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DARPA“小精灵”（Gremlins）项目进入第三阶段

导读“小精灵”（Gremlins）项目是美国国防高级研究计划局（DARPA）在无人机集群技术领域的典型研究项目。2018年4月，美国国防高级研究计划局（DARPA）最终选择了Dynetics公司领导的团队，为“小精灵”（Gremlins）项目进行第三阶段的研究。以下介绍了小精灵项目从公告发布至今的研制进展。
“小精灵”（Gremlins）无人机项目以二战期间赋予许多英国飞行员好运的恶作剧小游戏命名。2015年9月，DARPA发布了小精灵项目公告，设想让现有的大型飞机在敌方防御射程外发射成群的小型无人机，当任务结束后C-130运输机将小型无人机们回收带回并由地面人员在24小时内完成重置并等待下次使用。“小精灵”作战构想：突防一定距离后以蜂群方式对威胁进行探测或干扰，并与防区外的其他“小精灵”或F-35战斗机通信——DARPA该项目计划探索许多技术领域，其中包括：●发射和回收技术，设备和飞机一体化概念●低成本，有限寿命的机身设计（DARPA期望的机身使用寿命为20次）●高保真分析，精确的数字化飞行控制，相对导航
其他关键技术还包括：精确数字飞控与导航、小型高效涡轮发动机、发动机自动关机技术、小型分布式载荷集成技术、精确位置保持技术等。
“小精灵”计划的最终目标是进行一次有效的概念验证飞行，演示如何用“稳定可靠、能够快速响应、并且经济实惠”的方式使用ISR任务载荷以及其他模块化非动力载荷。
DARPA“小精灵”项目概念设想图
在项目第一阶段（2016年），洛克希德·马丁公司、通用原子公司、Dynetics公司和克拉托斯公司参与竞争。之后，DARPA选择通用原子公司和Dynetics公司进入项目第二阶段（2017年），克拉托斯公司作为Dynetics公司的子承包商继续跟进项目。第二阶段的目标是完成全尺寸技术验证系统的初始设计，发展出根据设计指标定制的低成本无人机并执行基于C-130平台的回收系统飞行过程风险降低测试。具体活动将包括飞机和恢复系统的程序设计审查（PDR）、验证关键技术的地面测试以及飞行测试，以证明多架无人机共飞的安全性和回收性能。通用原子公司在2016年度美国空、天、网大会上展示的“小精灵”无人机全尺寸模型八架小精灵由C-130J翼下携带，由机上吊架安全回收——通用原子公司概念设计图最终，在2018年的评定中，Dynetics公司研发团队战胜了通用原子公司，赢得DARPA“小精灵”项目第三阶段合同（2018年）。下一个关键时间节点是在2019年底，DARPA将会在C-130运输机上实施多架无人机的发射和安全回收试验。整个小精灵项目将持续43个月，总体耗资6400万；而整个第三阶段将持续21个月，耗资3860万美元。
为了更好地完成Gremlins项目，Dynetics组建了一个行业合作伙伴团队。克拉托斯公司负责每架“小精灵”飞行器的制造、装配、集成和测试。内华达山脉公司提供交会和停靠过程中必不可少的精密导航系统。关键子系统由许多公司提供：威廉姆斯国际公司（Williams International）将提供涡扇发动机，穆格公司（Moog）将提供驱动控制系统，空降系统公司（Airborne Systems）将生产降落伞回收系统。Systima公司将提供C-130吊架和发射控制器硬件设备。应用系统工程公司（Applied Systems Engineering, Inc.）将交付飞行计算机。SNC Kutta公司将生产多机控制服务。国际航空响应公司（International Air Response）将提供C-130运输机以及飞行测试支持。
Dynetics公司团队的解决方案是在C-130下方远离机体的地方部署一个拖曳式稳定的捕获设备（capture device）。“小精灵”与捕获设备的对接很像美军的空中加油作业。一旦停靠并关闭发动机，“小精灵”就将被升举到C-130机体部分，并在那里机械固定和收起。这是一种非常具有使用性的方案，因为空军已经熟练掌握了空中加油技术。高速航行的大型飞机的背后拖曳着机械抓手似的装置非常有趣，但这也正是项目测试的难点之一。C-130回收Gremlins示意图
DARPA回收装置测试Dynatics&DARPA的“小精灵”无人机正准备与回收装置对接Dynetics团队所设计的发射和回收系统最引人注目的特征是类似于空中加油锥形管的回收系统，其使用栅格控制尾翼保持稳定。带有4个栅格尾翼的回收装置“小精灵”无人机整体设计上也充满了挑战。对于传统的飞行器，起飞和着陆永远是飞机寿命周期中最紧张的部分。而对于“小精灵”这一不需要“沾地”的新型飞行器，设计中不仅仅是单纯不再需要考虑起落架的需求。如果飞行器永远不会降到最低速度以下，设计上甚至可能会减轻整个结构，可能会重新安排一些传感器，甚至改变空气动力学和控制表面。例如，在承包商的艺术概念图中赋予“小精灵”无人机更多的导弹似的外观，并将其视为可重复使用的巡航导弹，这一艺术概念设定可能相当准确。
2018年4月，DARPA官方发布了Dynetics公司制作的视频，该视频突出了“小精灵”背后的蜂群协同概念：每架“小精灵”能够随时调整以承载不同的有效载荷（最高150磅），一旦联网在一起，所发挥的效能将等于超过其部件的总和。安全的视距数据链通信和自动化水平使群体能够立即对其战术环境作出反应，这也是其运营理念的基石。成群的无人机可以很容易地作为分布式传感器节点，在相当短的时间内在广阔的区域内收集图像或其他情报。携带干扰系统或模拟大型飞机的信号时，它们也可能会在较大的作战行动之前混淆或以其他方式扰乱敌人的综合防空体系。在几年以前，军工界已经深入讨论了所有的这些想法，但是将它们公开展示在公众面前却是首次，这一行动还暗示了非公开领域中可能存在的内容，引人联想。视频同时展示了空中回收行动的整个过程，最终目标设定为在30分钟内在单架飞机上收回四架“小精灵”无人机。承载不同载荷的“小精灵”无人机间的相互协同“小精灵”无人机在拒止环境下的协同导航该视频还明确指出了像Gremlins这样的空中发射和回收系统的优势。这些积极因素包括：较小的机身尺寸，对空军基地依赖性降低，单个任务的成本较低，以及群体内多个不同传感器的分布式布置。无论是在操作上还是在发展上，这些优势都为使用者提供了更高的风险承受能力。
除了初步的飞行测试外，Dynatics团队还通过广泛的建模和仿真来降低试验风险。该团队还研究了F-35和F-22等第五代战机如何应对威胁，以及这些先进的战斗机如何将Gremlins纳入高风险作战领域。通过减少有效载荷和机身成本，以及比一经制造就要运行几十年的传统平台具有更低的任务和维护成本，20次预期寿命的Gremlins可以提供显著的成本优势。为“小精灵”与载机对接的风洞试验制作的比例模型虽然C-130是目前“小精灵”测试的母舰，但整个项目的关键技术具有通用性，可以直接适应于其他运输机或空中战斗平台的翼下回收和货舱回收。模块化的特性使得Gremlins对潜在的转型合作伙伴具有吸引力。这种即上/即下的能力非常强大，因为它不需要任何永久性的飞机修改，而且机翼下安装的系统具有非常大的灵活性。
“小精灵”项目概念及其许多附属技术被军事专家广泛视为通向空战新革命的门户。对于参与Gremlins项目的企业来说必然有利可图，因为大家心知肚明，一旦DARPA这项验证落下帷幕，美国空军将马上推动这项技术进入实用阶段。
目前，Dynetics团队并没有为“小精灵”无人机研发传感器，而是着力发展能搭载不同类型传感器/载荷的系统以适配不同的用户。Dynetics公司导弹和航空系统分部副总裁Mark Miller表示，根据载荷的不同，公司目前有几种不同的系统概念设计，而这些设计也正在向目标用户进行展示。Dynetics公司表示，为不同用户集成各类载荷的工作或许会在第三阶段结束之后进行，或者在第三阶段后期并行进行。Dynetics公司最终的蓝图是让这些系统与传感器能够协同工作，但是这部分的研究工作正在DARPA的其他项目中进行，“小精灵”项目的任务是做好准备，使用其他项目所发展出的能力，例如此前所介绍过的CODE项目（拒止环境下的协同作战）。DARPA CODE：无人机在拒止环境下的协同作战能力发展“小精灵”本身其实是作为DARPA和美国海军陆战队一直在尝试的“用完即弃式”无人机与传统无人机（寿命长达数年）之间的折衷方案。每个“小精灵”设计为执行20个任务，并在任务周期之间进行小幅翻新。“小精灵”很可能比一次性无人机更廉价，并且稍加额外投资就会使它们更有用（具有更多载荷、更多功能）。这对美国军方来说也是具有深远意义上转变，并且在潜移默化地改变“军事级硬件”的概念含义。[1]. Gremlins on Track for Demonstration Flights in 2019.DARPA[2]. Gremlins.DARPA 2016[3]. This New Video Showing DARPA''s Master Plan For Its Gremlins Drones Is Awesome. The Drive[4]. DARPA Will Reel-In Its Gremlins Drones and Pluck Them Out Of The Sky Like Flying Fish.The Drive[5]. Dynetics selected for demonstration phase of DARPA’s Gremlins program. Dynetics