无人机群的工作原理 — 从伊朗的沙赫德袭击到乌克兰的蜘蛛网行动

快速阅读: 《科学美国人》消息，上周以色列遭超100架伊朗无人机袭击，凸显无人机蜂群威胁。乌克兰的Spiderweb行动展示无人机自主攻击能力，而美国 OFFSET项目则探索复杂蜂群战术。中国研发“九天”母舰无人机，未来天空或充满自主飞行器，防御与进攻不断升级。

上星期五，以色列对伊朗的空袭刚刚过去六个小时，伊拉克的农民或许就能看见伊朗无人机从东方向西飞去：超过100架无人机开始了一场长达1700公里的旅程，直奔以色列而去，螺旋桨嗡嗡作响，如同割草机一般。其中一架是“见证者”-136无人机。它主要由泡沫材料和胶合板制成，机身长度3.5米，翼展2.5米，头部装有重约40至50公斤的弹头。“见证者”-136的“大脑”是一个大小如薄荷糖的传感器，可以测量每一次运动，而一张信用卡大小的GPS模块则负责接收导航卫星发出的微波信号。在助推火箭将其发射到空中之前，其航线（包括纬度、经度和高度的航路点）早已提前上传。而且它非常吵：它的50马力发动机略强于1960年代大众甲壳虫的发动机，在全速运转时犹如割草机或摩托车般喧闹——如今在军事战略家所谓的初级蜂群中，这种声音被放大了百倍。

无人机蜂群可以呈现多种形式。在伊朗最近针对以色列的无人机袭击或俄罗斯在乌克兰使用的无人机攻击中，蜂群的力量在于其数量。射程类似的导弹单枚成本可能超过百万美元，但一架“见证者”无人机的成本仅需2万至5万美元。伊朗伊斯兰革命卫队（IRGC）从便携式轨道或卡车上的支架上发射它们，每个无人机底部的小型脉冲火箭使其达到巡航速度后脱离。战略与国际研究中心将这种无人机齐射描述为不仅是为了饱和防空系统，也是为了攻击目标的工具，它们会干扰雷达屏幕，并迫使指挥中心决定在哪里发射更强大的地对空导弹，这正是以色列所面临的局面。上星期五，当超过100架伊朗无人机飞向特拉维夫并被战斗机击落，以及以色列的铁穹防空系统和地中海的一艘美国海军驱逐舰拦截时，它们无法根据战场情况调整航向。“见证者”在波斯语中的意思是“见证者”，通常是一种“发射后不管”的无人机：它无法传输信息回来或接收更新后的轨迹（尽管它经常以不同的方式建模，据报道俄罗斯使用的某些“见证者”无人机配备了通信设备）。然而，这种攻击的蜂群力量在于其成本：在上周晚些时候的那次行动期间，IRGC能够以如此密集的波次发射无人机，以至于战斗机飞行员、雷达操作员和铁穹部队需要在移动的相同雷达回波云中筛选目标。

支持科学新闻报道
如果你喜欢这篇文章，不妨考虑订阅以支持我们的获奖新闻报道。通过购买订阅，你正在帮助确保关于今天塑造我们世界的新的发现和想法的有影响力故事的未来。

更复杂的蜂群：乌克兰的Spiderweb行动
大多数实验性蜂群的核心是boids算法，这是计算机图形学研究员克雷格·雷诺兹在1987年的一篇论文中提出的一个概念。“boid”是一个“鸟状物体”或“类似鸟类的物体”。在boids模型的鸟群中，“每个模拟的鸟都被实现为一个独立的演员，根据其对动态环境的局部感知、模拟物理定律对其运动的规则以及编程到其内部的行为来导航，”雷诺兹在他的论文中写道。boids概念遵循三条基本规则：每个boid应该靠近其他boid（群体中心化），不应该碰撞它们（避免碰撞），并且应该以大致相同的速度飞行（速度匹配）。当1000个鸟模拟在计算机上运行时遵守这三条法则，屏幕上就会充满类似于鸟群的东西。这就是蜂群逻辑的骨架，也是使用无人机在战争中应用的目标。

然而，即使无人机之间不能互相通信，只要给每台机器配备GPS、自主性和预设目标，它们就可以变得更具杀伤力，就像乌克兰最近的Spiderweb无人机攻击那样。6月1日，就在以色列和伊朗交火前不到两周，乌克兰特工雇佣的司机驾驶装载木棚的平板车行驶了数千公里。这些卡车停在俄罗斯空军基地附近；棚顶升起，117架四轴无人机从中升空。每架无人机都像中号披萨盒大小，有四个旋翼和基于视觉的自主系统，携带的载荷重量略超过3.2公斤。由乌克兰操作员远程操控，这些无人机冲向俄罗斯空军基地的远程轰炸机。若无人机信号延迟、中断或受到干扰，其自主系统随即激活。这些系统已通过远程轰炸机图像进行训练，以识别打击的战略点。当每架无人机的实时画面与预设目标匹配时，机器全速推进并发起攻击。缺乏持续人工操控且具备自主识别目标的能力标志着无人机蜂群已超越单纯的大量发射。乌克兰安全部门宣称击毁了41架飞机；即便是保守估计也承认摧毁了十几架轰炸机。

美国无人机蜂群的最新技术虽然能够识别和追踪目标可以让即使是基础的蜂群变得更加危险，但能够吸收防御者的数据、与其他无人机共享信息并在战场上根据情况调整策略的能力要致命得多。这正是新墨西哥州白沙导弹靶场测试的技术。2021年，美国空军在其Golden Horde先锋计划中开展了多次试验，涉及四个协作式小直径炸弹：当同时投放时，它们能够相互通讯以确定哪个炸弹命中哪个目标。战术是在名为Colosseum的云模拟器中演练的，其中每件武器都有一个“数字孪生体”，用于实时制定策略。该计划继续利用协作和自主武器系统模拟战斗。但国防高级研究计划局的OFFSET项目进一步深化了这一理念，在名为Colosseum的云模拟器中测试蜂群无人机战术，最终目标是一名飞行员通过飞机或地面系统操控250架无人机穿越模拟城市。蜂群将绘制巷道并反馈三维模型——一种带“牙齿”的谷歌街景。

相比之下，伊朗和乌克兰近期的攻击分别依赖于规模和大胆，而OFFSET和Colosseum则试图赋予蜂群适应性自主的优势。中国正全力追赶，研发一款名为“九天”的10吨级“母舰”无人机，旨在高空释放100架子无人机。这一切让我们人类处于一片天空之下，这片天空很快可能容纳成千上万的自主飞行器，每架都不比麻雀更聪明，但在某一特定方面却比我们聪明：能够即时分享它们所学的一切。

防御者某天可能会发射“干扰器”——一种能发出如此逼真的假卫星导航信号的物体，致使无人机锁定错误位置，甚至像迷路的蜜蜂般相互碰撞。以色列正在开发激光来切断“见证者”无人机的翅膀，用像地铁票般便宜的电力冲击替代昂贵火箭来击落它们。但随着防御能力的提高，进攻也会随之增强——迭代周期可能会更快地旋转。

(以上内容均由Ai生成)