美軍無人空戰裝備智能化發展動態及啟示*

董康生，胡偉波，沈雁鳴，唐上欽

（1.中國空氣動力研究與發展中心 計算空氣動力研究所，四川 綿陽 621000；2.空軍工程大學 航空工程學院，陜西 西安 710038）

0 引言

縱觀近幾場信息化條件下的局部戰爭，從2001年美軍首開利用MQ-1B“捕食者”無人機發射精確制導武器攻擊地面目標［1］，到2020 年1 月運用MQ-9“死神”無人機刺殺伊朗伊斯蘭革命衛隊指揮官蘇萊曼尼［2］，軍用無人裝備憑借其零人員傷亡、飛行包線寬廣、費效比低等優勢，展現出愈發強大的軍事潛力和廣闊的發展前景，并對現代空軍作戰樣式產生了深遠的影響，已經成為世界各主要軍事強國重點發展的空中軍事裝備和力量［3-5］。得益于近年來人工智能技術的蓬勃發展，世界各國大力推進人工智能技術在無人裝備上的應用［6-8］，如2016 年美軍實驗室人工智能空戰系統Alpha AI 控制無人機擊敗有人駕駛戰機［9］。美軍國防部高級研究計劃局

DARPA（American defense advanced research projects agency）僅在2019 年就投入了34.4 億美元研究人工智能技術的軍事化應用［10-11］。人工智能技術為無人裝備的發展注入了新的血液，并將打破世界現有軍力平衡，變革戰爭形態，加速推動無人智能化戰爭的到來。

當前，美軍在無人裝備智能化空戰發展戰略、作戰樣式、裝備研發、技術創新以及局部作戰行動中不斷進行探索嘗試，積累了豐富的實戰經驗和前沿技術，已在無人智能化作戰力量建設和實踐運用方面形成了優勢局面［12］，對我軍克敵制勝帶來嚴峻的威脅與挑戰。同時，為繼續搶占未來無人智能化戰場領先優勢，美軍在新型無人化裝備、技術和項目方面進行了大量探索和布局，對未來無人智能化作戰力量建設和實踐運用具有重要的借鑒和啟示意義。

本文首先深入分析了當前美軍現役無人機裝備的優缺點，接著梳理了美軍正在發展的智能化無人裝備項目，介紹了其發展動態、關鍵技術和研究目標，隨后總結了未來美軍無人智能化裝備的發展趨勢，最后提出了應對未來智能化空戰的策略建議，為無人裝備發展和作戰行動運用提供有益參考。

1 美軍現役無人機裝備特點分析

從20 世紀60 年代起，美國空軍與國家偵察辦公室（national reconnaissance office，NPO）合作，秘密開展了大量無人機項目［13］，如今已經形成了包括偵察、電子對抗、攻擊等多層次多種類的無人機作戰體系，投入使用的各類無人機超過75 種，總數量超過6 000 架（不包括20 kg 以下的微小型無人機）［14-15］。作為無人智能化空中作戰裝備的主體，無人機的智能化主要體現在其自主能力方面，即無人機依據自身知識以及對環境的感知，獨立確定行動方案的能力。美國國防部《2005-2035 無人機系統路線圖》將無人機自主能力劃分為10 個等級，主要包括遠程控制、自動控制、自主控制3 個層級［16］，如圖1 所示。當前，以“捕食者”、“死神”和“全球鷹”等為代表的美軍現役無人機基本都屬于遠程控制和自動控制2 個較低層次，盡管這些無人機智能化程度尚處在初級階段，但是已在現代多次局部戰爭和軍事行動中廣泛應用。

圖1 無人機自主能力等級參考示意圖Fig.1 Level of autonomous ability for unmanned aerial vehicle（UAV）

1.1 主要優點

美軍在科索沃戰爭、海灣戰爭、阿富汗戰爭等軍事沖突和數次斬首行動中大量使用了無人機，并應用于戰略偵察與監視、空中對抗與打擊、信息支援與保障等多種軍事任務中［17］。表1 列出了美軍歷次軍事行動中投入使用的無人機型號及其智能化特點。據統計，在伊拉克戰爭中，一半以上的目標毀傷信息是由無人機提供的，任務完成率達到76.6%。從美軍現役無人機的這些作戰應用和實戰情況來看，主要有以下幾方面的優勢。

表1 美軍無人機投入的軍事行動及其智能化特點Table 1 UAVs of US army deployed in various military operations and their intelligent features

（1）全天候實時偵察能力

美軍現役無人機大多安裝了多種先進的傳感器，例如，高分辨率紅外系統、彩色攝像機和合成孔徑雷達等，能夠實時全天候大范圍偵察監視，同時具有可變焦距和高分辨率的特點。以“死神”MQ-9為例，其可在3 200 m 外識別行駛中的車輛牌照［18］。

（2）良好的隱身性能

美軍新投入使用的無人機機身大量采用復合材料，雷達發射面積小，隱身性能大幅提高。以美軍保密級別較高的隱身偵察無人機RQ-180 為例，其機身采用飛翼布局，后緣構型簡潔，蒙皮覆蓋新型隱身材料，使得其行動很難被探測到。

（3）優異的遠程作戰能力

以“全球鷹”為代表的美軍無人機具有長航程和高航時的特點，最大航程達到26 000 km，能連續飛行40 h 以上，可實現從美國本土飛往全球任何地區執行作戰任務，是該類型無人機中最長單次飛行時間和最大航程記錄保持者［19］。

（4）快速精確打擊能力

以MQ-9 為代表的美軍無人機可以攜帶多種打擊武器，包括“地獄火”導彈、“響尾蛇”導彈、GBU-12激光制導炸彈和GB-38 聯合直接攻擊彈藥炸彈。配合先進的偵察和制導設備，具備全方位和全天候攻擊能力，可實現多次精確打擊能力，常被用于定點斬首行動，如2020 年1 月對伊朗少將蘇萊曼尼的獵殺（圖2）。同時得益于MQ-9 先進的衛星數據鏈天線，其作戰反應靈敏，從美軍克里奇基地發出指令到萬里之外的無人機做出反應，其間隔不會超過1.2 s［20］。

圖2 MQ-9 獵殺伊朗蘇萊曼尼過程示意圖Fig.2 Schematic of hunting Soleimani by MQ-9

1.2 主要缺點

面對未來無人智能化的軍事作戰需求，當前美軍主戰無人機也存在較為明顯的缺點。

（1）機動性不足

當前，軍用現役無人機出于續航和隱身雙重考慮，大多采用大展弦比固定翼和飛翼布局，導致機動性能不足，不適合近距空戰和制導武器規避。僅在中東地區，美軍就有5 架MQ-1、4 架MQ-9、1 架RQ-4 無人機被擊落。

（2）抗干擾能力不足

美軍無人機發生過多次因敵方電磁干擾而被俘獲的事例，如2019 年伊朗曾利用電磁干擾設備捕獲了美軍部署在其周邊的MQ-1“捕食者”無人機，伊朗還曾利用干擾技術俘獲了美軍保密程度極高、技術極為先進的RQ-170 無人機［21］。

（3）自主性不足

由于人工智能發展水平的限制，現役軍用無人機只能實現自主定點巡航、自主起降以及一定程度的自主加油等基本任務，其他諸如目標打擊、空中格斗等復雜軍事任務難以獨立完成，自主執行任務能力較差。

（4）協同性不足

當前，無人機主要依賴地面控制站進行操作指揮，且通常一個操作員只能操控一架無人機，無法同時控制多架無人機實現協同編隊飛行，而且無人機與有人機和其他無人機之間直接信息共享不足，不具有執行編隊協同作戰的能力。

2 美軍無人智能化空戰前沿技術發展動態

美軍已經明確，大力發展無人機裝備是應對當今大國軍事競爭的重要措施［17］。立足未來智能化空戰的需求牽引，美軍提出了許多新式作戰樣式和作戰理論，美國防高級研究計劃局、國防部戰略能力辦公室和各軍種都積極開展了許多新質作戰力量的研究和技術驗證，如“小精靈”、“山鶉”、“低成本無人機蜂群”、“拒止環境協同作戰”和“空中博格”［22-25］等。除這些已經較為熟知的項目，美軍近年來軟硬件并重發展，又提出了以下新質作戰項目，包括側重硬件層面的無人機空中加油、“忠誠僚機”［26］和彈群協同［27］；側重軟件層面的算法戰［28-29］和先進戰場管理［30］，不斷促進無人機作戰概念向集群化、智能化、協同化發展，積極推動無人機向空中主戰裝備邁進。

2.1 無人機空中加油

無人機空中加油可以是有人機對無人機進行空中授油，也可以是無人機對有人機實施空中加油。美國海軍于2007 年公布了“無人作戰航空系統驗證機”，同年，諾格公司開始了艦載隱身無人機X-47B 的研制工作，X-47B 先后完成了自主著艦以及觸艦復飛、與有人機編隊飛行、自主空中受油等復雜試驗。2015 年，美海軍在此基礎上啟動了“艦載空中加油系統”項目，開始驗證無人機對有人機的空中加油技術。

美國海軍以CBARS（carrier based aerial refueling system）項目為依托，研發了專用艦載空中無人加油機“黃貂魚”MQ-25。從2019 年MQ-25 首次試飛以來，已經開展了近30 次飛行試驗，其中包括2021 年6 月對F/A-18F 艦載戰斗機的空中加油試驗，2021 年8 月對E-2D“鷹眼”預警機的空中加油試驗以及2021 年9 月對F-35C 隱身戰斗機的空中加油測試，驗證了加油機的空中對接/分離技術、主動流動控制技術等。未來，MQ-25 無人機自主空中加油技術的成熟應用可極大緩解美海軍現役艦載戰斗機作戰半徑偏小的問題，使航母戰斗群能夠擴大作戰范圍，降低戰時被發現和突襲的風險。此外，艦載無人加油機在提升艦載機聯隊作戰出勤率、實施前線偵察/監視、掩護有人作戰飛機等方面也能發揮重要作用。

2.2 忠誠僚機

“忠誠僚機”是指將無人機與有人機進行編組，有人機通過編組任務系統下達指控命令，無人機依據命令執行相應作戰任務，充當有人機僚機的一種新型作戰概念。2015 年，美國空軍研究實驗室啟動了“忠誠僚機”的概念研究，早期的驗證平臺為F-16戰斗機改裝后的無人靶機QF-16。2018 年，美國空軍實驗室與克瑞托斯防務公司聯合提出了XQ-58A“女武神”無人機忠誠僚機項目。

XQ-58A 無人機主要負責戰場監視、偵察和遠程作戰任務。從2019 年3 月到2020 年1 月期間，XQ-58A 總共進行了4 次飛行試驗，先后驗證了其高空飛行能力、火箭輔助發射和降落傘著陸技術。2020 年12 月，XQ-58A 與F-22 和F-35完成了首次編隊飛行，XQ-58A 充當通訊節點實現了2 款戰斗機之間的數據通信。2021 年3 月，XQ-58A 完成了首次內埋式彈艙空射小型無人機試驗。現代空戰中，無人機受限于智能化水平無法完全自主應對，采用“忠誠僚機”的概念，既可以充分發揮現有裝備的軍事潛力，又可以利用飛行員的智力優勢，與無人機的人工智能形成互補，提高無人機的威脅評估、任務規劃、戰術決策等方面能力，增強作戰任務的適應性和可靠性。

2.3 彈群協同

彈群協同是智能化自主彈藥集群一個新的發展方向。美空軍于2016 年啟動了“灰狼”項目，旨在開發低成本的巡航導彈并驗證彈藥網絡化協同打擊技術。為加快機載精確制導彈藥聯網技術的發展，2019 年3 月“灰狼”項目被自主彈藥集群技術演示驗證項目“金帳汗國”（Golden Horde）取代，美軍轉而在成熟現役裝備上進行彈群協同驗證。

美國空軍計劃在“小直徑炸彈”、AGM-158 和ADM-160 導彈上測試彈群協同技術，“金帳汗國”項目在2020 年經歷了數次推遲和失敗后，于2021 年2月順利發射了4 枚“合作型小直徑炸彈”，并同時命中4 個不同的目標（如圖3 所示），驗證了彈間聯網、目標合作識別和目標自主協同打擊等技術。2021年5 月又完成了2 架F-16 協同發射6 枚導彈的試驗。后續“金帳汗國”將被“羅馬競技場”項目替代，并融入數字工程技術，以加速美空軍武器向合作式自主組網技術轉型。隨著精確制導彈藥聯網技術的成熟，在未來作戰中，協同運用不同類型的制導武器進行突防打擊，可在復雜戰場環境和目標動態改變條件下，實現現役機載精確制導武器自主規劃任務、自主規劃航跡、自主攻擊目標、自主信息反饋，確保對指定區域的可靠彈藥投送和有效毀傷，全維度提升對敵突防能力，是摧毀敵方一體化防空系統的有效手段。

圖3 “金帳汗國”試驗中四枚導彈協同命中4 個不同目標Fig.3 Four missiles cooperatively hitting four different targets in the flight test of Golden Horde

2.4 算法戰

“算法戰”是從軟件層面出發，利用圖像識別、機器學習、尋優決策等先進智能算法，挖掘人工智能算法在態勢感知、情報分析、指揮決策和火力打擊等方面的巨大潛力，用算法方式破解戰爭攻防問題，從而達到在戰爭中制勝的目的。美軍“算法戰”概念于2017 年提出，同年4 月美國防部簽發了名為“Project Maven”的備忘錄項目，并組建了“算法戰”跨職能小組，統一領導美軍“算法戰”相關概念及技術應用研究活動。

“算法戰”跨職能小組的首項任務是利用機器視覺算法從戰術無人航空系統獲取的視頻圖像中自主識別感興趣的目標，快速生成可用信息，提升軍事決策能力。2017 年底，該計劃開發的算法已經在中東某秘密地點部署應用，可對“全球鷹”無人機所拍視頻進行目標識別，對人員、車輛、建筑等物體的識別準確率提升到80%。2020 年12 月，美國空軍將先進算法部署在U-2 偵察機上，實現了人工智能自主偵察戰場態勢、搜索戰斗目標。“算法戰”作為一種新的作戰理念和技術手段，將加速海量戰場數據轉化為可用情報，代替或輔助作戰人員更加精準、高效、可靠地完成作戰任務。

2.5 先進作戰管理

為了充分利用最新的云共享網絡和人工智能輔助技術，分散化裝備態勢感知能力和指揮控制能力，提高強對抗環境下的作戰管理與指控能力，美軍于2019 年啟動了“先進作戰管理系統”（advanced battle management system，ABMS）項目。圖4 給出了美軍ABMS 系統的軟件開發環境組成圖。先進戰場管理系統不僅是未來聯合全域指揮控制的關鍵，而且還是全域作戰中包括“動態兵力運用”（dynamic force employment，DFE）等新型作戰概念的基礎。

圖4 ABMS 軟件開發環境組成圖Fig.4 Components of development environment for ABMS software

美軍于2019 年12 月至2020 年9 月開展了3 次ABMS 聯合演示試驗，完成了從少量平臺及作戰單元參與的小規模演練到多平臺、多作戰司令部參與的分散地域大跨度演練，再到美國本土外的大規模聯合演練。3 次演示試驗分別測試了多軍種無縫連接及態勢共享、基于安全云的多域態勢共享和基于人工智能的指揮控制技術，測試了ABMS 應對不確定復雜作戰環境下的適應性及有效性。2021 年5月，ABMS 成功部署在KC-46 多用途加油機上，實現了F-22 和F-35 戰斗機之間的雙向通信。ABMS 系統不僅能支持美軍進行全域聯合作戰指揮控制，而且還能為未來實現與盟國間的網絡互連和聯合全域指揮控制提供系統支持，能在更大跨度的聯合全域指控組織中發揮重要作用。

3 美軍無人智能化空戰裝備發展趨勢

從上述美軍在研智能空中作戰項目，可以總結概括出美軍未來無人智能化空中作戰裝備的發展趨勢及其主要支撐技術，如圖5 所示。

圖5 無人空戰裝備智能化發展趨勢及其支撐技術Fig.5 Trend of the intelligent unmanned aerial equipment and the corresponding supportive techniques

3.1 裝備成本低廉化

未來大規模無人機集群作戰需要形成規模效應及飽和優勢，為了提高作戰效費比，必然要求參戰無人機具備低成本和可消耗的特點。美軍從氣動結構一體化、氣動控制、輕質結構材料、陶瓷基復合材料等基礎氣動和材料技術出發，嘗試從多個技術路線降低無人機的成本。一是無人機小型化。小型化的無人機不僅可以大幅降低生產和損傷成本，同時也能夠提高無人機的反偵察能力和戰場生存能力。二是無人機可回收技術。美軍“小精靈”項目將可回收性作為考察無人機集群作戰效能的一項重要指標，以期降低成本，并提高集群快速執行2 次任務的能力。三是數字化技術，利用數字孿生技術實現對平臺快速迭代升級，是美軍實現大幅度降低無人機研制和生產成本的重要途徑。

3.2 任務功能模塊化

當前，美軍大多無人機都屬于偵察或察打一體無人機，然而未來多樣化的作戰需求對無人機的性能提出了不同的要求，因此，可更換功能部件的模塊化設計將是未來無人機平臺的重要發展方向。模塊化以無人機平臺的核心機身和處理單元為基礎，采用面向功能的分解方法，將無人機平臺的各項任務能力劃分成不同的功能模塊，如載荷、動力和軟件模塊。在執行具體任務時，無人機可以根據需求選擇不同的任務載荷，甚至可更換發動機，使得同一平臺適應多種作戰任務，實現“一機多用”的裝備發展理念。通過構建開放式系統構架、建立標準化接口和協議、開發系統互操作指南等方法，可以為實現無人機平臺模塊化提供重要技術支撐。波音的空中力量編組系統（airpower teaming system，ATS）項目正在將這種理念付諸實施，其設計的概念機可以靈活更換機頭，以及搭載不同的偵察設備或油箱（圖6）。此外，模塊化設計還能夠快速整合最新的成熟技術，減少開發全新平臺所帶來的技術風險和成本，拆解技術進步的時間。

圖6 ATS 項目無人機更換機頭概念示意圖Fig.6 Schematic of changing UAV nose in ATS project

3.3 信息集成一體化

隨著無人機系統復雜性的不斷提高，無人機與其他作戰裝備協同作戰的難易程度以及自身操縱維護的難度也隨之相應增加。在這種背景下，對無人機通信技術的聯通性和融合性提出了更高的要求。信息集成一體化技術是解決這一問題的有效途徑，具體包括可靠數據鏈路、抗電磁干擾、異構網絡結構、動態組網等技術。這一技術路線的基本思想是將無人機系統與分布在陸、海、空、天的各類偵察探測、指揮控制、打擊武器等平臺通過信息鏈路無縫地聯接成一個有機的整體，實現戰場信息的高效融合與共享。目前，以美國為主導的北約國家已經成立了制定通用信息系統標準的工作小組，以期實現大多數武器系統或作戰平臺的信息綜合集成與互聯，為未來進行多軍種聯合多域作戰奠定堅實的通信基礎。

3.4 平臺個體智能化

充分發揮無人機的靈活優勢、突襲優勢和規模優勢，需要利用人工智能和機器學習等技術，提高無人機在復雜環境中的自主感知能力、協同能力和判斷能力。美軍的多個作戰項目都將提高單個無人機平臺的智能化水平作為重要研究目標，如“小精靈”、“拒止環境中的協同作戰”、“空中博格”和“空戰演進”等項目。大幅提升無人機的智能化水平需要重點關注多源數據融合技術、復雜信息挖掘提取技術、動態任務規劃技術、高效決策算法等基于人工智能方法的技術［31］。一旦未來人工智能技術和群體智能理論取得突破并在無人機系統上推廣應用，無人機的實時戰場態勢感知與評估，目標識別與跟蹤以及攻擊策略優化與生成等自主水平將得到極大的改善，進而使無人作戰飛機能夠更加靈活地適應復雜戰場環境下的多樣化作戰任務需求。

3.5 空戰運用集群化

群體智能涌現的核心在于結構和功能相對簡單的個體通過協同配合展現出高智能程度的集群行為，這種集群協同既包括有人機-無人機之間的交互協同，也包括無人機編隊之間的自主協同控制。未來空戰中，為取得對敵方的壓倒性優勢，集群規模必然不斷擴大。在動態復雜的作戰環境下，當前集群協同控制算法的魯棒性和實時性難以滿足高強度作戰需求。為突破當前集群協同算法的瓶頸，美軍“山鶉”項目將無人機集群的協同控制能力作為重要的評價內容之一。未來美軍還將繼續開展適用于大規模集群的高可靠性、高魯棒性、高實時性、無中心分布式的協同控制算法，解決無人機集群的編隊生成、編隊保持、編隊重組、編隊配合等問題，推動無人機集群空戰朝著實用化階段邁進。

4 啟示與思考

在當前及今后較長的一段時間內，美軍都將引領世界無人智能化空戰發展的新潮流，并朝著以智能無人裝備為支撐的空戰新樣式發展，人機協同、集群自主作戰等新型作戰樣式將逐步落地。這對我國未來無人智能化空戰理論、空戰能力和空戰裝備的發展與建設帶來諸多啟示。

4.1 加強理技融合研究，發展新型作戰理論樣式

軍事理論和軍事科技是推動軍事進步的雙引擎，如鳥之雙翼、車之雙輪，缺一不可，不可偏廢，而且應該緊密配合，互為條件和支撐。一是適應智能化作戰新特點開發新式作戰理論，深入研究無人智能裝備的技術潛力和特點，探索無人智能化作戰的制勝機理，發展新式作戰理論和樣式，尋找充分發揮無人裝備效能和彌補其能力缺陷的戰術方法。二是以軍事理論創新為牽引，推動軍事科技和軍事裝備發展。當前，“馬賽克戰”、穿透性制空等新式作戰理論對未來裝備的無人化、智能化、集群化等指標提出了更高的要求，指導著軍事裝備和科技的發展方向。因此加強對軍事理論的研究和創新，將有效促進未來軍事技術、裝備形態和作戰樣式的變革。

4.2 提高平臺自主能力，強化以智馭智能力研究

隨著人工智能技術優勢的凸顯和不斷在軍事領域的應用，反智能作戰已經成為新的課題和挑戰。一是以智馭智，以新質無人作戰平臺為支撐，通過構建先進算法架構、算法模型進行復雜作戰場景感知、決策智能訓練，形成軟硬一體化高度融合作戰綜合體，遂行全域自主聯合、自主作戰任務，實現以強智能對抗弱智能的絕對優勢。二是以變應不變，當前，以機器學習為代表的人工智能方法，只對特定目標、特定場景和確定規則具有很強的適應能力。通過機體變形、變噴涂、模塊化組裝，以及集群等方式，極大增加戰場的復雜度和不確定性，致使敵機不能準確識別戰場目標和判別戰場態勢，導致攻擊決策失效。三是反智能算法，設計智能算法尋找敵機作戰規律和弱點，生成反智能作戰方法、策略，執行反智能作戰行動，例如，進行無規則假機動或戰術欺騙機動。

4.3 培育反無人機力量，建立反無人機作戰體系

美俄不但重視無人機建設，更加重視反無人機建設。隨著無人機作戰能力的升級和大規模的部署運用，加強反無人機作戰技術手段研究和任務部隊建設成為一項緊迫且重要的任務。反無人機力量建設必須從軟硬兩方面著手，以重大技術突破為依托，以實戰化需求為牽引。一是構建網電攻擊手段，建立類“舒特”系統，對敵作戰指揮、通信鏈路、雷達預警等關鍵作戰節點實施網絡攻擊，癱瘓甚至控制敵作戰系統；二是構建強激光、高功率微波、無人機等新型硬殺傷手段，建立嚴密的自主化反無人機作戰體系，對入侵的無人機實施快速有效反制與射殺；三是加強反無人機作戰演練演訓，在實戰實訓中加速錘煉和創新反無人機能力建設。

5 結束語

無人智能化裝備正在成為未來新型作戰樣式的主戰裝備，是大國新一輪軍事競爭的重要著力點之一。美軍已在“忠誠僚機”、無人機自主加油、彈群協同等新型作戰樣式方面完成了多次由無人智能裝備主導的試驗，在該領域始終保持著快速領跑的優勢。為有效應對美軍在無人智能化戰場帶來的威脅與挑戰，應以軍事理論創新為牽引，以人工智能技術為基礎，強化反智能和反無人機研究，加快我國未來無人智能化空中力量的發展與建設。