美国空军未来20年的技术发展 空军“技术地平线”报告浅析 |
| 2012-09-01 13:16 作者：李欣欣 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网9月1日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，介绍美国空军首席科学家办公室基于战略环境、美国空军具备的科技研发能力以及面临的挑战等诸多因素进行的未来20年科学技术展望，以及美国空军针对科技发展宗旨应该进行科技投入的重点领域。
作为唯一能够真正在全球范围内投送军力的部队，美国空军毫无疑问是世界上最强大、最具战斗力的空军。这种优势地位的获得，其最为重要、也是唯一的因素就是空军业己建立的任何对手都无与伦比的技术优势。
时至今日，全球战略变革、技术突飞猛进、资源有限等问题日益凸显，使美国开始考虑如何才能保持其空军的优势地位。由于冲突范围在扩大，应对各种冲突的能力需求也在不断扩展。全球范围内前所未有的技术扩散，正赋予其他国家能力增长的良机，从而有可能抵消美国空军重要的技术优势。同时，有迹象表明，未来10年美国的国防预算对保持空军技术优势所必需的科技投入可能会非常困难。
基于上述背景，在2009年，时隔上一次研究15年之后，美国空军部长和空军参谋长召集美国空军首席科学家办公室展开了历史上第七次科学技术展望的相关研究。通过对航空、航天和赛博领域的技术研究，对美国空军未来20年的技术发展进行前瞻性评估，包括美国空军及其潜在对手可能具备的攻防能力和对抗能力，这些能力可能会极大地改变未来的作战环境并对美国在联合作战能力上的优势地位产生影响。
只有以美国空军面临的2010-2030年战略环境下的空军作战需求为背景，才能有效引导空军科技的发展，因此，此次研究所推荐的技术领域把重点放在了适应其战咯环境的关键需求上，是“需求牵引”和“机遇推动”相辅相成形成的空军2010-2030年技术发展及实践。
1美国空军面临的技术挑战
美国空军近50年拥有的空中优势已经处于潜在危险之中。这种危险来自于世界各国研发的大量先进衍生技术，诸如一体化防空系统、远程弹道导弹、先进空战能力、空间对抗技术、赛博战技术等，它们在执行空、天、赛博域作战能力的跨域效果上是与美国同样先进的。这些技术的联合效果、今后十年涌现的更先进的技术以及由这类技术转化而成的全球军事系统，定义了未来20年美国空军最基本的科技发展走向。
美国空军将面临的技术挑战有以下方面：
先进电子系统
先进导弹寻的头
高速吸气式导弹推进技术
先进一体化防空系统
无源传感器和电子战
肩射地空导弹
弹道导弹和巡航导弹
先进战斗机
无人驾驶飞机
定向能系统
空间控制
GPS拒止
2美国空军在2010-2030年间的发展宗旨
随着美国空军面临的战略环境和预算环境的变化，以及对战略背景和当前现实的分析，一系列技术发展宗旨将在2010-2030年间发挥重要作用。同时，这些宗旨将指导并明确对美国空军能力最必不可少的一揽子科技项目，从而从根本上影响美国空军未来的能力。
2.1从平台到能力发展
由于冷战及唯一超级大国威胁态势的结束，为单一威胁设计的“平台”已经逐渐向能满是更广泛威胁需求的“能力”转变。例如，其他国家所具备的反介入/区域拒止能力以及远程空-空导弹越来越强调远程打击和超视距攻击能力，这就降低了对平台专有功能的依赖性，更加依赖平台载荷所具备的能力，如情报监视侦察（ISR）和电子战功能。
2.2从有人驾驶到无人驾驶发展
随着无人驾驶飞行器的功能远远超出了监视，美国空军和其它国防部门使用的无人机数量迅速增多。这些系统也越来越多地用于非机载场合。虽然新出现的一些种类的系统仍将受益于机上的一名或多名机组乘员，但在很多应用场合，机组带来的重量、体积和持久力的限制以及支持机组工作需要的座舱环境控制系统带来的性能上的代价是不能接受的。有人系统也对机组带来了风险，而无人系统则可以避免由于这些原因，将不可避免地转向无人驾驶系统，这种系统根可能改变自主程度，要求续航时间远超出今天所能达到的水平，并包括具有ISR能力的大型高空飞艇，所有这一切都需要新技术提供保障。
2.3从固定到捷变发展
美国空军在2010-2030年间很可能面临众多冲突和非冲突行动。这就要求从为固定目的或有限任务设计的系统向本身能力就可以捷变的系统转变，这种捷变系统可以很容易地在很多态势环境条件下，根据用途进行重构。在很多情况下，对主要用途来说，其性能很可能“并非最佳”，但对更广泛的应用场合来说，其实用性和性能则是可以接受的。
2.4从控制到自主发展
机载遥控驾驶系统和许多非机载系统都具有很强的自主能力，然而，2010-2030年，仍需要提高更大范围的空军“灵活”自主性水平，其可靠的自主性功能水平远远超出当前的无人值守系统，在时间敏感性活动中的反应远超出人类的水平。这种自主性的关键属性包括综合决策能力，自主任务规划，以及当系统工作环境发生变化时的自适应能力。
2.5从集成到分离发展
在大多数系统结构中，都是将整个系统中的子系统进行物理集成来提供系统工作所需的各种功能。例如，很多飞机都将通信、电子战、情报监视侦察（ISR）、打击和其它任务功能综合在一个平台上。因此，系统就变得相对庞大而笨重，随之带来的性能损失就会转化成对距离和其它因素的限制，而且，在这种系统结构中，损失任何一个子系统，就会出现任务故障，或者甚至损失整个系统。
现在有可能把系统“分解”成相对较小的一套功能子系统，各套子系统的工作在空间上相互分离，但彼此间保持局部通信，从而保持整个系统的功能性。实际上，是将系统分成在物理空间上分离的小单元，如果正确进行分离，单元间的近程通信带宽就可以足够小，从而可以采用触发模式传输、频率捷变、激光链路等方法，获得低探测概率，并保持抗干扰局部链路的完整性。
2.6从单域到跨域发展
在未来10年间，应越来越多地考虑可能未意识到的跨域易损性。同时，还需要研究这样的技术，它既可以使现有跨域易损性最小，又能发掘利用对方系统中的类似易损性。
2.7从许可到争夺发展
过去20年以来，美国空军行动基本上都是在防御相对较弱的空域中或在许可条件下进行的。这样，有可能不太了解在反介入/区域拒止环境中行动时可能带来的影响，应该充分重视可以在中度或高度对抗域中有效发挥作用的技术。比如，在不能保证控制电磁域的情况下，电子战技术仍然有效地发挥作用。同样地，也需要研究哪些技术可以保证当防空空域存在威胁时，仍可以保证无人机通信，而且可以使其它武器系统的作用距离更远，而且具备纵深渗透能力。
2.8从传感器到信息发展
随着电子技术，特别是成像技术的迅速发展，传感器获取的数据量急剧增加。当前传感器的数据量非常巨大，且必须经过处理、利用和分发，因此，处理这些数据的人力需求给美国空军造成了巨大负担。显然，在未来10年间，要更加重视研究针对“智能”传感器的技术。例如，可在传感器上完成原始数据的提示级处理，然后只把含有提示信息的数据段传到地面。大量减少传输的原始数据，就可减少对带宽的需求以及地面进行处理、利用和分发的人力需求。
2.9从打击到阻止城慑发展
阻止和威慑一直在美国空军任务中发挥着重要作用。更广泛的威慑任务，不仅适用于当今环境，而且可能在2010-2030年更加重要，这包括核武器和常规武器，此外，还涉及赛博域的威慑以及生化战场的威慑。美国空军在这些任务中发挥着广泛的作用，而且参与人员众多，就需要完全不同、更有效的工具为这些威慑作用提供保障。
2.10赛博防御到赛博应变发展
针对增强的“赛博应变能力”开展科技研究项目将是未来10年的发展宗旨，而且是实现任务保证的重要里程碑之一。大规模虚拟化加上快速网络可重构性可以使赛博系统本身更不易受到直接网络攻击的影响。该技术标志着网络防御方法的根本转变，摈弃当前阻止敌人进入所采用方法，转而采用一种全新的思路，即使敌人进入，也几乎毫无用处，因此，该网络本身就变得能够抵御攻击。
3美国空军科技投入的关键领域分析
任何科学技术展望的目的是帮助我们从众多可能进行的技术研发中做出正确抉择，特别是在美国空军面临预算可能吃紧的大环境下，这样一个指导性的技术展望对于做出这些关键抉择是必不可少的。在详细分析了美国空军当前和未来10年面临的战略环境和现实以及美国空军具备的潜在能力与挑战的基础上，构建了美国空军科技发展宗旨，以及与发展宗旨密切相关的30个能力领域以及与之对应的110项关键技术，这些就成为推动美国空军科技投入数量增长和方向引导的重要因素。
今后10年间，空军科学技术的发展重点既要放在能够降低作战成本的先进技术上，又要放在基于传统研发方式开发新系统、形成新能力所需的技术上。这些技术涵盖了减少人力资源、降低能源和降低维护保障成本等方面。其中，人力成本的开支最大。至今，相对于空军明确的重点领域而言，直接关系到提高人力效能或削减人力需求的专项研究关注程度较低，有可能也有必要提上日程。在技术展望中，科学家们明确了在接下来的10年，美国空军有两个关键领域可能需要优先发展和重点投入，一是强化使用自主性和自动化系统：二是增强人力效能。通过提高人力效能和降低人力需求，实现能力跃升和成本节约。
3.1提高自主系统的利用率，改善系统的自主性
灵活的自主系统的应用程度，将远远超过目前所使用的无人机和其他作战飞行项目。增强自主系统的使用会带来能力的大幅提升。如果实施方法得当，可提高人力效能并有效降低成本。
目前来说，研发高度自主性系统在技术上是可行的，但问题在于缺乏合理的验证/确认过程，从而不能在系统开发中检测错误。但迄今为止，美国空军“仅仅才接触到自主能力的表面”，现有无人机实质上只是“遥控驾驶飞机”。现役无人机在10级自主控制级别（ACL）中，“捕食者”只达到2级（实时故障诊断），“全球鹰”、“火力侦察兵”达到3级（对故障或飞行条件的适应）。报告特别指出：要发展自主技术和促进自主系统的使用，必须要重点关注推动自主性技术发展的验证与确认（V&V），从而使该技术能够快速达到可信、可用。
3.2改善人体机能，提高人力效能
人类的本能越来越无法与科学技术所提供和要求的海量数据、处理能力和决策速度相适应。尽管目前有很多工作人类比机器更能胜任，但到2030年，随着机器性能的提高，人将成为庞大系统和程序中最薄弱的一环，需要加强人机结合和提高人员绩效。
在过去的20年间，提高人员素质领域已经取得了长足进步，随着未来10年相应专项研究工作的不断开展，在提高人员素质领域将出现重大的实质性突破。为提高人员效能，要做到更多地利用自主系统：不断改善人机结合，使人类和自动系统更加紧密、更为主动地契合；直接提高人类自身机能。此外，还可借助药物、灌输植入等方式来提高人类的记忆力、警觉性、认知或视觉/听觉敏锐性及根据脑波模式或遗传关联过滤特定代码等方式，直接提高人员效率。
3.3军事对抗环境下可提高作战自由度的技术
要将相当大部分的科学技术投入方向放在研究如何提升竞争或拒止环境中的作战自由度。主要包括以下三个方面：
1）网络修复性
有关改善网络修复性的技术研究和目前强调的网络防御有着细微的差别，但运作方式有很大不同。网络防御把重点放在防止对手进入网络系统上，而网络修复性则指通过技术手段使对手一旦进入己方网络就难以进一步利用，或使网络系统即使在受到公开网络攻击的情况下可以更有效地作战。
通过利用大规模虚拟化、敏锐监管程序以及系统内在多样性等技术可从根本上改善网络系统面对网络入侵的修复能力。这些技术通过降低己方网络静态维持时间，从而使网络对手在有效网络攻击计划和协调方面捉襟见肘。此外，我们还可以掌握对手留下的入侵证据，以备未来追究责任起因归属。
2）GPS拒止环境下的精确导航和授时
在GPS拒止环境下，增强或取代现有的精确导航和授时系统的相关技术，其中包括芯片级惯性测量单元和原子钟，以及当前尚未成熟的、基于小型物质波干涉测量法的“冷原子”惯性导航系统和授时系统。当前美国空军对于精确导航和授时信息的依赖性，使研发此类GPS替代技术变得十分必要。
3）电磁频谱战争
为掌控电磁频谱主动权，重点发展通过增强波谱易变性以提高波形多样性的技术，其中的关键技术是可提高抗欺骗能力和阻止信号插入的脉冲雷达编码技术。此外，还有宽带射频孔径技术，从而实现低成本、高效益的波谱易变技术综合集成。
4结语
科学技术展望为美国空军未来20年的发展方向提供了思路，对美国空军未来作战样式和能力的影响将是广泛而深远的，是美国空军科技投入的重要指导。美国空军技术展望是一份路线图性质的研究成果，能在很大程度上凸显国防科技发展的趋势和走向。在已公布的2012年国防预算中，美国国防科技项目的投入大幅增加，不能不承认主要推动因素就来自该项目的研究。
美国空军对于未来20年的科技展望不仅对我们的管理、技术发展方向有所借鉴，而且其研究方法、实施、应用和能力的结合等方面也能够启迪思考。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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