经过多年的缩编,今天的美国空军缺乏在与大国的同级冲突中赢得决定性胜利的能力、杀伤力和生存力。为了解决这些不足,美空军领导人今天正在对未来部队做出重大决策,他们寄希望于自主协同作战飞机(CCA),将其作为一种手段来提高空军的作战能力,打造一支更能承受损耗、更有弹性的部队组合,为战区指挥官提供用于快速增援行动的战略储备,并使复杂的行动能够使对手的防御复杂化。

虽然这种方法潜力巨大,但迄今为止,CCA 的开发工作主要集中在任务方面,而不是系统共同运行的协作性方面,其中一些系统有乘员,另一些则没有。CCA 在战斗中的有效性将取决于它们与人类的协作程度。以人类飞行编队为模型,将经验丰富的作战人员与技术娴熟的技术专家整合在一起,构建协同动态结构,这一点非常重要。这样做将确保 CCA 得到最佳配置,以便与有人驾驶的飞机一起在战场上达到预期效果。

与我们熟悉的遥控 MQ-9 "死神 "或 RQ-4 "全球鹰 "不同,它们由人类飞行员利用卫星数据链控制,而 CCA 将是自主的,能够自己导航和飞行,并管理自己的传感器。它们将自己做出决定,独立执行任务内容。它们将与在附近作战空间行动的人类操作员合作,担任飞行和任务式指挥员,像领导乘员编队一样管理 CCA。

有效部署 CCA 的关键在于开发与人类-CCA 配合默契的组队软件。这不能在 CCA 投入实战后再开发,因为协同软件必须与 CCA "大脑 "的所有其他核心要素互动。要使 CCA 取得成功,就必须在进行所有其他自主开发的同时,将人的因素纳入协同算法和软件。

现有的人类编队可以作为技术专家在开发 CCA 协同功能时效仿的成熟、高效模式。传统的飞机编队,无论是双舰战斗机还是整个任务包,都有经过验证的流程、程序、互动以及其他编队和控制结构。数十年的实际经验已将这些编队规范与人类行为融为一体。

然而,在开发 CCA 的过程中,美空军研究人员、工程师和国防工业技术人员在很大程度上将精力集中在将人从机器中剥离出来。这种关注使自主团队能够在与 CCA 开发相关的重要基础挑战方面取得进展,如自主飞行控制动力学、飞行安全、战区感知以及传感和机动。因此,当务之急是让作战飞行员参与到确定 CCA 应如何与人类互动以及人类需要哪些信息才能使这些互动在实际操作中有效的过程中来。据 Joe Kunkel 准将称,这种参与已经开始。

如果不能制定出 CCA 的协同作战概念以及对相关协同功能的理解,就会削弱其改变空军未来作战空间行动的潜力。因此,参与空军 CCA 发展计划早期阶段的作战人员对于塑造这些自主飞机如何在作战空间中与人类并肩作战至关重要。

鉴于空军领导人面临的战略挑战之大,以及他们为开发多种 CCA 变体所投入的信心和资源,如果冒着风险推迟载人和非载人系统如何协同工作的问题,那么面临太大风险。让操作人员尽早了解 CCA 的协同动态对其未来的作战效能至关重要。

美空军面临的挑战

美空军致力于发展协同作战飞机,以改变该军种的部队设计,使其能够与同级竞争对手作战并取得胜利。空军领导人正在根据尚未成熟的 CCA 技术的前景,对空军未来的兵力结构做出重大决定,而且可能是不可逆转的决定。空军正在缩减其现有的作战部队,在替代品出现之前就退役武器系统,甚至放慢采购新飞机的速度,以便为这一未来愿景提供资金。

这是一个冒险的战略。今天的空军是历史上最老旧、最小和准备最不充分的,这是几十年来推迟现代化的结果。二十年的高节奏反恐和反叛乱行动导致飞机执行任务的能力不断下降,运营和维护成本不断飙升。 即使是现在,对空军的要求依然没有减少。作战指挥官越来越多地要求空军具备应对俄罗斯等大国行动的能力,但空军的规模已无法满足这些要求。长期以来,空军领导人一直声称,随着空军 "能力增强",其规模将继续缩小。尽管空军实施了一些备受瞩目的飞机更新计划,但在过去 30 年中,空军购买的先进飞机数量太少。

如今,美空军 84% 的飞机都是在冷战结束前设计的,当时面临的威胁与现在印度洋-太平洋和欧洲面临的威胁截然不同。对空军的老式飞机进行升级后,这些飞机仍能保持效能,但只能在允许的环境下执行任务。空军的大部分飞机在现代防空系统面前仍然不堪一击。 因此,空军不具备在竞争激烈的同级冲突中取得胜利所需的应变能力或生存能力。规模较小但能力较强 "的目标使空军变得脆弱,没有能力保持强劲的作战节奏,没有能力以足够的集中度和规模执行作战行动,没有能力向对手展示复杂性,也无法承受消耗。

图:在佛罗里达州廷德尔空军基地,"天堡 "自主核心系统搭载在 Kratos UTAP-22 战术非载人飞行器上发射升空。天堡 "计划的目标是将全任务自主系统与低成本、可隐身的非载人飞行器技术相结合,实现机组人员与非机组人员的协同工作。美国空军

新的部队设计

大国的能力和作战战略对美军的传统能力和作战概念提出了前所未有的挑战。在印度洋-太平洋地区针对大国的高节奏、大规模军事行动需要更强的部队能力。超长的运输距离和广阔的作战区域是空军面临的首要挑战。距离就是时间;即使以亚音速飞行,从日本嘉手纳空军基地飞往台湾地区周围的目标地区需要一个小时;从关岛飞往台湾地区需要四个小时。投入战斗所需的时间决定了实现和维持高节奏、大规模行动所需的飞机数量。

如果飞机数量太少,指挥官就必须降低作战节奏,或者在两次攻击之间暂停,从而为敌方获得或保持优势创造机会。同样,作战区域越大,就需要越多的飞机在多个地点同时产生大规模效应。如果没有足够的能力,计划人员就必须在稀释攻击范围或缩小目标清单之间做出选择,以便在一个地区造成大规模影响,而忽略其他地区。

这就是为什么大国在印度洋-太平洋地区的行动现在成为美国的首要“威胁”。显然,以能力换能力已不再是空军有效的部队设计方法。需要的是更多的能力和更大的能量。无论美国的武器系统在技术上多么先进,印太地区的冲突都需要足够的数量。任何飞机都不可能同时出现在多个地方。

美军无法在这一战场上拥有 "数量更少但能力更强 "的飞机。用更经济的 CCA 来增强领航飞机的能力,可能是空军领导人实现印太地区所需的能力的重要途径。 行业研究表明,系留 CCA 可以按照 6 或 7 架 CCA 对 1 架有人驾驶飞机的比例增加有人驾驶编队。如果 CCA 是无系留的--为更广泛的一揽子任务提供支持,而不是专门为一个飞行领队服务--倍增效应可能会更大。无论是系留、非系留还是成群,CCA 都有希望成为未来空军的战斗力倍增器,为在太平洋广阔的范围内实现高节奏作战提供所需的数量。

美空军部科学顾问委员会正在调查 CCA 的选择方案,"传感器、武器和其他任务设备的分布式、可满足任务需求的组合 "将成为 NGAD 系统家族的一部分。

这种任务包可以给对手制造目标难题,同时增强载人飞机的能力,以加快行动节奏,提高行动质量。空军部长特别助理、DARPA 战略技术办公室前主任 Tim Grayson 博士说,它们还可以不同的方式进行控制和部署。

他说:"你可能会从[下一代空中主导计划]的一些工作中获得灵感,开发出一种CCA平台能力,但并不与NGAD一起部署。实际上,它可能由其他实体发射和操作,至少在初期部署时是这样。然后,在战斗后期,改革一个新的编队......甚至改革一个新的团队,你知道指挥和控制可能会转移到不同的平台上。在对 NGAD 和 B-21 的研究中,我们已经看到了一些这样的情况......在这种情况下,可能会有一些......动态的混合和匹配,可以说谁将组成进攻线,谁将担任四分卫。

美空军部长弗兰克-肯德尔对 CCA 很感兴趣。"肯德尔在 1 月 19 日与新美国安全中心(Center for a New American Security)举行的一次论坛上说:"现在的技术已经存在,我们可以讨论由一架有机组人员的飞机控制多架无机组人员飞机的编队。"肯德尔在 1 月 19 日举行的新美国安全中心论坛上说:"从我们已经开展的项目中已经获得了足够多的技术,这让我相信这并不是一个疯狂的想法。不久之后,他在另一场活动中说: "我很清楚,我们已经准备好在这一领域迈出重要的一步"。

DARPA 的 ACE(空中战斗进化)计划的两个阶段都得出结论,人类必须能够信任 CCA 进行 "复杂的战斗行为",才能向那种定义人类与 CCA 交互的 "分层框架 "迈进。

为了支持他的目标,技术方面的努力似乎仍然集中在通过持续可靠的自主操纵来建立人类的信任。洛克希德-马丁公司的 "Have Raider I "和 "Have Raider II "演示试图展示人工智能控制的飞机在动态环境中可信导航的能力。据项目经理肖恩-惠特科姆(Shawn Whitcomb)介绍,"Have Raider""将一架具备完全作战能力的 F-16 战斗机置于日益复杂的环境中,以测试该系统适应快速变化的作战环境的能力"。在第一次演示中,人工智能控制的 F-16 与机组人员驾驶的飞机编队飞行,执行一次攻击,然后重新加入人类驾驶飞机的编队。在第二次演示中,人工智能 "Have Raider "在执行空对地打击任务时自主应对了不断变化的威胁环境。

波音公司的MQ-28A "幽灵蝙蝠 "是澳大利亚的 "忠诚僚机"(Loyal Wingman)探路者,旨在 "研究自动化和自主化水平、人工智能的使用以及人机编队概念等因素"。但波音公司的项目经理们似乎有更广阔的视野:不仅要验证机身,还要验证整个系统,包括指挥界面、模块化传感器包、维护机制、数据链路和软件。2022 年 3 月底,"幽灵蝙蝠 "完成了第二阶段的基本飞行系列测试。

美空军研究实验室的机外传感站(OBSS)研制飞机工作也有可能超越其演示阶段。AFRL 的目标声明旨在 "开发和飞行演示一种开放式结构的飞机概念,以实现快速上市和低购置成本的目标......[并]为有限寿命而设计......无需仓库维护和有限的现场维护考虑"。通用原子公司和 Kratos 公司签订了为期一年的合同,并附有继续进行 Skyborg 技术开发的选择权。

图:DARPA 的 "长枪"(LongShot)计划正在开发一种可发射多种空对空武器的无人驾驶飞机。通用原子公司(General Atomics)、洛克希德-马丁公司(Lockheed Martin)和诺斯罗普-格鲁曼公司(Northrop Grumman)都签订了初步开发合同。DARPA

有人驾驶与无人驾驶

美空军没有能力以同级冲突所需的速度训练和吸收飞行员。战斗损失需要空军替换被击落的飞行员,但即使是现在,由于飞机数量太少,空军也无法克服长达数年的飞行员短缺问题。飞机存量和战备率的下降对空军为新飞行员提供在战斗中生存和取得成功所需的训练时间提出了挑战。同级冲突中的高减员率只会进一步加剧这种态势。

与此同时,计算机处理、数据链路、软件编程和自主性方面的最新进展提供了另一种选择。空军现在可以派出协同作战飞机小组,解决空军力量设计中的重大缺陷,成倍增加其任务包的战斗力,并对抗大国的系统摧毁战略。CCA 还将能够执行关键任务,通过减员保持高水平的执行力,增加复杂性,并使对手付出代价。要使 CCA 大规模完成这些任务,它们必须在没有机组人员控制站和传统遥控飞机限制的情况下运行。相反,无人驾驶飞机必须能在复杂环境中发挥有效作用,而无需人类直接控制飞行系统或传感器,同时还能在频谱竞争激烈的战场上与人类协同作战。这将使空军的规模能够满足未来战争的要求。

CCA 将使空军能够创造新的作战概念,将有人驾驶飞机和无人驾驶飞机各自的优势结合起来,以实现任务目标。人类的直觉、跨域思维和情报仍将是任务成功的关键,与 CCA 合作可使人类专注于关键的认知任务,如处理意外事件和管理战区行动。

人类-CCA 团队可以降低人类面临的风险,提高创造战争制胜任务效果的潜力,并扰乱对手的作战战略。由于计划人员和任务式指挥人员可以接受较高的 CCA 损失,因此他们可以对风险承受能力进行不同的思考。协同作战飞机与载员飞机组成部队包,可以更积极地使用,例如充当 "导弹汇",吸收敌方空对空或地对空导弹。CCA 在战斗中的损失--即使是大规模损失--也不必对具体任务、部队的长期生存能力或整个战役造成那么严重的影响,前提是 CCA 的采购量足够大。CCA 提供的减员容忍度还能给对手带来额外的好处,即让对手付出代价,这是任何竞争战略的一个重要特征。

CCA 能从根本上改变指挥官的减员等式,因为它们能降低经验丰富的机组人员的风险。人的认知、洞察力、直觉和其他无法量化的因素仍将是作战行动取得成功的关键。战斗减员的一个未得到充分重视的问题是前线部队经验的流失。通过吸收损失,CCA 部队可以保护经验丰富的人类作战人员,而这些人员往往能在作战和战术结果上起到决定性作用。此外,当 CCA 人员损失时,其替代人员可以以完全相同的能力水平投入战场,因为机器技能与人类不同,人类的技能因训练和经验而异,而机器技能则基于程序更新。

图:波音公司的 MQ-28A Ghost Bat 是澳大利亚的 Loyal Wingman 探路者。该计划旨在了解自动驾驶和人机界面的工作原理,而波音公司则试图了解指挥界面、模块化传感器包、维护机制、数据链、软件等。澳大利亚国防部

必要因素

毫无疑问,美空军研究实验室和工业团队正在与 CCA 开发相关的重要基础性挑战方面取得进展,如自主飞行控制动力学、飞行安全、作战空间感知、战术决策以及感知和机动。空军必须有意识地将人因工程学作为开发 CCA 的首要原则,尤其要关注满足作战人员在复杂苛刻的作战空间中的需求所需的五大组队概念:

创建能最大限度发挥 CCA 和驾驶飞机优势的协同概念。CCA 在战斗中的效能将主要取决于它们与人类的协同能力,而不仅仅是它们携带的武器和传感器。空军尚未制定和阐明描述自主 CCA 队友在作战空间中可能提供的优势的作战概念。因此,目前还不清楚 CCA 将如何操作、机动以及与人类合作以发挥其潜在优势。要充分发挥 CCA 的潜力,空军必须制定协同作战概念、协同使用概念,以及作战人员如何与 CCA 协同利用其独特属性的战术、技术和程序。然后,作战人员将需要强大的实际训练来掌握这些战术,并树立信心,相信 CCA 将在高度竞争的战场上为他们提供所需的作战优势。

让操作人员参与 CCA 的开发,确保他们了解自己在战场上的表现。众所周知,自主性和机器学习程序是不透明的,这使得作战人员难以理解。如果不了解 CCA 如何思考、如何决策以及为何采取某些行动,作战人员就无法预测这些自主队友的行为方式。 让作战人员参与 CCA 的开发有助于为其提供信息和塑造,同时提高作战人员对 CCA 的代理和结果的理解。这也将提高人类飞行员利用队友的优势和独特属性的能力,同时减少他们在复杂和有争议的战斗空间中的弱点。

  • 作战人员必须能够依赖 CCA 的自主性

如果缺乏评估 CCA 实时性能和准确性的手段,作战人员将很难评估其自主队友的可靠性。这种担忧超出了国防部用于验证和确认的传统作战软件测试或对 "可黑客性 "的担忧。人类需要相信,他们的队友将始终如一地作为队友安全有效地行动,对战斗空间有准确的共同理解,及时共享关键信息,保持相同的战术优先级,服从人类的控制--就像僚机在战斗中服从领航员一样--并以人类作战人员期望和需要的方式行动。

  • 在高度动态的行动中,作战人员必须确保对 CCA 的控制

在对手攻击信息网络以拒绝或瓦解整个部队的指挥和控制的频谱竞争环境中,人类操作员必须拥有控制其 CCA 队友的灵活可靠的手段。CCA 必须在数据链路被切断或瘫痪的最坏情况下,在没有通信的情况下继续有效地执行任务。此外,人类必须能够根据实时战场需求动态调整对自主队友的控制水平,尤其是在人类任务负荷较高,情况可能出人意料、出乎意料或令人困惑的情况下。

  • 人类的工作量必须是可控的

人类必须能够在自己的驾驶舱内以最少的摩擦进行交流、协作和控制 CCA 队友,即使在复杂的战斗空间中,人类自身的任务负荷也会增加。如果对 CCA 队友的管理分散了作战人员执行主要任务的精力,以至于危及任务的成功,那么作战人员就不会觉得 CCA 有用。这些问题不仅涉及飞行控制机械,还包括通信、协调和其他任务集成任务。

图:2021年6月24日,通用原子公司的一架MQ-20 "复仇者 "无人驾驶飞行器返回加利福尼亚州埃尔米拉奇机场。MQ-20成功参加了爱德华兹空军基地的 "橙旗21-2 "行动,测试 "天堡 "自主核心系统。通用原子能公司

建议

尽管自主队友对空军未来部队设计至关重要,但 CCA 技术尚未成熟,也未被操作员群体完全接受。国防工业和空军研究实验室在解决与开发自主 CCA 相关的许多复杂技术问题时,主要侧重于分解任务。然而,尽管取得了令人难以置信的进展,但迄今为止的努力却忽视了对 CCA 应如何与驾驶飞机合作以取得作战成功的理解。

通过让作战人员参与 CCA 的开发,空军可以建立信任,确保 CCA 有效执行特定的协同功能和任务。使 CCA 取得成功的基本协同行为还将与其执行的其他任务相互影响,不能在投入实战后再附加。了解、绘制和分解人类在试飞编队中如何相互影响和融合,可以为如何构建这些团队动态提供早期和关键的见解,即使这些协作和编队在不断发展。

为此,空军领导应:

1.优化人类-CCA 团队的组成。

  • 确定人类和 CCA 的关键相对优势和劣势,以建立合适的人类-CCA 团队。
  • 开发使用概念、战术、技术和程序,以利用这些团队优势并减少其不足。
  • 以经过验证的人与人战斗团队互动为模型,在 CCA 中加入团队动态程序。
  • 通过不断的测试和训练,掌握 CCA 的团队协作。

2.让操作人员参与 CCA 开发,并为他们提供所需的工具,帮助他们了解 CCA 在战场上的表现。

  • 让作战人员参与开发 CCA 可解释的机器学习用户界面。
  • 开发交互式任务规划、任务演练和汇报工具,以支持持续学习和掌握 CCA 性能和协同作战。

3.建立信任,让作战人员相信 CCA 将始终如一地按照预期行事。

  • 为作战人员开发评估 CCA 操作实时完整性、性能和准确性的方法和流程。
  • 为作战人员提供有关 CCA 算法完整性和数据安全性的反馈。
  • 人类队友应能监控和评估 CCA 的战斗空间感知能力,以确定在 CCA 遇到其未受过训练的情况时需要采取哪些行动进行补偿。

4.确保作战人员在高度动态的行动中对 CCA 的控制有保障。

  • 队友应在任务过程中灵活、适当地转换不同的控制模式。
  • CCA 必须主动积极地与人类沟通,以确保控制。
  • 空军必须将弹性连接作为团队合作的优先技术事项,并为 CCA 制定 "通信-退出 "合约。

5.确保作战工作量对人类而言仍在可控范围内。

  • 技术专家必须与作战人员合作开发直观的人机界面。
  • CCA 指挥和控制界面必须完全集成到作战人员的武器系统操作飞行程序中。

在战场上,自主飞行器不会取代人类。训练有素、表现出色的人类飞行员由于其认知灵活性、适应性、直觉和其他难以言喻的人类特质,将继续在竞争激烈的同级冲突中发挥重要的质量优势。然而,协同作战飞机所能发挥的潜力远不止增强人类任务那么简单。只要团队作战概念、软件、界面和其他能力开发得当,CCA 就能成为空军真正的战斗力倍增器。

人类作战人员将是这一转变的基石。只有人类作战人员才能在不确定、高度动态的作战环境中对协同作战的需求提出独到的见解。为了充分挖掘 CCA 的潜力,空军领导、决策者和技术专家必须把重点放在创建有效的人类-CCA 团队上--在积极发展 CCA 的同时,更加重视建立人类-CCA 团队合作的动力。如果做不到这一点,不仅有可能降低 CCA 的能力,还有可能输掉下一场战争。

图:洛克希德-马丁公司正在投资 1 亿美元开发协同技术,使 F-35 等载人平台和 SPEED RACER(左)等非载人资产能够协同执行任务。洛克希德-马丁公司

参考来源:Air & Space Forces Magazine

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