美軍空中無人作戰概念解析

劉 麗，武坦然，邵東青

（光電對抗測試評估技術重點實驗室，河南 洛陽 471003）

0 引言

美軍歷來重視作戰概念的研究與開發，通過作戰概念牽引軍事發展。在新的“大國競爭”背景和壓力下，自2010 年以來，美軍著力發展強對抗環境下的作戰體系，瞄準突破強大國際競爭對手反介入/區域拒止（A2/AD）體系等重要的作戰場景，開展了一系列面向未來戰爭的空中無人作戰概念探索和型號技術發展實踐。

1 美軍分布式空中作戰概念

1.1 概念提出背景及內涵

分布式空中作戰概念由美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2014 年提出，是該局著眼大國競爭設計發展的全新空戰樣式，旨在將大型、昂貴、多功能有人戰機的各類功能分解到大量低成本的自主無人機上，構建由少量高性能有人機和大量自主無人機組成的作戰體系，并通過人工智能輔助開展指揮決策，能以較低成本實現更高的作戰能力，對敵形成壓倒性作戰優勢。

分布式空中作戰概念基于“功能分解”，它與基于“地理空間”的作戰概念不同之處在于，通過把高性能航空裝備的功能下放到低成本自主無人機上，大幅擴充作戰裝備的數量，為真正實現分布式奠定基礎。另外，還可降低裝備發展周期和成本，實現技術快速引入和迭代升級。最后通過有人機-無人機網絡化的協同，在實現“功能分解”的同時，實現基于“地理空間”的分布式作戰。

分布式空中作戰是美軍著眼未來強對抗環境而提出的新型作戰理念，其核心思想是不再由當前的高價值多用途平臺獨立完成作戰任務，而是將昂貴的大型裝備的能力分解部署到大量多種小型平臺上，由多個平臺聯合形成作戰體系共同完成任務，在降低成本的同時，提升作戰體系的靈活性和對抗適應能力。作戰體系將包括少量有人平臺和大量無人平臺。

1.2 典型研究項目進展

1）“體系集成技術與試驗”（SoSITE）項目

2014 年，DARPA 啟動了SoSITE 項目，旨在開發和驗證通過新的“系統之系統”體系結構來維持空中優勢的概念。這種體系結構能合理配置包含飛機、武器、傳感器以及任務系統等大量可互操作的有人和無人平臺的空戰能力，最終實現以比對手更快的速度、更低的成本將新技術和機載系統與現有系統集成在一起。

SoSITE 項目為期5 年，由美國空軍與洛馬公司臭鼬工廠牽頭。項目的最終目標是將單一復雜、昂貴的有人戰機作戰能力分散到大量具備某一個或某些功能的各類小型航空平臺上。在此基礎上，實現平臺間實時數據共享、多機組網、協同配合及平臺上不同任務模塊的即插即用、無縫連接，進而形成分布式的空中作戰體系。在該體系中，現有航空能力被重新整合，飛行員將成為真正的作戰管理和決策者，在防區外協調、指揮各類小型平臺進入防區執行空戰任務。

2018 年6 月，SoSITE 項目在美國加州海軍空戰中心進行了飛行試驗，驗證了虛擬系統和現實系統能夠共享不同類型數據，共同執行任務。飛行試驗驗證了名為“縫合”（STITCHES）的全新體系集成技術，實現了地面站、半物理飛行試驗系統、C-12 運輸機和試驗飛機之間的互操作能力。

2）“分布式戰斗管理”（DBM）項目

2014 年2 月，DARPA 提 出 了DBM 項目，旨在面向當前日益復雜的作戰體系（包含大量無人機、導彈、機載設備）引起的高對抗環境中的態勢理解、規劃決策、戰斗管理難題，開展分布式自適應規劃控制、分布式態勢感知、高效人機交互界面研究，開發自動化決策輔助工具和無人機自動控制算法，利用有限帶寬戰術數據鏈高效實時處理分發作戰數據，協助空中戰斗管理人員和飛行員管理空空與空地戰斗。

DBM 項目涉及系統集成和技術開發2 大主要技術領域，在項目2 個階段中并行推進。第一階段為期14 個月，聚焦規劃和控制、態勢感知等；第二階段為期30 個月，重點開展系統集成和在虛擬/真實環境下演示驗證。2017 年9 月，DARPA 聯合空軍研究實驗室（AFRL）開展了7 次、為期11 天的飛行測試，利用“利爾”噴氣公務機充當無人機，采用地面模擬機充當有人機，驗證了作戰輔助決策軟件的半自主性能及其在空對空作戰中的應用。2018 年夏季，DBM 項目開展了空對地作戰演示驗證。2020 年10 月，美陸軍計劃應用DBM 項目的成果，以滿足該軍種在戰場上不斷增加組網傳感器和射擊武器的需求。

3）“拒止環境協同作戰”（CODE）項目

2014 年，DARPA 啟 動CODE 項 目，旨 在 開 發 先進的自主輔助決策算法和集群協同監控系統，提升美無人機系統在拒止環境或復雜電磁環境下的高效協同交互能力，降低任務所需通信帶寬與人類指揮人員決策認知負擔。

CODE 項目分為三個階段，第一階段從2014 年到2016 年年初，內容包括系統分析、架構設計和發展關鍵技術，完成系統需求定義和初步系統設計；第二階段從2016 年年初到2017 年年中，洛馬和雷聲公司以RQ-23“虎鯊”無人機為測試平臺，加裝相關軟硬件，并開展了大量飛行試驗，驗證了開發式架構、自主協同規劃等指標；第三階段從2018 年1 月開始，測試使用6架真實無人機以及虛擬飛機的協同能力，實現單人指揮無人機小組完成復雜任務。

2018 年11 月，在亞利桑那州尤馬試驗場，CODE項目演示了裝備CODE 的無人機系統在反介入/區域拒止環境下適應和響應意外威脅的能力。無人機系統在盡量降低通信量的同時，高效共享信息，協同規劃和分配任務目標，制定協調的戰術決策，并協同應對高威脅動態環境。2020 年2 月，6 架裝備CODE 的RQ-23“虎鯊”無人機和14 架虛擬無人機在通信中斷和GPS 拒止環境下成功完成既定任務。通過4 輪演示，證實在無人機裝備CODE 系統后，1 名操控人員可同時指控多架無人機，在通信中斷后，無人機之間可自動共享信息，并協作應對不同威脅。CODE 軟件可快速集成至其他有人機、無人機以及地面車輛，在CODE 項目年內結束后，相關成果將移交美國海軍航空系統司令部。

4）“空戰演進”（ACE）項目

2019 年5 月，DARPA 宣 布 啟 動ACE 項 目 以 支撐“馬賽克戰”體系構建，項目旨在運用人工智能等技術開展空中視距內自主格斗控制算法開發與驗證，探索有人和無人平臺自主執行高動態非線性復雜空戰任務能力。DARPA 期望通過該項目研究提升飛行員對自主系統的信任度，運用機器自主技術執行更多的復雜空戰任務，提升有人-無人作戰單元協同效率，適應未來無人機自主化作戰需求。

ACE 項目包括三個階段，第一階段為模擬環境研究，第二階段為無人機飛行試驗，第三階段為包含有人-無人協同的實裝飛行試驗。2020 年11 月，DARPA 宣布已選定5 家機構開發智能空戰算法，使有人-無人飛機編隊可自主開展近距離空戰格斗任務。這些機構將進行“技術領域1”（TA1）內容的研發工作，包括單機和編隊的空戰機動算法。每家機構將分別從1 對1 空戰格斗開始研究，逐步擴展至2 對1 和2 對2。隨后轉入建模仿真、縮比例無人機驗證和全尺寸飛機驗證階段，計劃2023 年完成全部工作。2021 年3月18 日，DARPA 宣布ACE 項目第一階段進程過半，并取得若干關鍵性階段成果：在視距和超視距多機場景下，使用更新的模擬武器進行了先進的虛擬人工智能（AI）空中格斗；用一架加裝某些儀表的噴氣式飛機進行了實際飛行，以測量飛行員的生理狀況和對AI 的信任；對計劃在項目第三階段搭載一名機載AI“飛行員”的首架全尺寸噴氣教練機進行初期改型。2021 年末啟動ACE 項目第二階段，開展小尺寸飛機真實格斗。

2 美軍“忠誠僚機”自主作戰概念

2.1 概念提出的背景及內涵

由于作戰環境的高度動態化、不確定性以及飛行任務的復雜性，各種基于程序化的自動控制策略已經不能滿足未來先進多功能無人機對于復雜作戰環境下的多任務需求，具有自主能力的無人機系統將成為新的發展趨勢。但是，由于當前無人機技術尚未達到全自主作戰的水平，美國防部認為，利用當前現有裝備進行有人-無人編隊協同作戰是一種可行的作戰方式。在此背景下，2015 年，AFRL 正式啟動了“忠誠僚機”概念研究，旨在開發自主技術以有效增強美空軍未來在對抗和拒止環境下的作戰行動能力，并能夠將有人駕駛戰斗機與具備自主作戰能力的無人機實現有效集成，完成協同作戰，提高作戰效能。

按照美國空軍的設想，無人忠誠僚機應具備以下功能：充當武器發射平臺，對有人長機指定目標發動攻擊；對無人機感知到的目標集實施打擊；為有人長機吸引防空火力并摧毀威脅目標；實施防區外干擾；作為ISR 的信息融合節點。

“忠誠僚機”項目公告公布了2020—2022 財年自主技術無人機整合驗證計劃。在2020 財年，項目主要驗證對地攻擊概念。無人僚機主要承擔空地武器發射平臺并充當有人長機的目標指示器。在2022 財年，該項目主要驗證有人-無人“忠誠僚機”編隊的對敵防空壓制（SEAD）能力。此時的驗證場景為GPS 被一定程度干擾/欺騙、存在敵方防空系統、存在有限數量的敵方威脅以及暫時性的衛星通信干擾。

2.2 典型研究項目進展

1）XQ-58A“女武神”無人機

作為美國“忠誠僚機”的典型代表，XQ-58A“女武神”是美國克瑞托斯防務公司（Kratos）與美國空軍研究實驗室合作開發的一款高亞聲速、遠距離攻擊的無人機。該機主要用于監視、偵察和遠程作戰，可為作戰人員提供作戰靈活性和實用性。

XQ-58A 被稱為是世界上首型采購和使用成本較低，卻能提供改變游戲規則戰斗能力的無人機，也是作戰功能比較均衡的無人隱身作戰飛機。根據公開資料，XQ-58A 所謂的改變作戰規則，很大程度上是按照“忠誠僚機”的作戰思路，用無人機取代常規編隊中的同型僚機，改變目前戰術飛機執行作戰任務的編組方式。XQ-58A 利用數據鏈和信息網絡構成的全新戰斗體系，能從根本上改善戰術飛機執行作戰任務的靈活性、有效性和安全性，從基礎上提高戰斗兵器的實戰效費比。

2019 年3 月5 日，XQ-58A“女武神”無人駕駛驗證機在亞利桑那州的尤馬試驗場發射升空，持續飛行了76 min 后，成功完成了首次飛行，標志著美國空軍“忠誠僚機”作戰概念朝著現實邁出了重要的一步。2020年12 月9 日，XQ-58A“女武神”和美國空軍F-22“猛禽”、F-35A“閃電”Ⅱ戰斗機在尤馬試驗場進行編隊飛行測試，這是XQ-58A“女武神”無人機首次實現與有人戰機的半自主編隊飛行。測試中，XQ-58A 裝備了“網關一號”通信有效載荷，可以同時接收2 種數據流，融合信息并發送出去。飛機起飛后不久，通信有效載荷失去了連接，有些測試目標無法完成，但是“網關一號”確實建立了跨多個平臺的雙向數據鏈路，此次試驗標志著美聯合部隊朝著軍事物聯網又邁進了一步。2021 年3 月26 日，XQ-58A 無人機進行了空射“空射管內集成無人系統”-600（ALTIUS）小型無人機（SUAS）的試驗。這是XQ-58A 無人機的第六次飛行試驗，也是該機首次在飛行中打開內埋式彈艙投放任務載荷。

2）“空中博格人”項目

美國空軍研究實驗室2019 年啟動的Skyborg 項目尋求開發一種基于人工智能算法的自主控制系統，該項目的目標是將自主可損耗無人機技術與開放任務系統相結合，以實現有人-無人編隊作戰。美空軍對該機的作戰想定認為，“空中博格人”無人機將由有人戰機或人工智能引導，執行偵察、空襲等作戰任務；可輔助多架裝備不同通訊系統的戰斗機進行通訊；能自動規避其他飛機、地形、障礙物或危險氣象并自動起降。通過“空中博格人”項目，美國空軍希望部署一系列使用人工智能來適應戰場條件的無人空中系統，為空戰帶來“智能力量”，以保持美空軍在未來空戰中的競爭優勢。

“空中博格人”人工智能無人作戰飛機將先于有人駕駛的六代機成為美空軍未來即將部署的下一款作戰飛機。美空軍已明確計劃于2023 財年之前交付部署“空中博格人”系統的首款初始作戰版本。

2020 年12 月，美國空軍已經授予波音公司、通用原子公司和克瑞托斯公司合同，制造“空中博格人”原型機，并在一系列試驗中作為“忠誠僚機”進行飛行驗證。2021 年4 月，美空軍使用克瑞托斯公司研制的UTAP-22“灰鯖鯊”（Mako）無人機，在美國佛羅里達州廷德爾空軍基地完成了“空中博格人”自主核心系統（ACS）的首次飛行測試，歷時2 h10 min。ACS 是“空中博格人”的“大腦”。測試中，ACS 演示了一系列能力，包括導航指揮響應、地理柵欄反應、遵循飛行包線、實施協調機動等。2021 年5 月，搭載ACS 的UTAP-22 無人機由F-16C 戰斗機陪同再次進行試飛，美軍稱這是美國防部歷史上有人戰斗機與自主控制的無人機距離最近的一次飛行。

3 美軍無人機蜂群作戰概念

3.1 概念提出的背景及內涵

無人機蜂群概念的靈感來源于對昆蟲蜜蜂的仿生研究，其研究目標就是在一定的任務背景下，通過對群聚生物的信息交互與協作行為進行模仿，使機群作為一個系統整體，智能化協同、自主化動作，完成單機平臺難以完成的作戰任務。

DARPA 早在2000 年就曾對無人機蜂群空戰進行了仿真研究，但美軍真正大規模開展系統層實物研究是在“第三次抵消戰略”之后。美軍認為，世界軍事強國日益完善的一體化防空系統對其全球介入能力構成了巨大威脅，急需改變觀念，開發出具有經濟可承受性且能滿足作戰能力要求的武器系統，繼續保持其在強對抗環境下的絕對優勢。為了實現“第三次抵消戰略”，美軍將利用人工智能及自主技術領域的快速發展，進一步提高武器系統自主化水平，發展人機協作及蜂群編隊作戰能力。

按照美空軍2016 年在《小型無人機系統飛行規劃2016—2036》文件中的定義和描述，無人機蜂群是指在操控人員（空中或地面）的指揮或監督下，通過自主組網遂行統一作戰任務的一群小型無人機；構成蜂群的無人機可以是相同的（同構），也可以是不同的（異構）；組群方式可以是主從型的，也可以是無中心的。

3.2 典型研究項目進展

1）“低成本無人機蜂群技術”（LOCUST）項目

2015 年4 月，美海軍公布了LOCUST 項目進行的一系列蜂群無人機技術驗證工作。LOCUST 項目旨在研制可快速連續發射的高自主性無人機，通過蜂群戰術對敵方進行壓制。

LOCUST 項目使用的是雷聲公司的“郊狼”（Coyote）無人機。該無人機以電池為動力，機長0.91 m，翼展1.47 m，起飛質量約為5.4～6.3 kg，載荷質量0.91 kg，巡航速度約為60 節（111 km/h），最大飛行速度為85 節（157 km/h），最大續航時間為90 min（通常情況下為60 min），最大飛行高度約6 km。無人機可攜帶可見光／紅外相機，配備2 W S 波段發射機時，全動態視頻傳輸距離為37 km。

2015 年3 月，美海軍研究局對單架“郊狼”無人機樣機攜帶不同載荷執行任務，以及9 架無人機的編隊飛行進行了試驗。2016 年4 月，LOCUST 項目完成了30 架“郊狼”無人機連續發射并編組飛行的試驗。美海軍研究局表示，之前從未有過這種自主等級的無人機“蜂群”飛行試驗。2018 年6 月，美海軍授予雷聲公司2968 萬美元合同，生產“低成本無人機蜂群技術創新海軍原型機”。2018 年10 月，雷聲公司最新研制出的無人機蜂群軟件，可實現“郊狼”無人機蜂群網絡化，并使“郊狼”在一個對敵具有優勢的陣型中協同工作，實現無人機之間的信息共享，使無人機蜂群具備自主和協同能力。

2）“小精靈”項目

2015 年9 月，DARPA 發布“小精靈”項目公告，提出通過載機在防區外發射攜帶有偵察或電子戰載荷、具備組網與協同功能的無人機“蜂群”用于離岸偵察與電子攻擊任務，并在任務完成后對幸存無人機進行回收的技術。這些無人機將配備多種不同載荷，采用齊射方式，具有數量大、尺寸小、廉價、可重復使用等特點。

2018 年，項目總承包商動力系統公司表示，“小精靈”項目飛行平臺已經被正式授予型號編號X-61A。2019 年11 月，在美國猶他州鹽湖城附近的達格威試驗場，“小精靈”無人機完成首次飛行試驗。2020 年12 月10 日，DARPA 宣布，已完成X-61A“小精靈”無人機項目的第3 次飛行試驗，試驗目標接近成功，只是試驗中還存在部分無人機在飛行過程中未能連接C-130“大力神”運輸機回收系統的問題。“小精靈”項目的第4 次飛行試驗已于2021 年在達格威試驗場進行。DARPA的常設目標是最終能夠在30 min 內演示驗證出在半空中回收4 架X-61A 的能力。

3）“進攻性蜂群使能戰術”（OFFSET）項目

城市內作戰因城市結構、空間和視線問題，限制了作戰最佳的通信、機動和戰術發揮。為了克服這些挑戰，顯著提高小規模作戰部隊在城市環境下作戰的有 效 性，DARPA 于2017 年1 月 發 布 了OFFSET 項目，旨在開發并演示驗證100 多個作戰相關的蜂群戰術，應用于無人機和／或地面無人車輛蜂群。這些針對無人系統的蜂群戰術有助于提高部隊防護、火力、精確打擊效果以及情報、監視與偵察（ISR）能力。OFFSET 項目重點關注蜂群戰術及其在推進蜂群自主性、人與蜂群編隊等蜂群使能能力方面發揮的作用。

2020 年9 月，OFFSET 項目的研究人員在位于華盛頓的劉易斯·麥科德聯合基地測試了無人機及無人地面車輛集群技術。項目的2 個蜂群系統集成商諾斯羅普·格魯曼任務系統公司和雷聲BBN 技術公司正在創建蜂群系統架構、先進接口以及虛擬和現實蜂群試驗平臺，以進行OFFSET 項目集成試驗，并在多階段交互式場景中測試其自主平臺，包括地面車輛、多旋翼飛機和固定翼飛機，以定位和保護與城市作戰場景相關的多個模擬對象。OFFSET 項目期限42 個月，包含6 個一年2 次的能力試驗。本次外場試驗是OFFSET 項目6 個試驗計劃中的第6 個。

4）“空射效應”（ALE）項目

2020 年8 月12 日，美國陸軍作戰能力發展司令部（CCDC）發布了采購ALE 系統的信息征詢書，旨在幫助美國陸軍在中俄等對手制造的復雜空域和拒止環境中作戰。ALE 是一系列的小型（不超過45.4 kg）和大型（不超過102.1 kg）無人機，可由美國陸軍未來先進的武裝攻擊偵察直升機（FARA）和突擊運輸直升機從空中發射，然后與其他有人和無人平臺協同工作，以探測、識別、定位和報告（DILR）敵方防空系統中的威脅，并實施致命和非致命打擊。

ALE 的具體功能包括有源偵察、無源偵察、誘餌、電子攻擊以及自殺式攻擊。ALE 可以通過抗干擾數據鏈路和網絡將偵察信息發送到區域內的其他平臺或后方的指揮所，以進行進一步的處理和利用，或者給指揮官提供更多的態勢信息。ALE 還可以充當誘餌來迷惑敵方的防空系統，并發動各種電子戰、賽博戰和導航戰攻擊。

根據美軍的作戰構想，搭載不同載荷的ALE 能夠組成協同工作的無人機蜂群，其中，偵察型的ALE 可以發現并定位威脅，干擾型的ALE 可以對威脅實施非動能攻擊，游蕩彈藥型的ALE 可以對目標發動俯沖攻擊。ALE 蜂群可以進入高風險區域，以尋找時敏目標或高優先級目標，為其他大型有人機、無人機、戰艦和地面遠程武器提供目標信息，從而對敵方的綜合防御和指控網絡發動攻擊。

4 美軍空中無人作戰概念的特點

4.1 強調低成本提升作戰效能，創新作戰模式

如何提升作戰效能與解決采辦費用攀升的問題是美軍當前裝備發展面臨的重要挑戰。在美軍空中無人作戰概念引領下，可以看出美軍近年研發項目的主要對象均指向低成本無人機平臺，這表明美軍將低成本無人機技術視為提升美軍空基作戰能力的低成本解決方案，實現成本優勢向作戰能力優勢轉變。同時，基于這些空中無人作戰概念，美軍能夠發展更多的航空裝備作戰模式，甚至重新定義空中力量運用模式，形成信息、速度和響應能力等方面的作戰優勢。

4.2 注重發展無人機協同技術，拓展作戰使用深度

無人機協同技術是指實現無人機與無人機或無人機與有人機之間共同完成指定任務的相關技術群。無人機協同技術是實現無人機作戰力量更好地融入作戰體系、提升其作戰效能的關鍵技術，是表征無人機自主能力水平的重要標志。從美軍的空中無人作戰概念可以看出，無人機協同技術是這些概念得以發展的重要支撐。以“忠誠僚機”概念為例，該概念中的無人機與有人機協同技術具體是指協同中無人機、傳感器、武器等資源控制權均由有人機控制，在有人機的作戰指令下，無人機執行遠程態 勢感知、武器投放、欺騙干擾等作戰任務，可有效拓展有人機作戰任務范圍、作戰資源與作戰頻次。

5 結束語

無人機是軍事斗爭技術的前沿，是作戰模式創新的著力點，是人工智能等熱點技術的有力承載體。隨著無人機運用規模逐漸擴大，執行的任務從支援向打擊拓展，能力提升迅猛。無人機蜂群、“忠誠僚機”、有人/無人智能協同作戰等概念正是在無人機及相關技術發展到一定水平后，根據當前認知，提出的顛覆無人機傳統運用的作戰概念。同時，新質作戰概念牽引著無人機向集群化、智能化、協同化不斷發展，從而推動無人機向主戰裝備邁進。■