В 2020 г. Организация по науке и технологиям НАТО опубликовала доклад "Направления развития науки и техники на 2020-2040".
Доклад касался прорывных технологий, способных повлиять на наращивание потенциала вооруженных сил НАТО, а также повысить эффективность проведения боевых операций. Рассмотрены научно-технологические разработки, определяющие военно-политические решения альянса.
В докладе сформулирован ряд определений:
- перспективные технологии, которые достигнут высокого уровня развития в 2020-2040 гг., но еще не получили широкого распространения, или те, чье влияние на оборону, безопасность и предпринимательские функции альянса недостаточно очевидны;
- прорывные технологии, которые в рассматриваемый период могут оказать значительное или революционное влияние на оборону, безопасность, а также предпринимательские функции НАТО;
- технологическая конвергенция (процесс сближения и объединения разных технологий, способствующий получению прорывного результата)
В докладе в качестве перспективных и прорывных рассматривались технологии:
- "больших данных" (технологии обработки больших объемов информации);
- искусственного интеллекта;
- создания автономных систем;
- квантовые;
- космические;
- гиперзвуковые;
- биотехнологии;
- перспективных материалов и промышленного производства.
В настоящем документе рассмотрены только технологии, имеющие отношение к ВМС.
Технологии «больших данных»
Реализация технологии применительно к ВМС позволит осуществлять обнаружение и сопровождение объектов на значительном удалении за счет обработки данных, полученных от сети распределенных активных и пассивных датчиков, и построение на этой основе достоверной картины оперативной тактической обстановки.
При разработке перспективных датчиков будут широко использоваться квантовые технологии, что позволит значительно увеличить дальность их действия, создать малогабаритные датчики повышенной производительности и т. д. Более распространенным станет использование цифровых двойников (детализированных виртуальных моделей систем оружия и радиоэлектронной войны).
Большие перспективы в части повышения чувствительности электронно-оптических и инфракрасных датчиков имеет компьютерная визуализация СI (Computational imaging) - метод формирования изображений, основанный на цифровых вычислениях для восстановления образа.
Это позволит снизить массо-габаритные характеристики, сократить потребляемую мощность и стоимость систем, одновременно обеспечив обнаружение цели и повышение ситуационной осведомленности.
Один из сегментов компьютерной визуализации - компрессионное зондирование Compressive sensing), которое обеспечит использование менее затратных компонентов с низкой пропускной способностью для получения изображений, аналогичных информационным массивам большого формата. Использование микроволновой фотоники обеспечит существенное повышение производительности, снижение потребляемой мощности, повышение надежности систем обнаружения и беспроводной связи в боевых условиях.
Для обработки и слияния (объединения) больших объемов информации разрабатываются новые вычислительные методы, один из которых - искусственный интеллект, особенно машинное обучение.
Гибкие энергосберегающие дисплеи усилят информационный поток во всех звеньях управления и повысят ситуационную осведомленность. Квантовое шифрование обеспечит секретность связи между абонентами за счет мгновенного обнаружения стороннего прослушивания.
Распространение технологии обработки больших объемов информации обеспечит решение широкого круга задач: разведки, наблюдения, рекогносцировки; ситуационной осведомленности; обучения и боеготовности; логистики; поддержки выполнения операций и др.
Технологии искусственного интеллекта
Искусственный интеллект (ИИ) обеспечивает автономное выполнение задач планирования, распознавания объектов, обучения и т. д. Разработка ИИ считается самой большой технологической проблемой, стоящей перед специалистами стран альянса.
В течение 2020-2040 гг. ИИ окажет значительное прорывное воздействие на:
- разработку перспективных средств анализа больших объемов данных и автоматического анализа видеоинформации;
- широкое внедрение и использование кибер-физических систем;
- принятие решений и оптимальное управление;
- выполнение вычислительных операций.
Важной исследовательской задачей становится разработка симбиотического (человеко-центричного) ИИ, обеспечивающего совместную работу людей и когнитивных систем. Развитие всеобщего ИИ AGI (artificial general intelligence), т.е. обобщенного интеллектуального поведения на уровне человека - серьезная техническая проблема, остающаяся труднодостижимой целью.
В течение следующих 20 лет наиболее широкое использование ИИ ожидается при создании:
- многофункциональных информационно-управляющих систем;
- систем вооружения (для организации непрерывного отслеживания вероятного противника и наведения средств вооружения на цель, расчета траектории полета оружия, планирования групповых операций автономных средств, выбора средств поражения целей, оценки степени боевых повреждений и другое).
- автономных платформ (для планирования их задач, в т.ч. навигации, сбора данных, определения характеристик окружающей среды и адаптивного зондирования, предотвращения столкновений, проведения групповых операций и др., а также оказания помощи оператору, например, при управлении несколькими беспилотными системами).
Кроме того, ИИ может быть использован:
- в процессе принятия аналитических решений по долгосрочному планированию боевых возможностей в рамках НАТО;
- для более точной оценки многочисленных сложных фактором и результатов;
- в управлении оборонными предприятиями (инвестиционное и бизнес-планирование, управление эффективностью программ и рисками, стратегические преобразования и другое, решение финансовых проблем);
- для решения проблем логистики (минимизация простоя оборудования и потерь при системных сбоях, улучшение управления запасами, ремонтами и др.);
- при обучении и подготовке военнослужащих (повышение уровня индивидуального и группового обучения за счет адаптации к поведению человека в реальном масштабе времени и создание индивидуальных учебных сред или сценариев).
Технологии создания автономных систем
Автономность - способность системы самостоятельно реагировать на изменение обстановки путем планирования и выбора различных вариантов действий на основе информации о состоянии окружающей среды и конкретной ситуации. Она характеризуется степенью независимости, варьирующейся от полностью ручного до полностью автономного управления.
Роботизация - процесс проектирования и построения автономных систем, охватывающих все уровни автономности, включая полный контроль человеком-оператором. Необитаемые транспортные средства могут управляться человеком дистанционно или действовать автономно в зависимости от решаемых задач.
Робототехнические системы планируется использовать в труднодоступных районах, а также для проведения разведки и постоянного наблюдения за объектами, обеспечения всесторонней поддержки военнослужащих, включая более экономичные автоматизированные логистические поставки. Автономные системы могут выполнять определенные задачи и во взаимодействии с человеком. Использование автономных систем позволит заменить военнослужащих в опасной оперативной/тактической обстановке (например, в условиях радиоактивного заражения, наличия минных заграждений и т.п.).
Автономные необитаемые системы будут использовать весь спектр средств уничтожения нейтрализации целей, включая системы вывода из строя электронного оборудования, оружие направленной энергии и др. Оснащенные оружием беспилотные летательные аппараты (БПЛА), необитаемые подводные аппараты (НПА) или необитаемые надводные средства становятся боеспособными, не подвергая экипажи рискам уничтожения. Они могут доставлять к цели боеприпасы или использоваться для нанесения огневых ударов по важным морским или наземным целям в ходе операций. Широкое их использование на морских театрах военных действий, в том числе групповое, при котором каждый компонент является высокоманевренным и труднодоступным для обнаружения, потребует оснащения кораблей дополнительными средствами защиты.
Совершенствование процессов разведки и наблюдения широко распределенных малозаметных автономных систем с длительными сроками функционирования, использующих широкий спектр датчиков с пониженной мощностью (электро- оптических, инфракрасных, радиолокационных, магнитных и т.д.) позволит повысить ситуационную осведомленность.
Применение автономных систем в логистических и транспортных операциях позволит сократить потери времени и средств, повысить эксплуатационную готовность и ускорить складские операции.
Ожидается, что использование автономных систем в вооруженных силах стран НАТО будет постепенно нарастать, а, начиная с 2025 г., такие системы будут широко применяться в операциях альянса. В связи с этим перед руководством НАТО остро стоит проблема обеспечения функционального взаимодействия стран-участниц альянса.
Квантовые технологии
Квантовые технологии для использования в системах обороны и безопасности разрабатываются и совершенствуются по четырем основным направлениям: коммуникации; компьютеризация; точность определения местоположения, навигации и синхронизации по времени; распознавание объектов.
Квантовые компьютеры, как ожидается, обеспечат существенное (на порядок) увеличение вычислительных возможностей по сравнению с классическими компьютерами, особенно для определенного класса аналитических задач (например, оптимизация и моделирование). Это, в частности, решит проблемы шифрования и дешифрования кодов, позволит отказаться от устаревших методов криптографии. Ускорение процессов моделирования и имитации обеспечит комплексное принятие решений, а также позволит реализовать новые способы разработки и создания перспективных материалов и биотехнологий, в том числе ИИ следующего поколения (например, квантовых нейронных сетей для решения проблем распознавания объектов). Квантовые вычислительные устройства специального назначения станут доступными уже в среднесрочной перспективе, однако разработка универсального квантового компьютера, отвечающего требованиям НАТО, маловероятна и в отдаленной перспективе. На создание такого компьютера потребуется от 15 до 50 лет.
Квантовые эффекты поддерживают работу чувствительных и точных инструментов для решения задач позиционирования, навигации и синхронизации по времени PNT (Positioning, Navigation and Timing). Это обеспечит работу приборов в условиях подавления сигналов спутниковых систем навигации и определения координат в сложной оперативной обстановке (например, в ходе продолжительных подводных операций подо льдом). В ближайшее время войскам будут доступны блоки PNT, смонтированные на стойках крупных мобильных платформ. Квантовые технологии обеспечат поддержку объединенных измерений времени, ускорений и угловых перемещений объектов для точной инерциальной навигации и синхронизации по времени.
Квантовые датчики могут использоваться для решения задач разведки и наблюдения, в частности, для построения навигационных карт с привязкой к местности с учетом гравитационных и магнитных аномалий. В долгосрочной перспективе применение распределенных сетей связи позволит одновременно использовать тысячи чувствительных элементов для получения общей картины обстановки с большей точностью, чем это возможно в настоящее время. Чувствительность квантовых датчиков будет повышена в несколько раз.
Квантовое моделирование позволяет создавать точные модели различных объектов и прогнозировать характеристики новых материалов. Это обеспечит создание материалов с конкретными требуемыми свойствами, в частности, повышенной твердости, с эффектом сверхпроводимости, устойчивых к высоким температурам и др.
Гиперзвуковые технологии
К гиперзвуковому оружию относят ракеты, боевые блоки и другие средства, осуществляющие полет в атмосфере со скоростью, превышающей скорость звука более, чем в пять раз (5М).
Гиперзвуковое оружие подразделяется на три типа:
- планирующие летательные аппараты (глайдеры) HCV (Hypersonic Glide Vehicles), состоящие из разгонного блока с реактивным двигателем и планирующего (скользящего) боевого блока;
- крылатые ракеты НСМ (Hypersonic Cruise Missiles), оснащенные гиперзвуковыми реактивными двигателями;
- управляемые человеком или беспилотные летательные аппараты (например, самолет SR 71 ВВС США, имеющий скорость более ЗМ).
Использование гиперзвуковых систем позволит быстрее решать задачи боевых действий и наносить точные кинетические удары. Их массированное применение позволит повысить вероятность поражения важных целей средствами кинетического действия. Гиперзвуковые летательные аппараты будут широко использоваться для масштабного и быстрого сбора разведывательных данных.
Основные задачи научных исследовании и разработок гиперзвуковых технологий:
- создание новых механически прочных и теплостойких материалов, миниатюризация, снижение массы;
- разработка новых двигателей и движителей; |
- совершенствование процессов моделирования и имитации динамики полета на гиперзвуковых скоростях; исследования в области управления и наведения летательных аппаратов.
Технологии перспективных материалов и промышленного производства
В течение следующих 20 лет три основных направления научно-исследовательских работ станут прорывными: новые материалы; аддитивное производство; энергетика.
Среди разрабатываемых новых материалов в докладе отмечаются графен и топологические изоляторы.
Графен - материал на основе углерода с механическими, физическими, химическими и электрическими свойствами, не встречающимися ни в одном другом известном материале. Он может использоваться в аэрокосмической промышленности (композитные конструкции), высокочастотной электронике, при изготовлении функциональных покрытий (антиобледенительных, антикоррозионных), накопителей энергии (батарей, ультраконденсаторов), средств маскировки (радиолокационные поглотители), в оружейных технологиях (воспламеняющие вещества, ракеты), средствах защиты (броня, текстиль), датчиках (фотоприемники, датчики давления/деформации, химические) и в портативных устройствах (дисплеи).
Топологические материалы - класс материалов, квантовое состояние которых остается стабильным при изменениях окружающей среды. Особый интерес представляют топологические изоляторы (topological insulator) в связи с необычным сочетанием их изолирующих и проводящих свойств.
Применение новых материалов повысит надежность и срок службы устройств и механизмов, а также снизит их массогабаритные характеристики. Кроме того, это приведет к появлению новых усовершенствованных устройств и расширению сфер их применения, таких как:
- интеграция с обычными полупроводниковыми приборами в интересах совершенствования инфракрасных фотодетекторов тепловизионной съемки или для достижения более быстрой оптической модуляции в системах широкополосной связи;
- создание детекторов биологических и химических загрязнений и противофильтрационных мембран для специфических биохимических молекул;
- разработка токопроводящих мембран для гибкой или печатной электроники;
- создание высокоскоростной электроники для формирования сигналов изображений и определения расстояния (радиолокационные системы), а также терагерцовых радиостанций;
- совершенствование систем охлаждения электроники за счет высокой теплопроводности графена;
- разработка графеновой оптоэлектроники и фотоники для солнечных элементов, сенсорных экранов, фотоприемников и сверхбыстродействующих лазеров.
Использование графена и других двумерных материалов позволит:
- снизить массу систем военной техники;
- увеличить быстродействие электроники для систем связи (увеличить полосу пропускания каналов) и усовершенствовать вычислительную технику;
- улучшить обнаружение слабых сигналов (радиочастотных/микроволновых или оптических), что позволит увеличить дальность действия боевых платформ, а также систем связи, локации или средств наведения по тепловому излучению;
- разработать новые легкие ударопрочные материалы для бронирования техники и индивидуальной защиты, улучшить прочностные свойства и эластичность таких волокон как сверхвысокомолекулярный полиэтилен;
- снизить радиолокационную заметность платформ (наземного, морского и воздушного базирования);
- аккумулировать энергию в ультраконденсаторах, батареях и т. д.
Аддитивные технологии (Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза.
Аддитивное производство (3D-printing) позволяет на основе цифровых моделей создавать трехмерные объекты практически неограниченной формы из широкого спектра металлов, пластмасс и смол. Это достигается за счет последовательного наращивания слоев материала и синтеза объекта в отличие от традиционных методов удаления лишнего материала или механической обработки на основе резки, фрезерования или сверления.
Потенциально аддитивное производство может использоваться:
- для концептуального моделирования и прототипирования;
- для мелкосерийного производства деталей сложной формы и заменяемых деталей;
- для выпуска конструктивных элементов с использованием легких высокопрочных материалов;
- для изготовления компонентов электроники из разнородных материалов, запасных частей на поле боя, на борту корабля или в космосе, крупных конструкций непосредственно на месте и т. д.
Близкий с аддитивным производством процесс четырехмерной печати (4D-printing) объединяет трехмерную печать с перспективными материалами, чувствительными к условиям окружающей среды. Эти материалы запрограммированы на изменение своей формы или физического поведения, когда они подвергаются воздействию окружающей среды (например, тепла, давления, тока, света и т. д.).
Использование аддитивных технологий позволит:
- оптимизировать разработки новой продукции за счет сокращения этапов проектирования и уменьшения затрат в единицу времени;
- совершенствовать техническое обслуживание и логистику за счет сокращения резервов запасных частей (на базах, кораблях или за рубежом), повышения доступности запчастей и снижения транспортных расходов;
- снизить затраты и повысить эффективность новых конструкций и дорогостоящих изделий, особенно в аэрокосмической или морской сферах. Например, монокристаллические лопатки турбин, покрытые теплозащитными покрытиями, или сверхмалошумные гребные винты подводных лодок имеют сложную конструкцию и требуют комплексной обработки материалов, что делает их очень дорогостоящими. Эффективный ремонт таких узлов с использованием аддитивных технологий позволит значительно снизить эксплуатационные издержки и повысить эксплуатационную готовность.
По направлению «Энергетика» работы ведутся в области производства, накопления, управления и хранения энергии. Они включают исследования возобновляемых источников энергии, водородной энергетики, термоядерного синтеза, аккумулирования энергии, аккумуляторных батарей (графеновых, на углеродных нанотрубках, твердотельных, металл-воздух и т. д.).
#нато #аддитивные технологии #искусственный интеллект #автономность #перспективные материалы #инновации #квантовые технологии #биотехнологии #необитаемый подводный аппарат #нанотехнологии