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2016世界国防和军队建设的战略前沿技术和基础科技发展分析

哈工大装备科研2018-10-01 13:44:40

转载自公众号“国防科技要闻”


一)无人与人工智能技术


2016年国外无人集群技术及人工智能技术发展迅猛,以AlphaGo为代表的深度学习典型应用在世界范围内引起了广泛关注,深度学习、自主学习、机器学习等技术发展迅速,不仅带来了新的能力提升,还预示着智能化战争已经拉开了序幕。

1、开展无人集群技术研究和演示验证,探索无人蜂群式攻击为代表的新型作战能力。2016年,美国防部多个部门启动无人机集群有关研究项目,包括美国战略能力办公室的“无人机蜂群”项目、海军研究办公室“低成本无人机集群”项目、DARPA的“小精灵”项目,推进微小型无人机集群技术的研究与验证。6月,美空军31架无人机在40秒内依次发射并编组飞行,完成了利用发射管发射模块化无人机,无人机自主集群飞行,机间感知和精确编队等技术验证;8月,完成50架“微风”无人机同时自主飞行试验。美海军也对集群式无人水面舰艇相关技术进行了多次演示验证。美乔治亚理工学院开发出新算法,可使多个机器人在彼此距离数厘米的范围内移动且不会发生碰撞,以支持类似“蜂群”的无人系统自主协同作战。

2、加强自主与人工智能技术发展的顶层谋划,持续推进人工智能技术的研究和军事应用。美国从战略层面先后制定、推出了系列自主与人工智能技术发展规划,在国防科技领域,重点培育和扶持自主/人工智能技术攻关的基础性研究工作,并明确提出重点发展“自主学习”、“人-机协作”、“机器辅助人员作战”、“有人-无人编队”、“具备较强应对网络和电子战攻击的武器系统及网络化半自主武器系统”等5大技术领域。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和IBM公司联合公布了以“真北”仿脑处理器芯片为基础的具有认知能力的深度学习超级计算机,标志着人类进入认知计算的新时代,深度学习超级计算机对于网络安全、核武器模拟等具有重大意义。8月,DARPA发布了名为“可解释的人工智能”(XAI)项目公告。该项目以机器学习和人机交互为研究重点,寻求建立一套具有可说明模型的机器学习技术,与可解释性技术结合后,可以使最终用户理解、信任并管理新一代的人工智能系统。11月,DARPA公布了“灵活编组”项目,旨在发现、演示和预测通用化数学方法,实现高度灵活的人机混合编组的最优化设计,从根本上变革当前人-智能机器系统的设计范式,将其从单纯通过机器实现自动化和人类替代的模式,向高级协作、共同解决问题的集成架构转变,从而利用人工智能技术实现未来人机协同作战。

3、人工智能技术推动智能化战争加速形成。2月,DARPA局长表示:DARPA正利用人工智能方法对抗新出现的、未知的威胁,以电子战为例,DARPA近年开发了“自适应电子战行为学习”、“自适应雷达对抗”、“极端射频频谱条件下的通信”等涉及电子支援、电子攻击、电子防护三大领域的认知电子战项目,同时希望利用深度学习技术研发能连续不断感知、学习和适应敌方雷达、从而有效规避敌方雷达探测的电子战系统。3月,人工智能系统AlphaGo战胜世界围棋冠军,标志着类脑智能技术发展取得新的突破。6月,美国辛辛那提大学又公布:该校开发的一套人工智能系统“阿尔法”,在空战模拟对抗中,指挥仿真战斗机编队,击败了有预警机支持、有着丰富空战经验的美国空军退役上校。“阿尔法”在空中格斗中调整战术计划的速度是人类的250倍,从传感器搜集信息、分析处理到做出正确反应,整个过程不超过1毫秒。其核心采用遗传模糊树技术,在与人类飞行员的无数次对抗中学习人类指挥决策经验,逐渐达到并超越人类水平。可同时躲避数十枚导弹并对多目标进行攻击,还能协调队友并观察学习敌方战术,该技术是人工智能在指挥控制领域的重大突破。自主/人工智能技术被视为“改变游戏规则”的颠覆性技术,随着人工智能技术日趋运用到现代战争的方方面面,战争形态将由信息化向智能化加速转变。

二)网络空间技术

网络空间是现代国家赖以生存和发展的重要基础。随着电子信息技术的广泛深入应用,网络空间已成为与陆、海、空、天并列的第五“作战域”,并渗透到陆、海、空、天各个领域。2016年,美军在网络攻防作战能力建设上持续发力,着力增强网络态势感知能力,取得了较为显著的技术进展。

1、通过多种途径和手段强化网络态势感知能力一是探索大数据技术在增强网络态势感知上的应用。美国防部多个机构都在探索网络态势感知的大数据技术应用,其中,美国防信息系统局(DISA)5月16日发布《大数据平台和网络分析态势感知能力》文件,介绍了其大数据平台在增强网络态势感知能力上的应用情况。DISA提供了一整套基于云计算的解决方案,用于收集国防部信息网络(DoDIN)的海量数据,同时提供分析与可视化处理工具以理解这些数据。该方案可使网络分析人员及作战人员以一种全新的综合性视角审视DoDIN的活动,有力地保证了决策的制定,同时增强了国防部网络的整体安全水平。二是继续推进“X计划”以创建通用网络作战空间。美国DARPA于2012年启动的“网络作战基础研究计划”(X计划)首次交付作战人员,该计划希望“发展主宰网络战场空间所需的基础性战略与战术,通过可视化、图形化的方式,使作战人员在大规模实时动态网络环境中理解、规划和管理网络作战”,从根本上全面提升态势感知和协作能力,使作战人员减少任务规划时间,支持任务扩展,扩大作战优势。三是启动“战术网络作战管理”项目,增强网络态势理解能力。美陆军4月启动“战术网络作战管理”项目(旨在评估整体战术网络),用于提高国防部信息网络、攻击性网络作战和防御网络作战的“态势理解”能力,首次将网络“态势感知”提升至网络“态势理解”高度,其内涵不仅包括信息层面,还包括行动层面,如知晓战况、任务和影响以及如何更好做出决策,这比态势感知的要求更高。6月底,美陆军网络卓越中心举行“网络探寻2016”演习,目的就是赋予指挥官对网络电磁活动的“态势理解”能力,提高应对作战挑战的能力。

2、不断夯实和推进网络防御能力建设一是扎实推进“联合信息环境”(JIE)建设。美国防部“联合信息环境”的核心、基础模块——“联合区域安全堆栈”(JRSS),已于2016年全面完成第一阶段建设,并于12月进入第二阶段。这一阶段的建设内容,主要是进一步确定JRSS的有效性,并检验它在防御性网络作战中缓解威胁的能力。“联合信息环境”将为美军提供统一、标准化的军用通信网络,具备安全、互操作的云环境,可用于存储所有军种、国防部机构及盟友的涉密和非涉密信息,能够大幅降低安全风险。二是美空军积极开发网络战武器系统,增强了网络防御能力。1月和3月,美空军接连发布两套网络战武器系统—“空军内联网控制”(AFINC)和“网络空间脆弱性评估/猎杀”(CAV/H)系统。AFINC能够作为空军网络防御第一线,控制所有进入空军信息网的网络流量,将空军100多个分散管理的网络接入点统一到16个接入点集中管理,增强了网络防御能力和安全性。CAV/H系统可执行网络漏洞及脆弱性评估、对敌威胁探测以及鉴定等任务,帮助空军找到、修复、跟踪、定位、评估并解决针对其作战任务的各种威胁,确保空军在空战、空间战和网络空间战中的制胜能力。三是持续推进新型网络防御技术的研发。美DARPA启动多个研发项目,寻求全新、更有效的网络防御技术。5月,DARPA启动“增强型归因”项目,旨在研发有效描述攻击者的技术方法,分享网络罪犯的作案方法、潜在的受害者等信息,并预测后续黑客行为,同时建立描述攻击者恶意活动的完整历史记录。6月,美国土安全部启动“预测性恶意软件防御技术”研发工作,该技术基于新型恶意软件来预测网络攻击,使用机器学习和统计模型,提前进行防御。

3、面向实战广泛探索网络攻击手段一是利用人工智能技术发展网络攻防能力。7月,美国IBM公司利用其“沃森”技术平台,研制自动化威胁识别和修复系统。“沃森”作为一个人工智能操作辅助平台,可以自动分析登录服务器的日志数据,帮助检查恶意软件、可疑IP地址等,其效能非人类可以比拟。8月,DARPA开展的“网络挑战赛”(CGC)网络攻防对抗竞赛进行了最终的决赛,参与决赛的7支队伍使用DARPA提供的高性能计算机系统搭载自行设计的人工智能“网络推理”系统,在“实验型网络安全研究评估环境”下,开展漏洞自动发现、确认和修复竞赛。这是世界上首个全部由计算机参与、无人工干预的“网络夺旗”竞赛,开启了网络攻防技术的“自动化革命”。二是利用木马技术实施网络攻击。2016年,美国密歇根大学在不改变芯片电路设计情况下,在OR1200处理器制造阶段,通过改变集成电路版图的方式植入硬件木马,并通过远程控制方式实施网络攻击,验证了这种植入硬件木马技术的有效性。该硬件木马可获取处理器的最高控制权限,进而获取系统最高控制权限。这项技术标志着芯片潜在安全风险来源已从设计阶段延伸至制造阶段,颠覆了既有安全防范措施的有效性。三是网络攻击已从战争舞台的幕后走向前台。3月,美国防部公开宣布对“伊斯兰国”组织发动网络战,旨在破坏其指控系统,使其网络过载,无法运行。美军开展的网络攻击行动,破坏了“伊斯兰国”在网络战场执行任务与通信的能力,迫使其采取其他通信方式。

三)空间技术

空间是世界大国博弈的战略制高点。当前,空间领域呈现“拥挤、对抗、竞争”的新态势。空间技术的发展,主要集中在进入空间、利用空间和控制空间技术领域。2016年以来,主要国家加快空间技术创新发展,大力推进航天系统建设步伐,“入天、用天、控天”能力稳步提升。

1、航天运载器技术多途径并行发展一是重型运载火箭技术研发稳步推进。2016年,NASA大力推进“航天发射系统”(SLS)重型火箭的全面生产、组装、集成以及测试。该火箭最终低轨运载能力约为143吨,是目前最大运载能力的6.5倍,将用于载人探索火星任务。美国联合发射联盟启动研制新型“火神”大型运载火箭计划,旨在研制可捆绑4或6个固体助推器的两级液体运载火箭,地球同步轨道运载能力超过8吨,计划2019年首飞。8月,俄罗斯国家航天集团公司开始设计最新超重型运载火箭,该火箭以RD-171液体燃料发动机为基础,该火箭的第一级和第二级将不会使用氢循环。1月,欧洲航天局新一代“阿里安-6”运载火箭设计架构定型,为可捆绑2或4个固体助推器的两级液体运载火箭,计划2020年首飞;二是可重复使用空天运载器技术是目前研究和探索重点。围绕可重复使用空天运载飞行器的发展,美国DARPA、NASA和美空军按照不同技术路线,着眼近期和远期,分别安排了基于火箭动力的部分可重复使用两级入轨飞行器验证项目(XS-1“试验性太空飞机”项目)、基于“涡轮基组合循环发动机”(TBCC)及火箭动力的完全可重复使用两级入轨飞行器技术预研、基于“火箭基组合循环发动机”(RBCC)及火箭动力的完全可重复使用两级入轨飞行器技术预研。9月,美国空军研究实验室发布基于英国“佩刀”组合发动机的两种水平起降两级入轨空天飞行器概念方案,“佩刀”发动机技术不仅会助推可重复使用空天飞行器技术的发展,还会在整个高超声速技术领域带来颠覆性变革。美国SpaceX公司“猎鹰-9”火箭继2015年首次实现火箭一级陆上回收后,2016年多次成功实现火箭一级的海上回收,表明有动力垂直返回技术日趋成熟。5月和8月,印度分别进行了“可重复使用运载器技术验证机”(RLV-TD)首次飞行试验和超燃冲压发动机首次带飞点火试验。试验成功将为印度未来可重复使用空天运输系统发展奠定重要技术基础;三是新概念火箭发动机技术取得新突破。8月,俄罗斯高级研究基金会资助的首型液体燃料连续旋转爆震发动机完成实验室环境下点火测试,试验成功产生了不同能量的爆震波,验证了液体燃料连续旋转爆震发动机的技术可行性,此次试验成功表明连续旋转爆震发动机在燃料喷注过程压力损失控制、燃料与氧化剂掺混,燃烧室耐高温性能、爆震波传播方向控制等方面的关键技术初步得到解决。旋转爆震发动机有望成为运载火箭和导弹新的动力形式,大幅提高运载能力,开辟航空航天动力新途径。

2、天地一体的实时空间态势感知能力加速形成一是地基空间目标监视网进一步完善。10月,DARPA正式向美空军交付“空间监视望远镜”,标志着该项目已正式由研发阶段转入作战应用阶段。“空间监视望远镜”具备大视场和快速观测能力,将大幅缩小空间监测漏洞,对微小攻击平台监测能力加强,对中高轨空间事件的监测认知能力和反应速度明显提升。

二是天基高轨巡视侦察卫星进入组网阶段。8月,美国成功发射第3、4颗GSSAP卫星,使在轨GSSAP卫星数量达到4颗。同时,美军还对其中一颗GSSAP卫星进行机动变轨,抵近详查美海军“移动用户目标系统-5”卫星,开展在轨任务测试。GSSAP卫星完成组网后,将使美军高轨目标巡视侦察能力再次提升,进一步支持美军态势感知能力向支持空间战目标技术侦察、行动意图判断等功能拓展。

三是先进光学成像及处理技术提高军事侦察与态势感知能力。2016年,在美国DARPA和NASA联合投资下,洛•马公司与加州大学联合开展了微缩干涉光学成像系统研究,利用大规模微型干涉仪组成的微缩阵列进行干涉成像,上百倍降低传统光学成像系统的尺寸和质量。同时,美科学家提出了图像重构技术,该技术可在不改变侦察卫星硬件的前提下,利用单颗或多颗侦察卫星对同一目标的多张侦察图像进行在轨图像后期处理与合成,理论上可将图像分辨率提升5倍,提高军事侦察与态势感知能力。

3、攻防并重积极布局空间对抗技术一是公开发展进攻性空间对抗能力。3月,国防部长卡特称,2017财年国防部将拨款20亿美元用于发展进攻性空间对抗能力,包括继续研制部署反卫星通信系统(CSS)。美国空军X-37B轨道试验飞行器继续进行第四次飞行试验,本次飞行试验重点是验证飞行器携带的有效载荷,表明美军已基本完成了对X-37B的核心试验鉴定工作,转向作战及其他功能拓展。

二是继续发展弹性分散式空间体系结构。为确保空间系统安全,美军将继续推进弹性分散空间体系结构发展,并于4月提出了名为D4P2的重点投资领域,即通过任务功能分解、系统备份、分布式部署、欺骗、防护和能力备份等方式,提高卫星系统防护能力。三是通过空间在轨操作和空间碎片清除项目,以民掩军隐蔽发展空间攻防技术。3月,DARPA正式公布“地球同步轨道卫星机器人服务”(RSGS)项目,重点验证在地球同步轨道或附近验证“服务卫星”安全、可靠、高效地进行逼近、检测和维修等在轨操作技术,计划2021年前进行在轨演示验证,实现对地球同步轨道卫星的“按需服务”。相比于美军此前提出的“凤凰”和“蜻蜓”计划,RSGS项目涉及卫星太阳能帆板展开、天线故障检修、升级模块安装等多种高轨操作任务,任务的复杂性更高,需要多项在轨操作技术的配合使用,技术应用范围更广,具备更加多样化的全轨道卫星攻防潜力。空间碎片清除技术经过转化后具备潜在的空间对抗能力,近年来多国纷纷开展了空间碎片清除技术研究,俄罗斯计划2016~2025年设计并建造一型“清理者”航天器,用于清理地球同步轨道上废弃的卫星和火箭上面级,一次任务可清理至少10个空间碎片。日本正在开展“电磁网”的研制,用于空间碎片清除。欧洲航天局宣布将于2017年6月从国际空间站释放“碎片清除”卫星,演示验证低地球轨道空间碎片清除技术。

四)临近空间飞行器技术

临近空间一般是指距离海平面30~100千米的空域,空气稀薄、阻力小,环境独特,既可为飞行器提供一定的升力和横向机动控制力,又有利于高超声速飞行,军事价值巨大。21世纪开始,美国相继实施多项高超声速临近空间飞行器研究计划,推动了世界范围的技术研发热潮。

1、高超声速巡航技术发展进入新阶段8月,美国DARPA正式发布“先进全速域发动机”(AFRE)项目的招标文件,旨在研发和地面验证一种能在马赫数0-5+范围内工作的可重复使用、碳氢燃料、全尺寸涡轮基冲压组合(TBCC)发动机,以支撑高超声速飞机技术的发展。AFRE项目是美国官方首次明确针对高超声速飞机需求而设立的TBCC发动机地面集成验证项目,也是当前美国政府在高超飞机领域投资最大的项目,标志着美国高超声速飞机TBCC动力进入了全新的发展阶段。9~10月,DARPA分别授予洛·马公司和雷声公司价值1.71亿美元和1.75亿美元的“吸气式高超声速武器方案”(HAWC)项目第二阶段合同,研制战术射程的高超声速巡航导弹。HAWC项目为X-51A的后继项目,目标是在前期X-51A超燃冲压发动机关键技术取得突破的基础上,进一步集成导引头、引战等分系统,为发展一型射程925千米、速度为马赫数6的空射吸气式高超声速巡航导弹进行关键技术开发和验证。俄罗斯3月首次完成海军“锆石”新型高超声速巡航导弹的陆基试射。

2、助推-滑翔高超声速技术研发与试验并进9月,DARPA授予洛·马公司1.47亿美元的战术助推-滑翔(TBG)项目合同,研制战术射程的助推-滑翔导弹。为配合武器系统层面演示验证的进度,美空军研究实验室(AFRL)正在同步推进超燃冲压发动机、热防护结构与材料、导引头、引战等方面的关键技术攻关,目标是在HTV-2的技术成果基础上,发展一型射程1000~2000千米、最大速度9~10马赫的空射高超声速助推-滑翔武器。

俄罗斯分别于4月、6月和10月成功完成了3次高超声速助推滑翔飞行器YU-71和YU-74试射。按照俄罗斯当前发展的项目来看,已兼顾战略、战术射程,发展了助推滑翔式、吸气式不同技术方案的打击武器,打击武器装备体系趋于完善。

五)先进防御技术

面对高超声速武器的快速发展,以及动能、定向能武器的实战化应用,2016年,世界主要国家积极探索和发展先进防御技术,发展制衡手段,加强自身安全的防护。

1、美国积极发展新型动能和激光拦截器技术一是推进“重新设计杀伤器”(RKV)研制。RKV是一种全新的杀伤器,采用模块化设计,应用大量现有杀伤器部件,具备与“地基中段防御”系统火控系统之间的实时通信能力。这种新型的杀伤器将具有更高的可靠性,在生产、试验、可靠性以及效费比等方面都得到提升。二是美军研究利用无人机机载激光武器进行助推段反导。6月,美国导弹防御局表示将发展高空长航时无人机载激光器用于弹道导弹助推段拦截,与大型、昂贵飞机搭载化学激光器相比,长航时无人机搭载改进型电子激光器在空气更稀薄的较高空大气层运行,将更加容易和稳定。美导弹防御局希望成熟化并验证一种数十到数百千瓦级的机载“杀伤激光器”,尽可能多地拦截助推段导弹,达到稀释导弹齐射的目的。

2、多国开展新型反无人机技术研究与测试随着无人机技术的不断发展,反无人机技术也受到国外的高度重视。2016年,国外积极推动反无人机技术发展,除了运用雷达探测、导弹等传统防空武器对抗无人机外,还大力开展电子战、网络战、激光武器、微波武器等各种新型反无人机技术研究。美国已有5家公司参与“低功率激光器验证机”项目竞争,其主要方案包括固态激光器、光纤激光器和二极管泵浦碱金属激光器,功率水平达几十千瓦至几百千瓦之间。美陆军正在测试一种名为“相位器”(Phaser)的高功率微波武器,在几毫秒时间内成功摧毁一架“侧卫”无人机和一架“暴风雨”小型无人机,该系统除了用于反无人机外,还可用于应对导弹、无人车辆等目标,且单发成本不足1美元,雷声公司表示,该武器可在一次脉冲中清除约空中足球场大小区域内的无人机,该系统目前已具备实战部署条件。英国和法国研制反无人机干扰系统,可对来袭无人机威胁进行评估并干扰;澳大利亚研发反无人机电磁枪,通过干扰无人机的通信频段从而中断无人机与遥控系统之间的联系。


六)新材料新器件技术


新材料和新器件技术是推动国防科技发展的基础技术和先导技术,每一次重大突破都会引发深刻的变革,因此,也是主要国家抢占未来发展战略制高点的必要途径。2016年,新材料、新器件技术均取得了重要进展或突破。

1、超材料、智能材料、复合材料等研发取得重大进展一是美科学家研发出可制作“隐身斗篷”的柔性超材料。美国艾奥瓦州立大学研究人员称研发出一种柔性、可伸缩、具有调谐选择性的超材料蒙皮(Meta-skin)。该超材料由硅胶薄膜以及镶嵌在硅胶薄膜内的开口环形谐振器阵列组成,通过伸展和收缩改变开口环形谐振器的形状,进而改变谐振器的电感参数与电容参数,调整抑制电磁波的频率范围,实现在更宽频段内、全方位抑制电磁波散射。试验显示,这种超材料对频率范围为8~10吉赫兹的电磁波,吸收率达75%。这种超材料蒙皮有望作为下一代隐身战机的外表面材料,未来还将实现在可见光或红外光等更高频电磁波下隐身。

二是华盛顿州立大学开发出多功能“智能”材料。7月,美国华盛顿州立大学研发出一种独特的多功能智能材料,可以在光和热的作用下实现形状改变、自我折叠和展开。这是研究人员首次在一种材料上合成了形状记忆、光激活及自修复等多种能力。这项成果为智能材料的多能化和归一化应用开辟了新的技术途径,未来将在制动器、药物传送系统、自组装设备等多个领域方面得到广泛应用。

三是英国科学家在复合材料研发上取得新突破。英国研究人员在一个曲面物体上覆盖了一种纳米复合介质,实现了使其“隐身”的效果。这是一种带有纳米级微粒的复合材料,拥有7个不同的层,每一层的电子属性根据其所在位置的不同而各异。这种复合材料有着非常广泛的应用,对纳米天线、航空航天工业等其他工程设计领域大有助益。

2、新型元器件取得重大突破一是美国研制出世界最小尺寸晶体管。10月,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室牵头的研发团队宣布,研制出全球首个1纳米栅长高性能晶体管,这将为电子元件的尺寸及性能的改善提供很大的优化空间,同时,也将有助于促进超级计算机发展,进而通过更大规模的建模仿真,研制性能更加优异的武器装备。

二是NASA研制抗辐射纳米级航天器芯片。美国NASA和韩国科学技术研究所12月初公布其研发的自愈型芯片可在受到辐射损伤后进行修复,此项技术突破可描述为“一款可用于开发特殊硅芯片的晶体管,使硅芯片在辐射受损后能自行修复”。

三是新加坡研发微型芯片技术。新加坡南洋理工大学研发出一种微型芯片,可用于制造尺寸仅相当于现有雷达相机1/100的新型雷达相机。该芯片技术可使重达50~200千克、搭载于大型卫星上的雷达相机缩小至掌上尺寸,且所拍摄图像质量不低于大型雷达相机,造价却仅相当于现有大型雷达相机的1/20,能耗降低至少75%,可在所有气象环境下使用。

七)先进制造技术

先进制造技术是衡量一个国家综合实力和科技发展水平的重要标志,也是在战场对抗和市场竞争中获胜的重要支柱。因此,世界各国高度重视发展国防先进制造技术。2016年,美、俄等军事强国,通过发布顶层规划、投资重点制造技术研发项目等举措,积极推动国防先进制造技术发展,先进设计、智能制造、增材制造、微纳制造、生物制造等领域都取得了一系列重要进展。

1、加强战略规划,指导国防先进制造技术发展。美国发布《先进制造:联邦政府优先技术投资领域速览》报告,提出先进材料制造、推动生物制造发展的工程生物学、再生医学生物制造、先进生物制品制造、药品连续生产等5个应重点考虑的新兴制造技术领域,明确了美国政府未来制造技术发展重点;1月,美海军发布2016财年海军制造技术计划(ManTech),该计划针对海军对平台、系统、装备的生产和维修需求,通过转化海军项目所需的制造技术,降低成本,实现海军各个武器平台经济可承受性目标。12月,美国防部宣布设立高级再生制造研究所(ARMI),这是“美国制造业”战略规划的第七个国防制造中心。其使命是组织当前国内分散的组织生物制造技术能力,提高美国在全球竞争中的地位。ARMI将重点关注高通量培养技术、3D生物制造技术、生物反应器、存储方法、破坏性评估、实时监测/感知和检测技术等。

2、先进制造技术将开辟新的产品设计与制造途径一是增材制造技术持续快速发展。美国休斯实验室使用3D打印方法制造出超强陶瓷材料,不仅可拥有复杂的形状,还能耐受超过1700摄氏度的高温;美国哈佛大学研究人员利用3D打印出世界首个全柔性自主机器人;NASA推进3D打印火箭发动机测试工作,除了主燃烧室外,用于测试的燃料涡轮泵、燃料喷射器、阀门及其他主要发动机组件均由3D打印制造,通过测试获得的数据可验证并增强团队的计算机建模与仿真。NASA授出“多功能空间机器人精密制造与装配系统”(又名“建筑师”)研发合同,研发装有多个机械臂的3D打印机,并将其安装在国际空间站外部分离舱,未来利用“建筑师”的机械臂在轨拆卸废弃航天器上的可用零部件或在轨打印零部件,并组装新航天器。美国橡树岭国家实验室在聚焦电子束诱导沉积技术的基础上,将仿真与实验相结合,开发出仿真引导路径工艺,用于3D打印纳米结构的集成设计和构建,显著提高纳米级3D打印精度与可控性。

二是DARPA发展变革性设计技术。4月,美国DARPA宣布启动“变革性设计”(TRADES)基础研究项目,旨在解决现有设计技术与先进材料、先进制造工艺间不匹配的问题,以发挥先进材料、先进制造工艺的技术优势。目前,先进材料和尖端制造能力的发展使得产品性能和结构复杂度大幅提升,已超过传统计算机辅助设计和物理建模可处理的极限。TRADES项目将从材料科学、应用数学、数据分析及人工智能等技术领域,寻求具有创新设计概念的建议,开发一种革命性的新型设计工具,以充分利用先进材料及制造工艺,开拓设计领域的发展空间。

八)量子信息技术

量子信息技术在确保信息安全、提高运算速度和探测精度等方面具有颠覆性影响,是目前最引人瞩目的前沿技术领域之一。各国在量子信息领域争相投入巨资,期待在相关领域的突破。

1、在量子通信领域美国是全球最早将量子通信技术列入国家战略、国防和安全研发计划的国家。2016年初,美国NASA正在总部与喷气推进实验室(JPL)之间建立一个直线距离600千米、光纤皮长1000千米左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线,并计划在2018年前后拓展到星地量子通信。7月22日,美国家科学技术委员会发布《先进量子信息科学:国家挑战及机遇》报告,表明美国将在量子信息领域加大国家投入,占领信息的制高点。欧盟委员会3月发布《量子宣言(草案)》,计划于2018年启动10亿欧元的量子技术项目。其中在量子通信方面,规划5年内突破量子中继器核心技术,实现点对点安全量子通信,10年内实现远距离量子网络、量子信用卡应用等,目标融合量子通信与经典通信,“保卫欧洲互联网安全”。日本政府2016年提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略,并计划2020-2030年间建成绝对安全保密的高速量子通信网,从而实现通信技术应用上质的飞跃。日本国家信息通信技术研究所计划在2020年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。量子理论与信息技术交叉产生的量子信息技术,已成为新兴战略前沿技术,一旦成熟,将在高安全保密通信、超强并行计算、高分辨抗干扰探测等领域带来全新的理念,成为推动信息技术发展的革命性力量。

2、在量子计算领域。美国出于国家安全利益的紧迫需求,将高性能计算能力与核能力同时列入重点发展规划,同时将量子计算技术规划为确保核武器安全和可靠性的重要手段。目前,美国已经在量子计算领域完成战略布局,2016年以来,美国国家科学和技术委员会、科学技术政策办公室和国家标准与技术局等机构推出了一系列政策和项目资助计划,支持量子计算技术的发展。谷歌和美国NASA联合研发的D-Wave 2X量子计算机在测试中运行速度达到了传统芯片的1亿倍。美国情报高级研究计划局在2016年初宣布启动量子逻辑芯片项目,这种硬件产品是研制通用型量子计算机的关键,如果该技术取得突破,理论上可以制造出量子比特可扩展的计算系统。除此之外,美军各军种科研机构也与私营和公共部门伙伴共同投资进行了量子信息研究项目,但涉及经费数量规模的数字并未公布。

九)生物交叉技术

生物技术是当今世界发展最快、最为活跃的技术领域之一。生物技术与信息、纳米、材料等技术交叉融合,已经衍生出了生物计算机、生物材料、生物器件、生物传感器、仿生、认知等多项新兴技术,其研究成果已展示出广阔的军事应用前景。

1、脑科学研究方兴未艾。美国2013年出台“脑科学研究计划”拉开了全世界进行脑科学研究的序幕,之后,欧盟、日本、英国、俄罗斯等国家和组织先后启动了脑计划,并将其上升到国家战略层面,各个国家的军方也迅速投入人员和经费积极参与其中,抢抓战略制高点,探索军事应用。

脑科学的军事应用主要体现在“仿脑”、“脑控”和“控脑”三个方面。其中,“仿脑”是基础与关键,即借鉴人脑构造方式和运行机理,开发出全新的信息处理系统和更加复杂、智能化的武器装备,甚至研发出与人类非常接近的智能机器人。而“脑控”和“控脑”的关键是脑机接口技术。1月,DARPA宣布斥资6200万美元研究一种可植入人脑的先进设备,通过采集大脑皮层神经系统活动产生的脑电信号,经过放大、滤波等方法,将其转化为可以被计算机识别的信号,从中辨别人的真实意图,使人类大脑直接与计算机对话。该技术具有大量潜在的军事应用,例如旨在提高和恢复人类工作效率的可穿戴机器人技术。如果该项目成功,机械战士或将成为现实。10月,DARPA在白宫前沿技术会议上,首次在残疾人员身上演示验证了一项新型脑机接口技术,通过与机械臂连接的脑神经接口系统实现了人脑和机器之间的双向通信能力,即输出信号用于控制运动而输入信号用于获得感觉,使他们能够体验被触摸的感觉。该技术为赋予未来武器装备作战系统智能化奠定了基础。

2、生物材料技术受到重视。通过分子设计、生物工程、合成生物学等技术,可以制备出具有特殊性能的材料,应用前景广阔。2016年,生物材料研究,在多个领域有突破。一是DARPA开展体内纳米平台和工程生命材料等智能材料研究。2月,DARPA生物技术办公室发布了《生物控制》报告,通过对生物材料的嵌入式控制,为生物系统控制建立从纳米级到厘米级、几秒到几周的跨尺度能力。体内纳米平台计划是DARPA正在运行的生物材料项目,旨在研发全新的具备强适应性的纳米微粒,以期获取分布式、温和的生理和环境感知,同时形成针对生理异常、疾病和传染病的治疗方案。工程生命材料计划(ELM)是DARPA提出的利用生物学“生长”全新材料的理念。该计划旨在以材料科学、工程生物学以及发展生物学为技术支撑,将传统建筑材料的结构特征与生物系统特性结合,最终目的是通过生物系统的基因组直接获得制定的工程结构性能。

二是纳米轻质高强材料取得新突破。2月,美国西北大学在《科学》发表研究结果,报道了10种不同晶体结构,可任意进行材料设计,这种技术在设计新型光学材料方面非常有价值,严格控制纳米粒子的间距能制造出能传输、反射和发射特定波长光的水晶材料。三是生物制造受到高度重视。美国政府将生物制造确定为重点发展的新兴制造技术,国防部组建“先进组织生物制造”创新机构;美、欧生物制造应用研究取得诸多进展,低成本、无毒超疏水纳米仿生涂层材料,利用带有蜘蛛基因的微生物制造的高强蜘蛛丝,基于土壤细菌基因改造的合成纳米线等技术有望应用于国防领域。

3、仿生技术发展迅猛、军事应用前景广阔。2016年,各国积极发展仿生技术,涌现出一批新型仿生机械和仿生材料,有望成为装备新能力形成的有效途径。美军研制出单兵外骨骼装置,可以使士兵负重90千克在各种地形行进;哈佛大学研发了类似蜜蜂的“机器峰”和“机器鱼”,将在军事侦察领域发挥重要作用;美国斯坦福大学研究人员首次制备出一种可用于制作晶体管的可自愈弹性聚合物,实现了复杂电子表面模仿人类皮肤,是仿生学发展的重大突破,将为新一代类皮肤可穿戴装备奠定基础。波兰、意大利和英国合作利用光电机械液晶弹性体单片电路研发出一款长约15毫米的软体机器人,可模仿毛虫不同步态、爬坡、推动比自身重10倍的物体,具有在挑战性环境中执行任务的能力。英国研究人员设计出一种模仿蝙蝠的新型薄膜可变机翼,利用这种机翼制作出的微型无人机可以飞得更远并节省更多燃料。

十)先进信息技术

云计算、大数据的快速发展及其军事应用,推动了武器装备和战场智能化发展,也使得数据安全攻防将成为未来战场新常态。

1、推动云计算和大数据技术的军事应用。2016年,美国防部发布了关于云和网络的政策性文件,指导国防机构与商业云服务提供商的合作,加紧云计算在军事上的应用,包括美海军部署反舰战“战术云”,搭建进攻性反舰网络,可从卫星、飞机、舰船、潜艇以及武器本身获得目标信息,形成致命的“杀伤网”,使己方部队远离敌方远程致命武器。美国大数据研究的目标就是通过大数据创建真正能够自主决策和自主行动的无人系统。美国的X-47B侦打一体无人机,已经可以在完全无人干预的情况下,自动在航母上完成起降并执行作战任务。未来国防大数据可以将信息化战争推向智能化战争,实现情报智能化、指挥智能化、武器智能化、感知智能化以及后勤和装备保障智能化。

2、大数据目标识别将颠覆传统军事伪装与欺骗技术。大数据目标识别技术是指通过对侦察卫星、预警机、地基雷达和传感网络等多种系统所收集的海量数据进行综合研判和分析,获取战场目标的众多特征,进而对战场态势和真伪目标进行精准研判。美国目前已成功攻克大数据目标识别相关理论和关键技术。该技术一旦实用化,或将颠覆现有伪装和诱饵技术的发展。目前,战场伪装和诱饵手段主要通过模拟真实作战单元的外形、温度、电磁特性等个别特征,针对性地应对高分辨率成像侦察、红外侦察以及电磁侦察等手段,欺骗并引诱敌方打击伪装目标,但还无法完全模拟目标的全部或大量特征。大数据目标识别技术能够利用目标的历史数据结合实时获取的图像、电磁特征等信息综合分析研判,发现目标的众多特征的变化,进而判别出疑似军用目标和类型,有效避免伪目标的干扰,精准打击真实目标。


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