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世界国防科技发展新动向

2020-6-1 08:20| 发布者: 科技汇| 查看: 79| 评论: 0|来自: 军事文摘

摘要:   当前,国防科技正加速向信息化和智能化复合发展,呈现出全方位、深层次发展的态势和多点突破、深度融合、广泛渗透的特征,对国家军事实力、综合国力以及**和战略主动权产生重要影响。军事强国不断推动国防 ...

  当前,国防科技正加速向信息化和智能化复合发展,呈现出全方位、深层次发展的态势和多点突破、深度融合、广泛渗透的特征,对国家军事实力、综合国力以及国家安全和战略主动权产生重要影响。军事强国不断推动国防科技前沿技术探索和创新发展,将为增强军事能力优势和竞争优势提供重要支撑。

  军事智能科技

  军事强国高度重视对军事智能的投入及总体部署,积极推进人工智能技术在各个作战域的应用研究。

  人工智能技术向自主学习方向发展。可解释深度学习技术正在成为人工智能研究的新热点。美国国防高级研究计划局(DARPA)2017年启动“可解释人工智能”计划,旨在探索能够使自主系统对其行为与输出结果进行更好解析的技术,进而衍生更多可解释的模型,同时保持高水平、高质量的学习与预测表现,使人类用户能够有效理解、信任和管理新一代人工智能技术。DARPA还于2018年启动“下一代人工智能”计划,以解决人工智能技术过度依赖海量数据和无法向用户提供决策解释等弊端,寻求推动以情景推理能力为主要特征的第三次人工智能浪潮,在人类和机器间建立更可靠的合作关系。

  无人系统自主能力不断提高。军事强国积极发展自主系统技术,加强人机协同和集群技术发展。在有人-无人协同方面,美国空军2015年启动“忠诚僚机”项目,旨在实现有人驾驶作战飞机与无人作战飞机“长/僚机”编组,该项目分别于2015年和2017年开展了代号“海弗-空袭者”的两轮飞行演示验证,展示了无人机自主规划并执行对地攻击的技术能力,以及适应突发情况的自主应变能力。2019年美国空军XQ-58A女武神无人作战飞机完成首批3次试飞,标志着美国空军继F-16改型无人作战僚机之后,又一“忠诚僚机”投入使用,表明美国空军有人/无人协同作战正在加速成熟并进入实质阶段。在无人蜂群方面,从2016年开始,美国DARPA、海军和空军围绕“蜂群”作战,开展了针对关键技术和算法的若干演示验证项目。DARPA“小精灵”项目将研制一种小型、网络化、集群作战、部分可回收的无人机蜂群,利用现役大型飞机在空中投放,携带侦察与电子战载荷对敌防御系统实施饱和攻击。2020年1月,“小精灵”蜂群项目首次利用C-130A运输机,成功发射一架X-61A小精灵无人机。DARPA“拒止环境协同作战”项目于2019年2月成功完成了无人机集群在强对抗环境下的自主协同技术验证。验证中,由6架RQ-23无人机和14架虚拟无人机组成的无人机集群,在通信与全球卫星定位系统信号受干扰或中断、失去作战中心指令的情况下,通过自主导航定位和自主任务规划,完成了对既定目标和临时目标的攻击。此次成功验证,标志着无人机集群自主协同作战技术取得关键突破。

  人工智能在军事领域应用不断拓展。在情报分析领域,美国国防部成立“算法战跨职能小组”,分析无人机提供的大量视频信息。新算法对中东地区无人机所拍摄视频中人员、车辆、建筑的识别准确率达到80%。在辅助决策领域,2020年2月,美国智库战略与预算评估中心发布《马赛克战:利用人工智能和自主系统实施决策中心战》报告,提出“决策中心战”概念。其实质是利用人工智能技术,通过大带宽、高时延、低延迟的广域信息网络,经过作战云处理后,共建和共享通用战场态势图,以此为基础,进行智能化辅助决策。在精确打击领域,将人工智能嵌入精确制导弹药,实现打击武器由“精确化”向“智能化”转型。2019年6月,美国空军研究实验室启动“金帐汗国”项目,发展精确制导弹药联网技术。拟实现小直径炸弹、AGM-158联合空对地防区外导弹、微型空射诱饵”等现役机载武器联网,使这些武器在发射后能够自主协同规划打击行动。

  生物交叉技术

  美国等世界军事强国高度重视生物交叉技术发展,在脑与神经认知、合成生物学、人效增强、仿生学等领域取得重大进展,并积极探索生物交叉技术在武器装备领域的应用潜力,力图寻求在生物作战领域占据主导优势。

  军事脑科学技术成果深刻影响军事智能化发展。在仿脑技术方面,2018年8月,美国空军研究实验室与IBM公司合作研制出世界最大的神经形态超级计算机蓝鸦。该计算机使用了IBM的真北类脑芯片,可以同时模拟6400万个生物神经元和160亿个生物神经突触,功耗仅为40瓦。2019年7月,英特尔公司宣布研发出一款名为“Pohoiki Beach”的新型神经形态芯片系统产品。该芯片系统受人类大脑思维方式启发,将生物大脑原理应用于计算机体系结构。与通用CPU相比,Pohoiki Beach系统能将处理人工智能算法的速度提升1千倍,效率提升1万倍。在“脑控”技术方面,DARPA生物技术办公室近年来一直将脑机接口作为优先研发领域,陆续启动“神经工程系统设计”等项目,已能够利用脑机接口实现人与无人机之间的双向通信。目前,脑机接口技术发展日益呈现出非侵入式趋势。2019年6月,卡内基梅隆大学研究团队成功研发首个非侵入式脑控机械臂,在无创脑控机器人开发领域取得阶段性重要突破。在“控脑”技术方面,主要指利用外界干预技术手段(如药物、电磁波等),实现对人的神经活动、思维能力等进行干扰甚至控制。DARPA“恢复主动记忆”(RAM)项目已成功证明,一种非侵入式大脑刺激方法可以极大提高认知能力。

  合成生物学技术已显现出巨大颠覆性应用潜力。近年来,美国国防部陆续推出“生命铸造厂”“复杂环境下的生物稳健性”“安全基因”“昆虫联盟”“生物材料”等合成生物学研究项目。美国陆军研究实验室将合成生物学提升为十大优先发展领域,认为微生物可能是支持未来作战人员需求的关键因素。美国海军研究实验室在“军事环境合成生物学科技优先发展应用研究”项目资助下,对海洋微生物进行基因改构,使其成为探测敌方潜艇、无人机的生物监测设备。美国空军“美杜莎”项目利用细菌作为“建筑”材料,将“生长砖块”技术运用于铺设飞机跑道,在不增加军事基地情况下实现空军力量的快速投送。美国情报界从2016年开始将基因编辑列入大规模杀伤性武器威胁清单。目前,美国在基因编辑的控制与逆转研究取得重要突破,2019年4月,DARPA“安全基因”项目研究团队成功研发具有自耗竭机制的雏菊基因驱动器,为限制基因工程生物扩散提供了新方法。

  世界国防科技发展动向

  人效增强技术将显著提升士兵作战能力。人效增强又称人体机能改良,是通过可穿戴设备或利用药剂、生物合成等技术,突破士兵自身素质对作战能力与作战方式的限制,大幅提升耐力、力量、速度和认知力。军用外骨骼技术已从局部外骨骼逐步发展到全身外骨骼,从单纯负重功能向助跑、助跳和辅助瞄准等功能拓展,美军军用外骨骼已能够让士兵负重91千克以16千米时速行进,勇士织衣作战服可将长时间负重45千克的体能消耗降低25%。

  前沿信息网络技术

  以5G通信、量子信息、认知电子战等为代表的新一代信息网络技术快速发展,推动军队信息力实现质的跃升。

  5G通信技术开启军事应用探索。5G作为下一代移动通信技术,可实现大容量、高速率、抗截获军事移动通信,在军事领域具有广阔的应用前景。2019年,美国国防部下属国防创新委员会和国防科学委员会分别发布《5G生态系统:国防部的风险和机遇》《5G网络技术国防应用》,认为5G最大的应用潜力在于对未来战争或军事网络的潜在影响,并对5G国防应用前景及潜在风险进行了评估。随后,美国国防部通过设立5G专项办公室、推动制定5G战略、在军事基地开展5G技术试验等,促进5G军事应用落地。

  量子信息技术取得多项重要突破。在量子通信方面,2019年5月,美国空军研究实验室完成首次“昼间星地自由空间量子通信”试验。此次试验为扩展量子通信时间、提高量子通信实用性奠定了基础,对未来实现全球规模的量子互联网具有重要的推动作用。在量子计算方面,“量子霸权”争夺依然激烈。2019年9月,谷歌公司宣布,利用西卡莫尔可编程量子处理器,在全球率先验证“量子霸权”。西卡莫尔处理器共有54个量子比特,执行100万次随机采样运算仅耗时200秒。目前世界排名第一的“顶点”超级计算机完成同样任务需要1万年,二者速度相差近16亿倍。

  网络空间已成为各国排兵布阵的战场

  认知电子战技术加速向实战化迈进。美军从2010年开始提出认知电子战概念,并陆续开展“认知干扰机”“行为学习自适应电子战”“自适应雷达”等项目,当前,认知电子战已迈入从技术向能力转化的重要阶段。2019年,美国陆军开始将认知电子战技术集成到装备上,并开展试验验证工作。美国陆军快速能力与关键技术办公室选取2018年陆军信号分选挑战赛的优秀方案,在其基础上开发出一套信号分选智能算法。该算法已植入美国陆军“战术电子战系统”中,帮助系统更快、更准确地对复杂电磁环境中的信号进行分选,增强电子战支援能力,目前该系统已交付部队试用。

  网络攻防技术向一体化、智能化方向发展。一是美国网络司令部部署“统一平台”网络空间综合作战系统原型系统。该系统既可为网络行动提供统一态势图、任务规划、指挥决策和数据分析支持,也可作为任务功能模块的载体,搭载网络武器组件,实现侦察、防御、攻击一体化,使美军能够更快速、灵活、精准地应对网络威胁。二是基于人工智能的网络攻防日渐成熟。人工智能在网络防御方面日渐成熟,在恶意代码检测、恶意流量检测、威胁情报收集、软件漏洞挖掘等领域均有应用并取得良好效果。人工智能用于网络攻击大幅提升攻击效率。DARPA的网络大挑战赛就涉及大量利用人工智能技术进行漏洞自动挖掘及利用。此外,攻击者也可能借助人工智能技术合成文本、语音、图像或视频文件,降低了攻击难度及成本。

  军事航天技术

  太空是大国博弈的战略制高点。主要航天国家加速推进太空军事化进程,推动军事航天技术创新发展。

  重复使用运载器与新型动力系统技术是进入太空技术发展的重点。一是重复使用运载火箭技术研究热度不减。2019年美国SpaceX公司通过改进猎鹰-9火箭一子级格栅舵材料、发动机热防护罩设计、箭体热防护涂层等方面,进一步提升回收复用性能,成功发射8次复用火箭。该公司还成功实现火箭整流罩回收与复用,进一步压缩成本。二是航天运载器动力技术成为新一代低成本运载器研发的助推剂。美国蓝源公司研制的BE-4液氧/甲烷发动机成功突破75%推力水平瓶颈,2019年8月实现100%推力(2400千牛)下点火试验,成为世界首个研制成功的最大推力液氧/甲烷发动机。三是组合循环发动机取得新突破。2019年10月,英国反应发动机公司佩刀发动机在0.05秒内,将气流温度由1000℃降至约100℃,为攻克佩刀发动机吸气模式下速度瓶颈扫清障碍,向研制两级/单级入轨重复使用飞行器动力系统迈出关键一步。

  下一代太空体系架构浮出水面。美国国防部下属太空发展局2019年7月提出应对新兴威胁的下一代太空体系架构。该架构将由传输层、导航层、监视层、威慑层、跟踪层、作战管理层以及支持层等组成,计划实现目标瞄准支持、先进导弹威胁跟踪、导航备份系统、太空态势感知、全球监视、威慑、作战管理、通用地面与支持等八大能力,补充和支持由美国国家侦察局和美国空军主导的军事航天系统,计划2022财年具备作战能力。

  低轨卫星星座成为发展热点。截至2020年2月,美国SpaceX公司已分5批,将300颗星链卫星发射入轨,着手构建由4.2万颗卫星组成的巨型低轨卫星星座。2019年11月,星链卫星完成C-12运输机通信试验,通信速率达到610兆比特/秒,相比目前美军战区卫星通信最低5兆比特/秒的通信速率,提高了2个数量级。

  太空作战装备技术取得新突破。一是反卫星技术加快扩散。2019年3月,印度首次完成代号“女神力量行动”的地基动能反卫星试验,利用地基反导拦截弹击落1颗轨道高度约300千米的低轨卫星,宣称成为继美、俄、中之后第四个具备反卫星能力的国家。试验所用导弹为反导拦截弹,长13米,重18吨,配置两台固体火箭助推器。试验表明印度已突破反卫星核心关键技术,初步形成地基低轨反卫星能力。二是天基反卫技术成为主要国家发展重点。2019年,美俄航天器频繁在轨机动,美军指派Mycroft抵近详查故障地球静止轨道卫星S5,美国X-37B轨道机动飞行器在轨部署小卫星,俄罗斯军星“宇宙”-2521(代号“卫星检视仪”)抵近探测目标,三者至少具备利用轨道阻拦等实现动能杀伤的潜力。三是机器人在轨操控技术入轨试用。美国“任务扩展飞行器”-1于2019年10月入轨。该飞行器将机动至地球同步轨道,对接老旧的“国际通信卫星”-901卫星并携其飞行数月,抵达“坟墓”轨道,完成演示验证任务;之后再一起返回地球同步轨道,并为该卫星服务5年,后续将继续服务其他卫星。此外,俄罗斯也在开发由红外激光器、太阳能电池阵和高效砷化镓光伏模块等构成的空间机器人,可利用激光对低地球轨道航天器进行充电。主要国家通过发展无人在轨服务技术,可同步储备太空攻防技术,提升在轨控实力。

  导弹攻防技术

  导弹武器是现代战争重要的杀伤器,为应对导弹武器威胁,导弹防御系统应运而生。当前,围绕导弹攻防对抗博弈更趋激烈。

  主要国家加快推进下一代战略导弹技术发展。美国下一代陆基洲际弹道导弹——“陆基战略威慑系统”研发加快,2019年10月该导弹配装的再入飞行器进入“技术成熟和风险降低”阶段,预计将于2020年确定该导弹的设计方案。俄罗斯正在测试新一代重型陆基洲际弹道导弹——萨尔玛特,预计2020年开始部署。该导弹射程超过14000千米,可携带12~14个分导式核弹头,以及40枚以上诱饵弹头,突防能力极强。

  高超声速技术加速向实战化迈进。俄罗斯洲际射程先锋高超声速滑翔导弹已于2019年12月开始战斗值班。该系统由先锋高超声速助推滑翔弹头及SS-19洲际弹道导弹组成,将安装在固定发射井中。其最大飞行速度超过马赫数20,最大射程约10000千米,最大横向机动距离约4000千米。美国加速助推滑翔导弹研制,陆军开始研制中程助推滑翔导弹样机“远程高超声速武器”,计划2023财年前交付部队。美国空军AGM-183A高超声速滑翔导弹完成首次系留飞行试验,验证了该弹与B-52轰炸机适配性。

  导弹防御技术取得新突破。一是在动能拦截技术方面,2019年3月,美国地基中段防御系统首次进行双发齐射拦截试验。首枚拦截弹成功摧毁了靶弹再入弹头,第2枚在观测弹头产生的碎片后,选择最具威胁的目标并与之碰撞。试验中,首次启用了“天基杀伤评估”系统,对拦截目标类型、摧毁效果进行评估。试验表明,美国地基中段防御系统已具备一定实战能力。美国在终止“重新设计杀伤器”项目后,已启动“下一代杀伤器”技术研发。下一代杀伤器为多杀伤器,仍将采用直接碰撞杀伤方式,将在美国当前部署的地基拦截弹上使用。二是在定向能防御技术方面,美国车载激光器已完成数十千瓦能力演示验证,未来将部署功率数十到数百千瓦、具有实战能力的车载高功率激光武器。美国海军已于2020年2月在阿利·伯克级驱逐舰上安装一体化光学致盲与监视系统高能激光器(HELLOS)系统。该系统是一种近距离防御系统,目前功率60千瓦,未来可达到150千瓦,将替代现役拉姆舰空导弹,遂行舰艇近距离防空任务。美国空军进行了机载激光武器系统“自防御高能激光演示器”(SHiELD)地面演示验证试验。试验中,该系统从地面发射激光,击落了多枚飞行中的空射导弹。按计划,SHiELD系统将于2021年搭载在F-15战斗机上进行反地空导弹和空空导弹演示验证。

  先进材料与先进制造技术

  一代材料,一代武器装备。新材料技术是推动武器装备发展的基础和先导技术。制造技术是国防工业的基础性支撑技术,其发展水平直接影响武器装备质量、性能和作战效能。

  超材料在军用天线和隐身领域已获实际应用。超材料是基于波理论,对材料内部微结构进行合理的人工设计,从而获取天然材料所不具备的超常物理性能的一类材料。超材料可实现对光波、电磁波、声波的操控,在雷达、光电、通信、传感、导航等方面具有巨大应用潜力。2019年12月,洛克希德·马丁公司和宾夕法尼亚大学开发出一种基于超材料的天线。通过提高其孔径效率,同时不影响其坚固紧凑的结构,也不增加重量。2018年,美国西北大学研发了一种光学超材料,该材料可通过弯曲光线改变自身颜色,未来有望用于制造隐形装置和生物传感器。

  石墨烯将广泛用于军用电子与光电器件。石墨烯是一种由碳原子构成的单层蜂窝网格状二维材料,是世界上已知最薄、最轻、强度最大、导热性最好、透光率最高的新兴材料,在军用电子与光电器件方面具有广泛应用前景。2018年,欧洲石墨烯旗舰项目展示了全球首个全石墨烯光通信链路,数据速率为25吉比特/秒。该技术克服了石墨烯光子学制备技术瓶颈问题,是石墨烯光电器件量产的关键一步。2019年2月,美国石墨烯生产商Grolltex宣布完成产能扩张,其在加利福尼亚的CVD单层石墨烯制造厂每年可生产30000个8英寸的石墨烯晶圆产品,成为美国同类产品中规模最大的工厂。

  数字孪生技术研究应用不断深入。军事强国积极推进将数字孪生技术应用于设计、制造、试验、作战训练等领域,取得重要进展。2019年4月,美国海上系统司令部开始构建船厂数字孪生模型,用于船厂环境建模与仿真,确定船厂理想配置,实现干船坞、设施和设备等船厂基础设施布局优化,提高生产力。10月,信息战系统司令部搭建了名为“数字林肯”的首个系统级数字孪生模型,用于系统交付前在虚拟环境中评测性能,以减少系统安装时间和成本、降低使用风险,为系统在林肯号航母上安装奠定基础,提高航母信息战能力。俄罗斯将数字孪生技术应用于MC-21新一代飞机研制,构建了整机和安全系统数字模型,有效降低了研制成本。

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