念上圖

戰術增強現實系統通過安裝在士兵頭盔上的眼鏡與單兵可穿戴計算機和定位系統保持無線聯繫,可顯示當前地圖信息、即時目標信息及當前位置的GPS跟蹤數據。戰術增強現實系統將徹底改變士兵觀察和理解戰場的方式,使士兵在戰場的所有作戰元素之間獲得通用作戰圖。戰術增強現實提供的感測器圖像集成了地圖、導航和3D模型,極大增強了作戰機動性和火力。這些技術將使美軍作戰人員能夠在部隊規模和作戰節奏相比對手處於劣勢的情況下,取得相對於敵方的不對稱作戰優勢。

未來戰術增強現實系統概念下圖

能源技術

下車士兵電源 當前電力生成方案難以滿足下車士兵在遠征作戰行動中獲得多日自我維持的能力,士兵需要攜帶大量不同類型的電池,增加了士兵的後勤保障負擔。此次實驗室日展示了創新的攜帶型電源解決方案,並簡要介紹了一些領域的最新進展,主要包括:分散式電力系統的控制標準和架構;電源管理的能量預測應用和優化工具;無線電力傳輸。這些解決方案將確保可再生能源技術的有效應用和臨時部署,最大程度地減少電力浪費,並顯著減少作戰人員執行作戰任務所需攜帶的電池類型、數量和重量。

這些新電力技術將確保遠程下車士兵或遠征基地營地在野外嚴酷的作戰條件下繼續維持其電力供應,進而提高其戰備能力,並減輕對保障電力和能量所需後勤保障的依賴性。此次展出的攜帶型電力和能量技術包括:可穿戴式電源(電池和燃料電池)、能量收集裝置(高效太陽能電池板和動力組件)及智能電源管理系統等。

反介入/區域拒止技術

美陸軍工程研究與發展中心正在與美空軍、陸軍、海軍陸戰隊、國防部長辦公室、作戰司令部和運輸司令部合作,以解決阻礙規劃人員、分析人員和作戰人員能力的重大挑戰,從而在反介入/區域拒止環境中佔據優勢。

陸軍工程研究與發展中心研究通過發展先進的工程技術,實現反介入/區域拒止環境中的兵力投送,粉碎敵方拒止美軍進入戰區的企圖,並保障在整個戰場的機動性。相關技術包括:可快速評估受損港口/碼頭設施的無人水面艇;在兩棲登陸之前進行近岸沿海偵察的低成本無人機;在激烈對抗戰區中保障陸軍航空兵和空軍作戰的受損機場修復技術;用於無人機起落跑道、直升機著陸區和岸上後勤保障的地形平整裝置;使用次聲波對關鍵資產和橋樑狀況進行遠程監測;對河流流量和流速進行15天預報,為架橋任務規劃提供信息支持;供作戰工程師偵察、評估和規劃而使用的戰場感測器;供遠程基礎設施評估和戰略層面規劃人員使用的決策支持工具。

醫療領域

I-Portal攜帶型評估系統 該系統顯示器是一種連接到計算機程序的虛擬現實頭戴式裝置,該裝置可讀取一系列眼球運動路徑,以確定受試者是否具有持續的創傷性腦損傷,並在相連的計算機屏幕上顯示結果(包括受試者的眼球運動)。該產品由美陸軍醫學研究與裝備司令部「戰鬥傷亡護理研究項目」和位於賓夕法尼亞州匹茲堡的神經動力學公司聯合研發。陸軍希望利用該技術具備實時診斷顱腦損傷的能力,對戰場內外的作戰人員進行更為準確及時的顱腦損傷診斷。美國防部已證實,自2000年以來,美軍各軍兵種共有超過35萬個創傷性腦損傷案例。鑒於這種情況,研發一種可快速準確診斷顱腦損傷的非創傷性工具,對在未來保證美軍作戰人員的持續健康至關重要。

戰士負傷評估模擬假人(WIAMan) WIAMan是世界首款用於身體下方爆炸測試的毀傷試驗假人。WIAMan擬人試驗裝置專為軍用實彈射擊試驗與鑒定的目的研製,並計劃於2018年交付具有全部功能的原型。WIAMan模擬假人複製了當前男性作戰人員50%的部分,是最耐用的戰區威脅類人形測試負載模型。該模型複雜的生物模擬度和穩健感測器設計,在確定新型車輛系統中爆炸對士兵潛在毀傷效應方面,具有無可比擬的精確性。WIAMan模擬假人對作戰人員的戰備水平至關重要,具體體現在以下幾個方面:優化和改進地面車輛系統防護能力和生存能力;評估身體下方爆炸對重要任務影響;量化作戰人員風險,為車輛和人員防護裝備設計提供數據支持,從而減低在行動中犧牲的作戰人員的數量、提高作戰人員的生活品質等。通過政府、工業部門和學術界開展合作將會獲得全面的WIAMan能力,包括擬人試驗裝置、有限元素模型、基於軟體的損傷庫和分析技術。除Hybrid III(在20世紀70年代由汽車工業部門研發的傳統毀傷試驗模型)外,WIAMan展覽將提供觀看和觸摸WIAMan試驗模型、觀看WIAMan有限元素模型視頻、利用WIAMan和 Hybrid III模型開展身體下方爆炸試驗的視頻以及檢查由於身體下方爆炸造成的樣本傷害的3D列印圖片。

實驗室日期間,遊客參觀由美國陸軍研發的抗爆炸物士兵裝備

輕型外骨骼 第三隻手臂—用於武器穩定的輕型外骨骼是美國陸軍研究實驗室正在開發的一種可穿戴的外骨骼設備。「第三支手臂」可與防彈背心前面或後面的模塊化輕型承重裝備織物相連,或作為一個插件放入裝甲板防護衣袋中,平衡部分武器和其他工具的重量。「第三隻手臂」連接到步槍頂部的皮卡汀尼導軌上,可適用於各種武器。通過採用一種簡單的彈簧元件,該設備能將重量重新分配至士兵身體上,實現武器或工具的完全再平衡。這種配置可使用戶攜帶和操作各種武器和工具,以及在非常規瞄準姿勢(如有遮蔽的情況下)下對步槍進行單手操作。「第三隻手臂」主要由高強度輕型碳纖維複合材料製造,樣機重量不到1.8千克。

隨著武器殺傷力的增強,其重量、后坐力、噪音也逐漸增加。通過使用輕型設備(如外骨骼)來穩定武器,可進一步增強輕武器的殺傷能力。因為外骨骼重新分配了額外的重量和后坐力,士兵可以更長時間、更穩定地握持武器,也可以使用威力更大的武器。「第三隻手臂」可以提高瞄準精度並減輕士兵的疲勞,尤其適用於行進間射擊以及建築物內無依託射擊的作戰場景。

定向能技術

高能激光技術開發與演示驗證 隨著二極體泵浦激光技術的進步,車載固態高能激光武器系統用於實戰更具可行性。陸軍空間與導彈防禦司令部正在開發高能激光戰術車輛演示器原型系統,以滿足「間瞄火力防護能力增量2-攔截」(IFPC Inc2-I)系統的需求。IFPC系統旨在保護作戰人員免遭來自火箭彈、炮彈和迫擊炮以及無人機的威脅。美國陸軍計劃研製100千瓦級車載激光器演示驗證系統,2022財年將演示驗證反火炮、迫擊炮和反無人機系統能力。目前,高能激光移動試驗車(一種基於斯瑞克戰車的高能激光器系統),已演示驗證了10千瓦激光系統在相關環境中反小型迫擊炮彈和無人機系統的能力。2017年底,高能激光移動試驗車將集成50千瓦級的激光器,並將在2018財年末進行反火炮和迫擊炮、無人機系統演示驗證。

聚焦海洋制勝 海軍項目縱覽

作者:方 勇

2017年5月17日,美國海軍作戰部長約翰·理查德森簽發了《未來海軍》白皮書。白皮書中指出,面對嚴峻的挑戰,美海軍將連同美軍其他軍種、合作夥伴以及盟國做好準備來應對不斷變化的競爭環境和競爭對手。複雜性和節奏對於快速響應能力非常重要,在這方面海軍通過前沿軍事存在以及在國際水域的自由行動已經有所建樹。美海軍及其他相關機構在過去一年就未來海軍艦隊開展了多項研究,得出了一致結論:美國需要一支強大的海軍,艦船規模約為350艘;還需要採用新型技術和新型作戰概念。美國海軍在美國國防部實驗室日的展示正透露著這些應對未來威脅的舉措。

海軍研究實驗室重點展示了電子戰與通信、定向能武器、醫療等領域的技術進展。

電子戰與通信

自適應及可重構射頻技術 鑒於海軍平台從射頻到毫米波系統頻譜使用概率日益提高,加之 假想敵在這些頻率範圍對抗能力日益增強,未來海軍的無線電收發機在使用電磁頻譜時必須具備很強的機動性及抗干擾能力。維持電磁頻譜持續優勢要求無線電收發機具備在各種運行模式下的快速切換能力,同時減輕共址及對抗性干擾。

自適應及可重新配置射頻技術

為實現這一目標,海軍研究實驗室正在為未來海軍系統研發新的轉換器、限制器及濾波器技術。這些轉換器使用基於硫族化物的相變材料,此類材料能在非晶相和晶相之間實現熱驅動、可逆和非易失性轉變,顯著改變材料電子及光學特性。

這些轉換器可以在低溫、毫米波頻率範圍工作,具備在輻射環境下性能不易降低的特點。此外,海軍研究實驗室正在研發相關技術,協同設計濾波器及模擬電子器件。這些技術能促成可重新配置濾波器及多路復用器,可自主應對干擾,無需任何控制信號或對頻譜進行數字化處理,使未來的無線電收發機能在對抗性頻譜環境下更優化地運行。

低成本超寬頻相控陣天線 超寬頻相控陣天線能通過使用創新性低成本、高性能組件,顯著節約成本。其他優點還包括:節省艦船建造成本、維持跟蹤低高度可觀測物體的穩定性、降低艦船目標特徵信號等。

超寬頻相控陣天線

無人機多輸入多輸出毫米波機載雷達 該雷達採用一種為低成本無人機三維感知而進行優化的不規則陣列天線拓撲結構。該天線陣列包含相對較少數量的傳輸和接收子陣列,不同陣列的尺寸差距較大。這些陣列天線能夠在維持足夠掃描能力的同時,具備全向高增益特性。同時,可用於無人機目標識別、感知與歸避、末段導航、地面偵察等。

塵埃等離子體 塵埃等離子體是一種帶電塵埃顆粒,天然存在於大氣層中間層,能改進高超聲速、再入飛行器及GPS導航能力。針對高超聲速飛行器及再入飛行器再入大氣層、進入「黑障」區后通信中斷問題,動態的塵埃等離子體有潛力為高超聲速及再入飛行器開闢中斷的通信渠道,也有助於理解3D列印過程中的電中和問題。

納衛星的快速研發、集成和測試 納衛星長不到0.3米,重不足11.34千克。最常見的一種形式是立方體衛星。立方體衛星的每個邊長10厘米,重量不足1千克。這種大小的立方體衛星稱為一個單位或「1U」,研究人員還研發出了更大版本。目前最常見的是「3U」版本,許多機構正在建造6U甚至更大的立方體衛星。

在較大衛星任務有備用空間時,納衛星會被發射進入軌道,這與搭乘有空餘位置的航班情況類似。一旦負責主要太空任務的載荷與運載火箭分離,納衛星就會從一個裝有彈簧的發射筒中彈出部署。2013年和2014年,美國共發射100多顆納米衛星,學術、商業和軍事機構正在研發數以百計的納米衛星。

美國太空與海戰系統中心太平洋分部正在開發一種名為「納米衛星測試和集成加速能力」的納米衛星集成能力,將納米衛星匯流排與軍用專用保密有效載荷集成,為作戰人員提供快速響應的太空能力,應對太空領域日益嚴重的信息優勢威脅。

定向能武器技術

高能激光武器 高能激光武器是一種毀傷機制迥異於傳統動能武器的新興武器。既可以為海軍平台對抗很多水面、空中威脅、未來反艦巡航導彈及小艇集群,提供高效、經濟可承受的防禦能力;也可以在對抗高密度、低價值目標方面,為造價高昂的導彈提供有效補充。2014年9月,美國海軍首次在龐塞號驅逐艦上部署海上激光武器系統(LaWs)樣機。LaWs採用新一代光纖激光器作為主光源,由6套非相干光束合成,功率達33千瓦。在LaWs樣機的基礎上,美國海軍正在開展高功率固體激光武器樣機項目研究工作,旨在開發150千瓦功率、可裝備於多種水面艦艇的激光武器。該高功率固體激光武器將安裝在現役阿利·伯克級驅逐艦上進行試驗。

海軍電磁導軌炮 電磁導軌炮是一種利用電取代化學推進劑的遠程射彈發射武器。高電流產生的磁場會加速兩根鋼軌之間的滑動金屬導體或者電樞,以7200千米/小時的速度發射射彈。美國海軍2001年啟動電磁導軌炮項目第一階段研究,2005年啟動電磁軌道炮「創新性海軍原型」項目。2010年底,90毫米電磁導軌炮實驗室樣炮試射了10.4千克重的長方形鋼製彈丸,彈丸初速2500米/秒,炮口動能33兆焦,實現了預期目標。2012年,兩門實驗室單發電磁導軌炮樣炮通過射擊試驗,如期完成海軍電磁導軌炮項目第一階段研製工作。2013年開始,海軍電磁導軌炮項目研製進入第二階段。2014年7月初,兩門樣炮裝在艦艇上進行了展示。目前,電磁導軌炮要實現工程化應用還需攻克以下關鍵技術:可重複發射的發射裝置,高強度、耐腐蝕的導軌技術,先進能源系統及可快速充電、能支持重複發射的小型化脈衝電源技術,抗高過載彈丸技術與抗燒蝕電樞等。

美國海軍電磁軌道炮樣機

生化防禦與醫療領域

生物防禦研究局機動實驗室 自1991年以來,美海軍醫療研究中心生物防禦研究局機動實驗室的科學家們一直在尋求生化襲擊時保護軍事人員的方法。生物防禦研究局機動實驗室團隊成員領導著手持式檢測、分子診斷和驗證性因素分析等探測領域。實驗室成功研製出可在戰場上進行分子檢測的首個機動式實驗室。

生物防禦研究局機動實驗室

這種獨特的實驗室支持軍事人員快速執行驗證性實驗,檢測當前是否存在生物製劑。攜帶型實驗室曾在「沙漠風暴」和「沙漠盾牌」行動中部署,「伊拉克自由」行動中也曾部署過類似的設備。攜帶型實驗室重量約為450千克,需要配置3名工作人員。實驗室可搬到商業航班上工作,只需要汽油和機油即可運轉。這種攜帶型實驗室所能容納的儲備足以檢測150個樣品的聚合酶鏈反應和酶聯免疫吸附測定。實驗室還配置了針對人員、發電機、冰箱、現場照明和現場不間斷電源的防護裝置。生物防禦研究局機動實驗室的研究人員研發了小型手持式檢測分析儀,可在15分鐘內鑒別炭疽病等常見的生物威脅。這些檢測被生物防衛聯合方案辦公室選定為在戰場上鑒定生物恐怖製劑的標準檢測。

他們還研發了基於實時聚合酶鏈反應診斷的確認檢測,這些確認檢測以特定生物製劑DNA序列為基礎。確認檢測的最後步驟是最終結果檢測,可事後在美海軍醫療研究中心完成檢測。

量化輕度創傷性腦損傷 為理解爆炸作戰環境,改進培訓方案,降低「輕度創傷性腦損傷」的醫療成本,並量化導致細胞變化和輕度創傷性腦損傷的爆炸特性,海軍研究實驗室一直在開發將細胞培養物暴露在真實和模擬爆炸和衝擊環境下的方法。本研究的最終目的是,設計和製造出可保護各種戰區作戰人員的可移動、輕量和舒適的頭盔。

戴著頭盔的人頭替代品

探測與跟蹤

聯合軍種爆炸物處理無人系統 海軍遠征任務項目管理辦公室正在開展一系列聯合軍種爆炸物處理無人系統項目。「攜帶型機器人系統」項目自2006年以來已向戰區部署了3000多套系統。世界各地的聯合軍種爆炸物處理部隊已經在執行爆炸物處理任務中廣泛使用這些系統。作為該項目的一部分部署的無人地面車輛派克波特機器人和魔爪機器人,為聯合軍種爆炸物處理操作人員提供了在安全距離進行爆炸物處理的能力。魔爪機器人的危險品探測組件可搭配多種檢測設備,如用於探測深埋在地表下爆炸物的探地雷達,這種運用新探測原理的雷達能減少一般磁探儀過高的虛警率,並可對地下目標和介質結構進行成像。在發現可疑物品后,魔爪機器人的強化機械臂便可採取行動。以最新的魔爪-4型工程機器人為例,其機械臂與車體連接軸可全向轉動,機械臂最長可伸至2.14米外,最大可舉起33千克的重物,機械臂前端的機械爪可抓握直徑不超過15.75厘米的物體,最大握力達530牛。自部署以來,派克波特和魔爪機器人已經接受過若干次升級和改裝。未來,「先進爆炸物處理機器人系統」項目將部署一個基於通用體系結構的系統族,促進系統譜系內各型武器系統之間的互操作性,以及先進爆炸物處理機器人系統平台與新興無人系統能力的快速研發與集成。

光學標記、追蹤和定位技術 美海軍研究實驗室研製了追蹤機動車輛/物體的新型光學標記系統材料,以及在混亂環境中定位標記物體的材料。標籤材料是無源的(不會發射電子信號或者光學信號),可用於透明、彩色塗層或經過處理后肉眼不可見,但是容易被可視區域之外的特殊相機檢測到。 其技術原理是以差別吸收與反射為基礎:這些標籤帶有窄帶光譜特徵,因而在超出人眼敏感度的區域具有明顯特徵。雖然可以被光譜檢測到,但是對肉眼是不可見的。除此之外還形成了獨特的光譜條碼,以區分單個場景內的多個目標。光學標記、追蹤和定位技術對於在複雜環境中作戰至關重要,可用於遠距離識別目標、在混亂環境中區分敵軍與友軍,以減少誤傷友軍事件,提高態勢感知能力,減少完成搜救任務所需的時間。

光學標記、追蹤和定位技術

材料技術

透明仿生裝甲 海軍研究實驗室研製出一種透明的熱塑性彈性體裝甲。該裝甲的防護效能提升25%,可抵禦7.62毫米槍彈,具備抗多次打擊能力。該透明裝甲可在增強對作戰人員防護的同時,進一步減輕負荷,提升生存能力、機動性及運輸能力。目前,海軍研究實驗室已在透明裝甲研究方面做了大量研究,包括熱塑性彈性體透明裝甲以及尖晶石陶瓷製品等。其中,熱塑性彈性體通過物理方法而非化學方法使柔軟的橡膠聚合物固化而形成,而固化過程是可逆的,因此能夠就地修復受損裝甲表面。研究人員稱,在高於軟化點的溫度(100℃左右)加熱受損裝甲,融化小的晶體使斷裂表面融合併通過擴散實現重組。這個過程的完成需要有一個諸如烙鐵的熱金屬板作為模板,使新形成的表面成為一個光滑平整的薄板。美國海軍研究實驗室利用熱壓將尖晶石加工為類似平板的透明裝甲。在實驗室中,研究團隊製作出直徑約20.3厘米的光學平板,下一步將把這項技術授權給一家公司,該公司能將其擴展成更大的平板,直徑可達約76.2厘米左右。

透明仿生裝甲

瞄準全球到達 空軍項目探秘

作者:肖 丹

美國空軍以「全球警戒」「全球到達」和「全球力量」戰略為最頂層目標,構建了體系完備的發展戰略框架,用以具體指導人力資本、戰略態勢、能力配置、科學技術等各方面的發展。但是,隨著中俄等潛在對手研發新型戰機和一體化多層防空系統,嚴重威脅到了美空軍自豪的「任何地方打擊任何目標」的能力,為此美空軍正在不斷尋求技術突破,以確定美空軍未來10年的能力差距和填補措施。

美國空軍研究實驗室重點展示了生物交叉、人工智慧、進攻和防禦能力等領域的技術進展。

人工智慧領域

最突出的代表是依靠神經形態計算機的機器學習項目。該項目將機器學習、神經計算技術和「真北」仿腦晶元處理器相結合,發展深度神經網路技術,可大幅減小武器系統對外部信息的依賴,使目標識別精度達到90%以上。這一技術將使作戰人員具備更強大的數據分析和目標識別能力,增強態勢感知能力。在失去網路聯接、人員控制、無法與地面站取得聯繫的情況下,都可能導致任務失敗,作戰人員可能無法識別合成孔徑雷達圖像上的目標。因此,作戰人員需要一種可在不依賴外部因素的情況下探測目標並作戰的技術。

「真北」神經形態計算機機器學習項目圖

IBM公司已研製出由16片「真北」晶元組成的4×4陣列的類腦計運算元系統,此次將利用4個類腦計運算元系統,構成包含64塊「真北」晶元的類腦計算系統,並將其放置到標準的4單元超算機架中。空軍研究實驗室將用8個類似的超算機架組成1個標準的超算機櫃,進而構建出類腦超級計算機。

每塊「真北」晶元含有100萬個「神經元」,含有8個機架的機櫃,「神經元」數量達到5.12億個。相比於人腦所擁有的860億個神經元,由不到170個機櫃構成的類腦超算就能達到相同的神經元數量級別。含有64塊「真北」晶元的機架,其功耗僅為10瓦。達到人腦神經元數量級別的類腦超算,其功耗不到15千瓦。與之相比,用傳統超算實時模擬人腦規模的神經網路,需要1500多套2012年排名世界第一的「紅杉」超算,所需的功耗高達12000兆瓦,兩者相差6個數量級。

類腦超級計算機能夠處理光電、紅外和無線電頻率圖像及視頻,同時還可探測目標並對目標進行分類。類腦超級計算機將為作戰人員提供新的能力,如增強的大數據分析、更快的目標/事件識別、改進的態勢感知能力等,其目標是實現更加快速、穩健的決策。應用於在對抗激烈地區執行任務的無人機系統,該工具可提供高達百倍的能效,可在沒有人為干預情況下實現智能處理、分析和決策以及自主情報、監視與偵察。隨著這項技術不斷發展,美空軍今後能夠在不丟失數據處理能力的情況下,將更小型的計算機應用到飛機上。其未來應用包括將這些計算機連接到多個平台,在網路聯接丟失或在對抗激烈地區訪問地面站受限的情況下,進一步增強作戰人員的能力。

無人系統

NINJA反無人機系統 隨著無人機技術的快速發展,恐怖分子利用攜帶簡易爆炸裝置的無人機系統製造恐怖事件,或執行數據搜集任務,將對國家安全構成嚴峻威脅。NINJA反無人機系統將綜合利用硬體、軟體和演算法,探測非法無人機。一旦探測到無人機系統,將生成無人機信號並確定該無人機是敵是友。如果該無人機被確認為敵方無人機,反無人機系統將採用軟殺傷或硬摧毀手段摧毀該無人機。

低成本、耐消耗無人機技術(LCAAT) 該項目尋求將低成本無人機與人工智慧技術結合,發展可自主作戰的低成本無人機,在有人機執行作戰任務前,遂行武器投送、目標定位、干擾和通信等作戰任務。該項目正在探索廣泛的技術創新,以開發一種新型低成本無人機。這些無人機可在與實力接近對手的對抗環境下、在難以或無法進行前沿部署的情況下提供遠程響應能力。由於成本低,不同種類的無人機將能針對武器投送、發現和定位目標、干擾及通信等具體任務需求,承擔高度定製/優化的作戰任務,從而提高現有武器系統的能力。低成本、耐消耗飛行器可先於有人駕駛飛機進入強對抗地區,為有人駕駛飛機提供支持,提高在強對抗地區的打擊能力。LCAAT項目的目標是開發出一個低成本、耐消耗的無人機系統譜系,將以最大程度降低無人機壽命期成本作為重點,無人機的單架成本為300萬美元(按照採購數量不到100架無人機計算),能最大限度減少人員對作戰和保障的需求。

低成本、耐消耗飛行器技術項目無人機

該項目將採用以持續飛機設計和能力更新為特徵的生產線方法,以便以及時和高效費比的方式整合新興技術。低成本、耐消耗飛行器可以快速生產,減少勞動力並最終降低成本。由於設計針對的需求面窄,無人機的工程和生產周期可以縮短,可快速響應作戰人員需求。這種方法也避免了昂貴的後方保養以及使用現有機身對設計所造成的限制。

生物交叉技術

合成生物學技術推進生物探測器發展 該項目尋求利用合成生物學技術,開發出可探測爆炸物和有毒化學物質的生物探測器。合成生物學使感測器探測模塊發展獲得了革命性進步。空軍研究實驗室與國防部、其他政府機構、學術界和工業界合作,利用生物學方法開發出了高度特異性的感測器模塊。將感測器組件擴展到更加穩定的生物分子(如DNA適配體和肽),將加速合成生物學技術的軍事應用步伐。空軍研究實驗室團隊正在從基因上構建微生物結構,用於準確、靈敏探測國防、醫藥和安全等各種領域的目標化學品或生物學標記。研究團隊一直在製造檢測非天然化學品的細菌,並通過熒光蛋白生產報告檢測情況。目前已經研製出能夠感應三硝基甲苯、工業污染物和皮質醇(壓力激素)等分子的細菌。感應細菌的篩選工藝以及後續的感應細菌與功能報告基因的耦合,對體能和新材料介面應用至關重要。研究團隊正在與合成生物學領域的技術領先團隊合作,將「設計、建造和試驗」範式的邊界拓展到控制和協調細胞功能領域,響應美國空軍和國防部對體能研究的需求。

合成生物學技術推進生物探測器發展

基因編輯技術軍事應用 該項目探索通過基因編輯技術,敲除、增加或改變DNA序列,消除化學和生物武器攻擊引發的疾病和病毒。基因編輯技術的軍事應用是一種獨特的技術,使遺傳學家和醫學研究人員通過敲除、增加或改變DNA序列來編輯基因組的部分功能。這項技術通過利用細菌防禦機制,消除有害基因序列,可將人體在細胞水平出現的問題恢復到正常狀態。

信息系統領域

液態金屬天線 該項目尋求在不對飛機外形作大幅改動的情況下,將液態金屬合金嵌入飛機機身,使其成為頻率可調和可重構的射頻天線,保障飛機執行多種作戰任務的需要。根據執行不同任務的需要,飛機上常常需要配裝八九種適用不同頻率的天線。空軍研究實驗室研製了一種內部填充液態金屬的通道系統,可以根據所需頻率和方向重新配置天線,並在70兆赫~7吉赫的頻率範圍內進行測試。液態天線使用的液態金屬為鎵,其熔點為30℃,通過添加銦等其他金屬形成合金,可使熔點降到-28℃。由於天線是液態,因此可以重新配置和調整,用於執行特定任務。該技術可以通過靈活集成電子器件、多功能部件和抗毀電子器件,極大節約成本。

導航技術衛星-3 該項目尋求發展新型原子鐘、可重編程數字波形發生器、軟體定義用戶界面等新技術,探測並減輕對天基定位導航授時信號的干擾,增強衛星導航系統彈性。

用於戰術通信的安卓戰術攻擊包(WARTAK) 該攻擊包最初由空軍研究實驗室開發用於特種作戰部隊。WARTAK是一個強大、精確、直觀的基於安卓系統人機界面手機和平板電腦的應用程序。基於共享移動地圖,WARTAK使每個人能夠了解每個節點每秒所在的位置。WARTAK同時提供一套工具,可用於增強態勢感知能力。下一步,空軍研究實驗室將使用新型無線電設備,構建先進的高帶寬、移動自組織網路視距網路基礎設施。最後,通過互聯網/衛星通信鏈路,建立超視距通信系統。每個移動或固定基站的WARTAK節點,通過將網路擴展到其他節點,從而創建一個龐大、安全網路,將通用態勢圖提供給建築物內、卡車、下車士兵、飛行器等的WARTAK節點。

進攻和防禦能力領域

先進彈藥技術 當前及未來空中隱身平台的武器化,需要有能適合內置彈艙尺寸的小型彈藥,以維持飛機的隱身性能。今後小型武器必須能達到甚至超過大型常規武器的殺傷水平。此外,由於運載能力有限,未來武器必須能夠在飛行過程中動態地重新分配任務,允許飛行員針對不同目標採用不同類型的彈藥。

先進彈藥測試

先進彈藥技術項目重點發展小型化、當量可調的新型彈藥,以滿足打擊不同目標的需要。在彈頭材料方面,採用活性金屬材料代替鋼材料,同時研究新型納米磁性材料,在減小彈藥尺寸的同時,提高彈藥的殺傷效果。

空軍研究實驗室彈藥局正在制定一套一體化的技術解決方案,開發一種效果更強、選擇性更好的小型化武器。可選擇打擊效果的技術將使飛行員根據目標,選擇合適的彈藥,顯著減少出擊次數,增強武器效能。另外,彈頭材料採用活性金屬代替鋼材料,將使彈殼成為彈藥殺傷能力的一部分。這意味著空軍研究實驗室或許可以在不減少彈藥釋放能量的情況下縮小武器的尺寸。納米含能材料也為提高小型武器作戰效能帶來希望。這些含能材料比傳統爆炸物釋放能量更快、更有效,意味著可以用較少的裝藥量獲得較好的打擊效果。此外,增材製造技術將提高空軍更新和定製新彈藥的速度,並使空軍能夠開發特殊的武器結構。

自防護高能激光器演示驗證機 空軍在激光源、光學、光束控制以及能源和熱管理支持系統方面的多年研究,使得激光技術在性能和成熟度上取得了重大飛躍。主要用於戰術作戰的固態激光器和光纖激光器的發展,目前已達到適用於作戰飛機的武器級應用水平。

定向能設施消聲室中的F-16戰鬥機

自防護高能激光器演示驗證機先進技術演示驗證項目,將把激光吊艙系統集成到飛機平台,並驗證保護飛機的能力。該項目將開發出一款堅固耐用的緊湊型高能激光系統,在複雜飛行環境中驗證機載激光系統對抗威脅的自防禦能力。外掛吊艙將犧牲戰機的隱身能力,因此激光吊艙將安裝在F-15C和F-15E等戰術飛機上,而不會安裝在F-35和F-22等隱身戰機上。雖然空軍目前重點是發展防禦型機載激光武器吊艙,但同時空軍也在考慮發展進攻性機載激光武器。美國空軍正在研究在AC-130飛機上加裝進攻性戰術激光武器,其功率至少需達到300千瓦。用於防禦的100千瓦級機載戰術激光武器,將在2025年左右部署。

裝備保障

遠程遙控非破壞性評估 該項目旨在發展蛇形機械臂,具備一體化操作控制模塊和非破壞性檢視探測器,用於空腔等狹小空間檢測。蛇形機械臂的線纜可以與基地部隊通信,並控制計算機運行。它能夠自動工作,採用蛇的引領/跟隨運動模式,可在狹窄空間進行可靠檢查,能夠在不破壞飛機結構完整性的情況下對飛機實現快速檢查,將使飛機迅速恢復正常狀態。機器人技術的進步使空軍能夠在維修領域應用這一技術,提高維修效率。將機器人與新一代檢測感測器相結合用於空軍飛機維護是重要的一步。要實現新的監測能力還需要在工具包、人力培訓和技術指導方面長期、高昂的投入,以實現新的檢測能力。

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