有人/無人協同空戰變革之路

史蒂夫·特林布爾

隨著美國空軍作戰概念的發展，無人機的作用愈發重要。“天空堡”項目有望將處于實驗室研究和飛行演示階段的自主無人機技術引入新的作戰系統，將一些作戰概念描繪的場景變為現實。在美國空軍的支持下，“天空堡”項目正在加速發展，有人/無人協同空戰將于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系統，地面操控員的職責是實時“駕駛”無人機，或當預定計劃任務發生改變時，對其進行批準。隨著自主控制技術的進步，美國空軍正在探尋運用何種自主無人機，能順利過渡到新的作戰模式，即通過最終取得信任的機載軟件算法，來感知戰場態勢并由無人機自主決定如何應對意外變化和威脅。

“天空堡”（Skyborg）項目將提供一種無人機，可以增強戰斗機的任務執行能力，或承擔對有人機來說過于危險的任務。空軍條令指出，人類將始終負責關鍵決策，而“天空堡”無人機將為飛行員和決策者提供關鍵數據，以提高作戰任務中的態勢感知和生存能力。

“天空堡”項目概況

2020年7月23日，美國空軍宣布，已與波音、通用原子航空系統、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”項目，合同總金額高達4億美元。這4家公司將組成一個供應商儲備庫，從2021年開始交付無人機，以執行各種飛行測試，進而為“天空堡”無人機項目選定一家供應商。

進入美國空軍機庫的下一代作戰飛行器，預計將不是第六代有人駕駛戰斗機，甚至也不是諾斯羅普-格魯門B-21轟炸機，而是有望在2023財年交付的“天空堡”無人機系統的初始作戰機型。“天空堡”系列無人機有望成為新興“可消耗”戰斗平臺，讓可重復使用的無人機和一次性巡航導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”供應商合同中的1份。

開發與采購

美國空軍計劃以不同于其他無人機的方式管理“天空堡”無人機項目。隨著無人機的進一步開發，“天空堡”將使美國空軍的采購理念發生根本性變革，即由制造商和軟件開發商合作組成生態系統，取代由單一主承包商定義供應鏈的傳統方式。

盡管“天空堡”被稱為一種可消耗無人機，但其更像是一種可重復使用的武器。推進系統包括一次性亞聲速和超聲速噴氣發動機，額定壽命比完全可重復使用無人機或有人機的預期使用壽命短很多。軍方會根據“天空堡”的設計規格來完成符合壽命的起飛和降落次數，之后將其從戰力結構中淘汰，再以穩定的速率重新采購。

美國空軍研究實驗室(AFRL)的規劃是，“天空堡”項目經過2-3年的試驗階段后，于2023年實現初始作戰能力，后續作戰型無人機的開發資金可以從下一代空中優勢項目或一些獨立項目中獲得。“天空堡”的概念甚至可與美國空軍“先進戰斗管理系統”（ABMS）架構產生關聯。例如，“可消耗一號”（AttritableONE）項目被定義為具有“多種可消耗能力”，是 “先進戰斗管理系統”架構中約30條產品線之一。空軍研究實驗室在回答有關“天空堡”的競標問題時透露，“天空堡”團隊和“可消耗一號”的團隊正在密切協作開展相關研究。

廣泛機構公告(BAA)中指出，雖然“天空堡”項目中的無人機不被認為是一個消耗系統，但其磨損容限仍將高于有人駕駛飛機，“天空堡”將發展低成本和有吸引力的無人機設計和制造概念，目標單位飛行成本要比當前有人機低很多。相較目前戰術飛機，真正實現低成本，真正相應降低采購、運營和維修成本。

自主控制系統開發

“天空堡”項目的核心仍然是自主控制系統的開發，將在軍事航空領域嘗試應用卷積神經網絡算法。根據2020年5月萊多斯（Leidos）公司簽訂的一份獨立合同，萊多斯作為“天空堡”的系統設計代理，負責整合行業和政府渠道開發的自主控制應用程序，研制核心自主任務系統，并集成到不同公司設計的多種低成本無人機，每套系統將被用于執行不同的單一任務或一組任務。據悉，空軍在麻省理工學院設立的自主控制技術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研究。

圖2 “天空堡”是一種可消耗武器，這意味著其噴氣發動機等關鍵組件的設計壽命很短。

圖3 無人機可以作為有人機的機外武器庫。

供應商必須提供高度靈活的設計，萊多斯公司將提供自主任務系統，該任務系統將承擔無人機操控員、飛控計算機和任務系統操作員的工作角色。但空軍研究實驗室強調，“天空堡”核心自主控制系統的尺寸、重量、功率和冷卻系統相關細節尚未最終確定，大部分系統將基于軟件并集成到無人機多種傳感器，預計萊多斯公司將與合同參與方開展廣泛合作。

未來空中優勢需求

美國空軍下一代空中優勢（NGAD）項目設想了未來空戰的新模式，包括由有人機和無人機組成的系統簇。根據任務的不同，系統中的無人機可以作為有人機的機外監視與瞄準系統，或作為巡飛彈與巡航導彈一起投入作戰，美國空軍假定無人機的作戰具有高損耗率，并正在設法盡量降低無人機的成本。負責美國空軍戰斗機和先進飛機項目的執行官戴爾·懷特表示，空軍有機會通過“天空堡”項目改變自身作戰能力，在空中力量的作戰和運用方式上實現突破。

低成本無人機將以多種方式改變空軍的戰術。首先，這些無人機可以執行更繁瑣、單調的任務。這不但解放了飛行員，使其專注于其他作戰任務，而且能進一步擴大態勢感知能力。“天空堡”等無人機還可以通過執行更高風險的任務來保護F-22與F-35等高價值飛機，更重要的是能保護飛行員寶貴的生命。

“天空堡”項目有望將處于實驗室研究和飛行演示階段的自主無人機技術引入新的作戰系統。根據美國空軍的說法，“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，這些無人機可以在作戰環境中采取快速、果斷的行動來擊敗對手。該項目的主要目的是使無人機系統能支持以飛行員為中心的行動，將為飛行員提供關鍵數據以支持迅速、明智的決策。美國空軍采購負責人威爾·羅珀（Will Roper）在一次采訪中解釋說，人工智能與無人機的結合，將把“智能質量”帶入空戰以保持美國的空中優勢。

美國空軍加速發展“天空堡”項目

目前，美國空軍在自主性領域的大部分開發仍處于保密狀態，但追溯近3年已發布的廣泛開發計劃仍可窺見一角。例如，美國空軍在2017年6月表揚了空軍試飛學校16B班11名試飛學員的成績，而課程中的一個測試管理項目即是“有襲擊者”II （Have Raider II）。學員們對F-16可變穩定飛行模擬器測試飛機（VISTA）進行了改裝，使其可自主飛行。當時空軍表示，該班級的試飛學員通過引入動態任務規劃構件來指揮VISTA，對周圍環境中模擬彈出式威脅如移動地空導彈實現制導的同時，使無人型F-16執行模擬攻擊。

大約同一時期，美國空軍研究實驗室啟動了“低成本可消耗打擊演示”（LCASD）項目，其中包含一系列被確定為“低成本可消耗無人機技術”（LCAAT）的項目。到目前為止，LCAAT和LCASD項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測試聯隊的新興技術聯合測試部隊（ETCTF）也參與了LCASD項目。為了準備包含“天空堡”在內的LCASD后續計劃，新興技術聯合測試部隊已于2019年7月使用以噴氣發動機為動力的現有無人機開展了一系列飛行測試，目標是驗證約翰霍普金斯大學應用物理實驗室開發的“自主安全網”。

眾所周知，在復雜環境中測試自主性（TACE）軟件套件技術是空軍研究實驗室努力建立的無人機決策信任的一部分。TACE是一個軟件程序，以空軍研究實驗室“地面和空中自動防撞系統”為基礎，在無人機脫離安全邊界后，它能夠控制無人機并使其恢復到受控飛行狀態。因此，TACE將允許新興技術聯合測試部隊對自主無人機進行測試，當飛行測試中發生任何故障時，可以信任飛行員將無人機引導回安全狀態。

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

圖4 XQ-58A是“天空堡”無人機的潛在應用平臺之一。

圖5 第412 測試聯隊在現有噴氣式試驗機上使用TACE軟件套件，建立對自主控制系統的信任。

實際上，“天空堡”項目正在尋求一種無人機，以演示和驗證適用下一代無人機的多層級自主控制水平。美國空軍研究實驗室的目標是，到2023年實現“天空堡”系統簇的早期作戰能力，但實際時間表將取決于LCAAT項目在2021年開展的下一輪飛行測試。空軍研究實驗室的指揮官希瑟·普林格爾表示，“天空堡”項目組合中的自主控制技術將涵蓋從簡單算法到高級團隊決策，并將融入包括人工智能在內的新技術。

圖6 低成本可消耗無人機技術項目被描述為 “產品組合”系統。

圖7 有人機飛行員指揮無人機作戰。

圖8 “天空堡”作戰概念中，描述了一架無人機從內埋武器艙發射AIM-120 導彈，執行空對空任務。

作戰運用

美國空軍正在考慮“天空堡”系列無人機的作戰使用，美國空戰司令部（ACC）希望在2025年后以“天空堡”替換預批次F-16戰斗機，在2030年后替換MQ-9無人機，但 “天空堡”專用機隊可能無法很好地適應現有戰力結構。軍方認為，未來沖突環境將充滿挑戰，具有高度不確定性。因此，讓無人機首先進入戰場最為合理，這將為美國空軍打開許多非傳統思維的大門。

從2023財年開始，以4架F-22戰斗機為1個編隊的作戰概念中，其戰力將包含“天空堡”無人機。羅珀希望飛行員根據任務的不同來決定“天空堡”完成任務后是否返航，既可以選擇讓“天空堡”一同返航后改日再戰，也可以選擇讓其執行有去無回的單向任務而結束其壽命。在某些情況下，飛行員可能會判斷出某目標足夠重要，值得損失“天空堡”為代價，即使該無人機當時的使用壽命還沒有耗盡。

隨著作戰概念的深入發展，多種不同設計的“天空堡”無人機將運用到空戰領域之外的新場景。羅珀認為“天空堡”未來不僅僅是無人戰斗機，還可以與轟炸機或加油機一起飛行，為其提供更多的防御能力。這種通用性也正是“天空堡”受到歡迎的內在原因，而且還有很多值得嘗試的可能。

忠誠僚機

“天空堡”目前通常作為“忠誠僚機”的概念出現。在“忠誠僚機”概念中，一架或多架無人機由有人機控制與管理，在一次作戰任務中執行監視、支援和打擊等任務。但“天空堡”無人機還具有獨立執行任務的能力，無需跑道甚至無需基地即可實現數百套系統的發射和回收。新型可消耗無人機的設計目的就包括在不依賴跑道的情況下，使美軍形成快速作戰能力。如果能明確“天空堡”作為未來的發展方向，研發將很快啟動，但目前沒有明確證實的消息。