有人/無人協(xié)同空戰(zhàn)變革之路

史蒂夫·特林布爾

隨著美國空軍作戰(zhàn)概念的發(fā)展，無人機(jī)的作用愈發(fā)重要?！疤炜毡ぁ表?xiàng)目有望將處于實(shí)驗(yàn)室研究和飛行演示階段的自主無人機(jī)技術(shù)引入新的作戰(zhàn)系統(tǒng)，將一些作戰(zhàn)概念描繪的場景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在美國空軍的支持下，“天空堡”項(xiàng)目正在加速發(fā)展，有人/無人協(xié)同空戰(zhàn)將于2021年步入新階段。

二十年來，美國空軍一直依賴地面操控員直接操控大型無人機(jī)系統(tǒng)，地面操控員的職責(zé)是實(shí)時(shí)“駕駛”無人機(jī)，或當(dāng)預(yù)定計(jì)劃任務(wù)發(fā)生改變時(shí)，對其進(jìn)行批準(zhǔn)。隨著自主控制技術(shù)的進(jìn)步，美國空軍正在探尋運(yùn)用何種自主無人機(jī)，能順利過渡到新的作戰(zhàn)模式，即通過最終取得信任的機(jī)載軟件算法，來感知戰(zhàn)場態(tài)勢并由無人機(jī)自主決定如何應(yīng)對意外變化和威脅。

“天空堡”（Skyborg）項(xiàng)目將提供一種無人機(jī)，可以增強(qiáng)戰(zhàn)斗機(jī)的任務(wù)執(zhí)行能力，或承擔(dān)對有人機(jī)來說過于危險(xiǎn)的任務(wù)?？哲姉l令指出，人類將始終負(fù)責(zé)關(guān)鍵決策，而“天空堡”無人機(jī)將為飛行員和決策者提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以提高作戰(zhàn)任務(wù)中的態(tài)勢感知和生存能力。

“天空堡”項(xiàng)目概況

2020年7月23日，美國空軍宣布，已與波音、通用原子航空系統(tǒng)、克拉托斯和洛克希德-馬丁4家公司分別簽訂了一份不定期交付、不限量合同以支持“天空堡”項(xiàng)目，合同總金額高達(dá)4億美元。這4家公司將組成一個(gè)供應(yīng)商儲備庫，從2021年開始交付無人機(jī)，以執(zhí)行各種飛行測試，進(jìn)而為“天空堡”無人機(jī)項(xiàng)目選定一家供應(yīng)商。

進(jìn)入美國空軍機(jī)庫的下一代作戰(zhàn)飛行器，預(yù)計(jì)將不是第六代有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)，甚至也不是諾斯羅普-格魯門B-21轟炸機(jī)，而是有望在2023財(cái)年交付的“天空堡”無人機(jī)系統(tǒng)的初始作戰(zhàn)機(jī)型?！疤炜毡ぁ毕盗袩o人機(jī)有望成為新興“可消耗”戰(zhàn)斗平臺，讓可重復(fù)使用的無人機(jī)和一次性巡航導(dǎo)彈之間的界限變得模糊。

圖1 XQ-58A 制造商克拉托斯獲得4份“天空堡”供應(yīng)商合同中的1份。

開發(fā)與采購

美國空軍計(jì)劃以不同于其他無人機(jī)的方式管理“天空堡”無人機(jī)項(xiàng)目。隨著無人機(jī)的進(jìn)一步開發(fā)，“天空堡”將使美國空軍的采購理念發(fā)生根本性變革，即由制造商和軟件開發(fā)商合作組成生態(tài)系統(tǒng)，取代由單一主承包商定義供應(yīng)鏈的傳統(tǒng)方式。

盡管“天空堡”被稱為一種可消耗無人機(jī)，但其更像是一種可重復(fù)使用的武器。推進(jìn)系統(tǒng)包括一次性亞聲速和超聲速噴氣發(fā)動機(jī)，額定壽命比完全可重復(fù)使用無人機(jī)或有人機(jī)的預(yù)期使用壽命短很多。軍方會根據(jù)“天空堡”的設(shè)計(jì)規(guī)格來完成符合壽命的起飛和降落次數(shù)，之后將其從戰(zhàn)力結(jié)構(gòu)中淘汰，再以穩(wěn)定的速率重新采購。

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的規(guī)劃是，“天空堡”項(xiàng)目經(jīng)過2-3年的試驗(yàn)階段后，于2023年實(shí)現(xiàn)初始作戰(zhàn)能力，后續(xù)作戰(zhàn)型無人機(jī)的開發(fā)資金可以從下一代空中優(yōu)勢項(xiàng)目或一些獨(dú)立項(xiàng)目中獲得。“天空堡”的概念甚至可與美國空軍“先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”（ABMS）架構(gòu)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。例如，“可消耗一號”（AttritableONE）項(xiàng)目被定義為具有“多種可消耗能力”，是 “先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”架構(gòu)中約30條產(chǎn)品線之一。空軍研究實(shí)驗(yàn)室在回答有關(guān)“天空堡”的競標(biāo)問題時(shí)透露，“天空堡”團(tuán)隊(duì)和“可消耗一號”的團(tuán)隊(duì)正在密切協(xié)作開展相關(guān)研究。

廣泛機(jī)構(gòu)公告(BAA)中指出，雖然“天空堡”項(xiàng)目中的無人機(jī)不被認(rèn)為是一個(gè)消耗系統(tǒng)，但其磨損容限仍將高于有人駕駛飛機(jī)，“天空堡”將發(fā)展低成本和有吸引力的無人機(jī)設(shè)計(jì)和制造概念，目標(biāo)單位飛行成本要比當(dāng)前有人機(jī)低很多。相較目前戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)低成本，真正相應(yīng)降低采購、運(yùn)營和維修成本。

自主控制系統(tǒng)開發(fā)

“天空堡”項(xiàng)目的核心仍然是自主控制系統(tǒng)的開發(fā)，將在軍事航空領(lǐng)域嘗試應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。根據(jù)2020年5月萊多斯（Leidos）公司簽訂的一份獨(dú)立合同，萊多斯作為“天空堡”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)代理，負(fù)責(zé)整合行業(yè)和政府渠道開發(fā)的自主控制應(yīng)用程序，研制核心自主任務(wù)系統(tǒng)，并集成到不同公司設(shè)計(jì)的多種低成本無人機(jī)，每套系統(tǒng)將被用于執(zhí)行不同的單一任務(wù)或一組任務(wù)。據(jù)悉，空軍在麻省理工學(xué)院設(shè)立的自主控制技術(shù)加速器組織是萊多斯整合的資源之一，該組織已完成為期一年的自主技術(shù)研究。

圖2 “天空堡”是一種可消耗武器，這意味著其噴氣發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)壽命很短。

圖3 無人機(jī)可以作為有人機(jī)的機(jī)外武器庫。

供應(yīng)商必須提供高度靈活的設(shè)計(jì)，萊多斯公司將提供自主任務(wù)系統(tǒng)，該任務(wù)系統(tǒng)將承擔(dān)無人機(jī)操控員、飛控計(jì)算機(jī)和任務(wù)系統(tǒng)操作員的工作角色。但空軍研究實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)調(diào)，“天空堡”核心自主控制系統(tǒng)的尺寸、重量、功率和冷卻系統(tǒng)相關(guān)細(xì)節(jié)尚未最終確定，大部分系統(tǒng)將基于軟件并集成到無人機(jī)多種傳感器，預(yù)計(jì)萊多斯公司將與合同參與方開展廣泛合作。

未來空中優(yōu)勢需求

美國空軍下一代空中優(yōu)勢（NGAD）項(xiàng)目設(shè)想了未來空戰(zhàn)的新模式，包括由有人機(jī)和無人機(jī)組成的系統(tǒng)簇。根據(jù)任務(wù)的不同，系統(tǒng)中的無人機(jī)可以作為有人機(jī)的機(jī)外監(jiān)視與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，或作為巡飛彈與巡航導(dǎo)彈一起投入作戰(zhàn)，美國空軍假定無人機(jī)的作戰(zhàn)具有高損耗率，并正在設(shè)法盡量降低無人機(jī)的成本。負(fù)責(zé)美國空軍戰(zhàn)斗機(jī)和先進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目的執(zhí)行官戴爾·懷特表示，空軍有機(jī)會通過“天空堡”項(xiàng)目改變自身作戰(zhàn)能力，在空中力量的作戰(zhàn)和運(yùn)用方式上實(shí)現(xiàn)突破。

低成本無人機(jī)將以多種方式改變空軍的戰(zhàn)術(shù)。首先，這些無人機(jī)可以執(zhí)行更繁瑣、單調(diào)的任務(wù)。這不但解放了飛行員，使其專注于其他作戰(zhàn)任務(wù)，而且能進(jìn)一步擴(kuò)大態(tài)勢感知能力?！疤炜毡ぁ钡葻o人機(jī)還可以通過執(zhí)行更高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)來保護(hù)F-22與F-35等高價(jià)值飛機(jī)，更重要的是能保護(hù)飛行員寶貴的生命。

“天空堡”項(xiàng)目有望將處于實(shí)驗(yàn)室研究和飛行演示階段的自主無人機(jī)技術(shù)引入新的作戰(zhàn)系統(tǒng)。根據(jù)美國空軍的說法，“天空堡”專注于自主性，將使空軍能夠操控與維持大量成群的低成本無人機(jī)，這些無人機(jī)可以在作戰(zhàn)環(huán)境中采取快速、果斷的行動來擊敗對手。該項(xiàng)目的主要目的是使無人機(jī)系統(tǒng)能支持以飛行員為中心的行動，將為飛行員提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)以支持迅速、明智的決策。美國空軍采購負(fù)責(zé)人威爾·羅珀（Will Roper）在一次采訪中解釋說，人工智能與無人機(jī)的結(jié)合，將把“智能質(zhì)量”帶入空戰(zhàn)以保持美國的空中優(yōu)勢。

美國空軍加速發(fā)展“天空堡”項(xiàng)目

目前，美國空軍在自主性領(lǐng)域的大部分開發(fā)仍處于保密狀態(tài)，但追溯近3年已發(fā)布的廣泛開發(fā)計(jì)劃仍可窺見一角。例如，美國空軍在2017年6月表揚(yáng)了空軍試飛學(xué)校16B班11名試飛學(xué)員的成績，而課程中的一個(gè)測試管理項(xiàng)目即是“有襲擊者”II （Have Raider II）。學(xué)員們對F-16可變穩(wěn)定飛行模擬器測試飛機(jī)（VISTA）進(jìn)行了改裝，使其可自主飛行。當(dāng)時(shí)空軍表示，該班級的試飛學(xué)員通過引入動態(tài)任務(wù)規(guī)劃構(gòu)件來指揮VISTA，對周圍環(huán)境中模擬彈出式威脅如移動地空導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)的同時(shí)，使無人型F-16執(zhí)行模擬攻擊。

大約同一時(shí)期，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室啟動了“低成本可消耗打擊演示”（LCASD）項(xiàng)目，其中包含一系列被確定為“低成本可消耗無人機(jī)技術(shù)”（LCAAT）的項(xiàng)目。到目前為止，LCAAT和LCASD項(xiàng)目中最突出的部分成果，便是克拉托斯公司XQ-58A“女武神”（Valkyrie，下稱XQ-58A）無人機(jī)自2019年3月以來開展的4次試飛。

加州愛德華茲空軍基地第412測試聯(lián)隊(duì)的新興技術(shù)聯(lián)合測試部隊(duì)（ETCTF）也參與了LCASD項(xiàng)目。為了準(zhǔn)備包含“天空堡”在內(nèi)的LCASD后續(xù)計(jì)劃，新興技術(shù)聯(lián)合測試部隊(duì)已于2019年7月使用以噴氣發(fā)動機(jī)為動力的現(xiàn)有無人機(jī)開展了一系列飛行測試，目標(biāo)是驗(yàn)證約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“自主安全網(wǎng)”。

眾所周知，在復(fù)雜環(huán)境中測試自主性（TACE）軟件套件技術(shù)是空軍研究實(shí)驗(yàn)室努力建立的無人機(jī)決策信任的一部分。TACE是一個(gè)軟件程序，以空軍研究實(shí)驗(yàn)室“地面和空中自動防撞系統(tǒng)”為基礎(chǔ)，在無人機(jī)脫離安全邊界后，它能夠控制無人機(jī)并使其恢復(fù)到受控飛行狀態(tài)。因此，TACE將允許新興技術(shù)聯(lián)合測試部隊(duì)對自主無人機(jī)進(jìn)行測試，當(dāng)飛行測試中發(fā)生任何故障時(shí)，可以信任飛行員將無人機(jī)引導(dǎo)回安全狀態(tài)。

空軍研究實(shí)驗(yàn)室仍在繼續(xù)開展自主無人機(jī)的試驗(yàn)，并把“低成本可消耗無人機(jī)技術(shù)”項(xiàng)目描述為“產(chǎn)品組合”系統(tǒng)。LCASD項(xiàng)目資助了XQ-58A的開發(fā)和測試；LCAAT項(xiàng)目則資助了“天空堡”和 “蘭德”（Lander）、“恩尼格碼”（Enigma）等其他項(xiàng)目，洛馬、諾格和羅克韋爾-柯林斯等公司均有所參與，這些項(xiàng)目將為XQ-58A的開發(fā)提供存儲和火控管理等多項(xiàng)技術(shù)支持。

圖4 XQ-58A是“天空堡”無人機(jī)的潛在應(yīng)用平臺之一。

圖5 第412 測試聯(lián)隊(duì)在現(xiàn)有噴氣式試驗(yàn)機(jī)上使用TACE軟件套件，建立對自主控制系統(tǒng)的信任。

實(shí)際上，“天空堡”項(xiàng)目正在尋求一種無人機(jī)，以演示和驗(yàn)證適用下一代無人機(jī)的多層級自主控制水平。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是，到2023年實(shí)現(xiàn)“天空堡”系統(tǒng)簇的早期作戰(zhàn)能力，但實(shí)際時(shí)間表將取決于LCAAT項(xiàng)目在2021年開展的下一輪飛行測試?？哲娧芯繉?shí)驗(yàn)室的指揮官希瑟·普林格爾表示，“天空堡”項(xiàng)目組合中的自主控制技術(shù)將涵蓋從簡單算法到高級團(tuán)隊(duì)決策，并將融入包括人工智能在內(nèi)的新技術(shù)。

圖6 低成本可消耗無人機(jī)技術(shù)項(xiàng)目被描述為 “產(chǎn)品組合”系統(tǒng)。

圖7 有人機(jī)飛行員指揮無人機(jī)作戰(zhàn)。

圖8 “天空堡”作戰(zhàn)概念中，描述了一架無人機(jī)從內(nèi)埋武器艙發(fā)射AIM-120 導(dǎo)彈，執(zhí)行空對空任務(wù)。

作戰(zhàn)運(yùn)用

美國空軍正在考慮“天空堡”系列無人機(jī)的作戰(zhàn)使用，美國空戰(zhàn)司令部（ACC）希望在2025年后以“天空堡”替換預(yù)批次F-16戰(zhàn)斗機(jī)，在2030年后替換MQ-9無人機(jī)，但 “天空堡”專用機(jī)隊(duì)可能無法很好地適應(yīng)現(xiàn)有戰(zhàn)力結(jié)構(gòu)。軍方認(rèn)為，未來沖突環(huán)境將充滿挑戰(zhàn)，具有高度不確定性。因此，讓無人機(jī)首先進(jìn)入戰(zhàn)場最為合理，這將為美國空軍打開許多非傳統(tǒng)思維的大門。

從2023財(cái)年開始，以4架F-22戰(zhàn)斗機(jī)為1個(gè)編隊(duì)的作戰(zhàn)概念中，其戰(zhàn)力將包含“天空堡”無人機(jī)。羅珀希望飛行員根據(jù)任務(wù)的不同來決定“天空堡”完成任務(wù)后是否返航，既可以選擇讓“天空堡”一同返航后改日再戰(zhàn)，也可以選擇讓其執(zhí)行有去無回的單向任務(wù)而結(jié)束其壽命。在某些情況下，飛行員可能會判斷出某目標(biāo)足夠重要，值得損失“天空堡”為代價(jià)，即使該無人機(jī)當(dāng)時(shí)的使用壽命還沒有耗盡。

隨著作戰(zhàn)概念的深入發(fā)展，多種不同設(shè)計(jì)的“天空堡”無人機(jī)將運(yùn)用到空戰(zhàn)領(lǐng)域之外的新場景。羅珀認(rèn)為“天空堡”未來不僅僅是無人戰(zhàn)斗機(jī)，還可以與轟炸機(jī)或加油機(jī)一起飛行，為其提供更多的防御能力。這種通用性也正是“天空堡”受到歡迎的內(nèi)在原因，而且還有很多值得嘗試的可能。

忠誠僚機(jī)

“天空堡”目前通常作為“忠誠僚機(jī)”的概念出現(xiàn)。在“忠誠僚機(jī)”概念中，一架或多架無人機(jī)由有人機(jī)控制與管理，在一次作戰(zhàn)任務(wù)中執(zhí)行監(jiān)視、支援和打擊等任務(wù)。但“天空堡”無人機(jī)還具有獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的能力，無需跑道甚至無需基地即可實(shí)現(xiàn)數(shù)百套系統(tǒng)的發(fā)射和回收。新型可消耗無人機(jī)的設(shè)計(jì)目的就包括在不依賴跑道的情況下，使美軍形成快速作戰(zhàn)能力。如果能明確“天空堡”作為未來的發(fā)展方向，研發(fā)將很快啟動，但目前沒有明確證實(shí)的消息。