十大革命性軍事技術與3D打印機 - 何偉的部落格

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十大革命性軍事技術與3D打印機

2015/02/20 14:51

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一、十大革命性技術

　　2014年11月，美國《國防》雜誌報導了十大革命性技術，這些技術將對軍事作戰產生重大影響，台灣國防科技孱弱，武落後更該注意以新技術改良國產武器。

(一)抗干擾、抗截獲能力強的激光通信技術

　　激光通信技術可替代傳統的無線電技術，帮助作戰人員以安全保密的方式傳輸大量數據和語音信息。激光通信的優點包括：①使用光脈冲傳輸數據，無需繞開建築物或湖泊、河流、山脈等自然障碍物，速率比無線電快100～1000倍②可解决目前的“頻道擁擠”問題③保密性好④可在惡劣天氣下正常工作⑤相關系統体積小、重量輕、功耗低。在軍事應用上，激光通信系統需要堅固耐用，若安裝在地面車輛或飛機上，還需抗振性能好。美國海軍研究辦公室已在相隔50公里的兩座山上成功測試了埃克斯利斯公司的戰術瞄准線作戰網激光通信系統。　　

(二)可根據需要現場製作無人機的3D打印技術

　　3D打印又稱作增材製造，自20世紀80年代開始出現，主要用於製造模型和樣機，隨著打印機分辨率和材料強度的提高，該技術取得了飛速發展。英國BAE系統公司的科學家預測，未來飛行員在執行作戰任務時，如果臨時需要無人机支援，可用3D打印技術現場打印出所需裝備(圖1)，2014年8月，美國維吉尼亞大學用3D打印技術製造出重0.8kg的“剃刀”小型無人機的9個機体組件，共耗31小時。製造過程採用熔融沉積鑄模技術，熔融狀態的材料經一層層噴塗后形成所需結構。無人機的馬達、伺服系統、自動駕駛儀和電池等電子設備採用商用現有產品。安卓智能手機為無人機提供計算能力。但實際上，目前的3D打印技術還不太成熟，工業界和政府部門需就打印機、打印材料以及打印方法制定系列標準和規範，推動未來3D打印技術的穩步、有序發展。

圖1 3D打印造無人機

(三)自主無人系統

　　研究人員正在研究全自主的武器，包括機器人和其他系統，認知系統與普通計算機蕊片的不同處在于認知系統是基于人腦思維方式，具有全局意識，能感知自身以及周圍現實和虛拟事物與信息，並了解其所處網絡中的其他節點。無人系統可自主交互，可自主攻擊不屬于其所在網絡体系中的系統。2014年8月，美國海軍研究辦公室進行了無人系統研究歷時10年以來最重要的一次里程碑式的試驗。在試驗中，13艘裝備12.7毫米機槍的無人水面艇護衛主艦航行，在直升機偵察到可能携帶簡易爆炸裝置的敵方艦艇目標后，各無人艇開始自主運動，與其他護衛艦圍住主艦提供防護。從發展過程來看，未來無人系統將首先為操作人員提供行動提示，比如建議使用何種武器，下一步將達到自主决策水平。自主技術將不僅用于機器人，還可用于信息技術系統，對情報、偵察和監視平台收集的大量數據進行篩選。但完全自主的系統可能帶來風險，因此需要考慮如何確保對自主系統的控制等問題。

(四)新能源技術

　　國防部是美国最大的能源用户，每年在燃料方面耗資約十億美元。未來作戰行動中，美國國防部需要能够為士兵裝備、武器系統和電力基地提供電能的可再生能源，降低對石油燃料的依賴。核融合反應爐可為部隊提供豐富的能源，且安全性更好，成本更低。如果能獲得足够的投資，核融合反應爐可能在15年内投入使用，在未來20年或30年内，有望裝備到艦艇上為整艘船艦供電。天基太陽能是另一種可為軍方提供充足电能的技術，地面太陽能技術存在的問題是當光照條件不好時無法收集能量，但天基太陽能可克服此難題。美國海軍研究辦公室正在為海軍陸戰隊研究通過士兵自身的運動來產生電能的方法。此外，美國能源部下屬的能源高級研究計畫局還在研究燃料電池項目實現軍用。

(五)全息訓練技術

　　全息技術的工作原理是採用特殊的4K攝影機和投影儀，利用衛星傳輸數據，並在綠色房間内通過軟件產生圖像。全息技術已應用于娛樂行業，取代二維圖像提供逼真的三維景象。在軍事訓練中，全息技術可使武裝分子和平民等以逼真的三維實景出現，使訓練更逼真，提高訓練效果。　　

(六)高超音速武器

　　高超音速技術自20世紀50年代出現，通常被定義為飛行速度超過5馬赫以上，可在幾分鐘内將携帶的武器和傳感器等有效載荷投送到目的地。高超音速技術可作為武器和情報收集工具使用。美國空軍對高超音速武器寄予厚望，並在五大優先發展的技術中列為首位。高超音速武器有望進入敵戒備森嚴的反介入/區域拒止地區執行快速目標打擊任務(圖2)。空軍與國防高級研究計畫局合作展開了兩項新的高超音速武器計畫，分别是高超音速吸氣式武器概念巡航導彈和戰術助推滑翔飛行器。

圖2 高超音速武器有望進入敵戒備森嚴的反介入/區域拒止地區執行快速目標打擊任務

(七)搭載無人裝備的無人系統母艦

　　美國海軍目前過度依賴先進的大型艦艇和潛艇來執行各種任務，雖然這些船只的生存力和戰鬥力很強，但一次也只能部署在一個地方。美國國防高級研究計畫局正在通過“水螅”項目開發可搭載無人載荷和平台，並在海底潛伏數週甚至數月的系統。這種系統類似于航空母艦的模塊化搭載平台，可在沿海海域行驶時搭載、運輸和投放有效載荷，並且需擁有充足的能源、強大的推進系統和指揮控制系統。此無人系統母艦將裝載多種水下無人系統和載荷，用于執行反水雷以及情報、偵察任務。“水螅”系統于2013年啟動概念設計，之后進行組件集成和測試及進一步降低風險研究。

(八)從海量情報數據中提取有用信息的數據處理技術

　　美國國家安全機構搜集的數據量越來越龐大，過濾和篩選這些數據的任務變得越來越繁重。中央情報局的下一個大規模投資必定是大數據處理。谷歌、亞馬遜、臉書、微軟和Adobe等公司已投入數十億美元研究計算機視覺和深度學習。這些技術的目標是教會計算機如何以人類的方式觀察事物和週圍環境。計算機視覺技術專門用于獲取、處理、分析和理解圖像，將在未來幾年迅速發展成熟。

(九)能够應付小艇集群攻擊的船体設計(圖3)

　　2014年初，衛星圖像拍攝到了伊朗造的“尼米兹”級核動力航空母的等比模型。該模型用于訓練如何用集群高速快艇将其摧毁。顯然，美國海軍需要能够應對集群小艇攻擊的艦船。美國朱麗葉公司設計了與海軍其他水面艦艇不同的“幽靈”艦船，其指揮模塊位于兩個支柱的頂端，並分别與魚雷形狀的管體相連，該管体配有發動機和螺旋槳，可在管體週圍產生氣泡。“幽靈”艦船的穩定性非常好，即便在大浪環境中航行也能發射“復仇女神”導彈。　

圖3 　能够應付小艇集群攻擊的船体設計

(十)新生物醫學技術

　　隨著醫學和生物技術的進步，軍事研究機構正努力提升士兵的戰鬥力和生存能力。美國國防高級研究計畫局在2014年4月新成立了生物技術辦公室，目的是研究使士兵保持最佳战鬥力以及迅速、全面恢復戰鬥力的新技術。相關項目包括高科技机器人假肢，以及植入士兵大腦以帮助士兵在受傷后恢復記憶的設備。

圖4 通過勇士織衣項目開發的外骨骼技術

二、軍用3D列印造無人機改變軍工業

　　2014年11月17日，美國國家航空航天局宣布，已在國際太空站成功安裝世界首台“零重力3D印表机”，以帮助宇航員在微重力環境中執行增材製造試驗。前不久，美國空巴公司宣布，未來將利用“3D列印技術”製造新概念飛機，要利用“3D列印技術”製造飛機，需要一台大小如同飛機庫房一樣的“3D印表机”方可完成，人們之所以對“3D列印技術”抱有幻想和希望，主要是因“3D列印技術”有多種傳統工業製造技術所没有的絕對優勢。“3D列印技術”可大量地節約成本，可有效地實現資源和材料的節省，同時製造週期也得到明顯縮短。相比傳統製造方式，利用“3D列印技術”製造飛機，可有效降低約65%的重量，此結果是十分驚人的。

　　　　2013年5月24日，在第十六屆中國北京國際科技產業博覽會上，中航重機控股子公司中航激光所屬研發團隊，展示了"國傢技術發明獎一等獎"的飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術。據參與該項研究的北京航空航天大學材料加工工程的人員稱，北京航空航天大學已與中航工業集團成立中航激光公司，以對該項技術成果實現產業化。在這次展會上，還首次公開展示瞭某型戰機的大型鈦合金零件(圖5)。飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術是"3D打印技術"的高端發展形勢，是一項"變革性"的短周期、低成本、數字化先進制造技術。該項目在國際上首次突破瞭飛機鈦合金大型整體主承力結構件激光成型工藝、力學性能控制、工程化成套設備、技術標準。已經用激光直接制造30多種鈦合金燈大型復雜關鍵金屬零件在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等7型飛機中裝機應用，解決型號研制"瓶頸"，使中國成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光直接制造技術並實現工程應用的國傢。在性能上，根據公開的材料表明，中國已經能夠生產優於美國的激光成形鈦合金構件。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造且付諸實用的國傢。一些觀察人士稱，中國殲-31戰機至少有4個激光成型"眼鏡式"鈦合金主承力構件加強框。而激光3D焊接快速成型技術的成本僅是傳統工藝5%，更重要的是，許多復雜結構的鈦合金構建可通過3D打印一體成型，節省工時，還大大提高材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術制造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%。

隨著中國大陸在鈦合金3D打印上的技術突破，激光成像鈦合金組件在中國已用于新型戰機和大型民航機。作為鈦合金激光打印的先行者，美國Sciaky公司宣布成功掌握了使用電子束進行鈦合金3D打印。美國空軍和洛克希德•馬丁公司已宣布與 Sciaky公司合作使用該公司生產的襟副翼翼梁裝備正在生產的F-35戰機(圖6)。相較傳統方式，3D新技術製造的成本更低、壽命更長，如果3000多架佔都使用此技術製造組件，將可節省數十億美元的成本。