本報告向國會提供了海軍正在開發的用于水面艦艇自衛的艦載固體激光器(SSL)的背景信息和問題。海軍 2025 財年擬議預算要求繼續為其中一些工作提供研發資金。
美海軍于2014年在一艘海軍艦艇上安裝了第一臺能夠對抗水面艦艇和無人機(UAV)的固態激光器原型機。從那時起,海軍一直在開發和安裝更多的 SSL 原型,以提高反水面飛行器和無人機的能力。海軍正在開發的更大功率 SSL 可能具有反艦巡航導彈 (ASCM) 的能力。目前海軍開發 SSL 的工作包括:
固態激光技術成熟(SSL-TM)工作;
海軍光學眩暈攔截器(ODIN);
海軍水面激光武器系統(SNLWS)增量 1,又稱集成光學眩光和監視功能的高能激光器(HELIOS);以及
高能激光反反艦導彈計劃(HELCAP)。
美國國會面臨的問題是是否修改、否決或批準海軍的艦載激光器開發項目的采購戰略和資金申請。國會就此問題做出的決定可能會影響海軍的能力和資金需求,以及國防技術和工業基礎。
弗吉尼亞級潛艇計劃。自 1998 財年以來,美海軍一直在采購 “弗吉尼亞”(SSN-774)級核動力攻擊潛艇(SSN),到 2024 財年共采購了 40 艘。從 2011 財年到 2024 財年,每年采購兩艘。如果按此速度采購,估計每架的采購成本約為 45 億美元。雖然每年采購兩艘,但實際生產率卻低于每年 2.0 艘,而且自 2022 年以來,由于造船廠和供應商公司的勞動力和供應鏈挑戰,實際生產率一直限制在每年約 1.2 至 1.4 艘,導致已采購但尚未建造的艦艇積壓越來越多。海軍和工業界正努力在2028年前將 “弗吉尼亞 ”級的生產率提高到每年2.0艘,隨后再提高到每年2.33艘,以便執行每年2艘的采購率,替換根據 “奧庫斯”(AUKUS)潛艇(支柱1)項目將出售給澳大利亞的3到5艘 “弗吉尼亞 ”級潛艇(見下文),并減少 “弗吉尼亞 ”級生產的累積積壓。美國國會已撥款數十億美元的潛艇工業基地資金來支持這項工作。
美海軍的 2025 財年擬議預算要求采購一艘 “弗吉尼亞 ”級潛艇,這將是該級潛艇的第 41 艘。海軍上一年度的預算報告預計,2025財年將申請采購兩艘艇。為 2025 財年申請的這艘艇的估計采購費用為 57.595 億美元(即約 58 億美元),但海軍稱其中約 10 億美元用于未來弗吉尼亞級艇的材料和設備,因此申請的這艘艇本身的估計費用約為 48 億美元。該艇已獲得 18.716 億美元的上年度 “常規 ”預購(AP)資金和 2.720 億美元的上年度經濟訂貨量(EOQ)資金,后者是另一種預購資金。海軍提出的 2025 財年預算要求提供完成該艇估計采購成本所需的剩余 36.159 億美元,以及 24.22 億美元的 “常規 ”預購資金和 12.983 億美元的 EOQ 資金,用于未來財年采購的 “弗吉尼亞 ”級艇,以及 2.93 億美元的完工成本資金,用于支付前幾年采購的艇的成本增長。
美國會在 2025 財年面臨的一個關鍵問題是在 2025 財年采購一艘還是兩艘 “弗吉尼亞 ”級艦艇。海軍表示,采購兩艘艇將需要在海軍2025財年的項目采購經費申請中增加32.250億美元(即約32億美元),海軍要求采購一艘艇而不是兩艘艇的原因是海軍預算上限的限制和 “弗吉尼亞 ”級生產積壓的不斷增加,而且申請中包括了 “弗吉尼亞 ”級部分組件的第二套艇,以便為主要潛艇供應商公司提供穩定性。采購兩艘潛艇的支持者認為,這樣做將為工業基礎提供更大的穩定性,并向潛在對手發出更強烈信號。
AUKUS 潛艇(第一支柱)項目。2021 年 9 月,澳大利亞、英國和美國政府宣布建立名為 AUKUS 的新安全伙伴關系。AUKUS 的支柱 1 項目是:(1)在澳大利亞西部港口輪流部署四艘美國 SSN 和一艘英國 SSN;(2)更重要的是,向澳大利亞出售三至五艘弗吉尼亞級 SSN,并隨后為美國海軍建造三至五艘替代 SSN;(3)美國和英國向澳大利亞提供援助,以便澳大利亞再建造三至五艘采用新的英國-澳大利亞 SSN 設計的 SSN,以完成計劃中的八艘澳大利亞 SSN 部隊。作為 2024 財年國防授權法案(NDAA)(2023 年 12 月 22 日 H.R. 2670/P.L. 118-31)行動的一部分,國會批準了支柱 1 的授權立法。實施(2)和(3)的潛在效益、成本和風險可與替代方案的潛在效益、成本和風險進行比較,替代方案是再采購多達 8 艘維吉尼亞級 SSN,這些 SSN 將保留在美國海軍服役,并與根據(1)已計劃在澳大利亞之外運營的美國和英國 SSN 一起在澳大利亞之外運營。
在美海軍開發和采購各種規格的無人水面航行器(USV)和無人潛航器(UUV)的計劃中,包括開發兩種大型 USV(大型無人水面航行器(LUSV)和中型無人航行器(MUSV))的計劃,以及一種名為超大型無人潛航器(XLUUV)的大型 UUV(又稱 Orca)的計劃。海軍希望開發和采購 LUSV、MUSV 和 XLUUV,作為海軍向分布式艦隊結構轉變的努力的一部分,這意味著艦艇的組合要將海軍的能力分散到更多的平臺上,避免將艦隊的大部分總體能力集中到相對較少的高價值艦艇上(即艦艇的組合要避免 “把太多的雞蛋放在一個籃子里”)。海軍提出的 2025 財年預算要求為 LUSV 項目提供 5400 萬美元的研發經費,為 MUSV 項目提供 1.018 億美元的研發經費,為 LUSV/MUSV 使能能力提供 9290 萬美元的研發經費,為 XLUUV 項目提供 2150 萬美元的研發經費,為 UUV(包括但不限于 XLUUV)核心技術提供 6820 萬美元的額外研發經費。
LUSV:海軍設想 LUSV 的長度為 200 英尺至 300 英尺,滿載排水量為 1,000 噸至 2,000 噸,這將使它們的大小與護衛艦相當(即大于巡邏艇而小于護衛艦的艦艇)。海軍希望 LUSV 是低成本、高續航力、可重新配置的艦艇,有足夠的能力攜帶各種模塊化有效載荷,特別是反水面戰(ASuW)和打擊有效載荷,主要指反艦導彈和對陸攻擊導彈。每艘 LUSV 可配備垂直發射系統 (VLS),有 16 至 32 個導彈發射管。雖然 LUSV 被稱為無人艦艇,但更準確的說法是可選擇或輕型載人艦艇,因為它們有時可能有幾名艦載人員,特別是在海軍研究 LUSV 使能技術和作戰概念的近期。海軍一直在使用 LUSV 原型開發 LUSV 的作戰概念。海軍提交的 2025 財年預算計劃通過海軍造船賬戶采購生產型 LUSV,第一艘 LUSV 將于 2027 財年采購,估計費用為 4.976 億美元,后兩艘將于 2028 財年采購,估計費用合計為 6.528 億美元(即平均約 3.264 億美元)、 在 2029 財政年度,接下來的三艘估計總費用為 9.943 億美元(即平均每艘 3.314 億美元)。根據海軍提交的 2024 財年預算,LUSV 的采購將提前兩年,即在 2025 財年開始。海軍稱 “這種必要的 [兩年] 延遲降低了與需求開發、設計規格和機械可靠性測試的并行性相關的風險"。
MUSV:海軍將 MUSV 定義為長度小于 200 英尺,排水量小于 500 噸,相當于巡邏艇的大小。海軍希望 MUSV 與 LUSV 一樣,都是低成本、高續航力、可重新配置的艦艇,可容納各種有效載荷。MUSV 的初始有效載荷將是支持情報、監視、偵察和瞄準(ISR-&T)、反 ISR&T 和信息作戰(IO)任務的系統。海軍在提交的 2025 財年預算中并未計劃在 2025 財年至 2029 財年期間采購任何作戰 MUSV。預算報告指出 “2019財年MUSV硬件和軟件的原型驗證工作將為準備向ACAT[采購類別]計劃過渡的決策提供信息。[MUSV]的正式要求將通過能力開發文件[CDD]來確定,采購資金將作為未來預算決定的一部分來制定"。
XLUUV:XLUUV 大約有一輛地鐵車廂那么大。海軍希望利用 XLUUV 秘密部署 “錘頭 ”水雷,這種水雷計劃系在海底,配備反潛魚雷,大致類似于海軍冷戰時期的 CAPTOR(封裝魚雷)水雷。2019 財政年度采購了五艘 “與作戰相關的原型 ”XLUUV。另外還采購了一艘 XLUUV 測試和訓練資產。海軍提交的 2025 財年預算計劃通過海軍其他采購(OPN)賬戶采購更多 XLUUV,在 2026 財年至 2029 財年期間每年采購一艘,預計采購成本分別為 1.133 億美元、1.156 億美元、1.179 億美元和 1.204 億美元。海軍在提交的 2025 財年預算中指出: “由于承包商的挑戰和供應商的問題,車輛和支持部件的測試和交付已經推遲到 23-25 財年。海軍正在與波音公司合作,通過增加一個指定的測試和訓練資產(0 號車輛)....,以減少進度延誤,并執行 23 財政年度開始的降低風險測試。計劃在 26 財政年度及以后,根據前五個系統的進展情況,逐步增加 “虎鯨 ”XLUUV 系統的制造數量"。
該項目為與使用無人系統支持分布式海戰(DMO)有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動,支持對無人系統(UVC)進行能力級分析。分析結果表明,UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性(Ao)和使用時間(TOS),因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施,而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時,單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構,其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架,以最大限度地提高 Ao。
在支持分布式海上作戰(DMO)時,無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用,在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而,無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包(AFP)的總體駐扎時間(TOS)。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題,該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中,"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。
如 Van Bossuyt 等人(2019 年)所述,項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中,項目團隊重點開發了作戰概念(CONOPS),并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段,團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性(Ao)的影響。
A. 系統定義
在系統定義階段,從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看,團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力,而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看,團隊評估了一艘登陸直升機船塢(LHD)艦,以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求,項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力:指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想,UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站,以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。
B. 系統建模
項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后,UxV 提供全天候的情報、監視和偵察(ISR)、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標,研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標(MOP),并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標(MOE)。
設計并開發了一個離散事件仿真模型,用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前,該模型并未考慮 UxV 的損失或故障;這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。
C. 系統分析
為了廣泛探索實驗空間,同時減少試驗總數和模型運行時間,我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值,得出每個試驗的統計平均值。
分析結果表明,UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施,而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運,從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV,通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量,從而消除或減少這些服務的排隊時間,可獲得最大的 Ao。分析表明,UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限,這也是未來研究的一個潛在領域。
有趣的是,雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇(LUSV)的航速,但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長,假定維護間隔長,因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務,但即使是單個船側停泊區,也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。
美海軍的 "哥倫比亞"(SSBN-826)級彈道導彈潛艇(SSBN)計劃是一項設計和建造12艘新型SSBN的計劃,以取代海軍目前由14艘老舊的 "俄亥俄 "級SSBN組成的兵力。自2013年以來,海軍一直將 "哥倫比亞 "級項目作為海軍最優先的項目。海軍于 2021 財年采購了第一艘 "哥倫比亞 "級艦艇。
海軍 2024 財年擬議預算要求采購該級艦的第二艘艦艇。海軍提交的 2024 財年預算估計,第一艘和第二艘艇的采購成本分別為 151.791 億美元和 92.853 億美元(即約 152 億美元和 93 億美元)。首艇的采購成本遠高于該級后續艦艇的采購成本,因為首艇包括了該級艦艇的大部分詳細設計/非經常性工程(DD/NRE)費用。(海軍預算的長期做法是將新級艦艇的詳細設計/非經常性工程(DD/NRE)費用納入該級艦艇首艇的總采購費用中)。首艦的估計采購費用包括計劃費用 65.576 億美元,這意味著(基本上)該級艦的 DD/NRE 費用。除去計劃費用,首艦的估計實際建造費用為 86.215 億美元。
該級艦的第三艘、第四艘和第五艘計劃在 2026 財年、2027 財年和 2028 財年采購,每艘的采購成本估計約為 82 億美元或 83 億美元。海軍提交的 2024 財年預算估計,12 艘該級艦艇的總采購成本為 1 127 億美元(按當年美元計算),或平均每艘 93.876 億美元(按當年美元計算)。
該級艦的前兩艘艦艇由增量資金供資,這意味著每艘艦艇的采購費用被分為多個年度增量。第一艘艇的采購經費在 2021 財年至 2023 財年分三次遞增,第二艘艇的采購經費計劃在 2024 財年和 2025 財年分兩次遞增。
海軍 2024 財年擬議預算要求為第二艘艇提供 24.436 億美元(即約 24 億美元)的采購資金,并為 2026 財年及其后幾年采購的 "哥倫比亞 "級艇提供 33.907 億美元(即約 34 億美元)的預先采購 (AP) 資金。
國會在 "哥倫比亞 "級項目上面臨的問題包括以下幾點:
由于技術挑戰和/或與資金相關的問題,"哥倫比亞 "級首艇的設計和建造可能會出現延誤,這可能會危及海軍是否有能力在 2031 年為首次預定的威懾巡邏做好準備,屆時該艇將取代第一艘即將退役的 "俄亥俄 "級 SSBN 進行部署;
該計劃成本增長的風險;
"哥倫比亞 "級項目對海軍其他項目(包括其他造船項目)可用資金的潛在影響;以及
同時建造 "哥倫比亞 "級潛艇和 "弗吉尼亞 "級攻擊型核潛艇(SSNs)對工業基礎的潛在挑戰。
由于成本、能力、政策和法規等因素,美國海軍(USN)和美國海岸警衛隊(USCG)艦艇上無人機系統(UAS)的使用目前受到限制。本分析報告的主要目的是研究 1-3 類 UAS 在執行情報、監視和偵察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及后勤任務時對水面艦艇性能的影響,并考慮小型 UAS 系統的哪些性能參數可能對執行這些任務最有意義。本研究使用的數據包括公開的無人機系統規格、艦船規格和指標,以及以前進行的成本/預算分析。這些信息被用來為潛在任務的各種模型提供信息,這一工具有助于根據用戶需求和成本分析選擇無人機系統。這些分析結果表明,無人機系統有利于其可能執行的任務--即相對于其他機載資產而言,能夠支持其較短的作戰時間和航程的任務。對于 ISR/SAR 場景,分析表明,與沒有航空資產的艦船相比,無人機系統可增加識別目標的數量,并縮短完全搜索作戰區域的總體時間。在后勤運送場景中,無人機系統被用于從港口取回貨物,與完全轉向港口的船只相比,無人機系統減少了運送貨物所需的成本和時間。
盡管目前美國海岸警衛隊(USCG)和美國海軍(USN)艦隊在較小的水面艦艇上使用的有機(即從艦艇上發射和回收)無人機系統(UAS)有限,但海軍作戰部長(CNO)的 2021 NAVPLAN [1] 包括了到 2045 年實現混合艦隊的目標。許多無人機系統資產能夠執行情報、監視和偵察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及輕型補給任務。在合適的行動中利用這些系統替代有人駕駛系統,可以節省實現任務目標所需的關鍵時間和精力。本研究旨在確定可提高美國海軍和美國海岸警衛隊艦艇執行關鍵任務性能的無人機系統參數,建立無人機系統行為和影響模型,與目前采用的替代方案進行對比,并提出一種方法,用于對考慮集成到水面艦隊的無人機系統替代方案進行早期評估。
本研究總結了無人機系統在一般情況下和海上環境中使用的相關文獻。研究還總結了所收集的有關無人機系統和船只類型的信息,以及它們的相關參數、規格和能力。然后,將收集到的信息綜合成 "無人機選擇工具",分析無人機系統要求與船舶制約因素之間的相互作用。這個基于 Excel 的工具考慮了
然后,該工具會計算出每種艦船類型可運行的無人機系統,以及每種無人機系統的相對價值。該工具可根據無人機系統、艦船類型和利益相關者偏好的實際數據輕松更新。利益相關者可利用該工具指導對特定無人機系統解決方案的進一步研究。
無人機選擇工具開發完成后,將考慮無人機系統對作戰方案的影響。這是通過場景開發和建模來實現的。首先,為 ISR、SAR 和后勤任務制定了名義上的作戰方案。然后,描述每種情景的相關指標(例如,搜索一個區域的平均時間)。最后,介紹包絡計算以及通過 ExtendSim [2] 進行的高保真模擬建模。ExtendSim 由 Imagine That Incorporated 公司開發,是一套功能強大的仿真軟件,可以進行連續、離散事件和其他形式的仿真建模[2]。然后使用這些模型來考慮各種艦船和無人機系統參數(例如無人機系統速度)的變化如何影響通過相關指標評估的任務性能。
對于所考慮的 ISR 場景,分析表明,加入無人機系統能力可顯著縮短搜索區域的平均時間。由于無人機系統的航拍時間是有限的,而搜索時間會隨著搜索范圍的擴大而增加,因此對較小區域的影響更大。隨著場景中目標數量的增加,無人機系統對縮短時間的影響也會增加。關于執行 ISR 任務的無人機系統參數,無人機系統的速度是關鍵--如果無人機系統的速度接近艦船的速度,無人機系統的影響就會減小。
在搜索和救援分析中,當使用無人機系統增加傳感器寬度時,無人機系統的能力可顯著縮短搜索箱的時間。在此,分析表明,無人機系統的總飛行時間是一個關鍵因素,無論是通過增加無人機系統還是延長續航時間來實現。無人機系統的傳感器寬度也是一個關鍵因素,傳感器范圍越寬,搜索箱所需的時間就越少。不過,雖然無人機系統可用來縮短搜索時間,但無人機系統的假定探測概率也很重要。如果探測概率較低,這種使用模式可能會導致總體探測次數減少。
還考慮了一種情況,即使用無人機系統提高總體探測概率,而不是增加傳感器寬度。在這種情況下,無人機系統實際上對場景時間沒有影響。與之前的合成孔徑雷達方案一樣,探測概率非常重要,在考慮的無人機系統探測概率較低的情況下,無人機系統對方案未探測到的影響可以忽略不計或為負值。在所考慮的無人機系統探測概率的高端(與假定的艦船探測概率相似),無人機系統對情景下未探測到的平均次數產生積極影響(即減少未探測到的次數)。最后,在需要發現的目標總數較少的情況下,無人機系統對未探測到目標的影響可以忽略不計,但隨著目標的增加,其影響也會增加。
此外,在水面艦隊中增加無人機系統執行 ISR 和 SAR 任務的影響方面,出現了以下趨勢:
當 ISR 和 SAR 環境中有更多目標需要尋找或確認時,無人機系統就更有可能產生影響。此外,還考慮了在水面艦隊中增加無人機系統的成本影響。分析表明,即使將無人機系統的采購成本計算在內,較小的現成商用無人機系統(COTS)解決方案的每小時成本也可能大大低于傳統的載人資產。隨著商用現貨無人機系統解決方案成本的增加,其每小時成本將接近載人資產成本的低端。這一分析取決于無人機系統的飛行小時數,因為其中包括固定采購成本。無人機系統資產的飛行時數越多,其比較單位成本就越低。本研究還考慮了無人機系統成本收支平衡的飛行小時數,或者說單個無人機系統的采購投資已經通過降低支持地面機隊的邊際成本而收回。這項分析假定無人機系統的飛行時數取代了載人資產的飛行時數。在此,如果假定所有無人機系統的飛行時數都能替代有人值守資產的飛行時數,那么成本較低和較高的 COTS 無人機系統都能迅速達到運行時數的盈虧平衡點。然而,對于成本較高的系統而言,運行小時盈虧平衡點在很大程度上取決于假定的替代率。對于假設的高端 COTS 無人機系統,如果單個無人機系統的 50%飛行小時可替代載人資產飛行小時,則達到運營小時盈虧平衡點的飛行小時數將比 100%替代率情況下增加約 680%。
歸根結底,在其他條件相同的情況下,將無人機系統納入水面艦艇編隊很可能會提高孤艦在 ISR 和 SAR 任務中的性能。將無人機系統集成到較小的水面艦艇中還將為指揮官提供更大的靈活性,以適應作戰挑戰。然而,并非所有的無人機系統都具備適當的速度、任務續航時間和航空電子設備組合,以提供有意義的能力。那些能夠提供有意義能力的無人機系統可能更大、更昂貴。這表明,必須謹慎選擇要集成的無人機系統。
作者正在研究分布式雷達在穿墻感應中的應用。這項技術的預期操作場景是在建筑物外的(安全)遠程距離內探測和識別建筑物內的人員和武器裝備。本研究使用的雷達結構和信號處理算法類似于美國陸軍作戰能力發展司令部(DEVCOM)陸軍研究實驗室(ARL)實施的埋藏和隱蔽表面目標探測的設計;目前的雷達發射和接收頻率更高。
在這項研究中,實驗是在ARL的阿德爾菲實驗中心(ALC)507號樓("沙盒 "區域)進行的,使用的是室內低金屬兩層夾板結構。用來測試分布式雷達的受控環境與用來測試ARL針對電子目標的諧波雷達的低金屬環境相同。
圖1 步進頻率雷達收發器:(a)賽靈思的RFSoC與Alion/HII的雷達固件,以及(b)定制的發射器/接收器(Tx/Rx)濾波器和放大器PCB,由28VDC供電
本研究中收集的數據表明,在低矮的金屬建筑中,相互成直角的天線對能夠探測到多個移動目標,而這些目標從建筑外是看不到的。隨時間變化的距離圖顯示了目標所遵循的路徑;在一個頻道中跟蹤的目標路徑的模糊性可以通過在另一個頻道中跟蹤同一目標來緩解。仍需努力將同時收集的數據的IQ振幅一致地結合起來,以解決多個目標。一個目標是在二維(下行和上行)圖像上繪制目標位置,也許是以視頻動畫的形式疊加在場景的俯視圖上(即被成像的建筑物的典型平面圖)。在對移動目標進行成像時,發射器和接收器天線的雙穩態配對是否具有優勢(與標準的單穩態發射器天線配對相比)還有待確定。
美海軍的輕型兩棲戰艦(LAW)計劃設想采購18至35艘新的兩棲艦,以支持海軍陸戰隊,特別是實施海軍陸戰隊新的作戰概念,即遠征先進基地作戰(EABO)。海軍此前曾設想在2023財年采購第一艘LAW,但海軍提交的2023財年預算將第一艘LAW的采購推遲到2025財年。海軍提出的2023財年預算要求為該計劃提供1220萬美元的研究和開發資金。
EABO概念的開發是著眼于與中國在西太平洋的潛在沖突情況。根據這一概念,海軍陸戰隊設想,除其他外,讓加強排規模的海軍陸戰隊部隊在戰區周圍機動,從一個島嶼到另一個島嶼,發射反艦巡航導彈(ASCM)并執行其他任務,以便與海軍和其他美國軍隊一起,為美國打擊和拒絕他國軍隊的海上控制行動。致命打擊艦將在這些行動中發揮重要作用,致命打擊艦將裝載、運輸、登陸,并隨后讓這些小型海軍陸戰隊部隊重新上岸。
與海軍目前的兩棲艦相比,致命性自主武器系統的體積要小得多,而且采購和操作的成本也低得多。根據海軍提交的2023財政年度預算,第一艘致命性自主武器系統將在2025財政年度采購,費用為2.47億美元,第二艘致命性自主武器系統將在2026財政年度采購,費用為2.03億美元,第三和第四艘致命性自主武器系統將在2027財政年度采購,總費用為2.90億美元(即每艘平均費用為1.45億美元)。第一艘導彈驅逐艦的費用將大大高于該計劃中的后續艦艇,因為第一艘導彈驅逐艦的采購費用將包括該級艦的大部分或全部詳細設計/非經常性工程(DD/NRE)費用。(傳統的海軍預算做法是將某一級別艦艇的DD/NRE費用大部分或全部包括在該級別主力艦的采購費用中)。
海軍提出的 "羅氏 "號可以由美國幾個造船廠中的任何一家建造。海軍的基本傾向是由一家船廠建造所有的艦艇,但如果這樣做可以使計劃更快、更便宜地實施,海軍對由多家船廠按照相同的設計建造艦艇持開放態度。海軍在提交的2023財政年度預算中指出,第一艘長須鯨的建造合同將于2024年12月授予,該艦將于2028年7月交付。
致命魚雷計劃給美國會帶來了一些潛在的監督事項。美國會面臨的問題是是否批準、拒絕或修改海軍的年度資金請求和設想的該計劃的采購戰略。美國會關于該計劃的決定可能會影響海軍和海軍陸戰隊的能力和資金需求以及美國的造船工業基礎。
美國海軍陸戰隊正在建設反水面作戰領域的能力,特別是在獲得地基反艦導彈(GBASM)及其相關發射平臺方面。研究為分析與這種新能力相關的部隊結構提供了一種方法。研究方法使用離散時間馬爾可夫模型對GBASM炮組和敵方水面艦艇之間的戰術級決斗進行建模。這些模型有足夠的復雜性來解決關鍵的部隊設計問題,并且對決斗的關鍵特征進行了參數化,以便進行強有力的敏感性分析。
在海軍導彈作戰中,重要的是確定所需的炮彈規模S,以使炮彈有足夠高的概率殺死敵艦。GBASM概念的獨特之處在于,與從水面艦艇上發射導彈相比,它能夠將這種炮彈分散到幾個平臺上,并以更適合特定戰術場景的方式進行發射。在這種情況下,如果有一個大小為K的禮花彈,并將該禮花彈分散到N個平臺上,那么每個平臺在特定的禮花彈中發射?枚導彈,這樣K × N = S。有了這個公式,就能夠分析平臺數量和每個平臺發射的導彈數量在這些配置的殺傷力和生存能力方面的權衡。這為成本-效益分析提供了基礎。
對GBASM炮臺與敵方水面艦艇發生接觸的情況進行模擬。從簡單的場景開始,然后逐漸復雜化。讓GBASM發射器與一艘敵方水面艦艇進行決斗。GBASM一方被稱為藍方,水面艦艇被稱為紅方。最初假定雙方都有足夠的導彈供應,并且交換的時間是有限的,因此可以把供應視為無限的。GBASM以彈丸為單位進行發射,每個彈丸至少包括一枚導彈。在藍方的炮擊之后,紅方的水面艦艇有機會進行還擊。
在所描述的環境中,假設藍方具有首發優勢。鑒于GBASM的引入在沿岸地區造成的不對稱情況,首發優勢的假設并不是不合理的。GBASM是移動的,有可能移動到難以探測的地方,只有在準備開火時才出來。GBASM的目標是保持不被紅方船只發現,直到它成功瞄準紅方船只。一旦紅方船只成為目標,GBASM系統就會開火并移動到一個新的位置。如果沒有關于GBASM移動的完美信息,紅方艦艇將持續處于不利地位。
此外,該模型捕捉到了紅方對藍方的炮擊進行防御措施的能力。這些防御性的反措施是用參數λ來說明的,這個參數是紅方根據泊松分布可以攔截的藍方導彈的平均數量。以這種方式對紅方采取反措施的能力進行建模,說明了隨著藍方導彈規模的增加,紅方采取反措施的能力也在減弱。同樣,也說明了紅方針對藍方分布式發射器的能力下降。紅方殺死藍方分布式平臺的能力用參數?表示,根據泊松分布,紅方在還擊中可以殺死藍方平臺的平均數量。這再次說明,隨著藍方平臺數量的增加,紅方瞄準和殺死藍方的效果有限。
在對該模型的分析中,遇到了幾個關鍵的發現。首先,最重要的是確定理想的炮擊規模S,以提供足夠高的殺死敵艦的概率。這不是一個簡單的 "越多越好 "的問題,因為炮擊規模有一個收益遞減點。正如人們所期望的那樣,還得出結論,增加平臺的數量K可以提高生存能力,從而提高GBASM炮臺的殺傷力。然而,改進的幅度對其他參數很敏感,當炮彈規模足夠大時,改進的幅度通常很小。
該研究的主要產出是創建的模型和對它們進行進一步分析的能力。本論文中任何地方使用的參數值都不是由具體的GBASM系統或潛在的敵方水面艦艇的能力來決定的。因此,結果應該被看作是對參數空間可能區域的探索的概括。這些模型提供了根據有關特定系統的能力進行具體分析的能力。
美國陸軍最近制定了一項關于未來陸軍如何作戰的戰略以及實現這些軍事能力的相關現代化和研究重點。以高超音速飛行為基礎的遠程精確射擊對于確保美國能夠對任何競爭對手實施其意志至關重要。要實現一個有效的未來美國軍隊,必須克服許多障礙。其中一些差距是對高超音速飛行器空氣熱力學的理解,從而促使對基礎研究的需求。本報告的目標是定義一個經典的、與陸軍相關的配置,適合于基礎研究,以允許與適當的主題專家的關鍵數量的集中合作。從這種開放的幾何構型研究中獲得的數據和知識可能會受到更多的限制性分配。
美國陸軍最近制定了一項關于未來陸軍如何作戰的戰略以及實現這些軍事能力的相關現代化和研究重點。以高超音速飛行為基礎的遠程精確射擊對于確保美國能夠對任何競爭對手實施其意志至關重要。
要實現一個有效的未來美國軍隊,必須克服許多障礙。其中一些差距是對高超音速飛行器空氣熱力學的理解,從而促使對基礎性研究的需求。缺乏對高超音速飛行器周圍發生的復雜物理和化學的預測性知識,抑制了及時的、優化的多部件設計。對邊界層過渡和沖擊-邊界層相互作用等具體現象了解不多。不能正確地對現象進行建模,會產生一些不確定的特征,如表面壓力分布和熱通量,這對飛行器技術,包括穩定性、控制和熱負荷管理,都有負面影響。
幸運的是,有一個先例,即通過定義政府基準飛行器來促進全社會的科學討論,這些飛行器包含功能相關的工件,但對具體的發展計劃不敏感(見陸軍-海軍基本芬納導彈、空軍改良基本芬納導彈、陸軍-海軍旋轉火箭、國家航空航天飛機和NASA研究)。本報告的目標是定義一個典型的、與軍隊相關的配置,適合于基礎研究,以便與足夠數量的適當的主題專家進行重點合作。從這個開放的幾何構型的研究中獲得的數據和知識可能會受到更多的限制性分配。
美國海軍希望開發和采購三種類型的大型無人航行器(UV),稱為大型無人水面航行器(LUSV)、中型無人水面航行器(MUSV)和超大型無人水下航行器(XLUUVs)。海軍2023財年擬議預算要求為這些大型UV和LUSV/MUSV啟用技術提供5.493億美元的研究和開發資金,并為XLUUV和其他海軍UUV的核心技術提供6070萬美元的額外資金。
海軍希望獲得這些大型UVs,作為將海軍轉移到一個更加分布式艦隊架構的一部分工作,這意味著一種艦艇組合,將海軍的能力分散到更多的平臺上,并避免將艦隊整體能力的很大一部分集中到相對較少的高價值艦艇上(即一種避免 "把太多雞蛋放在一個籃子里 "的艦艇組合)。海軍和國防部(DOD)自2019年以來一直在努力制定一個新的海軍部隊目標,以反映這種新的艦隊組合。2022年4月20日發布的海軍2023財年開始30年(2023財年-2052財年)的造艦計劃,總結了對新的兵力目標進行的研究結果。這些研究概述了潛在的未來艦隊擁有27至153艘大型USV和18至51艘大型UUV。
海軍設想LUSV的長度為200英尺到300英尺,滿載排水量為1,000噸到2,000噸,這將使它們達到輕巡洋艦的大小(即比巡邏艇大,比護衛艦小的艦艇)。海軍希望LUSV是低成本、高端耐力、可重新配置的艦艇,有足夠的能力攜帶各種模塊化有效載荷--特別是反水面戰(ASuW)和打擊有效載荷,主要是指反艦導彈和對陸攻擊導彈。每艘LUSV可以配備一個垂直發射系統(VLS),有16到32個導彈發射管。盡管被稱為UV,LUSV可能被更準確地描述為選擇性或輕度載人的艦艇,因為它們有時可能有一些船員,特別是在近期內,當海軍制定LUSV的啟用技術和作戰概念時。根據海軍2023財政年度的五年(2023-2027財政年度)造艦計劃,海軍采購LUSV的計劃將在2025財政年度開始。
海軍將MUSV定義為45英尺到190英尺長,排水量大約為500噸,這將使它們與巡邏艇的尺寸相當。海軍希望MUSV和LUSV一樣,是低成本、高端耐力、可重新配置的船只,可以容納各種有效載荷。MUSV的初始有效載荷將是情報、監視和偵察(ISR)有效載荷和電子戰(EW)系統。海軍2023財年開始的五年(2023-2027財年)造艦計劃不涵蓋2023-2027財年期間采購MUSV的計劃。
XLUUV的大小大致與地鐵車廂相當。首批5艘XLUUV在2019財政年度獲得資助,正在由波音公司建造。海軍希望使用XLUUV秘密部署Hammerhead水雷,這種水雷將被拴在海底,并配備反潛魚雷,大致類似于海軍冷戰時期的CAPTOR(封裝式魚雷)。根據海軍2023財年開始的五年(2023-2027財年)造艦計劃,通過其他采購,海軍(OPN)計劃在2024財年開始采購額外的XLUUV。
在對海軍2020-2022財年的擬議預算進行標記時,國會國防委員會對海軍的采購戰略是否提供足夠的時間來充分開發這些大型UV,特別是LUSV的作戰概念和關鍵技術表示關注,并包括旨在解決這些問題的立法規定。作為對這些標記的回應,海軍已經重組了LUSV項目的采購戰略,以便遵守這些立法規定,并在進入可部署單位的批量生產之前提供更多的時間來開發作戰概念和關鍵技術。
圖1. 支持LUSV和MUSV計劃的原型機