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战略前沿技术

加速变革,否则失败:美军“下一代空中主宰”(NGAD)项目综述

访问次数: 858 次    作者: 远望智库开源情报中心 等观    发布时间: 2023-10-10

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“下一代空中主宰”(Next-Generation Air Dominance,NGAD)是美国空军“引入改变游戏规则的技术”“夺取未来空战优势”而进行的研发项目,也是美国空军“首次”研制一款针对天平洋区域威胁及其长航时作战需求的战斗机。美军投入NGAD项目的总经费到2028财年末将超过300亿美元。美国空军部提出未来战术航空“4+1”组合:NGAD、F-35A(2011年入役)、F-15EX(2021年入役)、F-16改进型或替代型战斗机,再加上A-10C攻击机;计划从2030年开始,逐步接收NGAD可生产型飞机及其他系统,2031年开始根据NGAD交付情况推进F-22A战斗机(2005年入役)退役。

NGAD最早由美国国防部高级研究计划局(DARPA)于2010年组织策划,2014年正式启动。2020年8月,美国空军战略愿景文件《加速变革,否则失败》发布,强调加速剥离传统项目,将投资重点转向现代化、网络化能力,抓住“独一无二但稍纵即逝”的机遇催生重大变革,为应对未来威胁做好准备。同年9月,美国空军宣称,NGAD全尺寸飞行验证机已经首飞,该项目基于数字工程研发和验证“真实世界的真实装备”,验证机得到试飞员很高的打分并打破了许多记录。2022年6月,美国空军宣布NGAD整个项目进入“工程与制造发展”阶段。2023年5月18日,美国空军宣布向工业界发布保密的工程研制合同招标书,征集NGAD项目的载人战术战斗机研制方案,预计2024年下半年正式授出“工程和研制发展”合同。


一、产品定位:为美军在天平洋区域夺取制空权提供整套解决方案


NGAD项目与F-22A“先进战术战斗机”、F-35“联合攻击战斗机”等传统型号项目完全不同,传统型号项目专注于一款战斗机的研发,力图在未来单机对抗中以性能压制另一款目标飞机;而NGAD是采用多系统、多体系联合作战的方式,为空军在大国对抗中夺取制空权提供一整套“解决方案”(“系统簇”),项目成果可能包括载人/可选载人战斗机、无人机/无人僚机(载人飞机飞行员或控制站操纵,由“协同作战飞机”(CCA)项目提供)、动力系统(由“下一代自适应推进计划”(NGAP)提供),以及机载武器、先进传感器、网络通讯、战斗管理套件等。未来每架NGAD载人战斗机配备2架CCA飞机,后者充当可遥控的“飞行弹匣”、机外传感器、电子战平台等。NGAD的载人战斗机将与部分关键技术并行发展,如自适应发动机、定向能武器(激光、微波)、电子战系统(以机器学习赋能的自动化“认知电子战”功能)、无人/自主系统等成熟后将在迭代改型中逐步引入。NGAD将兼具制空、对面打击能力,可执行压制/摧毁敌方防空系统(SEAD/DEAD)任务,提升自身生存力的同时为联合作战部队提供更多选项。

初期的NGAD载人战斗机高度和速度可能与F-22相当(约21000米、2.8马赫),尺寸可能看齐在研的B-21“突袭者”隐身战略轰炸机(同样是为“天平洋区域威胁”量身定制,有媒体称之为美军第一款六代机;NGAD本身也将与B-21为核心的“远程打击系统簇”相结合),其机动性或不及F-22A和四代机(NGAD载人战斗机可如F-35一样越肩向后发射空空导弹而不需“狗斗”),但能配备多个发动机、携带更多燃料和武器(远近搭配的空空导弹、吸气式高超声速对面/对空导弹),进行远距离“穿透式”作战并搭载耗费大量电能的定向能武器、传感器、电子战模块/吊舱。为提升“穿透”能力,NGAD正研发新的隐身涂层等技术,用以在许多不同频段降低载人战斗机的可探测性,而非针对少数几个关键搜索跟踪的波段进行优化。此外,NGAD可能只会在无人平台(无人僚机)上搭载五代机使用的有源相控阵雷达,进一步减低载人战斗机的可探测性。


二、项目特点:颠覆空军型号发展模式和全寿命周期的经济结构


NGAD项目的采办模式和工业基础旨在“改变(空军型号项目)全寿命周期的经济结构”。美国空军当前的后勤维保成本占飞机全寿命周期内总成本的70%,而设计和制造成本只占30%。NGAD项目设计阶段将是“有利可图”的(对制造商而言,传统型号从设计到投产初期都是亏本的),并将频繁抛出新项目订单,避免重蹈供应商深度绑定,摒除以往型号竞争中承包商“赢者通吃”和“丢掉一单即面临倒闭”的弊端,吸引更多新兴科技企业同军工集团竞争,最终将7:3的比例倒转过来。目前美军主战飞机承包商几乎以洛马公司一家独大,NGAD采取开放架构标准,专事设计的公司将其数字形态的设计方案转交给先进制造中心,而后者能将任何数字形态的产品变为实物,这种灵活的生产线用不同/改型飞机的短线项目替换目前长而单一的飞机生产计划,从而大幅降低成本、最大限度激发创新。同时,波音公司可凭借其强大的全球物流链承担飞机维保任务。理想情况下,NGAD项目每型飞机的服役时间为12-15年,每5-8年推出一个新型号以保持先进性。目前美军约有185架F-22,未来NGAD不会1:1替换,首批可能采购50-100架初始状态的NGAD战斗机。


三、动力系统:更远、更快、更“多电”、更隐蔽 


在未来大国对抗场景中,NGAD载人战斗机将“穿透”争议地区空域,远离友军固定基地、航母和加油飞机,这要求其动力系统对于作战模式具备强大的“自适应”能力,兼具极高冷却效率和输出功率。如同家用汽车在“运动模式”与“节能模式”间自由切换。自2007年以来,美国空军已在“自适应发动机过渡计划(AETP)”项目中投入数十亿美元。目前,通用电气公司和普惠公司均宣称其为AETP研制的原型机已满足空军目标:航程扩展25%-30%、加速能力增加18%、燃料效率提高25%、推力增加10%、热管理改善100%。同时,新发动机将为机载定向能武器(可能用来致盲/烧毁来袭导弹的导引头)、大功率传感器、天线、电子战系统等提供足够电能,同时降低飞机热特征。为NGAD载人战斗机提供动力的NGAP项目,自2021财年起从AETP的预算文件中独立出来并高度保密。NGAP将利用AETP的技术成果,并采取新的设计,而非仅对AETP发动机核心机进行缩放。2022年8月,美国空军宣称,NGAP将在年内完成初设,并在未来几年完成原型机开发和测试。


四、无人系统:提供不可或缺的能力和“可负担的大量”


无人机是NGAD项目的重要组成部分,无人机将与NGAD载人战斗机搭配,实施情报/侦察/监视/目标获取/瞄准、火力打击、电子攻击/干扰护航等,甚至充当“可换取对方高价值资产的”诱饵。无人机应用低成本制造技术和低成本复合材料,而且为保持较低的采办和维持成本,可能一次只能执行一个任务,如此可提供“可负担的大量”(Affordable Mass)。例如,XQ-58A“女武神”隐身无人机(忠诚僚机的开创者),当采购量超过100架,单架成本或可低于200万美元。根据目前信息,CCA虽然成本远低于载人战斗机,但性能要远高于“女武神”及同类无人机,其价格将在2000万-4000万美元。CCA将搭载AIM-120中距空空导弹、AIM-260A远距空空导弹及其他远程弹药,充当NGAD肃清空域、消灭地面/海面目标的射手。同时,“女武神”等各型无人机可能作为CCA(可视为“主战无人机”)的补充,同NGAD组成分布式作战网络,满足多变多样的作战需求,同时最大限度保护“本主”NGAD载人战斗机的安全。

目前,通用原子航空系统公司的Gambit“先手”系列无人机可能是未来CCA形态,包括:1、长航时态势感知平台“先手-1”,类似战场“斥候”,以续航时间和巡航速度见长,协同其他无人机“前出”探测捕捉敌方目标。2、察打一体平台“先手-2”,配备空空导弹,可自主制定打击战术,为后方载人战斗机争取决策和反应时间。3、假想敌空战训练平台“先手-3”。性能类似先手-2,通过机器学习深度模仿敌方五代机战术战法,作为“红队”与美军防空系统、隐身战斗机开展对抗训练。4、隐身穿透侦察平台“先手-4”,可在强对抗环境中执行持久ISR任务,替代RC-135战略侦察机(最大航程9000千米,最大飞行高度15000米,巡航速度860千米/小时,续航时间超过12小时)等老旧ISR平台。

首批CCA将在“2020年代后期”加入美国空军战斗机机队,比NGAD载人战斗机还早几年。CCA将不仅仅针对NGAD,还可能为非隐身战斗机、运输机、加油机提供作战赋能。2023年3月,美国空军披露其未来有人-无人战机编组的配比为1:2,200架NGAD载人战斗机和300架F-35战斗机与总计1000架CCA飞机搭配,将成为美国空军未来空战战术的基础。


五、备选的主要武器:更远、更快、更多


AIM-260A联合先进战术导弹(JATM):计划2023年投产,未来可能作为NGAD的主要武器,以对抗中国PL-15远程空空导弹为初衷,确保美军在空战中“先敌发射,先敌摧毁”的垄断,据分析射程在120-160千米。JATM可能采取红外/毫米波雷达多模导引头,并通过组件小型化、采取撞击毁伤(而非爆炸碎片弹头)以装填更多推进剂(整弹尺寸仍与F-22主武器——AIM-120先进中距空空导弹(AMRAAM)相当)。模块化先进导弹:一种远程导弹,可根据空空、空面打击需要更换弹头和导引头,并有“可堆叠”模块化的推进剂系统用以增加射程。Peregrine“游隼”和Cuda小型空空导弹:尺寸大概都是AIM-120的一半,但有限地提升了速度和射程,可增加NGAD的挂弹量。


六、研制手段:实现基于数字工程的产品“进化论”


NGAD项目依托由云计算支持的数字工程,可以将产品性能模拟到前所未有的真实度,将局部调整引起的系统性变化及时准确告知工程师。数字工程将大量传统设计和原型研制工作转移到数字世界,从而大幅削减产品列装前的制造成本(实物),让军方能够组织更频繁的设计竞争,同时“将集成风险降低了一个数量级”。美国空军强调,数字工程的应用意义超越了项目本身,如果以现实世界的速度训练人工智能,美军将落败无疑,因此NGAD项目中的人工智能算法将以机器速度从数字模拟器本身学习,最终从基础研究层面为人工智能深入军事领域铺平道路。美国空军期望,借助机器学习可让NGAD大部分产品数据在工厂造出第一件实物之前就可以使用。

NGAD项目使产品像生物一样进化,但进化速度远远超过自然界。数字工程基于现实世界创造无数个数字平行世界,尔后对数字飞机施加各种“突变”,让其接受数字世界的“自然”选择,最终打造出最具“环境”适应性的战斗机。以NGAD项目为代表,数字工程将颠覆美军采办文化:从“风险厌恶型”转变为“加速‘失败’,而不是很久以后才(被迫面临真正的)失败”。


结束语


近年来,美军围绕“大国竞争”不断放出引人注目的装备概念和作战理念,人工智能、赛博攻防、多域战、有人-无人协同作战、数字工程等等,说服国会批准投入巨额研发资金。值得注意的是,大部分“颠覆性”技术和武器尚在10年、20年后成型,而且检验和完善数字工程、“数字平行世界”也尚需时日。例如波音公司采用“虚拟化研制”的eT-7A“红鹰”教练机(武器化后可能替换F-16),虽然以数字方式构建了数百架“飞机”用以优化其物理装配,但弹射座椅设计缺陷、飞控软件故障、空气动力不稳定等诸多问题,导致飞机形成初始作战能力节点一拖再拖,飞机研制阶段节省的时间已在修修补补中全部“找了回来”。现实是,美军一面向国会大讲“科幻”故事,一面在第一岛链周边全力筹备一场“随时打、耗得起、能打赢”的常规战争(对照俄罗斯在乌克兰的战略受挫、持续失血、进退维谷)。这或可理解为:美军首要目的是确保打赢一场3-5年内爆发的高强度局部战争,同时采用一种新的“抵消战略”以分散、抵消对手的局部比较优势;对于前者,美国可综合运用政治、经济、外交杠杆撬动盟国军事力量“协防”;对于后者,美国则基于本国和东方大国国情,兼顾本国军工集团、资本市场、新兴科技企业、工业基础、基础研究等社会经济效益,一定程度上实施战略诱导,诱使对手耗费时间资源在技术“浅层”建造不贡献战斗力的资产,为本国补齐“比较劣势”赢得时间。


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