美国空军数字技术应用与发展浅析

以下文章来源于航空简报 ，作者何鹏，远航

数字技术应用与发展已经成为美军的优先战略之一，尤其是在美国空军方面，其已于2019年率先发布战略白 皮书，开始强化发展“数字空军”，这也是美空军跟随美国防部战略发展的措施之一。未来，数字技术将对军事竞争力的提升具有重要作用。

数字技术发展已经贯穿于美空军的多个新发展项目。除了在战略层面采取措施，发布“数字空军”战略，美空军已经在“下一代空中主宰”（NGAD）项目、ABMS和JADC2项目、忠诚僚机和天空博格人、E系列武器等项目中深入应用发展数字技术，并在“下一代空中主宰”（NGAD）项目中提出了“数字百系列”的战斗机研制创新模式。

2019年7月9日，美空军发布《数字空军》（The Digital Air Force）白 皮书，提出建立“数字空军”的计划，强调利用武器、传感器和分析工具的网络综合优势对部队进行改革。

白 皮书指出，美国空军正面临复杂的安全环境，对手试图跨越各个战场空间域发起挑战，对抗其防空、反太空武器和网络空间的优势。为了掌握战争优势，美空军需进行跨空、地、海、太空和网络域的协同作战，整合和融合不同元素。

空军要从以平台为中心的作战转向以网络为中心的作战。开发系统族融合并共享数据，为作战指挥与控制提供依据。未来，每个平台都必须在复杂系统中“连接、共享和学习”，并在受保护和有弹性的通信链路上进行通信。这些网络要拥有分布式能力，能够自我修复以防单个节点丢失，允许信息通过其他路径进行传输。这种数字网络中心通过应用机器学习算法和人工智能等技术，可以明显加速决策周期。

美空军建立“数字空军”的目标包括三个方面：

1. 部署一个响应现代作战需求的21世纪IT基础设施；

2. 将数据作为人工智能和机器学习的基础，进而加快决策速度、改进对作战人员的保障；

3. 采用敏捷业务实践，提高管理复杂组织的效能和效率。

为实现上述愿景，美空军将在三个相互关联和支持的领域协同实施改革，包括：IT架构、数据管理和业务运营。将物理战、信息战、赛博战和业务实践进行整合，以适应大国竞争；将开展最高级别的指导和管理重组，将由空军副部长对建设举措进行直接监督和管理。几个具体举措包括：

首先，美空军将开发一种数字架构，作为数据和信息流的共用主干；转向使用基于云的解决方案来存储和共享数据，以确保所有空军人员在任何时间和地点需要时能够不间断地访问所需的数据；这些系统要具有弹性和安全性，可在最具挑战性的电磁环境中进行数据传输；改进对数字安全的认识，推进系统验证的新标准，以快速连通新的创新系统。

其次，美空军要设计数据管理架构和标准化策略，以支持平台之间的数据自由交换；要求数据要以通用的读取和提取格式进行收集、存储和传输，以最小化接收、处理和使用来自多个系统信息之间的延迟。

第三，改变管理人员和业务系统运营方式，将日常的IT基础设施管理移交给签约服务提供商，以使网络专业人员更专注于作战人员的任务，并将信息操作与战术和战略目标联系起来；改变系统操作人员的招募和培训方式，使之管理专为作战效果而设计的基础设施；理顺、整合和完善业务管理系统和实践，在适当的情况下对需求、活动和系统进行合并，并实施促进创新、流程改进和强制发展的计划。

下一代空中主宰（NGAD），是指美国空军下一代战斗机项目。2014年正式提上日程，最初预期目标是在2030年前研制出F-22的后继机型。2019年6月，NGAD项目发生重大颠覆性变化，空军负责采办的助理部长罗珀宣布将重塑NGAD，重点从提供F-22的继任者转变为创建一个环境，支撑新旧能力下的网络化部队，能力中可能包括或不包括新飞机。这意味着，项目重点不再是开发一种新型飞机，而是利用能力在多个领域(包括空中，太空和网络空间)实现空中优势。与之呼应的是，2019年3月份发布的五年预算支出计划将NGAD预算削减了一半，2024财年前的支出从132亿美元降至66亿美元。此外，空军领导人明确排除了未来5年对下一代战斗机的支出。相反，NGAD预算将致力于开发新一代传感器和通信链路以及开放系统计算架构。

在NGAD项目拟采用的新采办策略下，由少数能力强大、地位稳固的国防工业巨头长期把持的作战飞机设计和制造“特权”及其冗长的研制周期和高昂的发展成本，都将让位于新的开发模式：擅长利用数字工具的新兴公司将效仿汽车工业，在通用底盘的基础上开发出多个型号，再交给专精制造的工厂对其进行批量生产。这一新模式旨在颠覆美国传统的航空航天工业，为NGAD项目提供支持。

罗珀以美国空军20世纪40年代后期至50年代中期发展的“百系列”战斗机为例，阐述他所构想的激进策略。当时多家公司在短时间内快速推出了数型能力各有侧重的战斗机，但随着航空技术的发展，战斗机的设计日趋复杂，新型号的发展周期往往需要数十年之久，而且只有波音和洛马这样的巨头才能胜任。罗珀希望仿照汽车行业，分解设计和生产过程，引入更多公司参与竞争而防止一家独大的局面。这也就意味着，NGAD项目的采办策略由此将转化为“数字化百系列”。

“数字化百系列”将数字工程视为一种适应新兴威胁的方法——依赖于快速数字工程，每隔几年就推出一种新的飞机设计，然后批量生产。罗珀表示，数字工程带来了高水平的拟真度，不仅仅是飞机的设计，就连装配线也可以是数字化的，工程师可以在虚拟模型中进行优化，将装配过程从需要多年培训的技术人员更改为仅需要较低技能的人员。开放式系统架构整体融入设计之中，将使下一代战斗机进入螺旋上升式的快速发展轨道，而数字工具对于全寿命周期的仿真模拟则有助于降低维护保障成本。罗珀的目标是将NGAD项目中的新型战斗机平台发展周期压缩至五年以内甚至更短。

目前，包括波音公司在内的部分航空航天工业企业已开始采用类似策略，其T-7A高级教练机就沿袭了汽车公司广泛采用的基于模型的系统工程方法，该公司还根据汽车制造原理对B777等商用飞机生产线进行了改造，例如通过确定性装配方案减少对硬质模具的需求。

罗珀的上述设想得到了美国空军参谋长在内的军种高层的全力支持，但他对航空工业的未来愿景，即分割单一型号飞机的设计与制造、改进和维护，也招致了大量批评。部分专家认为其做法过于鲁莽，“在逻辑上犯了根本性错误”。还有专家称，罗珀的设想“不太像汽车工业，更像是苏联和俄罗斯奉行的设计与制造脱钩的过时体系”，而且在项目资金分配方面也未做到重点突出。

2019年10月2日，罗珀宣布，正式成立先进飞机项目执行办公室(PEO)，该办公室位于俄亥俄州莱特-帕特森空军基地，主任为戴尔·怀特上校。罗珀在声明中指出，将通过该PEO寻求一种更快速、更低廉、更敏捷的持续创新解决方案，通过综合运用模块化开放系统架构、敏捷软件开发和数字工程的“三位一体”工具，对战斗机进行每四年一次的高频率升级，实现“螺旋上升式”研发。该PEO还将“把‘下一代空中主宰’(NGAD)项目转化为空军的数字化‘百系列’战斗机，加快先进战斗机的设计、研发、采办和部署”。声明同时强调，NGAD项目虽然采用全数字设计与制造技术，但不会改变其追求的作战技术。罗珀甚至希望NGAD项目所探索的快速迭代方案应用于NGAD项目中的无人机、导弹、指挥控制系统和空军未来研发的军用卫星等重要项目。

2020年8月，NGAD项目的采办策略制定完成，罗珀透露该文件在空军领导层内获得了广泛认可和接受。他并未公开项目成本和时间进度等信息，但表示该策略涉及一些假设和权衡，主要围绕通用性、数字工程可能出现的节点，以及在平台上螺旋上升式应用新技术。最大的权衡是“与退役这些飞机相比，怎样才能尽可能快速地对不同批次的飞机进行螺旋升级”，目前获得的一个重要发现就是，“这些飞机在服役15年后需要（我们）付出不成比例的维护保障成本”。

2020年9月15日，罗珀在空军协会空天网年会线上会议宣布，“下一代空中主宰”（NGAD）项目的全尺寸验证机已开始试飞，同时“打破了一系列纪录”。罗珀并未透露飞行、能力或采办策略相关的细节，但表示全尺寸演示验证机的试飞是证明使用数字工程技术能够开发全新、尖端的作战飞机的关键一步。此外，罗珀还证实，NGAD项目的多个任务系统也正在随演示验证机进行试飞，目前进展顺利。

2016年，美空军发布的《空中优势2030飞行计划》中首次提出“先进作战管理系统”（ABMS），构想采用多种传感器平台以实现能力分散化，确保在强对抗环境下的作战管理与指挥控制功能。2018年，美国将战略重心转移到与同等对手的竞争和潜在冲突，此后国防部提出建设“联合全域指挥控制”（JADC2）体系，将来自所有军种，包括陆军、空军、海军、海军陆战队和太空部队的传感器和射手实时连接在一起，实现无缝通信和跨域指挥控制。

为满足JADC2的要求，美空军调整了ABMS的聚焦范围和发展方向。2019年4月，美空军宣布了ABMS的新愿景，即ABMS将作为一个多域指挥控制系统族以支持陆、海、空、天和网络空间域的作战。2019年11月， JADC2被参谋长联席会议确定为旨在支持多域作战（MDO）的概念，同时ABMS成为JADC2的空军解决方案。ABMS至关重要，将为决策提供帮助，并为JADC2作出贡献。空军将ABMS设想为一个系统族，包含云计算技术，人工智能算法和智能设备以及无线电等传统通信设备等。

为开放式体系架构系统簇（支撑多个集成的平台实现能力）开发相关技术和系统，以使其作为一个跨域（空、陆、海、天、网和电磁频谱）系统运行。

美空军已为ABMS确定了数字体系结构、标准和概念；传感器集成；数据；安全处理；连通性；应用和效应集成7个技术类，并提出28种ABMS产品。迄今已授予70家企业合同，提出33亿美元经费申请。

2020年10月，美陆军和空军达成为期两年的合作协议，将建立基础级联合全域联合指挥与控制（CJADC2）体系，在传统的JADC2 体系中增加联合（Combined）概念，实现传感器和武器系统的高速协同。按计划，两军将在2022财年年底之前开发出数据共享标准和服务接口。

空军和太空部队进行了先进作战管理系统开发，且已进行两次测试。空军通过该系统将传感器和武器系统进行连接，有效缩短杀伤链生效时间。陆军近两年开展了作战网络开发工作，计划完成并交付JADC2工具。近期，陆军在亚利桑那州尤马试验场进行的为期一周的“项目融合”试验中，陆军基于人工智能、自动化系统等新型作战网络工具，实现了跨域战场态势/指挥/控制数据的高速传输。试验证明，陆军作战网络中，传感器和武器系统之间数据交联速度由20分钟减少到20秒，作战应用效果突出。美国海军于2019年底宣布与空军协同进行JADC2开发。美国各军种（包括新组建的太空部队）通过开发数据共享标准/服务接口，实现跨域联合网络搜集信息数据的共享，将所有传感器、武器系统、指挥控制设备等实现高效协同，为美军提供前所未有的战场打击、控制能力。

近80年来，美国的X系列飞机（X-Plane）一直是尖端航空技术的标志。如今，美国空军为数字时代推出了一种新的系列飞机，即E系列飞机（E-Plane）。2020年9月，美国空军部长芭芭拉•巴雷特表示，美国空军部队和太空部队将开始使用数字工程设计和测试的飞机、武器及卫星编号，这些装备的名称前都将加上“E”。数字工程使用先进的计算机建模技术、仿真技术、虚拟现实技术和增强现实技术等快速绘制硬件蓝图，并在不搭建物理原型机的情况下，测试各种构型如何在真实世界中发挥作用。与过去的计算机辅助开发技术相比，现代化的数字工程更加准确和可靠。

波音公司的“红鹰”教练机是第一种获得“E”系列称号的飞机，即ET-7A。“红鹰”教练机应用了先进的设计工具，利用数字技术跨越了地域的限制，由分布在全球的不到200人（而不是成千上万人）来设计、制造和测试。新的3D建模软件意味着波音公司可以创建一个数字孪生，在虚拟的风洞中测试飞行性能，并快速做出调整，而不需要真实地加工金属材料。