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美军自销毁军用无人机进入原型机研制阶段

2017-09-12 来源:中国航空新闻网 人气: 评论

  在瞬态溶解电路项目研究解决材料问题的基础上,DARPA将可自动降解无人机推进到设计研究阶段。为了完成这一目标,DARPA正在资助一个一次性电子设备项目,可让无人机机身乃至电子设备都得以彻底降解。

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  “另一个实验室”公司的“支持自主再补给活动的航空平台”(APSARA)一次性纸质无人机。

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  “瞬态溶解电路”(VAPR)示意图。

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  C-17运输机投放大量“支持自主再补给活动的航空平台”(APSARA)无人机的想象图。

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  DARPA绘制的“伊卡洛斯”(ICARUS)项目使用构想及说明。

  如何保证落入敌手的装备和电子电路不被破解,是美军近年来关注的一个科技问题。美国国防预先研究计划局(DARPA)自2013年开始,先后实施“瞬态溶解电路”“伊卡洛斯”等项目,目的是开发出可瞬态自动销毁的电路和无人机运载工具,寻求此问题的解决方案。2017年3月,DARPA已初步解决关键材料问题,开发出可在水中溶解的电路板材料、可生物降解菌丝材料等,目前正开展无人机原型研制,着力解决小型动力装置难以完全溶解、载重量小等难题。

  自销毁材料研究成果为自销毁无人机发展奠定技术基础

  要实现无人机的自销毁,最重要的是解决电路板和机身材料的自销毁问题。DARPA通过“瞬态溶解电路”等项目奠定了充分的技术储备,开发出了可瞬态溶解的电路材料和可生物降解的机体材料。

  1.可瞬态溶解的电路材料是关键

  电子设备是军事装备中涉及秘密信息的关键部件。现代电子设备通常结实耐用,便于恶劣战场环境应用,但一旦落入敌方之手就易被破解,获取机密技术和信息。DARPA在瞬态溶解电路方面的研究已经进行了数年,研制的电路可以在水中或其他化学物质中自动溶解。

  2013年1月,DARPA启动了“瞬态溶解电路”(VAPR)项目,目的是开发特殊电路设计,在可控的范围内直接将这些电子设备进行自动销毁,以防止机密技术泄露。该项目是在DARPA此前“自溶解生物医学植入物”项目的基础上发展而来,目的是开发出功能恰当好用,且可按指令或受周围环境条件触发(如温度)而最终“消失”的材料。在“自溶解生物医学植入物”项目中,DARPA已开发了一种可以在水中溶解的小型电子设备。该设备设计的初衷是当战场上有士兵受伤后,他们可以吞下这款设备来杀死病菌以避免感染——该设备会在随后自己溶解,并最终被身体吸收,且不会对人体造成任何危害。

  2013~2015年,DARPA共投入1040万美元,先后资助霍尼韦尔国际公司、IBM公司、BAE系统公司参与VAPR项目研究。其中:霍尼韦尔国际公司的航空航天微电子及精密传感器部门负责为该项目开发内置计算代码和其他电子元件,目的是开发出性能与商业产品相当,但使用寿命有限的电路产品;IBM负责开发自损伤芯片;BAE公司负责开发一个不需要特殊溶液的简单环境就能溶解的传感器。

  IBM在VAPR项目中开发的芯片采用玻璃作为电路板基底,信号触发后,玻璃会熔化烧毁其顶部的硅互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片。DARPA的VAPR项目经理透露,IBM打算利用应变玻璃基底的破坏作为驱动力,使附着的CMOS芯片变为硅和二氧化硅粉末。触发媒介可采用熔丝或是活性金属层,用于触发玻璃基底的破坏。这个过程需要外部射频信号触发。IBM开发了多个方案,提升玻璃破坏性粉碎技术,并将该技术转移到硅CMOS设备。

  DARPA的VAPR项目经理表示,VAPR计划的合作伙伴正开发大量的瞬态溶解材料,其机械性能已经超出了预期。这些瞬态材料含有可直接从固态升华成气态的高分子板和具有高压力内部结构的电子玻璃带,这种内部高压可使材料很容易引发粉碎成为超细微粒。

  2.快速降解机体材料是基础

  2014年11月,美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心推出了一架由蘑菇材料制成的可降解无人原型机,且已完成了首飞。该机机体结构的主体是由被称为菌丝体的材料制造的,菌丝体是真菌的营养体,由许多菌丝聚集在一起组成。美国生态型设计公司将菌丝体培育成了定制的无人机形状。无人机的“真菌身体”被一层在实验室中利用细菌制造出的黏性纤维素“皮革”保护着;在保护层之外,还覆盖着蛋白质,这些蛋白质是利用胡蜂的唾液克隆的,具有防水功能,有很强的可塑性;电路则是用银纳米粒子墨水印刷的,目的是尽可能让无人机能够生物降解,非常具有环保性,并能帮助美军更隐匿地执行秘密监视行动。

  但是,该机体可降解无人机研究团队表示:目前机上的传感器、螺旋桨、操纵装置和标准电池等部分部件仍是生物无法取代的。研究团队的下一步目标将确保生物无人机的电子传感器也能够安全降解,并已开始探究如何利用大肠杆菌来制造传感器。

  美军可自动降解无人机原型化发展已取得初步进展

  在瞬态溶解电路项目研究解决材料问题的基础上,DARPA将可自动降解无人机推进到设计研究阶段。2015年10月,该局发布“伊卡洛斯”(ICARUS,“入境、可控、空中发射和不回收系统”的英语缩略词)项目招标书,研究在完成任务后会自动降解消失的一次性运载工具设计方案。该项目分两个阶段,周期为26个月,总经费约800万美元。ICARUS项目的最终目标是使无人机在完成运输任务4小时后自动溶解。该无人机能够在约10米高处对指定地点准确投递1.36千克重的物资,使用GPS系统进行导航定位,任务完成后便自动降解消失。另外,要求从万米高空的气球上释放时,ICARUS无人机必须能够直线飞行90千米。此外,还要求无人机翼展尺寸必须小于3.05米。

  2016年6月,DARPA与两家公司签署了研发合同。一家是帕罗奥多研究中心公司(PARC),合同金额230万美元;另一家是德兹内技术公司,合同金额290万美元。PARC公司和德兹内技术公司参与项目的第一阶段,研发的原型机将能够从约1万米高空,距目标区域149.7千米处释放。该无人机将近乎完全采用纸板制成,用胶带密封,没有发动机,需通过飞机进行空中发射。数百架无人机可同时发射,完成覆盖半径数百千米的不同地方的运输任务。该无人机配装小型处理机、电池和引导方向的传感器。飞行速度可达88千米/时,航程可达约150千米,载重可达1千克,可在距预设着陆点10米以内着陆。与普通无人机不同,该一次性纸质无人机制作及操作成本低,可强行直接着陆,无需回收,纸板会在几月内自动降解。

  此外,DARPA还在ICARUS项目下,授予美国“另一个实验室”公司(Otherlab)额外合同。2017年3月,该公司发明了一款名叫“支持自主再补给活动的航空平台”(APSARA)的“一次性”纸质无人机,可在紧急情况时作为一次性运送工具。不过,硬纸板只是作为初期采用的可降解无人机材料,在最终设计中,“另一个实验室”公司会采用来源于蘑菇的物质——菌丝来制作飞机。菌丝会在短短数天内分解,又是真正的可再生资源,因此对环境不会有任何影响。

  目前,“另一个实验室”公司在APSARA中无人机里安置了一个GPS元件和两个襟翼马达,进而控制纸飞机在预设着陆点的约15米内着陆。接下来,DARPA希望实现使无人机的电子设备也能迅速消失。为了完成这一目标,DARPA正在资助一个一次性电子设备项目,可让无人机机身乃至电子设备都得以彻底降解。由“另一个实验室”公司的离职人员新创的“永远飞行”公司(Everfly)希望能够在APSARA的基础上进一步进行改进,将最大载重增加到10千克。

  分析

  第一,自销毁无人机的发展是以“技术推动”思路推进创新的典型案例。在该无人机发展之前,美军没有提出此类无人机的概念和需求,并未形成“需求牵引”。它是DARPA着眼于具体技术问题,通过技术探索攻克关键技术之后,基于技术本身价值提出的一种无人机概念;此后,再设立专门的科研项目来发展原型机并开展实验。迄今为止,美军装备发展部门仍未正式提出明确需求,但自销毁无人机的发展已经可以为美军提供一种未来的潜在装备选择。这是科研机构自主创新发展的一般模式,通过技术探索积累各种创新技术储备,基于技术集成应用的价值判断开展原型化工作,一旦成功,便可能获得部队关注,提出实装需求,最终生成新质甚至颠覆性战斗力,凸显科技发展本身对于装备需求的提出具有引领作用。

  第二,自销毁无人机具有明显的军事价值。在未来战场环境中,这种无人机可以在有限时间内提供关键数据,然后瞬态消失,或在自然环境中分解,从而为美军提供一种新的情报、侦察与监视能力,防止相关情报或技术外泄。此外,采用由瞬态材料制备的小型无人运载系统可以完成水、电池或紧急医疗用品的供给,而没有回收这些运载系统的负担。例如,部队或运载平台需要在地震或海啸等自然灾害之后,将食物、易失效的疫苗、胰岛素、血液和血浆产品运送到许多难以到达的地点。如采用自销毁无人机,一旦运载平台完成了任务,就可以完全不去考虑它们的返航或残骸,这将减轻灾害救援/人道主义援助工作人员的负担,并基本上消除了运载平台调配对环境的影响。


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