美军五代机与无人机协同作战战法探索


导读

五代机与先进无人机的协同作战将是未来美军重要的作战方式之一。美军不仅在开展五代机的网络化、智能化升级研究与测试,还对五代机、隐身无人侦察机与轰炸机编队协同纵深打击,五代机与无人攻击机/无人战斗机协同作战,五代机与无人机群协同作战,以及五代机、“忠诚僚机”与可消耗型无人机群协同作战等战法进行了探索,以期构建并完善五代机与无人机/无人机群基于信息共享作为整体进行战斗,以及由五代机指挥控制无人机,乃至无人机群进行作战等多种作战战法。


五代机的网络化、智能化最新升级

无人平台已经成为信息化、智能化与无人化战争的重要武器装备,尽管无人平台具备一定的自主能力,但战场实况瞬息万变,无人平台尚无法实现实时的最佳指挥与决策。在未来一段时间内将有人与无人平台在一定范围内混编协同,采用人脑指挥、机器出力的“人在回路”模式将成为重要作战模式之一,而先进的第五代战斗机与无人机的协同作战战法则是美军近年来针对该型作战模式的研究重点所在。

然而要实现五代机与无人机的协同作战,五代机通信能力与网络化、智能化水平的进一步提升显得尤为重要。在此将美军针对F-35的网络化、智能化最新升级情况梳理如下。

“战斗机优化实验”项目

“战斗机优化实验”项目由美空军现役部队第461飞行试验中队的未来技术小组提出,旨在持续快速集成先进的软件和硬件技术,以最大化实现F-35的杀伤力和生存力,并为美国国防部每一型军用飞机平台创建一种敏捷开发试验工具与战斗力倍增器。


2021年4月美军针对该项目在美国内华达州内利斯空军基地进行了地面试验,首次将F-35的数据直接从机载任务系统计算机实时传输到与之互联的平板电脑。项目团队在试验中使用了两个应用程序,演示并证实了可从飞行测试仪器系统中获取数据,转换后与在商用平板电脑上运行的移动应用通信连接。在此将该项目的主要相关研究梳理如下表所示。

图表:“战斗机优化实验”项目
主要研究 作用描述
“战场管理门户”(Battlefield Management Portal

旨在利用一种新的格式显示敌方防空系统的威胁信息,以最大化飞行员在F-35压制防空使命任务中的效能

洛克希德•马丁公司引入的先进人工智能概念

用于增加F-35在对抗先进防空系统威胁时的优势

“战斗机优化实验盒”(Fox BoX

其是一组网络安防芯片,将运行高层级、能支持人工智能的计算机处理器,该处理器被用作与飞机通信的操作系统,从而使“战斗机优化实验”平板电脑可主要作为机组人员的可视界面使用。

资料来源:调研整理

其中,“战斗机优化实验盒”(Fox BoX)由美海军在中国湖航空武器站执行F/A-18战斗机任务系统测试的一个小组开发。

据称“战斗机优化实验”项目研究团队还将继续进行地面试验,以进一步完善F-35的数据摄取,后续还将在F-22、F/A-18和F-16战斗机上进行测试,以证实“战斗机优化实验”项目的通用概念可真正与任何平台兼容,并计划于2021年下半年进行飞行试验。

F-35的智能化水平提升

F-35的一大特点在于其配备了先进的AN/ASQ-239电子战套件与数据链路,具备强大的电子战能力,即使不依靠预警机,亦能够实现多架F-35战斗机的自行组网,形成有效的区域预警能力。而美军已经在F-35上使用了计算机算法与初级人工智能,并致力于F-35的网络化与智能化升级研究与测试,以使其能够通过指挥和控制无人机,进行高风险地区的侦察与监视等。

图表:F-35的最新网络化、智能化升级与测试
相关升级/测试 描述
F-35装备“运行数据集成网络”(ODIN)系统 利用ODIN系统取代早期装备于F-35的自主保障信息系统(ALIS);基于ODIN系统,在美空军“疯帽子”项目和“下一代自主保障信息系统”的研究经验和研究成果基础上,构建便于快速部署的云原生系统
20201215日将人工智能算法——ARTUµ首次装备于U-2无人机上,并进行人机协作测试 首次将人工智能算法作为军用飞机机组人员控制U-2无人机上的传感器与导航系统,成功实现协助正在驾驶飞机的飞行员共同驾驶该无人机
资料来源:调研整理

其中:

F-35早期采用的自主保障信息系统(ALIS),包括了一些人工智能的早期应用,能够进行评估、对照清单、组织信息和做出一些自主决定,而无需人为干预。但由于数据需手动输入、零部件信息存在大量错误等重大缺陷导致美军计划利用ODIN系统将其替换。据美国国防部F-35联合计划办公室(JPO)称,驻亚利桑那州尤马海军陆战队航空站的一个F-35B战斗机中队已于2020年9月29日开始装备ODIN系统,成为首批配装该硬件的F-35战斗机部队,并进行了四次试飞活动,以检验该系统的效能,预计该系统将于2022年12月形成全面运行能力。

美军为U-2无人机采用的ARTUµ人工智能算法在演练中的成功运用,则证明了AI新技术的功能与人机协作能力,以及将AI后座系统集成于F-35等战斗机、下一代天空主宰战机(NGAD)等以及其他无人机的潜力,为F-35进行复杂且快速移动的空战,以及与无人机协同作战开辟了新途径。

此外,美军还计划进一步融入更为先进的计算机算法与人工智能,将F-35作为指挥控制中枢,实现F-35与多架无人机的协同空战等。

五代机、隐身无人侦察机与轰炸机编队协同纵深打击

2020年8月4日~8月6日,美国空军唯一的作战试验与战术开发联队——第53联队在内华达州内利斯空军基地集结了五代机F-35A与F-22、B-2轰炸机、绝密第44侦察中队的RQ-170无人侦察机等隐身战机,四代机F-15E战斗机与美国海军的E/A-18G“咆哮者”电子攻击机,以及各种测试和作战中队的指挥与控制系统,围绕“黑旗”概念进行了大型兵力测试活动(Large Force Test Event,LFTE),以探索五代机F-35在多域作战指挥控制中所发挥的主导作用,以及五代机、无人隐身侦察机以及战略轰炸机建立编队协同配合实现纵深打击任务的能力,以检验隐身战机对抗高端威胁的有效性。

其中,RQ-170隐身无人机可在有争议的空域中执行高空侦察任务,甚至具有充当部队与指挥部门通讯中继的潜力,基于先进光电传感器与基于AESA的高度灵敏的合成孔径雷达,以及用于控制无人机的高加密度现代军用数据链与卫星数据链,还具备一定的超视距作战能力。此外,该型无人机还进行过支持其他隐身飞机的试验。在该次测试中,美军主要利用五代机进行防空压制,RQ-170则进行高空侦察,并将目标数据传输给B-2轰炸机,最终成功完成了纵深打击任务。

LFTE的最大特点在于其十分重视各平台间的协同与互联,因此该次测试除了验证了F-35与RQ-170、B-2进行纵深打击作战的能力,还验证了F-35等先进战机进行防空压制与使用独特电子攻击功能的能力,F-35、F-22与F-15E等联合防空攻击时的通信能力与电子攻击互通性,并展示了利用信号干扰型装备使F-35在有争议的战场或者可能受到攻击的区域更具机动自由性。

由此可知,美军正在进行五代机与RQ-170无人侦察机等隐身平台编队作战战术、技术和程序的尝试性探索与作战能力评估,在对美军第四代与第五代机的联合战术进一步研究的同时,还对有人-无人双隐身布局的空中分布式打击体系的构建进行了探索,以为未来进一步实现高危地区由无人机进行攻击,而有人机则在相对安全的地域进行控制提供实战测试经验,从而进一步提升美军的空中优势。

F-35与RQ-170隐身无人机

而堪称比RQ-170性能更优的RQ-180,则更是具有作为有争议战场上的运行平台与其他所有设备(包括统领整个战斗的平台)的网络节点和信息网关的潜在能力。在敌方领空的高空和深处,其能够将从F-35和B-21的MADL以及F-22的隐形飞行内数据链(IFDL)等系统所收集的视距数据链数据(IFDL无法直接与MADL通信)进行融合,再以其专有的数据链波形将所融合的数据重新分配给相应的作战平台,从而实现为每架飞机提供目标位置、状态与相关传感器数据。

可以想见,未来RQ-170与RQ-180隐身无人侦察机与F-35、F-22的协同作战将有望大幅提升F-35与F-22等不兼容作战平台的互通能力以及超视距作战能力,再配合战略轰炸机,所具备的纵深打击能力不容小觑。

五代机与无人攻击机/无人战斗机协同作战

F-35战斗机具备很强的网络作战能力,还具有与其他机型协同作战的潜力,而与无人攻击机,乃至无人攻击机群的协同空战模式更能够大力提升其打击能力,将是美军所关注的重点所在。

与MQ-9无人攻击机协同作战

早在2017年1月23日至2月10日,美军就首次将来自第432空中远征联队的两架MQ-9无人攻击机与F-35A战斗机集成到在内华达州内利斯空军基地举行的“红旗”演习中。演习中,美军主要探索F-35战斗机与MQ-9无人攻击机的相互融合方式与能力。其中,F-35具备应对对空导弹或空对空威胁的强大能力,主要进行防空压制,以为MQ-9无人机提供防御掩护;MQ-9无人机则主要执行动态目标的空中拦截任务,还可以跟踪模拟敌人,进行报告并利用模拟弹药,消灭了在作战搜索与援救任务中接近被击落飞行员的敌人。

美国空军除了对F-35与MQ-9在CSAR作战任务中的联合作战能力进行了探索与评估,还十分重视MQ-9的电子战与空战能力的开发,相关测试如下表所示。

图表:MQ-9电子战与空战能力测试
测试时间 201711

2021年5月3日~14日

“北方边缘2021”(NorthernEdge 21
测试内容 在美国空军克里奇基地进行了无人机空战测试。 556测试与评估中队操作MQ-9无人机对新型吊舱进行了试验,其中包括加固的目标瞄准吊舱以及“死神防御电子支援系统”(RDESS)吊舱。
测试结果 MQ-9挂载近距离格斗空空导弹,成功击中了另一架飞行中的无人机目标,由此揭示了MQ-9具备空战潜力 RDESSMQ-9提供了在演习环境中探测并发现威胁的能力,并为国防部联合人工智能中心的智能传感器项目提供支持。
资料来源:调研整理

综上可知,MQ-9无人攻击机与F-35的协同作战中,主要由F-35进行防空压制,掩护由MQ-9实施的动态目标空中拦截以及对敌跟踪与有效攻击。此外,美军持续开展MQ-9空战与电子战能力的有关测试或升级研究,未来将进一步提升其自身作战能力以及与五代机的协同作战能力。

与下一代远程空地武装无人机协同作战

美国海军陆战队正在研制一型全新无人战斗机——远程空地武装无人机系统MUX,计划利用其充当F-35的僚机。MUX能够携带F-35的AGM-114地狱火“反坦克”导弹、AGM-88E反雷达导弹、AIM-120雷达制导空空导弹与AIM-9X空空导弹等多种武器,可以作为F-35的武器平台,由F-35飞行员指挥MUX发动打击,而使得F-35得以处于安全地域。


调研可知,MUX无人机将作为空中预警平台,允许海军陆战队独立于航空母舰作战,并且具有调遣联网的其他船舶或飞机的武器系统的能力,因此可减少携带的有效载荷,但仍然能够搜寻并摧毁海上目标。

此外,美海军陆战队还期望MUX无人机能够在黄蜂级大型两栖攻击舰上垂直起降,能够接受空中加油并降落在“严峻着陆区”。据称MUX能够在1000公里范围内作战,但成本却远远低于F-35战斗机,与F-35协同作战还将能够降低美军的作战支出。

综合其性能与任务能力可知,MUX无人机能够执行对地、对空双重作战任务,将最为适用于两栖登陆作战和远程近地支援作战,其绝不仅仅被作为试验机,而是更倾向于被开发成实战型无人机。MUX无人机当前尚处于设计研发阶段,美国海军陆战队期望该型无人机能够在2025年前具备陆基起飞系统,并在2028年前实现海基垂直起飞和着陆的早期作战能力,到2035年正式服役。


据称,美国海军陆战队还在研发一种无线电与雷达干扰吊舱——Intrepid Tiger II,可提供通信电子战支持与电子攻击能力。未来MUX挂载该吊舱之后,除了能够提供持续的侦察/监视和通讯,还将能够提供远程、持续、穿透且反应迅速的机载电子战能力。总之,美军期望未来能够利用五代机指挥控制无人战斗机机群,提高五代机生存能力的同时,进一步拓展五代机与无人战斗机编队的作战范围与任务执行能力。

五代机与无人机群协同作战

美军近年来将美国国防部高级研究计划局(DARPA)的小精灵(Gremlins)项目、美国空军研究实验室(AFRL)的Skyborg项目等视为未来作战技术突破与探索的研究重点,致力于研发低成本的无人机平台,并基于卷积神经网络等类型的算法,为可消耗型无人机开发能够使其作为人工智能副驾驶或实现自主驾驶的人工智能软件套件系统,以构建无人机-五代机协同或无人机集群作战能力。

可重复使用无人机作战模式示意图

美国空军的最终目标在于第五代战机F-22与F-35未来可发射并控制可回收无人机,可扩展空中作战,还可测试敌方防空系统,执行远程情报侦察监视任务,甚至可发射武器。因此,美军针对Gremlins项目与Skyborg项目进行了持续研究与测试,在此将两个项目的最新测试与下一阶段的测试计划等梳理如下表所示,以对美军的相关研究情况有所了解。

图表:Gremlins项目与Skyborg项目
项目名称 Gremlins项目 Skyborg项目
研发目标 开发一型低成本无人机,能够搭载情报、监视、侦察(ISR)等传感器模块和非动能有效载荷,可快速部署且可重复使用,可集群 开发人工智能软件,使得可消耗型无人机能够单独执行任务或组建无人机群与五代机等协同作战
作战设想 Gremlins无人机蜂群在敌防区外由运输机、战斗机和轰炸机等发射,针对敌防区的特定目标进行侦察、电子攻击等,通过加密数据链向己方F-35或其他攻击无人机提供目标数据,再由C-130运输机完成空中回收,在24小时内执行新任务,成群重复投入任务 由一架F-35A指挥控制一架或多架装备Skyborg系统的无人机出击,由无人机先行探测并摧毁目标区域的雷达,由后方F-35进行目标打击;或由无人机携带精准炸弹,协助F-35进行大规模轰炸。
最新测试内容 20207月~10月开展单架次Gremlins无人机——X-61A的发射、飞行与空中回收系统以及指挥、控制和通信系统等测试,与三架X-61A无人机的自主编队飞行与回收测试 2021429日在佛罗里达州廷德尔空军基地对安装了Skyborg自主核心系统的UTAP-22无人机进行了首次飞行测试
测试结果 飞行测试均持续2小时以上;X-61A实现了与C-130的编队飞行;成功验证了三架无人机的编队的飞行位置与安全特性,但未能成功对接C-130的回收系统 飞行测试历时2小时10分钟,无人机进行了一系列基本飞行演习,展示了该系统的安全运行能力
测试计划 继续进行无人机的飞行与回收测试;开发自主软件,以实现单人即可控制多架次无人机;将在无人机上装载各种传感器,并在自主编队中进行演示 利用所开发的人工智能软件使无人机能够完成低空贴地飞行、自动调整飞行路线、避障以及武器发射测试等更为复杂的飞行指令
资料来源:调研整理

由上表可知,现阶段美军的Gremlins无人机已经在测试中实现单架次无人机与运输机的编队飞行,以及三架无人机编队飞行,未来将进一步提升自动导航水平,测试从C-130运输机上发射并回收四架无人机,将安装自主软件,以实现单人操作多架无人机;而安装了Skyborg自主核心系统的无人机则已经在首次飞行测试中成功完成了基本的飞行指令,未来美军还将进一步对其在飞行测试中执行更复杂指令的能力进行测试。

尽管已经取得了一定进展,但距离美军的研发目标尚存在差距。

  • Gremlins无人机在现阶段的测试尚未成功实现与运输机回收系统的对接,且尚不具备自主能力,在精确飞行数字化控制、相对导航技术等方面也仍需进一步突破,实现更多架次无人机的发射、自主编队与回收等,方能进一步推动由F-22和F-35战机发射无人机的实现进程;

  • 安装Skyborg系统的无人机同样需要深入研究与测试,以确保其通信导航以及自主能力,乃至独立决策能力,方能在拒止环境中与F-22、F-35协同作战,甚至能够执行空空或空地打击任务。


此外,美军还正在基于Skyborg项目开发与iPhone应用程序相似的软件,并计划将其安装于最新版本F-35 Block 4上。

据美军的作战构想显示,美军计划于2023年开始,洛克希德•马丁公司的4架F-22战斗机组成的编队能够与装备了Skyborg软件的无人机共同执行任务;空战司令部则计划利用装备Skyborg软件的无人机在2025年替换F-16战斗机,在2030替换MQ-9无人机,并进一步探索其所构建的无人机群与五代机协同作战的战法。

五代机、“忠诚僚机”与无人机群协同作战

将F-35战斗机与多架具备自主作战能力的无人机实现有效集成,由无人机为F-35提供各种支援,或对敌目标实施打击,最终完成协同作战,或者由先进无人机作为网关与通信中继,实现使用机间飞行数据链(IFDL)的F-22与使用多功能高级数据链接(MADL)的F-35之间的通信,是美军近年来在有人-无人机协同作战领域的研究重点之一。而五代机、“忠诚僚机”与可消耗型无人机群的协同作战则将这两种作战方式进行了融合。

基于五代战机与不同作战用途无人机的战斗力战役概念分层效应示意图

美军一方面设想,将F-35与6架XQ-58A组成编队,而XQ-58A无人机可携带多达4枚约113kg重的GBU-39/B型小直径精确制导炸弹,可作为“忠诚僚机”,可辅助F-35执行攻击任务等。此外, 美军还设想由XQ-58A携带多型小型自主式无人机系统,形成无人机群,为F-35与XQ-58A作战编队的情报收集和侦察、反无人机、电子战与打击能力提供额外支持。

另一方面,XQ-58A无人机既是“忠诚僚机”项目的研究重点之一,也被作为使用Skyborg技术的空军实验平台,是美国空军用于充当F-22与F-35之间网关的机型之一,美军正在开展利用XQ-58A无人机等作为互不兼容的五代机之间的通信中继的研究,以进一步加强五代机的联合作战能力。

针对上述作战设想,美军开展了多次测试,在此仅将最新进展梳理如下表所示。

图表:五代机、“忠诚僚机”与可消耗无人机群等相关最新测试
时间 2020129 2021326
测试内容 集成了“先进作战管理系统”(ABMSgatewayONE系统的XQ-58A进行第五次飞行——F-22F-35A编队飞行 在亚利桑那州尤马试验场进行了XQ-58A无人机的第六次飞行测试,并首次开放XQ-58A的内部武器区发射无人机
测试结果 gatewayONE系统数据网络中断导致18个测试目标只完成了9 XQ-58A航速更快、升限更高,且成功发射了Area-I公司制造的ALTIUS-600小型自主无人飞机系统(SUAS
测试计划

计划在ABMS试验中再次尝试由XQ-58A搭载gatewayONE机载通信系统;计划于2021年7月开始XQ-58A无人机的飞行实验,以测试无人机与有人机之间的配合能力

继续展开飞行测试,并计划由XQ-58A进行更多架次小型无人机系统的发射试验
资料来源:调研整理

由上表可知,XQ-58A无人机在测试中尚且无法在F-22战斗机和F-35战斗机之间传输数据,据称可能由于采用火箭助推的XQ-58A起飞时飞机发生震动,阻止了通信网关的建立,但F-22、F-35与XQ-58A可通过地面备份系统共享信息,由此揭示了相关技术的一些可能性,同时也证明了XQ-58A与两型五代战机伴飞作战时可实现半自主飞行。

XQ-58A所发射的ALTIUS-600小型无人机在此之前已经利用美军的MQ-1C武装无人机以及“黑鹰”直升机进行了发射测试。其重量不足13.6kg,可搭载约1.36~2.72千克的各种载荷,包括摄像机、小型信号情报系统甚至杀伤弹头,滞空时间可达4小时,航速约为100公里/小时。

综上可知,美军研发XQ-58A的目标在于使其成为美军F-22或F-35五代战机的“忠诚僚机”,可作为战机的武器挂载平台,进行对地攻击,并能够在高威胁环境中执行对敌防空火力压制任务;而体积小巧的ALTIUS-600则可在作战行动中形成规模化的无人机群,二者结合可以执行多样化任务,有助于塑造未来的空中作战方式。

小结 :美军正致力于通过为F-35装备ODIN系统以及人工智能算法等,构建便于快速部署的云原生系统,以为F-35等五代机与无人机协同作战开辟新途径。同时美军还对五代机与无人机协同作战的多个战法进行了探索,即通过RQ-170或RQ-180隐身无人侦察机与F-35、F-22的协同作战大幅提升F-35与F-22等不兼容作战平台的互通能力以及超视距作战能力,并实现战略轰炸机更为有力的纵深打击;探索F-35与MQ-9无人攻击机的作战融合方式与能力,以及由F-35远程指挥控制无人战斗机机群,实施电子战与火力打击等的能力;持续开展多架次无人机的空中发射、自主编队与回收等,进一步实现由F-22和F-35发射无人机,并深入研究与测试安装Skyborg系统的无人机,以期实现无人机群在拒止环境中与F-22、F-35的协同作战;探索无人“忠诚僚机”和其所能发射的小型无人机群与五代机的协同作战战法,以利用无人机、可消耗型无人机群在高威胁作战区域执行多样化任务,构建五代机与无人机的空中作战新方式。

主要参考文献
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