《设计无人战斗飞行器并将其纳入攻击机群：系统簇方法》

在未来的战斗机概念中，有人-无人编队与无人战斗飞行器（UCAV）的组合都是其中的一部分。然而，虽然在设计和研究方面投入了大量精力，但加入 UCAV 是否能带来更好的任务结果仍有待观察。此外，理想的设计和作战概念还存在很多不确定性。这项工作旨在通过解决所有三个要素来改变这种状况。利用基于知识的工程学，设计了一套用于压制和摧毁敌方防空系统的 UCAV。在参数研究框架内，使用基于智能体的建模方法进行了基于物理的战斗模拟。结果通过任务有效性、生存能力、成本和致命性进行分析。采用现代战术，将包含 UCAV 的编队性能与不包含 UCAV 的编队性能进行比较。结果表明，当 UCAV 作为大型载人编队的一部分部署时，任务效果会有明显改善。具有低可观测性和平衡特定过剩功率的 UCAV 可实现最佳效果。作战概念也有影响。与携带两枚导弹的四架 UCAV 相比，携带四枚反辐射导弹的两架 UCAV 的总体生存能力更高。总体杀伤力则相反。这些结果为 UCAV 的最佳设计和功能以及有人-无人编队概念提供了宝贵的见解。

图 2 - 框架描述，包括流程的各个步骤

自 20 世纪 90 年代初以来，无人战斗飞行器（UCAV）已被证明是现代战争中不可或缺的资产。早在第一次世界大战[2]时，第一批无人飞行器（UAV）就已投入实战，而 “捕食者”、“死神 ”和 “全球鹰 ”等 UCAV 则彻底改变了现代战争。工程师和军事决策者早就设想 UCAV 取代有人驾驶战斗机[3]，而技术进步也正朝着这个方向发展。

然而，洛克希德-马丁公司（Lockheed Martin）等公司同时也在开发一种不同的 UCAV 概念。他们设想的系统将 “补充现有的有人和无人系统，而不是与之竞争”，并 “作为未来系统之系统的一个要素运行”[4]。他们在 1995 年描述的无人战术飞机概念如今被称为 “忠诚僚机”（Loyal Wingman）或远程载机（RC）的 “有人-无人编队”（MUM-T）。

将 UCAVs 作为大型系统的一个组成部分有多种优势：

• UCAV 可以接管危险任务，如压制敌方防空力量，而有人指挥战斗机则保持安全距离，从而降低飞行员和机体的风险。

• UCAV 不受人类身体条件的限制，可以进行更难或更具挑战性的机动，从而有可能获得优势。

• UCAV 有望比有人驾驶飞机更便宜，因为它可能更小、更轻，设计服役时间更短，从而降低成本。

由于 UCAV 将与指挥战斗机（CF）高度联网，这一概念也带来了额外的好处[5, 6]：

• 通过传感器融合，UCAV 可以提高指挥战斗机飞行员的态势感知能力。

• 飞行员的工作量可以减少，从而提高他们的工作效率。例如，UCAV 可以应对空中威胁，这样有人驾驶战斗机的飞行员就可以专注于不同的任务，如提供近距离空中支援。

• 与 “捕食者 ”等无人机不同，像 “忠诚僚机 ”这样的网络化 UCAV 主要在原地控制，这样指挥官就能直接目睹情况。这消除了许多技术和后勤方面的困难以及道德方面的担忧。

认识到这些优势后，许多国家已着手开发此类网络化 UCAV 概念。著名的例子包括 Kratos Defense 公司的 XQ-58 Valkyrie 和澳大利亚波音公司的 MQ-28 Ghost Bat。如图 1 所示，空中客车公司也提出了 MUM-T 的愿景。

图 1 - 空客公司开发的网络化 UCAV 效果图

虽然为开发这些概念做出了巨大努力，但目前只有少数飞行原型。仅有的几个原型机还处于测试的早期阶段。因此，还没有（公开的）概念证明。出版物通常侧重于实施 MUM-T 的 “较小 ”方面。例如控制算法[7]、决策[8]或 UCAV 本身的设计[9]。然而，正如其他文章[10, 11]所述，要评估任何与动态环境交互的系统的有效性，都必须进行全面的系统（SoS）分析，因为 “突发行为”（Emergent Behaviors）在整体性能中发挥着重要作用。在 MUM-T 的背景下，已有此类系统分析的实例[12-14]，但保真度较低，与飞机设计方面的联系甚少。Weiß、Haindl 和 Gräßel 发表了一篇引人注目的文章。该小组将基于代理的建模应用于一个作战场景，并得出结论认为，包括 UCAV 在内可实现 “力量倍增”[15]。然而，为了验证 MUM-T 的概念，并更深入地了解新出现的行为，还需要更多的定量数据。UCAV 的加入是否会带来更好的任务结果还有待观察。此外，使用 UCAV 的 MUM-T 是否能带来其所承诺的优势也有待证明。最后，目前仍不清楚这种 UCAV 应该是什么样子，也不清楚应该如何使用才能产生上述优势。本文旨在填补这一研究空白。此外，本文还试图深入探讨网络化 UCAV 的 “最佳 ”设计和要求及其作战概念（CONOPS）。本文根据已确定的研究空白确立了一个主要研究问题，旨在提供概念验证。

问题 1 加入 UCAV 对攻击机群的效能有何影响？衍生出与 UCAV 设计和使用相关的次要研究问题，即

问题 2 针对特定作战任务，网络化 UCAV 的最佳设计是什么？

问题 3 使用网络化 UCAV 的理想战术是什么？

为回答这些问题，将采取以下步骤：

• 制定一个相关的冲突场景。
• 根据场景推导出战斗任务和一系列顶级飞机需求（TLAR）。
• 使用德国航空航天中心（DLR）开发的知识工程（KBE）工具 VAMPzeroF [16]，根据 TLARs 设计多种 UCAV。
• 利用任务剖面图，使用 Battlespace Simulations Inc.
• 在 MACE 的战斗模拟中，通过在不断变化的机队组成中部署不同的 UCAV 设计，进行了参数研究。
• 对作战模拟的结果进行评估，以确定整个系统的有效性。通过任务有效性、生存能力、成本和致命性，将不同的设计相互比较，并与既定的参考案例进行比较，从而得出 UCAV 设计、作战概念（CONOPS）和概念有效性的结论。

上述步骤中没有一个是未有的。但是，在公开文献中还没有发现将各个步骤结合起来的方法。此外，这种方法还未被应用于僚机概念、远程载具或有人无人编队（MUM-T）的分析。因此，本文提出了一种新颖的方法，用于设计和评估作为大型异构系统要素之一的新型飞机配置。

概述的步骤形成了一个框架，可用于各种系统的系统分析。该框架如图 2 所示。之前也有人提出过类似的框架[17]，特别是针对城市空中机动[18-20]和空中野火扑救[21, 22]的使用案例。它还被应用于军用飞机设计 [23, 24]。

上文概述的步骤也是第 2 节的结构，该节涵盖了方法论。第 3 节介绍结果。第 4 节详细介绍了从结果讨论中得出的结论，并对之前确定的研究问题给出了答案。