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美國國防部已經制定了未來垂直升降機計劃,以開發一系列下一代垂直升降機,這些飛機將比目前的旋翼機隊飛得更遠、更快、效率更高。為了實現這些目標,必須考慮超越單一主旋翼/尾槳設計的先進旋翼機配置。目前正在技術演示程序中進行飛行測試的兩種先進配置是帶有推進式螺旋槳和傾轉旋翼機的升力偏置同軸旋翼機。美國陸軍作戰能力發展司令部航空與導彈中心技術發展局開發了這兩種配置的通用、高保真飛行動力學模型,為政府提供獨立的控制系統設計、操控品質分析和仿真研究能力這些類型的飛機支持未來垂直升降計劃。

為了定義先進旋翼機配置的高速操控品質要求,使用多目標優化方法為兩種配置設計了全飛行包絡內環顯式模型跟蹤控制系統,以滿足一套全面的穩定性、操控品質和性能要求。這些要求是從直升機和固定翼飛機的標準中選擇的。在美國宇航局艾姆斯垂直運動模擬器上,通過一系列高速操控性示范動作,對兩種飛機的控制法進行了評估。仿真實驗的結果顯示,這兩架飛機的總體分配的1級操控品質與預測的1級操控品質有很好的相關性,因此支持在設計過程中選擇的操控品質要求。

此外,還為這兩架飛機開發了外環控制法,以努力改善操控品質并減少飛行員的工作量。外環使用了動態反轉控制法結構,并再次使用了一套全面的穩定性、操控品質和性能要求來優化控制法的參數。在賓夕法尼亞州立大學飛行模擬器設施中,使用第一次評估中使用的高速操控性示范動作,對兩架飛機的外環控制法進行了評估。總的來說,外環控制法為斷橋轉彎和高速加減速機動提供了1級操控品質,并比內環控制法有了改進。此外,外環控制法在本項目開發的編隊飛行任務中提高了性能并減少了工作量。然而,在俯仰姿態捕捉和跟蹤任務中,與內環控制法相比,外環控制法降低了操控品質。這是由于外環的俯仰姿態回落行為造成的,盡管它們被調整為滿足回落規范。結果表明,高速旋翼機的允許回落量應該減少,外環功能可以作為一種可選擇的模式提供。

這里提出的用于優化內環和外環控制系統的一套操控品質標準,被作為調整高速旋翼機控制系統以達到1級操控品質的一套要求。

研究背景與動機

自從垂直升降機問世以來,一直存在著將垂直起飛和降落能力與持續高速巡航能力相結合的作戰需求。事實上,努力開發下一代垂直升降飛機,使其比目前的旋翼機隊飛得更遠、更快、更有效,是目前美國陸軍的第三個現代化重點[1]。1986年,在第一架實用直升機飛行近50年后,一架Westland Lynx創造了目前常規單主旋翼直升機的平飛速度記錄,達到216千米。傳統直升機可達到的最大速度不僅受到其安裝的發動機功率的限制,而且還受到諸如旋翼的前進葉片尖端速度和后退葉片動態失速、振動、穩定性和最大傳動扭矩等因素的限制[2]。因此,為了走得更快,打破保持了30多年的速度記錄,必須考慮超越單一主旋翼和尾旋翼設計的先進旋翼機配置。

在這項工作中,"先進旋翼機配置"被廣義地定義為那些采用升力偏置的旋翼(前進的葉片比后退的葉片產生更多的升力)、復合升力(例如,通過使用機翼)、復合推力(例如,通過使用螺旋槳或噴氣發動機)和/或傾斜的機翼或機艙來實現任務總重量下超過200千米的速度。

圖1.1:Piasecki 16H-1A探路者II,復合旋翼機的早期示例

圖1.2:洛克希德AH-56A夏延直升機,早期嘗試的高速攻擊直升機,存在操控品質問題

目前服役直升機

圖1.6:貝爾波音V-22魚鷹,第一種傾轉旋翼飛機

圖 1.7:西科斯基飛機 X2 技術演示器,繼續開發先進葉片概念 (ABC)。

圖 1.8:空中客車直升機(前身為歐洲直升機公司)X3,最快的非噴氣增強型復合直升機。

圖 1.9:貝爾V-280英勇型傾轉旋翼機,兩架聯合多用途技術驗證機之一。

圖1.10:西科斯基波音SB>1先進槳葉概念(ABC)旋翼機,兩架聯合多用途技術演示機之一。

圖 1.11:西科斯基 S-97 Raider,基于先進刀片概念 (ABC) 的高速偵察和攻擊復合直升機。

未來直升機

圖1.12:萊昂納多AW609,旨在成為第一種用于民用的傾轉旋翼機。

圖 1.13:AVX-L3 未來攻擊偵察機 (FARA) 原型提案,是 FARA 計劃正在開發的五個概念之一。

圖 1.14:空中客車 RACER(快速且具有成本效益的旋翼機),作為 Clean Sky 2 快速旋翼機創新飛機演示平臺的一部分,正在開發的兩架飛機之一。

圖 1.15:萊昂納多下一代民用傾轉旋翼機,作為 Clean Sky 2 快速旋翼機創新飛機演示平臺的一部分,正在開發的兩架飛機之一。

圖1.16:空中客車瓦哈納eVTOL飛機,八螺旋槳傾翼演示機。

圖1.17:波音NeXt自動eVTOL原型機。

面臨的挑戰

先進的旋翼機配置,如同軸復合直升機和傾轉機,在飛行控制和操控品質方面帶來了新的、獨特的挑戰和機會。例如,在直升機中傳統上耦合的響應特性的解耦能力(如獨立推力控制),飛行中的重新配置(如移動機艙),以及冗余控制(如旋翼和航空表面)。為這些配置提供良好操控品質的飛行控制系統的設計將取決于三個關鍵領域:

1.在懸停、過渡和向前飛行時,飛行員更喜歡什么樣的反應類型?
2.對評估響應類型和控制系統之間的差異的有用定性操控品質度量指標(即任務任務元素或操控品質演示操作)是什么?
3.控制系統設計時應滿足的定量操控品質度量及其相關邊界是什么?

研究目標與貢獻

已經有大量的研究致力于發展旋翼機的高速操控性能要求和飛行控制系統設計指南。大部分的研究都是基于一種飛機構型(如有翼復合機、傾轉旋翼機等),而且一般是在有限的飛行條件或飛機構型下進行的。

操控性能要求和MTE應該是以任務為中心的(而不是以飛機配置為中心)。然而,這是否適用于先進的旋翼機配置(例如,復合式與傾斜式)仍有待觀察。這就是為什么這里的研究調查了兩種配置。

此外,如上所述,NRTC最近完成了一個開發高速任務要素的項目,以評估先進高速旋翼機在模擬或飛行測試中的操控品質和飛行員的工作量。然而,在這個項目之前,還沒有使用新開發的高速MTE對先進的飛行控制法進行過正式的駕駛操控品質評估。

因此,本報告的目標和貢獻是:

1.通過將從綜合旋翼機仿真代碼HeliUM中提取的每架飛機的線性模型和修整數據合并到縫合的仿真模型中,建立通用升力偏移的帶推桿螺旋槳的同軸復合直升機(同軸-推桿)和通用傾轉機的實時仿真模型。

2.使用加權偽逆來設計內環(力矩需求)控制分配,使用每個配置的冗余控制。

3.使用一個基于操控品質的優化方法,為兩種飛機配置的整個飛行包線設計內環(速率指令)顯式模型跟隨(EMF)控制規律。一個主要的貢獻是選擇了整個飛行包線的適用標準,并為先進的高速旋翼機飛行控制設計匯編了一套全面的穩定性、操控性和性能規范。

4.擴展Thorsen[64]的工作,為兩種構型在整個飛行包線內設計外環(飛行路徑和空速指令)控制法。這包括開發一個控制分配方案,將縱向和垂直加速度指令分配給飛機俯仰姿態、整體、螺旋槳俯仰(同軸推力器)或機艙角(傾轉器)。與參考文獻中的做法一樣,使用了加權的偽逆方法。[64]所做的那樣,在有限的速度范圍內使用,但現在擴展到整個飛行包線。

5.使用新開發的高速任務要素,對兩種配置的內環和外環控制法進行正式的操控性能評估。這樣的評估在以前還沒有對高速旋翼機控制法進行過。

6.最終,這項工作旨在確定在過渡和高速飛行過程中,飛行員更喜歡哪些反應類型,以及哪些旋翼機和固定翼機的操控性能標準適用于不同的反應類型。

報告組織

本報告的結構如下。

第2章概述了綜合旋翼機仿真代碼HeliUM中開發的通用同軸推力和傾斜飛行器的飛行動力學模型。首先,對HeliUM中使用的飛機物理參數進行了詳細描述。隨后討論了從HeliUM中提取的線性模型,包括對修整、關鍵穩定性和控制導數的描述,線性模型中保留的轉子模式,以及線性模型的特征值。隨后,討論了用于實時模擬模型的模型縫合結構。為每架飛機展示了用于向多個控制效應器分配所需時刻的控制分配方法。最后,提供了每架飛機在一系列空速下的主要軸上頻率響應。

第3章描述了為同軸推力飛機和傾斜飛機設計和優化的內環飛行控制系統。首先,提供了控制法結構的描述,包括對框圖中所有主要元素的討論。接下來,給出了用于驅動控制系統優化的飛行控制和操控品質規范。在簡要討論了所使用的優化策略后,以預測操控品質的形式提供了兩架飛機的控制系統優化結果。

第4章討論了對兩架飛機的內環控制規律進行研究的操控品質模擬實驗的結果。在簡要描述了模擬實驗的設置后,首先提供了同軸推力飛機的實驗結果,然后是傾斜飛機的實驗結果。本章最后對結果進行了討論。

第5章描述了為同軸推桿飛機和傾斜飛行器設計的外環控制律。首先,討論了用于外環的設計方法和結構,包括縱向和垂直加速度指令的外環控制分配給俯仰姿態、集體和螺旋槳俯仰/機艙傾斜角。接下來,提供了用于控制法優化的設計規范。控制法的優化結果是針對同軸推力機和傾轉機的,首先是在一個飛行條件下,然后是在跨越各自飛行包線的幾個飛行條件下。最后,對外循環進行了討論。

第6章描述了在賓夕法尼亞州立大學飛行模擬器設施中進行的駕駛操控品質模擬實驗的結果,以測試第5章中描述的外環控制法。對實驗裝置進行了描述,包括對設施和飛行員飛行任務的描述。在討論之后,提供了同軸推桿和傾轉機配置的結果。

第7章描述了駕駛操控性模擬實驗的結果,以測試兩種飛機的內環俯仰軸指令模型響應類型的不同變化。描述了所測試的俯仰軸指令模型的變化。然后,提供了仿真評估的結果。

第8章描述了對兩架飛機的內環和外環控制法進行的魯棒性分析,該分析采用了無中心變換的方法。首先,提供了一個關于裸機身參數擾動的描述。接下來,簡要介紹了無痕變換,然后是一個評估控制系統魯棒性的簡單應用實例。然后顯示了同軸推桿和傾斜飛行器內環和外環控制法的結果,接著是討論。

最后,第9章提供了本研究的結論、先進高速旋翼機的控制系統設計指南以及對未來工作的建議。

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人工智能在軍事中可用于多項任務,例如目標識別、大數據處理、作戰系統、網絡安全、后勤運輸、戰爭醫療、威脅和安全監測以及戰斗模擬和訓練。

本文描述了一個自主制導和飛行控制系統,該系統在一架部分授權的黑鷹直升機上進行了整合和飛行測試。這項工作是退化視覺環境緩解計劃的一部分,該計劃的目標是為美國陸軍旋翼機的操作提供全天候的能力。制導和飛控系統軟件以前曾在一架完全授權的直升機上進行過飛行測試,在這項工作中,被調整為在一架部分授權的直升機上飛行。該系統的主要自主組件包括風險最小化障礙物場導航算法、安全著陸區確定算法和綜合提示環境。這些組件提供了反應性規避指導、著陸點選擇和飛行員對退化視覺環境的情況了解。為了測試該系統,一個LADAR被用作替代設備,以代替同時為該計劃開發的全深L傳感器系統。自主的部分授權飛行控制系統提供了一個完全穩定的路徑跟蹤能力,它由一系列的航點或飛行路徑矢量指令指導。本文描述了該控制系統,其性能,以及如何使其適應目前美國陸軍艦隊直升機的典型的部分授權系統。還介紹了自主軟件和人機界面組件。介紹了完全集成的系統在地形中導航、選擇降落點和自主降落的飛行測試結果。提出了將部分授權結果與以前收集的完全授權結果進行比較的分析。

任務自適應自主(MAA)部分授權系統

圖2中的任務自適應自主性(MAA)系統由三個主要部分組成:任務軟件、自主部分授權的FCS(APAFCS)和飛機硬件。任務軟件提供控制法的指導,而APAFCS提供穩定性和控制,以遵循命令的路徑。飛機硬件是飛行員的操縱桿輸入,調整和SAS伺服,飛機傳感器,LADAR傳感器,以及飛行員顯示器。俯仰、滾轉和偏航方面的固有機械控制和驅動保持不變,因此該飛機是標準的UH-60L,具有美國陸軍機隊典型的部分授權飛行控制系統。然而,在垂直軸上增加了額外的驅動裝置,這些都是機隊可用的部件。本文的后續章節將討論MAA系統的每個部分。

任務軟件包括任務管理器/操作員界面、路徑生成、矢量指令、障礙物場導航(OFN)、安全著陸區確定(SLAD)、MAA地圖/控制以及綜合提示環境(ICE)。

圖2:任務自適應自主(MAA)系統由任務軟件、自主部分授權飛行控制系統和改裝后的UH-60L飛機的硬件組成。

A. 任務管理器/操作員界面

MAA的一項關鍵技術是飛行員能夠以不同程度的自主性進行操作。圖2中的任務管理器/操作者界面代表了所有允許飛行員在執行層面進行互動和監控系統的軟件。例如,任務管理器允許飛行員或系統操作員通過從地圖顯示中選擇一個目標點來控制任務方案。當這樣做時,任務管理器查找目的地信息并命令OFN算法,這反過來又引導自主FCS到達最終目的地。

B. 路徑生成和矢量指令

當OFN到達最終目的地附近時需要精確放置飛行器時,路徑生成算法被任務管理器/操作者界面以及SLAD算法所使用。路徑生成和矢量指令都是開環的、非反應性的引導方法,用于移動飛行器,在系統的集成測試過程中非常有用,因為飛行路徑已知是沒有障礙的。

路徑生成器允許用戶通過輸入一些航點以及宏觀層面的參數,如最大速度、爬升率和加速度限制,來指定一個預定的路徑。當路徑生成器接受原始航點列表時,它將生成一個擴展的、平滑的航點列表,并將其與相關的速度曲線一起發送給航點控制,從而啟動飛行軌跡。

矢量指令過程是指導飛機運動的另一種指導方法。矢量指令過程接收對所需指令速度的離散變化。例如,用戶可以輸入一個速度、滑行坡和航向率的變化,矢量指令產生一個速度、航向和傾斜率形式的連續指令流,發送到APAFCS的航點控制塊。矢量命令使用與接下來描述的OFN算法相同的接口到航點控制塊。

C. 風險最小化障礙物場導航 (RiskMinOFN)

RiskMinOFN算法建立了一個空間變化的風險因素的3維地圖,并找到一條通往目標的最小風險的路徑。該規劃器的主要組成部分如圖3所示,它們由地形模型、風險地圖、導航功能和速度指令控制器組成。

飛行員或自主系統操作員可以在引導飛機的同時修改RiskMinOFN算法的操作參數。威脅地點和受限空域也可以動態更新。有四個參數文件可供飛行員訪問,分別代表OFN模式、巡航、地形、TerrainPlus和進場。新的目的地點可以在任何時候被發送到算法中,允許飛行員通過任務管理器界面改變任務目的地。除了飛往一個特定的目的地點,RiskMinOFN還可以飛行一個一般的目的地航向,它試圖保持該航向,同時仍然尋求與OFN模式相關的理想AGL高度,并同時避開危險物。RiskMinOFN算法可以在任何時候被命令取消并進入懸停狀態。速度限制也可以調整,允許更慢或更高的速度。飛行員還可以對航向和地面跟蹤的積極性進行調整。該算法仍然把避免碰撞作為最高優先級,所以這些飛行員的輸入只影響長期的飛行路徑,不會造成與地形的任何碰撞。

D. 安全著陸區確定 (SLAD)

SLAD算法掃描一個著陸區(LZ),根據表面坡度、粗糙度和與障礙物的接近程度找到合適的著陸點[14]。該算法從點頭的LADAR中獲取線掃描數據,并通過收集高度圖中每個網格單元的統計數據來創建一個高度圖。相鄰單元的高度變化被分為絕對變化和差異變化。絕對高度變化是基于兩個相鄰單元的平均高度之間的差異。差異變化是基于設備的掃描線上的高度變化,這允許感應高度的微小變化。此外,該算法在這些網格單元上使用滑動窗口來確定著陸區的表面粗糙度、坡度和其他窗口統計數據。

用于尋找解決方案和呈現結果的步驟如圖4所示,一架飛機接近圖4a所示的潛在著陸區。當點頭線掃描LADAR進入范圍時,該區域被掃描,點云數據被算法收集(圖4b)。當高度圖中積累了足夠多的點陣掃描通道時,就可以通過使用滑動窗口統計和其他指標找到一個解決方案。然后,該解決方案被顯示為帶有藍色字母編碼標記的彩色編碼疊加圖(圖4c)。藍色字母編碼的標記是解決方案推薦的著陸點A、B、C和L。解決方案的彩色編碼著陸掩碼有綠色區域,代表安全著陸點,其周圍的窗口區域符合坡度、粗糙度和數據空缺的要求,并且沒有任何絕對或差異邊緣的高度變化。黃色區域代表可能的安全著陸點,其窗口區域符合所有的安全著陸要求,但有超過特定閾值的邊緣高度差變化。邊緣高度變化用青色標記,通常是由小石塊、未割的草和灌木叢等物體引起的,這些物體可能是危險的,也可能不是,但還是要按照算法的建議避開。深藍色的絕對邊緣高度變化通常與大型固體物體有關,如樹木或大型結構,必須加以避免。紅色區域是不安全的著陸點,未能達到安全標準。

E. MAA/ICE飛行顯示器和接口

無論是在測試中還是在部署的系統中,飛行員或操作員的態勢感知對安全的自主操作至關重要。對于這個系統,使用了兩個顯示器,即MAA OFN/SLAD地圖和ICE顯示器,它們都顯示在圖5中。這些顯示為飛行員在DVE中飛行任務提供足夠的態勢感知。

MAA OFN/SLAD地圖(圖5a)顯示了一個頂視圖,可以顯示衛星、地形或剖面信息。在地圖中嵌入了當前飛機高度的RiskMinOFN風險量的彩色編碼片,風險范圍從低(淺藍色)到高(紅色)。所需路徑的指示顯示為飛機前方的面包屑圖案。OFN的預期目的地顯示為一個洋紅色的點,預期的目的地航向顯示為羅盤玫瑰上的洋紅色箭頭。當接近目的地時,SLAD著陸掩碼與推薦著陸點一起嵌入OFN風險地圖(圖5b)。如前所述,SLAD的插圖顯示安全區域為綠色,不安全區域為紅色,推薦的著陸點是飛行員可以選擇的。

MAA引導的意圖也用紅色符號顯示在ICE顯示器上,它有兩頁(模式)。這包括在途(圖5c)頁和懸停/接近/起飛(HAT)符號頁(圖5d)。這兩個頁面都疊加在由LADAR傳感器生成的圖像上。白色的符號是飛機的測量狀態,而紅色的符號代表來自導航的指令值。

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本文強調過去50年的關鍵飛行控制技術進展,并展示這些進展如何被應用和擴展到新的旋翼機家族:現代高速軍用旋翼機、電動垂直起降(eVTOL)城市空中機動性和先進空中機動性飛機。

本文第一部分回顧了旋翼機特有的飛行控制技術驅動因素,并強調了過去50年中在駕駛品質要求(ADS-33)、基于物理的仿真、系統識別和飛行控制等方面的關鍵進展。一個核心主題是旋翼機的閉環響應和設計方法從時域到頻域的轉變,旋翼機越來越依賴于復雜的反饋控制系統來實現閉環穩定性、干擾抑制,以及最重要的是全天候運行的閉環駕駛性能響應。本文強調了過去50年的頻域分析、設計和測試方法,涉及每個學科的關鍵進展和兩個綜合的成功案例。

本文的第二部分,考慮了四類新旋翼機的關鍵挑戰、進展和所需的未來研究:軍用未來垂直升力系列高速旋翼機、基于戰場常規直升機的無人自主系統/城市空中機動旋翼機、小型電動VTOL無人旋翼機和大型eVTOL城市空中機動旋翼機。

接下來的幾節將探討這四類新旋翼機共同面臨的挑戰和解決空間,作為所需研究進展的藍圖。

最后,本文從作者作為職業飛行控制工程師/研究員、飛行控制技術組組長和高級技術員的角度來考慮所獲得的經驗教訓和關鍵收獲。

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根據Janes Market Forecast的分析,2022年至2031年期間,全球直升機市場總價值近330億歐元。運輸直升機幾乎占了這一市場份額的一半(約1610億歐元),其次是多功能電子和政府提供的設備(GFE)。后兩者各占約430億歐元的份額。就單個平臺而言,西科斯基H-60 BLACKHAWK在采購排名中遙遙領先,超過了西科斯基CH-53、波音AH-64 APACHE和波音H-47 CHINOOK。這主要是由于許多國家目前正在對其老化的機隊進行現代化改造,新一代的輕型和中型運輸直升機即將進入客戶手中。但俄羅斯對烏克蘭的攻擊也可能使許多歐洲國家重新對真正的戰斗直升機和反坦克直升機產生興趣。

旋翼機的關鍵考慮因素

目前,重點是平臺性能,即更高的有效載荷、航程和速度。以美國海軍陸戰隊(USMC)和以色列為例,這些要求由西科斯基CH-53K未來40年的供應來滿足。從德國空降兵的角度來看,純粹從數字上看是這樣的:WIESEL的后繼者——空中移動履帶式武器運輸車(LuWa)應該能夠以兩輛車作為內部載荷進行運輸。該驗證機連同彈藥和乘員重約5噸。

接下來在中型運輸直升機(MTH)領域,對更高速度的部隊運輸的需求--而不是更重的負載--將成為焦點。貝爾/波音V-22 OSPREY是第一個用傾轉翼飛機實現更高的飛行速度的方面。只要看看美國的未來垂直升降計劃(FVL)和像OSPREY這樣的機型的進一步發展。來自美國芝加哥的Skyworks航空公司也打算以其VERTIJET進入這一領域。這是一種垂直起飛和降落(VTOL)的高速和遠距離陀螺儀。這種飛機由一名飛行員駕駛,據該公司稱,可搭載六名乘客,以644公里/小時的速度飛行,并可飛行1609公里。巴西航空工業公司和BAE公司也在致力于EVTOL項目的軍事化,這是一個全電動的對應項目。

德國陸軍的一份概念文件要求陸軍航空兵擁有 "敏捷性和靈活性,以便在陸地行動中迅速轉移焦點"。作為一種核心能力,陸軍航空兵應該能夠在白天、夜間和能見度低的情況下,在長距離、不受地形影響和受到威脅的情況下,迅速部署他們的武器系統,在整個責任區提供效果和支持。在速度、航程和有效載荷的性能三角框架內,要求飛行速度超過220節,在不增加油箱或空對空加油的情況下,任務時間至少為3小時。另一個核心要求是有人-無人機編隊協同(MUM-T)。

未來旋翼機的要求

在歐洲,將出現這樣的問題:NH-90和現有戰斗直升機的后繼者將是什么樣子。換句話說,是否會有一個歐洲未來垂直升降機計劃?歐洲防務局(EDA)已經在考慮初步的方法。美國陸軍的FVL計劃由四個項目組成:

  • 未來遠程突擊機(FLRAA)計劃
  • 未來攻擊偵察機(FARA)的原型機競賽
  • 未來的無人機系統
  • 模塊化開放系統架構

FLRAA打算從2030年開始取代美軍(陸軍和美國海軍陸戰隊)的BLACKHAWK直升機隊。FARA旨在填補之前由貝爾OH-58D "KIOWA WARRIOR "直升機填補的輕型攻擊和偵察能力的關鍵空白,該直升機已于2014年退役。在最初的五個競爭者中,在2020年夏天進行了降級選擇,現在有兩個設計,即貝爾360 INVICTUS和西科斯基RAIDER X,正在進一步開發中。這兩種飛機將在2023年秋季進行評估測試,最遲在2028年開始生產。

對于FLRAA,有兩個申請團隊,德事隆的貝爾公司(擁有V-280 VALOR)和西科斯基-波音公司的DEFIANT X,將在2022年底進行預選,在2025年中期或后期交付原型機。關于DEFIANT X,洛克希德-馬丁公司表示。"為了遏制未來的沖突,必須對旋翼機系統能力進行變革性的改進。X2技術所提供的速度、范圍和機動性,增加了飛機在未來威脅環境中的生存能力。X2技術的可擴展性是為適應多種任務而開發的--側重于多域作戰的連接性、互操作性、多任務適用性和可擴展性及生存能力"。

從德國的角度來看,德國聯邦警察的中型運輸直升機計劃也很有趣。在這里,將采購44架機器。最近,H215 SUPER PUMA機隊的可用性在那里也是一個問題。該項目自2021年開始招標,目前正處于投標階段。萊茵金屬/西科斯基可能將與S92競爭,而空客將與當前版本的H225 SUPER PUMA競爭。

當被問及旋翼機最重要的技術和創新時,波音公司在德國的國防、空間和安全副總裁Michael Hostetter說。"未來的旋翼機將需要智能化、模塊化和可適應性,以提高它們的能力、可用性、經濟性和互操作性,而這些都是需要它們的非凡應用范圍和用戶范圍。

充分了解機載配置和狀況的智能旋翼機可以與所有操作人員合作,減少工作量,最大限度地提高安全和性能,同時提高可用性,減少維護負擔。模塊化和互操作性能夠為預期的用途實時快速地裝備系統,用首選的和可用的批準部件優化配置。這比開放的任務系統和車輛管理更廣泛,也適用于結構和系統以及推進器和動力裝置。模塊化也降低了初始和持續的采購成本,并促進了升級和改進以及新的配置"。

新訂單、新增和替換

許多用戶正在接收新一代的飛機,包括:

  • 菲律賓訂購了32架新的BLACKHAWKs
  • 沙特阿拉伯收到了其第一架UH-60M
  • 美國陸軍已收到其第一架UH-60V(VICTOR)。
  • 波蘭特種部隊已經收到了更多的S-70i飛機
  • 據瑞典媒體報道,瑞典也在考慮用SEAHAWKs替換其NH90s,并擴大其BLACKHAWK機隊。
  • 澳大利亞也可能在早期用BLACKHAWKs替換其47架NH90s(TAIPAN)。

這凸顯了為什么BLACKHAWK在全球范圍內是同類產品的領導者。挪威也在考慮通過租賃的方式用另一種型號來補充其NH-90艦隊。這些將由海岸警衛隊使用,并填補NH-90的能力空白。空中客車公司從法國獲得了新型H160的訂單,從西班牙獲得了36架H143的訂單,并向卡塔爾交付了第一架NH90。奧地利訂購了18架萊昂納多AW169M(從2023年開始),以取代ALOUETTE 3,哥倫比亞海軍已經收到了AW139。巴林已經訂購了12架AH-1Z VIPER,而以色列是繼美國海軍陸戰隊之后CH-53K的第一個出口客戶。另一方面,印度正在接收其第一架CH-47 CHINOOK。至于戰斗搜救行動,意大利已經收到了萊昂納多的HH-139B。

2021年12月,西班牙發布了12億歐元用于進一步開發空客TIGER Mk III。時間框架是2029年至2037年。法國也已經承諾進行Mk III的開發。德國的承諾仍然開放,根據波音公司的說法,對AH-64E APACHE GUARDIAN有一個平行的要求。澳大利亞也將使 "老虎"提前退役,并以APACHE取代它。特別是德國陸軍仍在與TIGER的災難性清晰度作斗爭。很快,最老的機器將不得不再次被淘汰。Mk III計劃中的關鍵系統改進包括對以下方面的增強:

  • 桅桿上安裝的電子光學系統
  • 頭盔上的視覺系統
  • 增強的視覺系統
  • 對講機
  • MUM-T數據鏈
  • 新的空對地和空對空武器
  • 新的航空電子設備套件
  • 改進的保護和對抗措施
  • 新的導航系統(包括GPS和伽利略系統的同步)。
  • 一個新的戰術數據管理和戰場管理系統。

德國加入美國的FVL計劃,然后從2030/35年開始接收第一批飛機也是可以想象的。然而,在此之前,"老虎 "將不得不保持活力。特別是考慮到烏克蘭的戰爭,對快速市場化的解決方案的需求可能會變得更大。英國已經與美國簽訂了一項合作協議,以獲得來自FVL計劃的信息。這旨在進一步發展其自身的技術,并確保兩國所有平臺的互操作性。

武裝直升機

在武裝直升機領域,荷蘭和英國正在升級其AH-64D。此外,韓國在2021年ADEX上展示了KAI海洋攻擊直升機(MAH),這是一種用于海上作戰的戰斗直升機。這里,明確提到了MUM-T能力。澳大利亞也要求 "老虎 "的后續機型具備海上作戰能力。貝爾公司已經為巴林完成了12架AH-1Z "蝮蛇 "中的第一架。土耳其在2018年首次公布了自己的輕型戰斗和運輸直升機,即TAI T625 G?KBEY。土耳其還擁有第二架戰斗直升機,即土耳其航空航天公司的T129 ATAK。這是與萊昂納多合作開發的,以AW129為基礎。

德國為陸軍、海軍和空軍計劃了一個輕型多用途直升機(LUH SK)項目。這是一種訓練直升機,在陸軍中也將作為輕型武器化平臺,在 "老虎 "下面運行。BMVg(德國國防部)現在已經決定放棄這個方案。這意味著該直升機將繼續是一個純粹的訓練平臺。空中客車公司的H145M正在被考慮之中。因此,陸軍現在將不得不開始一個新的項目來填補TIGER下面的空白。最初,計劃為陸軍的一部分H145M裝備H-Force,以便以后可以選擇傳感器和效應器。特別是在作戰平臺上,對自信的要求是最重要的。MUM-T以及僚機和空中發射效應(ALE)概念將在這方面發揮非常重要的作用。

無人駕駛平臺

許多武裝部隊都存在征兵問題,人員的培訓既昂貴又漫長。為了減少人員數量和保護士兵,未來的許多任務可能會越來越多地依賴無人駕駛系統。這對VTOL平臺來說也將不例外。美國海軍陸戰隊指揮官大衛-伯杰將軍最近呼吁加快無人駕駛航空器(UAV)的進展。除了無人機之外,他還想到了用于后勤任務的VTOLs。

他說,美國海軍陸戰隊在未來必須擁有一支平衡的有人駕駛和無人駕駛飛機的機隊。自1999年以來,已經用卡曼航空系統公司的K-MAX進行了能力測試,洛克希德-馬丁公司對該機進行了改造。K-MAX提供了2,041公斤的有效載荷,據說其有效載荷成本為1,200美元/飛行小時。它已經被部署在阿富汗,以及從船上部署。2021年12月,美國海軍首次從船上部署諾斯羅普-格魯曼公司的MQ-8C FIRE SCOUT。

韓國航空航天工業公司(KAI)在2021年ADEX上展示了無人駕駛的輕型武裝直升機(LAH)。它基于空客H155平臺,鼻尖下有一門20毫米GATLING炮。它還有一個光電/紅外(EO/IR)傳感器,并可在其短小的機翼上攜帶導彈吊艙。韓國軍隊有一個214架LAH的計劃,將從2022/23年開始引進,空中客車公司也預計國際上需要300到400架。2022年2月宣布了UH-60A BLACKHAWK的30分鐘無人駕駛飛行。該飛機可以由人駕駛或無人駕駛。該系統的核心是西科斯基的MATRIX自主技術。

西科斯基公司創新部主任伊戈爾-切雷平斯基說。"像西科斯基的MATRIX技術一樣,支持自主和選擇性駕駛操作的進步,將改變飛行員和機組人員執行任務的方式,在機組人員減少或能見度有限的情況下飛行時提供幫助。MATRIX就像一個虛擬的第二飛行員,將幫助操作員在危險和復雜的任務中安全和自信地飛行。它可以利用全權限飛行控制輸入進行自主飛行--包括起飛、路線規劃、避障、選址和降落"。

有人-無人編隊協同(MUM-T)

MUM-T為有人駕駛的飛機提供了許多優勢。它們還能增加航程、耐力、靈活性、生存能力和整體作戰價值。例如,有人駕駛直升機的機組人員可以控制一個無人駕駛飛機系統(UAS),并將其送到其飛行路線的前方,以識別或壓制敵人的傳感器和效應器。這樣,當直升機改變行動區域時,UAS的傳感器--已經在最終目的地運行--已經可以在直升機接近時使用,以便更好地了解情況。這使直升機在到達任務目標后能立即開始執行任務。

如果無人機系統有自己的效應器,這也增加了攻擊直升機的穿透能力和射程,或者由于效應器的數量,大大提高了對目標的致命效果。通過這種方式,陸軍航空兵在未來將能更好地將其效果深入到敵方空間,以支持陸軍行動,甚至在敵方防空系統的威脅下。

無人機的使用將實現(部分)自動化,并得到人工智能(AI)的支持。這也將允許在不增加機組人員工作量的情況下使用群組。任務的風險越大,就越有可能被接管或由無人系統支持。除了使用無人機或僚機外,還使用了所謂的空中發射效應。這些都是從有人駕駛的飛機上發射的,或者由僚機的無人機系統攜帶。 德國波音防務公司的邁克爾-霍斯泰特說。"[APACHE]已經與GRAY EAGLE和Shadow以及SCAN EAGLE組隊,并且能夠與其他飛機組隊。然而,我們要強調的是,APACHE是唯一具有MUM-T能力的攻擊或偵察直升機。MUM-T完全集成到APACHE的顯示器和控制裝置中,使機組人員具有更強的態勢感知能力和以網絡為中心的互操作性--通過允許早期探測和識別戰場上的威脅來提高生存能力"。

韓國航空航天工業公司(KAI)正在開發一個MUM-T系統,用于大韓民國軍隊服役的直升機上。開發工作應在2022年底前完成。貝爾公司剛剛將ESG的任務管理系統集成到貝爾429中,以支持MUM-T。此外,荷蘭正在使用L3Harris遠程操作視頻增強接收器(ROVER)6i收發器技術來支持他們的AH-64E,其固有的4級MUMT能力。通用原子航空系統公司在其新的MOJAVE-UAS中集成了MUM-T能力。在德國,量子系統有限公司使用空客H145M和他們的VECTOR's UAS進行了MUM-T演示。該無人機系統提供了120分鐘的飛行時間,甚至可以在惡劣的條件下運行。

武器裝備和傳感器

直升機實際上不過是一個空中移動平臺,沒有附加價值。只有通過其貨物,如特種部隊(SF)或戰斗車輛,或其傳感器和效應器,它才能在偵察或戰斗(空中和地面支持)中獲得真正的附加值。例如,阿聯酋特種部隊已經開發出一套裝備,可以在UH-60上攜帶(靜音、電動)兩輪車。這增加了SF的地面機動性,而不必求助于更大的飛機。

一段時間以來,UH-60上一直使用SPIKE NLOS制導導彈。現在,SPIKE ER2也被集成在H145M上。巴西海軍為其H225M配備了MBDA EXOCET AM39 Block 2 Mod 2反艦導彈用于反水面作戰。英國海軍在2021年6月首次從WILDCAT HMA2上發射了MARLET。MBDA BRIMSTONE也越來越被考慮作為直升機和無人機的武器裝備。一個新的補充可能是MBDA ENFORCER Air。

由于對適合在輕型直升機或戰術無人機上使用的小型、輕型和經濟型精確導彈系統的強烈需求,MBDA德國有限公司正在改進其ENFORCER以滿足未來的要求。基準的 "ENFORCER "是一種90毫米口徑、發射前鎖定(LOBL)、"發射并忘記"、一次性、日/夜、輕型精確制導肩射武器系統。ENFORCER系統的模塊化設計實現了一系列的發展選擇,包括未來用于陸地、空中和海上的ENFORCER "家族"。就像BRIMSTONE的一個更小和更具成本效益的兄弟。

新的傳感器意味著增加射程或更好的保護。亨索特公司為德國NH90 TTH配備了新的AMPS自我保護系統,美國空軍正在為其HH-60W JOLLY GREEN II戰斗搜救(CSAR)直升機尋求一種新的導彈保護系統作為改進。意大利正在越來越多的直升機上使用萊昂納多的MAIR導彈預警系統。在研究傳感器這一主題時,未來還必須考慮針對小型非軍用無人機的探測和保護系統。這些現在構成了一個不斷增長的威脅。

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美國陸軍目前擁有1700多架UH-60黑鷹直升機。這些通用直升機構成了輕型步兵的主要空中突擊平臺。他們還執行后勤、傷員疏散(CASEVAC)和搜索與救援(SAR)任務。

UH-60系列于1979年推出。為了提高性能和延長使用壽命,已經進行了多次升級計劃,但引進后續飛機已經變得緊迫。過時和材料疲勞不是更換UH-60至關重要的唯一原因。與同類大國或使用現代防空武器的地區大國間戰爭,要求美國部署一種配備最先進的航空電子設備、傳感器和性能參數的攻擊/通用直升機。

FLRAA計劃

未來遠程突擊飛機(FLRAA)計劃尋求為美國陸軍、美國海軍陸戰隊(USMC)和聯合服務美國特種作戰司令部(SOCOM)提供一種UH-60的替代品。項目管理由陸軍負責。雖然FLRAA旨在具有多任務能力(反映黑鷹的作戰范圍),但武裝部隊將空中突擊任務作為主要的“理由”。

與UH-60相比,新的中型飛機將顯示出顯著的性能增強。這包括速度、航程和續航能力的大幅提升。最低可接受或閾值巡航速度是230節。陸軍的客觀目標包括280節的最大連續巡航速度和至少300海里的不加油任務半徑。USMC預計將收購第二大FLRAA艦隊,并制定了更高的性能標準(295節巡航速度和450海里航程)。這些物理性能參數在很大程度上反映了東亞一場大規模戰爭將帶來的前所未有的機動挑戰。除了在未來戰爭中預期的更遠距離之外,增強的速度和敏捷性還將提高有爭議環境中的生存能力,并有助于立即利用敵人防御中新創造的缺口。

空中突擊配置中的部隊攜帶能力被認為是決定最終選擇一個競爭者的重要因素。在這里,五角大樓再次設定了最低容量——12名戰備士兵——這超過了UH-60的能力。其他基本需求包括與在多域戰場作戰的其他飛機和地面部隊的全面聯網和互操作性。模塊化和開放系統架構對于最大限度地提高FLRAA的靈活性、保持機載系統的最新狀態和降低運行成本也至關重要。

開發競爭者

2020年3月,美陸軍向兩家行業競爭對手貝爾-德事隆和波音-西科斯基團隊授予合同,參與FLRAA競爭性演示和風險降低(CD&RR)第一階段。該階段包括需求推導、權衡分析和初步概念設計。2021年3月,兩家競爭對手都進入了CD&RR第二階段,重點是在候選機身上集成主要子系統和任務系統。第二階段的工作將持續到2022年5月30日。

“通過CD&RR的努力,陸軍領導人有能力做出早期明智的決定,確保FLRAA能力不僅負擔得起,而且滿足多域作戰要求,同時交付積極的時間表,不犧牲嚴格的速度,”陸軍航空項目執行官員Rob Barrie準將在授予第二階段合同時說。

這兩家競爭者一直是飛行技術演示機,代表了他們將建造的量產飛機的一般設計特征。軍方飛行員和維修人員已經接觸到示威者,既可以直接了解情況,也可以向工業界提供反饋。除了數百小時的飛行測試外,兩架飛機還在任務集成實驗室和推進試驗臺上進行了深入研究。在CD&RR階段所做的觀察和獲得的見解將指導承包商完善和/或調整他們的設計和技術概念。這些見解還指導軍方根據可以合理預期的性能特征發展作戰概念。

貝爾德事隆V-280 VALOR

雙發動機貝爾德事隆V-280 VALOR技術演示機采用傾轉旋翼推進,與同一公司制造的較大V-22魚鷹(OSPREY)有一些相似之處。V-280的特點是集成艙裝甲,并有一個v型尾翼增強機動性,特別是在高速時。測試期間達到的最高飛行速度為305節。貝爾公司于2021年6月完成了V-280的飛行測試,但仍在繼續評估自2017年12月飛機首次飛行以來收集的數據。

貝爾的最終設計方案預計將與V-280非常相似,盡管在演示階段吸取的經驗教訓可能會要求進行一些更改。貝爾公司在性能和優化維護程序方面都具有優勢,擁有超過60萬小時的V-22傾轉旋翼機飛行經驗。這種推進技術已經過實戰驗證。V-280上的推進系統采用簡化的驅動系統設計,采用掛架與吊艙旋轉。Bell表示,這消除了地面加熱,簡化了維護,特別是在現場。

其他經過驗證的性能參數包括280節的空速,以及在低速飛行操作中出色的機動性,包括回旋飛行機動。電傳數字控制系統包括無人駕駛飛行控制選項,使駕駛艙內的機組人員可以使用其他功能。V-280可在1,700海里的范圍內自行部署,作戰半徑(取決于配置)為500-800海里,大大超過了陸軍對遠程攻擊任務的要求。

貝爾公司還非常重視引導分布式孔徑傳感器(PDAS)固有的力保護能力。由德士龍的母公司洛克希德·馬丁公司開發的PDAS為機組人員提供360度態勢感知。它由一個集成傳感器網絡組成,包括分布在V-280艦體周圍的六個紅外攝像頭,這些攝像頭通過一個開放式架構處理器與駕駛艙和頭盔顯示器相連。顯示器也可以提供給飛機后部的人員,包括門炮手,提升機操作員,或準備下飛機的步兵。

波音-西科斯基SB-1 DEFIANT

波音-西科斯基公司用于CD&RR階段的演示平臺被命名為SB>1 DEFIANT。這架雙引擎飛機于2019年3月首次飛行,被歸類為復合型直升機。它的推進系統不同于傳統直升機。它有兩個反向旋轉的同軸轉子和一個后置推進器。與傳統轉子設計相比,前者提供了增強的升力和穩定性;后者提供相當大的向前推力而不傾斜主軸轉子的軸。

2022年1月18日,該小組宣布SB>1已成功完成其第一次完整任務剖面飛行。正如西科斯基公司首席試飛員Bill Fell所描述的那樣,這次測試“充分證明了違抗者執行FLRAA任務的能力,在水平飛行中飛行236節,然后在我們接近有限的、未改進的著陸區時,減少推進器的推力以快速減速。”這種水平機體減速使我們能夠保持態勢感知,并在整個進近和著陸過程中查看降落區域,而無需典型的機頭向上減速。”

演示機先前在森林地形、60度傾斜轉彎和投裝2400公斤多管發射火箭系統中執行了低空飛行操作。 該團隊于2021年1月宣布,將以“違抗SB>1”為基礎,提交“違抗X”同軸直升機,作為正式的量產飛機。與技術驗證機相比,擬生產設計的特點是降低了熱特征,改進了氣動操縱,并采用了三輪車起落架,以提高在惡劣環境下的性能。此外,自主功能已集成到飛行控制中,以增強靈活性和響應能力。

2022年2月10日,該團隊宣布選定霍尼韋爾HTS7500渦軸發動機為DEFIANT x提供動力。霍尼韋爾表示,該發動機在同級別軍用直升機渦軸發動機中提供了最有利的功率重量比。根據霍尼韋爾發布的新聞稿,新推出的HTS7500將提供更強的載荷能力和更高的燃油效率。

空基發射效果

與2021年初授予的機身CC&DR第二階段合同并行,美陸軍還向其他公司發起了合同招標,以提交關鍵子系統的投標,特別是開放式架構航空電子設備和任務管理系統。

美陸軍的一份聲明稱:“實現FLRAA目標的關鍵是將模塊化開放系統方法(MOSA)納入其需求、采辦和維持戰略。”MOSA是提高生命周期可承受性的關鍵推動者,直接與陸軍航空兵目標保持一致,以實現持續的可承受性,并針對未來威脅提供持續的能力升級。”

開放式架構還將促進可交換任務系統的集成,包括所謂的“空射效果”(ALE)。根據美國陸軍的定義,ALE指的是由飛行器、有效載荷、任務系統應用程序和相關支持設備組成的一系列系統,旨在作為單個代理或團隊成員自主或半自主地交付效果。根據艦載機和ALE配置,影響范圍可以從動能或電子攻擊,到偵察和監視。該技術將用于傳統飛機以及目前正在開發的幾種直升機。當部署在FLRAA上時,ACE系統可以通過探測并潛在地抵消敵方防空系統和直升機飛行路徑上的其他威脅來增強部隊保護。

RapidEdge?

幾家公司正在爭奪與ALE相關的合同。柯林斯航空航天公司于2022年1月31日宣布,已成功演示了旨在支持ALE操作的RapidEdge?任務系統。除了基于實驗室的測試,演示系列還包括在管發射的Altius-700無人機上集成任務系統,該系統可以為直升機提供機載偵察、反無人機和對地攻擊能力。

據柯林斯航空航天公司描述,RapidEdge?技術作為ALE系統的“大腦”,包括用于通信的無線電、處理多層機密數據的解決方案、任務計算和空中發射飛行器的自主行為。Collins Aerospace綜合解決方案副總裁兼總經理Heather Robertson表示:“我們為這個市場設計了RapidEdge?任務系統解決方案,采用了高技術和高制造準備水平的強大而有彈性的開放系統方法。“該產品旨在滿足陸軍積極的項目時間表,同時為作戰人員提供關鍵能力。”

FLRAA還將能夠與更大的無人機(有人-無人組隊)聯合作戰,這可以為未來的空中突擊任務提供更強大的偵察和部隊保護資產。無論哪家供應商贏得最終合同,FLRAA的開放式體系結構方法都促進了多個有效載荷和數據鏈的集成,用于空降和地面部隊之間的協作跨域作戰。

未來開發時間線

最終的建議書已于2021年7月向兩家公司發出。投標截止日期為當年9月底。預計將于2022年6月底宣布向獲勝公司授予原型開發合同。虛擬原型開發階段將在合同授予后開始,并持續到2023年12月,最終進行初步設計評審。

虛擬原型階段將與物理原型構建階段重疊,該階段將從2023財年第三季度開始,一直持續到2026財年第二季度。這一階段將需要交付6架飛機用于工程和制造發展階段。首批原型機最早可能在2025財年第三季度交付,飛行測試和評估(由政府和供應商聯合進行)將持續到2029財年年底。生產和部署階段預計將于2028年開始,首批訂單為8架飛機。

美陸軍計劃在2030年裝備第一支作戰部隊。隨著新飛機的采購,武裝部隊將開始退役傳統的UH-60飛機。然而,獲得一個完整的FLRAA機隊將需要數年時間。現代化的UH-60M和UH-60V直升機將繼續與新型直升機一起使用,最后一批直升機大概要到2060年左右才能退役。這將使航空旅能夠根據任務要求和作戰環境部署飛機,為更具挑戰性的場景保留新飛機。

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本頂點研究的目的是確定能夠建議條令開發的讀物,以更好地協調美國陸軍和美國空軍(USF)的多域作戰概念。目前,盡管每個軍種都強調多域作戰,但在如何概念化多域作戰方面還沒有達成聯合共識。此外,2022年國家安全戰略(NSS)中沒有描述與綜合威懾有關的多域作戰概念。本頂點支持糾正這些問題,確定未來條令編寫者可以研究的資源,以更好地調整各軍種的多域作戰概念,同時支持2022年國家安全戰略和綜合威懾。

本研究報告提出了美國陸軍和美國空軍多域作戰條令之間的兩個潛在調整領域:指定遠程火力和指揮與控制的服務主導權以及制定技術標準。每個領域都可以通過本論文分析的讀物獲得信息。這些潛在的協調領域可以使多域作戰滿足2022年國家安全計劃的要求和目標。

本頂點研究表明,盡管美國陸軍和美國空軍對多域作戰都有自己的概念,但它們內部是一致的。美國陸軍多域作戰的主要主題是遠程火力,而美國空軍多域作戰的獨特關鍵原則是指揮和控制。未來的多域作戰條令可以通過在這些關鍵概念的基礎上指定各軍種的主導權而更好地保持一致。通過這樣做,每個軍種將在他們的能力和技能投資方面獲得更多的責任,同時犧牲對其他關鍵宗旨的控制。除了這些獨特的關鍵宗旨外,兩個服務概念都包括影響人口和整合非動能火力的關鍵宗旨。盡管有這些調整的建議,重要的是要記住,多域作戰太年輕,太廣泛,無法指定一個適當的服務領導進行全面整合。

美國陸軍和美國空軍的多域作戰都非常重視技術骨干。然而,這兩個軍種都在同時發展不同的技術項目來支持他們的條令。未來的研究可能會受益于選擇一個軍種作為標準化和開發該技術的主導。反過來,兩個軍種的多域作戰概念將提高效率和互操作性。

基于這個頂點的未來研究應該研究已確定的讀物,并試圖根據前面概述的兩個領域來調整美國陸軍和美國空軍的條令。這樣做可能會使聯合部隊更有能力協調一致地行動,更有可能成功地威懾對手的行動。

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自1987年成立以來,美國貿易委員會一直是美國力量投射的一個重要的授權組織。對作戰人員的成功支持來自于對其流程的不斷完善和優化,以最大限度地提高運輸效率。在過去30年的戰爭中,美國運輸委員會的表現驗證了其模式的有效性,但未來的戰爭可能需要重新評估美國運輸委員會支持未來戰斗的能力。

聯合全域作戰(JADO)是用來描述美國未來戰爭方式的總稱。雖然JADO仍處于概念發展階段,但它從根本上改變了各領域之間的整合水平以及在戰斗空間產生效果的速度。JADO的革命性變化是為了應對美國對手開發的日益強大和擴散的反介入/區域拒止(A2/AD)系統。A2/AD的威力在于其目標是使美國目前的戰爭方式的執行成本過高。這些變化和威脅的結合是美國國防部關注的源泉,它已經優化了自己,以支持目前形式的戰爭。本專著的目的是分析聯合服務界所設想的新的JADO概念,以及A2/AD對運輸業務的威脅,并確定USTRANSCOM必須尋求協調的挑戰,以便在未來的沖突中保持償付能力和可靠性。

引言

不斷發展的聯合全域作戰(JADO)概念是美國未來戰爭方式的迷人發展,但其行動的性質和他們試圖擊敗的威脅使人質疑美國運輸司令部(USTRANSCOM)是否有適當的資源和組織來維持未來的行動。JADO遵循美國作戰理論的歷史進程,不斷發展各部門和各領域之間更多的整合力量。然而,JADO超越了單純的消除沖突、協調和整合。JADO尋求真正利用戰爭的時間性,為敵方部隊同時產生多個問題,并具有實時態勢感知能力,以識別并隨后從一個領域產生效果,從而利用固有的不對稱優勢。戰爭領域之間的整合將比美軍內部所見的更加緊密,而且行動的節奏將比目前的能力快得多。為了使JADO成為現實,必須進行技術投資并加以實現。除此之外,聯合部隊內的作戰理論將不得不被改寫,以反映在未來戰斗中釋放JADO潛力所必需的最佳實踐。所有這些都相當于一個革命性的舉措,專注于重塑美國的戰爭方式。所有領域的作戰單位將不得不調整他們的操作方法,以保持在該框架內的功能,并提供系統所需的效果。盡管許多文獻和討論都圍繞著作戰部隊將經歷和必須適應的變化,但為確保作戰部隊得到后勤支持而依賴的維持力量卻很少受到關注。

美國貿易委員會維持未來作戰行動的能力對美國的力量投射至關重要。這一任務的失敗將使美國的作戰能力失去效力。美軍所能帶來的戰斗力確實令人矚目,但這種力量只有在戰斗指揮官能夠將其移至對手的射程之內并在其就位后得以維持時才能使用。在美軍歷史上的絕大多數時間里,在北美和全球范圍內部署和維持作戰部隊的能力都取得了驚人的成功。這種成功在未來是不可能的,因為不祥的跡象表明,美國國防部的任務效率面臨著重大挑戰。反介入/區域拒止(A2/AD)的能力正在一些美國最強大的對手的軍隊中擴散開來。A2/AD試圖瞄準并破壞美國國防機構中對其功能效力至關重要的關鍵部分。 A2/AD對美國向國外投射力量的能力構成了嚴重威脅,而JADO是對這一挑戰的直接回應。從美國國防部的角度來看,它必須像聯合部隊的其他成員一樣,確保它對A2/AD的威脅保持彈性。

必須盡早發現美國貿易委員會模式中的潛在缺陷,以確定可行的解決方案,并在JADO技術的開發和實戰中留出時間采用這些解決方案。這一挑戰不是小任務。JADO的作戰概念是非常不穩定的,在其框架發展過程中,已經在多個方面發生了實質性變化。對JADO將成為什么缺乏清晰的認識的一個重要原因是聯合軍種之間對它應該演變成什么沒有共識。每個部門都設想了一個版本的JADO,并在概念上將聯合伙伴的活動納入其框架。雖然JADO的愿景并非完全不相容,但各軍種的概念之間確實存在實質性的差異。因此,每一種模式都會給美國運輸司令部帶來獨特的挑戰,因為它必須與任何選定的概念完美銜接,為作戰指揮官提供必要的運輸支持標準。美國貿易委員會作為一個功能性作戰司令部,在任何未來的美國戰爭中都要發揮作用。因此,對于聯合部隊的有效性來說,USTRANSCOM作為一個組織的整合和發展必須被納入JADO的發展過程。在一個全新的結構下運作時,假設后勤支持的有效性和可靠性會給聯合部隊帶來黑天鵝式的失敗風險。納西姆-塔勒布(Nassim Taleb)將黑天鵝描述為產生巨大影響且無法預料的事件。美國空軍司令部的重點資本投資和理論變革必須與聯合部隊的發展保持同步,以確保司令部隨時準備在他們選擇的時間和地點支持未來的作戰人員。

下面的調查旨在確定USTRANSCOM必須評估哪些作戰要求,以便在未來的JADO概念中保持有效并在與同行對手的戰斗中保持彈性。調查將從對有關該主題的相關文獻的回顧、有關美國貿易委員會模式和處置的證據供參考、對JADO的不同服務概念的簡要描述、對美國貿易委員會與JADO的兼容性和對A2/AD的脆弱性的分析,以及解決新出現的問題的建議等方面展開。JADO和A2/AD的結合給美國貿易委員會帶來了一個與其當前運作框架和近期歷史相異的未來運作環境。由于其作為聯合部隊的分配和部署過程所有者(DPO)的不可或缺的作用,至關重要的是根據聯合部隊的擬議變化來評估USTR的部隊態勢和行動理論,以確定該組織必須如何共同發展。

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什么是多域作戰?

以下定義摘自美國陸軍訓練與條令司令部:

多域作戰(MDO)描述了美國陸軍作為聯合部隊[陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰隊和太空部隊]的一部分,如何在競爭和武裝沖突中對抗和擊敗能夠在所有領域[空中、陸地、海上、太空和網絡空間]與美國抗衡的近鄰對手。該概念描述了美國地面部隊作為聯合和多國團隊的一部分,如何在2025-2050年的時間框架內威懾對手并擊敗能力強大的近鄰對手。

MDO為指揮官提供了許多選擇,以執行同時和連續的行動,利用出其不意以及快速和持續地整合所有領域的能力,給對手帶來多種困境,以獲得物質和心理上的優勢以及對作戰環境的影響和控制。

多域作戰的關鍵元素

  • 滲透敵方的反介入和區域拒止(A2/AD)系統(分層和綜合遠程精確打擊系統、沿岸反艦能力、防空系統、遠程火炮和火箭系統),使美軍能夠進行戰略和作戰機動。

  • 破壞--擾亂、降低或摧毀A2/AD系統,使美軍能夠進行作戰和戰術機動。

  • 利用由此產生的機動自由,通過擊敗所有領域的敵軍來實現作戰和戰略目標。

  • 重新競爭--鞏固各領域的成果,迫使其以對美國和盟國有利的條件恢復競爭。

需要什么樣的軍備解決方案?

  • 戰爭的速度和決策的速度可以說從來沒有像今天這樣快過,而且明天可能也會這樣。

  • 在陸、海、空、天,甚至網絡領域運作的資產的密切協調,以促進ISR活動和對敵對目標的殺傷鏈,需要精確性,以及在各種平臺上 "蓄勢殺傷 "的能力。

  • 系統的通用性可以減少后勤的負擔,簡化培訓和維護,并有助于確保各平臺的性能一致、可靠。

  • 基于成熟技術的解決方案能夠迅速投入使用,并為作戰人員增加更多的靈活性和選擇,是一種力量的倍增劑。

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美國防部第5100.01號指令要求美陸軍 "進行空中和導彈防御,以支持聯合戰役并協助實現空中優勢"。FM3-01描述了美陸軍專門的AMD部門--ADA對AMD行動的計劃、協調和執行的貢獻,以支持大規模作戰行動中的聯合和陸軍部隊。

防空和導彈防御是直接(主動和被動)的防御行動,以摧毀、消除或降低敵對的空中和彈道導彈對友軍和資產的威脅(JP 3-01)。它包括在陸地、空中、海上以及網絡空間和太空中可能采取的行動。反彈道導彈行動是擊敗空中和導彈威脅的防衛性反空結構的一個關鍵因素。在整個防空框架內,AMD行動通常與其他進攻性和防御性的防空任務相結合。雖然本手冊涉及進攻性反空和被動反空的各個方面,但它側重于主動反空戰術和程序。

FM3-01涉及到今天的作戰環境,它所設想的對美陸軍和聯合部隊的威脅是這些部隊在25年內沒有遇到過的。在這種環境下,反坦克部隊必須適應并準備在一個高度競爭的空域中進行大規模作戰行動。FM3-01為反坦克部隊提供了一個應對未來沖突的理論方法,解釋了反坦克部隊的梯隊如何為陸軍的四個戰略角色做出貢獻:塑造作戰環境、預防沖突、進行大規模地面作戰和鞏固成果。

這個FM3-01版本是以ADA梯隊為單位組織的,而不像以前的版本是以ADA系統的角度來介紹。它介紹了從陸軍航空和導彈防御司令部(AAMDC)到防空空域管理(ADAM)單元的ADA梯隊的作用、功能、基本原則和就業宗旨。它進一步描述了ADA梯隊在當前或近期行動中的AMD部隊行動和交戰行動,并討論了這些行動的持續挑戰。

這個版本引入并定義了新的AMD術語。它還定義了在其他AMD理論出版物中反復使用但從未定義的舊術語。

FM3-01由12章組成:

  • 第1章提供了美陸軍AMD的概述。它介紹了一個新的ADA角色聲明,并確定了五個關鍵的ADA基本能力。它介紹了AMD的基本原則和就業宗旨。它總結了支持聯合和統一陸地行動的ADA行動。第1章重新介紹了短程防空(SHORAD),這是保護機動部隊的一個關鍵因素。本章最后討論了ADA士兵和領導人的培訓。本章中提出了大量的定義和術語的擴展解釋,以方便理解適用于所有ADA梯隊的AMD行動和語言。

  • 第2章從AMD的角度討論了美陸軍行動過程。AMD部隊行動一般包括支持空中和導彈威脅的交戰所需的計劃和準備行動。AMD交戰行動包括執行和評估交戰的所有行動。

  • 第3章涉及作戰環境,重點是空中和導彈威脅,從火箭、火炮、迫擊炮到洲際和潛射彈道導彈,以及它們的通用能力。它還涉及美國部隊可能面臨的來自太空和網絡空間威脅的挑戰。

  • 第4章描述了任務指揮以及與陸軍AMD相關的指揮與控制(C2)。它通過AMD的視角討論了任務指揮的原則。它還介紹了適用的權力和C2要素,以及在進行交戰時的駐地。

  • 第5章至第10章分別討論了AMD作戰框架以及基礎原則和宗旨在ADA梯隊中的應用,從AAMDC到機動旅編隊的ADAM單元。每一章都介紹了各自梯隊的角色和能力、組成和行動--在C2、部隊行動、交戰行動和維持行動方面。

  • 第11章描述了非AMD陸軍部隊對執行AMD行動的貢獻。它總結了C2、計劃和使用以及與空中和火箭彈、大炮和迫擊炮(RAM)威脅有關的交戰考慮。它介紹了關于機動部隊 "毒刺 "小組的使用的理論和行動信息。

  • 第12章概述了ADA數據和通信架構以及美陸軍、聯合和多國AMD要素之間的聯系。

  • 附錄A和B分別介紹了美陸軍AMD戰略組織和系統以及ADA系統(那些通常支持作戰和戰術層面的系統)。

根據目前的理論變化,FM3-01的某些術語被添加、修改或廢除。這些術語的清單在第9頁的引言表1和2中提出。詞匯表包含了所定義的術語。

第x頁的引言圖-1說明了FM3-01的邏輯圖。第x頁的引言圖-2說明了ADA理論出版物的層次結構。

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自軍事航空業誕生以來,美國軍方一直對遙控飛機感興趣。今天的無人機系統(UAS)通常由一個無人駕駛飛行器(UAV)和一個地面控制站組成。自20世紀90年代,隨著MQ-1 "捕食者 "的推出,無人機系統在美國軍事行動中已變得無處不在。

美國軍方目前采用了幾種不同的大型無人機系統,包括

  • 陸軍的MQ-1C灰鷹
  • 空軍的MQ-9 "死神"
  • 海軍的MQ-25 "黃貂魚"
  • 空軍的RQ-4 "全球鷹"
  • 海軍的MQ-4C "海獅"
  • 空軍的RQ-170 "哨兵"

此外,其他幾個報告的項目計劃要么正在開發,要么目前正在進行試驗。這些計劃包括空軍的B-21突擊機和空軍的RQ-180。

當國會履行其監督和授權職能時,它可能會考慮與無人機系統有關的幾個潛在問題,項目相關的幾個潛在問題,包括

  • 有人駕駛飛機與無人駕駛飛機的成本。
  • 缺乏公認的后續項目記錄。
  • 整個國防部對無人機系統采購的管理。
  • 無人機系統與現有部隊結構的相互配合。
  • 無人機系統出口管制。

在美國軍方,遙控飛行器(RPV)最常被稱為無人駕駛飛行器(UAV),被描述為單一的飛行器(帶有相關的監視傳感器)或無人駕駛飛行器系統(UAS,或無人機系統),通常由一個飛行器與一個地面控制站(飛行員實際坐在那里)和支持設備組成。當與地面控制站和通信數據鏈相結合時,無人機形成了無人機系統或UAS。

美國國防部(DOD)對無人機的定義,并延伸至無人機系統,是指涵蓋下列特征的飛機:

  • 不攜帶人類操作員。
  • 使用空氣動力提供升力。
  • 可以自主飛行或遠程駕駛。
  • 可以是消耗性的或可回收的。
  • 可以攜帶致命或非致命的有效載荷。

根據國防部的定義,彈道或半彈道載具、巡航導彈和炮彈不被視為無人機系統。

無人機系統的作用和任務已經隨著時間的推移而演變,從收集情報、監視和偵察到執行空對地攻擊任務。此外,一些分析家預測了無人機系統的未來作用,如空對空戰斗和戰斗搜索和救援。然而,對無人機系統的未來概念和任務的詳細討論超出了本報告的范圍。

1 無人機系統(UAS)歷史

無人機系統在第一次世界大戰期間首次進行了測試,盡管美國在那場戰爭中沒有在戰斗中使用它們。美國在越南戰爭期間首次在戰斗中使用了無人機系統,包括AQM-34 Firebee,這一系統體現了無人機系統的多功能性。例如,"火蜂 "最初在20世紀50年代作為空中炮擊靶機飛行,然后在20世紀60年代作為情報收集無人機飛行,并最終在2002年被改裝為有效載荷。

美國軍隊在科索沃(1999年)、伊拉克(2003年至今)和阿富汗(2001年至今)等沖突中使用無人機系統,說明了無人機的優勢和劣勢。(下面討論的MQ-1 "捕食者 "進一步體現了這些優勢和劣勢)。當無人機系統執行歷史上由有人駕駛飛機執行的任務時,它們經常獲得媒體的關注。與有人駕駛飛機相比,它們似乎還具有兩個主要優勢:(1)它們消除了飛行員的生命風險(見關于MQ-4C的討論);(2)它們的航空能力,如續航能力,不受人類限制的約束,并使用對人類來說可能太危險的固有不穩定設計,改進低可觀察技術。此外,無人機系統可以通過執行不需要飛行員在駕駛艙內的 "枯燥、骯臟或危險 "的任務,潛在地保護飛行員的生命。這些任務的例子包括1999年由B-2轟炸機執行的30小時長航時任務(枯燥的任務);空軍和海軍的B-17飛機穿過核云收集放射性樣品(骯臟的任務);以及在存在主動威脅的情況下進行的情報監視和偵察飛行,如便攜式防空系統或綜合防空系統(危險任務)。

此外,無人機系統的采購和操作可能比有人駕駛的飛機更便宜。然而,較低的采購成本可能會與國防部的意見相權衡,即無人駕駛平臺比有人駕駛平臺更有可能發生A類事故,即造成250萬美元的損失、生命損失或飛機毀壞的事故(表1)。當比較事故率時,即以每10萬小時飛行的事故報告,以便對不同類型的飛機進行比較,與有人駕駛的飛機相比,無人駕駛的飛機發生A級事故的可能性要高92%;當MQ-1的事故率從無人駕駛的子類別中刪除時,與有人駕駛的飛機相比,MQ-9和RQ-4發生A級事故的可能性高15%(見表1)。雖然與無人駕駛平臺相比,有人駕駛飛機通常有更多的A類事故,但這一結果可能是由于有人駕駛飛機的數量更多。

表1. 1998至2021財年的軍用飛機失事和毀壞率

國防部通常使用三種模式來操作無人機系統:(1)政府擁有和操作的系統,(2)政府擁有但由承包商操作的系統,以及(3)承包商擁有和操作的系統。當無人機系統首次被引入部隊時,國防部使用了承包商擁有和操作的模式,因為國防部培訓軍事人員來操作這些新型飛機。在培訓了足夠的人員后,國防部過渡到了政府擁有和經營的模式。然而,國防部對分配給承包商運營的飛機(包括政府和承包商擁有的飛機)的任務類型進行了限制,將這些類型的行動限制在情報、監視和偵察的作用。

1.1 MQ-1 "捕食者"與無人機系統的引入

最早進入軍隊服役的無人機系統之一是MQ-1 "捕食者",當時國防部在1996年選擇了空軍來操作 "捕食者"。根據空軍的說法,"捕食者 "的設計目的是 "向作戰人員提供持久的情報、監視和偵察信息,并結合打擊能力"。20作為國防部高級研究計劃局(DARPA)合同下的先進概念技術示范機,"捕食者 "在1995年仍作為技術示范機進行了首次作戰部署,支持北約對塞爾維亞的空襲。從1999年3月到7月,"捕食者 "在科索沃上空飛行了600多架次,進行實時監視和戰損評估。2001年9月,"捕食者 "被部署到阿富汗,在2001年9月11日的恐怖襲擊之后,為支持 "持久自由行動 "提供長期的情報、監視和偵查。美國軍隊對 "捕食者 "的廣泛使用促進了其他密切相關的無人機系統(如下所述)的發展,這些系統旨在執行各種類型的任務。盡管 "捕食者 "于2018年3月9日正式退役,但美軍目前的大部分無人機系統機隊都是基于相同的技術,包括源自 "捕食者 "的機體。

“捕食者”由加利福尼亞州圣地亞哥的通用原子航空系統公司開發,以其綜合監視有效載荷和武器裝備能力幫助定義了無人機系統的現代作用。捕食者的主要功能是對潛在的地面目標進行偵察和目標獲取。為了完成這一任務,"捕食者 "配備了450磅的監視有效載荷,其中包括兩臺電子光學(EO)相機和一臺用于夜間的紅外(IR)相機。這些攝像機被安置在車頭下的球狀炮塔中。掠奪者 "還配備了一個多光譜瞄準系統(MTS)傳感器球,它在EO/IR有效載荷中增加了一個激光指示器,使掠奪者能夠跟蹤移動目標。此外,"捕食者 "的有效載荷包括一個合成孔徑雷達(SAR),它使無人機系統能夠在惡劣的天氣中 "看到"。捕食者的衛星通信提供了超越(地面)視距無線電的操作。

MQ-1捕食者的物理特征:"捕食者"是一種中高度、長壽命的無人機系統。它長27英尺,高7英尺,翼展48英尺,有細長的機翼和一個倒 "V "形的尾翼。"捕食者"通常在10,000到15,000英尺的高度運行,以便從其視頻攝像機獲得最佳圖像,盡管它能夠達到25,000英尺的最大高度。每輛飛行器可以在離其基地500多海里的地方停留24小時,然后返回家園。"捕食者"的飛行員和傳感器操作員從地面控制系統中駕駛飛機。

2001年,作為一項輔助功能,"捕食者 "配備了攜帶兩枚地獄火導彈的能力。以前,"捕食者 "識別目標并將坐標轉發給一架有人駕駛的飛機,然后與目標交戰,但增加反坦克彈藥后,無人機系統能夠對時間敏感的目標發動精確攻擊,并將 "傳感器到射擊 "的時間周期降至最低。因此,空軍將 "捕食者 "的軍事名稱從RQ-1B(偵察型無人機)改為MQ-1(多任務無人機)。

在 "捕食者 "作戰成功后,陸軍和空軍都開發了變種飛機,包括MQ-1C "灰鷹 "和MQ-9 "收割者"(下文討論)。這些飛機使用了原來的 "捕食者 "機身,同時增加了發動機功率和武器裝備。

2 選定的當前無人機系統項目計劃

以下各節概述了國防部目前選定的無人機系統項目。

  • 陸軍的MQ-1C “灰鷹”
  • 空軍的MQ-9 "死神"
  • 海軍的MQ-25 "黃貂魚"
  • 空軍的RQ-4 "全球鷹"
  • 海軍的MQ-4C "海獅"
  • 空軍的RQ-170 "哨兵"

除了RQ-170 "哨兵 "是一個公認的機密無人機系統項目外,這些選定的系統都有國防部發布的選定采購報告,其中提供了詳細的信息和系統特征。表2提供了這些選定的無人機系統的特征摘要。

表2. 選定的無人駕駛飛機的特征摘要

2.1 MQ-1C “灰鷹”

MQ-1C“灰鷹”(圖1)是MQ-1 "捕食者 "的陸軍衍生產品。根據陸軍的說法,MQ-1C“灰鷹”為作戰人員提供了專用的、有保障的、多任務的無人機系統能力,涵蓋所有10個陸軍師,以支持指揮官的作戰行動和陸軍特種部隊及情報和安全指揮部。 陸軍表示,MQ1C灰鷹能夠以150節的最大速度在25,000英尺的高度飛行至少27小時。它可以攜帶四枚地獄火導彈,以及光電傳感器、合成孔徑雷達和通信中繼器。根據2021財年選定的采購報告,陸軍的MQ-1C“灰鷹”在2019財年飛行了超過494,000小時,實現了92%的戰斗行動可用性。

圖1. MQ-1C “灰鷹”

陸軍總共采購了204架飛機,其中11架是訓練飛機,13架是 "戰備浮動飛機"(即備件)。平均采購單位成本(基本上是每架飛機的成本)為1.275億美元。36 陸軍在2018年8月完成了MQ-1C "灰鷹 "的作戰測試和評估,目前在15個陸軍連隊運營該無人機系統。

2.2 MQ-9 "死神"

MQ-9 "死神"(圖2)--以前是 "捕食者B"--是通用原子公司對MQ-1 "捕食者 "的替代。根據空軍的說法,MQ-9 "死神 "是一種中高海拔、長續航時間的無人機系統,能夠進行監視、目標獲取和武裝對抗。盡管MQ-9 "死神 "借鑒了MQ-1 "捕食者 "的整體設計,但MQ-9 "死神 "長13英尺,翼展長16英尺。MQ-9 "死神 "還采用了900馬力的渦輪螺旋槳發動機,比MQ-1 "捕食者 "的115馬力發動機功率大得多。這些升級使MQ-9 "死神 "能夠達到最大50,000英尺的高度,240節的空速,24小時的續航時間,以及1,400海里的航程。然而,MQ-9 "死神 "與其前輩最不同的特點是其軍械能力。MQ1捕食者能夠攜帶兩枚100磅的地獄火導彈,而MQ-9死神可以攜帶多達16枚地獄火導彈,相當于陸軍阿帕奇直升機的有效載荷能力,或者混合500磅的武器和小直徑炸彈。在2018日歷年,MQ9 "死神 "總共飛行了325,000小時--其中91%的小時,即約296,000小時,是為了支持作戰行動而飛行的。

圖2. MQ-9 "死神"

2021年1月,通用原子公司披露了MQ-9 "死神 "的一個新的海上反水面戰變體。據報道,MQ-9B "海上衛士 "配備了聲納浮標投放(投放旨在識別潛艇的傳感器)和遙感能力(很可能是指 "海上衛士 "用于搜索水面艦艇的合成孔徑雷達),目前正在太平洋地區進行測試。

根據2020財年選定的采購報告,空軍已與通用原子公司簽訂合同,在該計劃的有效期內建造366架MQ-9 "死神"。按2008年美元計算,平均采購單位成本為2230萬美元(或按2022財年美元計算約為2800萬美元)。在2022財年,空軍沒有要求采購任何MQ-9 "死神",但眾議院軍事委員會在其標記中授權額外采購6架飛機。

2.3 MQ-25 "黃貂魚"

由波音公司制造的MQ-25 "黃貂魚"(圖3)旨在為海軍的航母航空隊提供空中加油。根據海軍的說法,MQ-25將率先實現有人和無人操作的整合,展示成熟的復雜的海基C4I[指揮、控制、通信、計算機和情報]無人機系統技術,并為未來多方面的多任務無人機系統鋪平道路,以超越新興威脅。MQ-25的要求是解決基于航母的加油和持久的情報、監視和偵察能力的需要。

MQ-25 "黃貂魚 "由一個飛行器和一個控制系統組成,旨在適合航空母艦。它的首次飛行是在2019年9月進行的。MQ-25 "黃貂魚 "目前正處于采購過程的工程、制造和設計階段,海軍計劃在2023財政年度開始采購。根據2021財年的選定采購報告,海軍打算采購76架飛機,平均采購單位成本為1.21億美元。海軍在確定將加油作為其第一個航母上的無人機系統任務之前,研究了幾個無人戰斗飛行器概念。

圖3. MQ-25 "黃貂魚"

2.4 RQ-4 "全球鷹"

諾斯羅普-格魯曼公司的RQ-4 "全球鷹"(圖4)是美國空軍目前投入使用的最大和最昂貴的無人機系統之一。RQ-4 "全球鷹 "集成了多樣化的監視有效載荷,其性能被廣泛認為可與大多數有人駕駛的間諜飛機相媲美或超越。RQ-4全球鷹長47.6英尺,重32,250磅,與一架中等規模的公司飛機差不多大。根據空軍的說法,RQ-4全球鷹的飛行高度幾乎是商業客機的兩倍,可以在65,000英尺的高空停留超過34小時。它可以飛到5,400海里外的目標區域,在60,000英尺高空徘徊,同時監測一個伊利諾伊州大小的區域(近58,000平方英里)24小時,然后返回。RQ-4 "全球鷹 "最初被設計為一種自主的無人機,能夠根據預先編入飛機飛行計算機的輸入進行起飛、飛行和降落;然而,空軍通常在任務控制飛行員和傳感器操作員的配合下操作這些飛機。

圖4. RQ-4 "全球鷹"

RQ-4全球鷹目前以三種配置部署。Block 20、Block 30和Block 40:

  • 20號機被稱為戰場機載通信節點(BACN,發音為 "bacon"),充當地面部隊的通信中繼。目前有四架飛機采用這種配置。

  • 30號機使用合成孔徑雷達(SAR)、光電/紅外(EO/IR)傳感器、增強型綜合傳感器套件(EISS)和機載信號情報有效載荷(ASIP)的組合。Block 30的初衷是為了取代U-2間諜飛機。目前有20架Block 30飛機正在服役。

  • 40號機整合了具有地面跟蹤能力的多平臺雷達技術(可跟蹤地面部隊的雷達,類似于E-8C JSTARS飛機)。10架Block 40飛機正在服役。

截至2016財年的選定采購報告,RQ-4全球鷹已經飛行了14萬小時(其中10萬小時支持作戰行動)。2014年,79.7%的飛機可用于執行任務。2014財年的平均采購單位成本為1.228億美元(或按2022財年調整后的美元計算為1.411億美元)。總統的2022財年預算請求重申了空軍計劃在2021財年退役所有Block 20飛機,并在2022財年退役所有Block 30飛機。

2.5 MQ-4C "海獅"

海軍的MQ-4C "海神"(圖5)也被稱為廣域海上監視(BAMS)系統,它以 "全球鷹 "Block 20機身為基礎,但使用不同的傳感器,與P-8 "海神 "有人駕駛飛機一起支持海上巡邏行動。根據2020財年選定的采購報告,"安裝在MQ-4C天龍上的任務傳感器提供360度的雷達和光電/紅外覆蓋"。報告稱,海軍打算在2020年10月達到初始作戰能力,并在2021年5月做出全速生產的決定。在2019年的年度報告中,作戰測試和評估主任表示,海軍結束了對該飛機的作戰評估,這支持了早期的實戰決定。MQ-4C "海獅 "的平均采購單位成本在2016財年為1.461億美元(或在2022財年約為1.626億美元)。

圖5. MQ-4C "海獅"

2019年6月,伊朗軍方在阿曼灣擊落了一架MQ-4C "海獅",國防部稱其為BAMS飛機。根據海軍的新聞簡報,這架飛機當時正在該地區飛行,監測霍爾木茲海峽是否有伊朗對商業航運的威脅。國防部官員表示,"這次襲擊是在最近國際航運和商業自由流動受到威脅之后,試圖破壞我們監測該地區的能力。" 當時,特朗普政府似乎考慮對伊朗摧毀一架美國飛機進行報復性打擊,但據報道,在回應一架無人駕駛飛機的損失時,升級風險是不值得的。

2.6 RQ-170 "哨兵"

盡管RQ-170 "哨兵"(媒體也稱之為 "坎大哈的野獸")被公開承認存在,但關于它的大部分信息都是保密的。RQ-170 "哨兵 "首次在阿富汗上空被拍到,但據說也曾在韓國作戰,它是一種無尾的 "飛翼",比美國目前的其他無人機系統更隱蔽。 據報道,一架RQ-170 "哨兵 "在2011年5月1日對奧薩馬-本-拉登的駐地進行了監視和數據中繼。伊朗政府在2011年12月2日聲稱擁有一架完整的RQ-170 "哨兵",因為它被指控侵入了伊朗領空。

RQ-170 "哨兵 "由洛克希德-馬丁公司制造,翼展約65英尺,長近15英尺,由一臺噴氣式發動機驅動。它的上翼表面似乎有兩個傳感器托架(或衛星天線外殼)。雖然該機具有像B-2隱形轟炸機那樣的固有的低可觀察性混合機翼/機身設計,但RQ-170 "哨兵 "的常規進氣口、排氣口和起落架門表明其設計可能沒有完全針對隱形進行優化。

根據空軍的說法,"RQ-170哨兵是空軍正在開發、測試和投入使用的低可觀察性無人駕駛飛機系統(UAS)"。 沒有進一步的官方狀態。

2.7 其他報告的項目計劃

盡管其他無人機系統項目正在開發中,但它們在很大程度上是保密的,因此有關它們的信息并不公開。這些項目包括B-21 "突襲者"(據說是一種能夠進行遠程駕駛的載人轟炸機)和RQ-180。2021年12月4日,空軍部長弗蘭克-肯德爾透露,空軍打算在2023財政年度啟動兩個新的無人機系統項目,但沒有其他信息。

B-21 "突襲者"

即將推出的B-21 "突襲者 "不是一個純粹的無人機系統;這種遠程轟炸機預計將由遠程或機上人員操作。B-21(圖6)打算在常規和核方面發揮作用,有能力穿透先進的防空環境并在其中生存。預計它將在20世紀20年代中期開始服役,建立一個由100架飛機組成的初始機隊。B-21將駐扎在德克薩斯州的戴斯空軍基地、密蘇里州的懷特曼空軍基地和南卡羅來納州的埃爾斯沃思空軍基地,其中埃爾斯沃思是訓練基地。

圖6. 對B-21的渲染圖

B-21是圍繞三個具體的能力而設計的:

1.一個大而靈活的有效載荷艙,能夠攜帶目前和未來的各種武器裝備。

2.航程(盡管是保密的)。

3.預計每架飛機的平均采購單位成本為5.5億美元(2010財政年度),這是公開宣布的,以鼓勵競爭廠商限制其設計。

盡管空軍已經發布了轟炸機的藝術效果圖,但具體設計仍然是機密。

為了實現5.5億美元的目標,單位成本被指定為采購戰略中的一個關鍵性能參數,這意味著達不到這個價格就會失去投標資格。(該價格是基于采購100架飛機;數量的變化可能會影響實際的單位成本)。在授標公告中,空軍透露,諾斯羅普公司中標的獨立成本估計為每架飛機5.11億美元,相當于2016財年的5.64億美元。空軍表示,截至2021年的平均采購單位成本在2010財政年度為5.5億美元,或在2022年為6.7億美元。

RQ-180

據報道,另一個正在開發的無人機系統項目是RQ-180,據說是一種轟炸機大小的無人機系統。 2014年6月9日,前空軍負責情報、監視和偵察的副參謀長羅伯特-奧托中將說,空軍正在 "研究RQ-180遙控飛機,以使其更好地進入有爭議的空域,在那里,無人駕駛的RQ-4全球鷹和有人駕駛的U-2S平臺是很脆弱的。" 關于RQ-180的其他細節幾乎沒有公開發布,空軍也沒有正式承認該計劃。

3 關于國會潛在的問題

本節討論了國會在考慮國防立法時可能出現的問題,包括與載人系統的成本比較,缺乏后續的記錄項目,組織管理,與現有部隊結構的互操作性,以及出口管制。

3.1 與載人系統的成本比較

在2021年6月的一份報告中,美國國會預算辦公室(CBO)研究了有人和無人的情報、監視和偵察(ISR)飛機之間的成本、可靠性和出動率。值得注意的是,CBO確定RQ-4全球鷹每飛行小時的成本約為18,700美元,或載人P-8海神的62%,后者可執行類似任務,每飛行小時的成本為29,900美元。報告還指出:

  • 與P-8相比,RQ-4全球鷹預計每年多飛行356小時

  • RQ-4全球鷹的預計壽命為20年,而P-8的預計壽命為50年

  • RQ-4全球鷹的采購成本為2.39億美元,而P-8海神的采購成本為3.07億美元(約為該載人平臺采購成本的78%)。

同樣,其他UAS飛機的購置成本和每飛行小時的成本也比有人駕駛飛機低。然而,UAS飛機通常比有人駕駛飛機有更高的事故率。國會在比較飛機系統時可以考慮這種權衡--較低的成本與較高的風險。

3.2 缺少后續項目記錄

在伊拉克和阿富汗沖突期間,美國軍方每年購買數百個無人機系統,主要是MQ-1 "捕食者 "和MQ-9 "死神",但也有RQ-4 "全球鷹 "和MQ-4 "海獅"。當這些沖突結束后,采購量驟然下降。例如,各部門在2012財政年度采購了1211架中型或大型無人機系統,但到2014年,每年的數量下降到54架無人機系統,而且這個數字還在繼續下降。2022財年的預算報告要求采購6套UAS。

國防部沒有對這一變化進行正式的評論;然而,有幾個因素可能影響了這一下降趨勢。一個是在伊拉克和阿富汗沖突期間獲得的許多無人機系統共享類似的技術,軍方可能沒有設定新的要求來納入新技術。另外,盡管那些第一代和第二代無人機系統在寬松的空中環境(如伊拉克和阿富汗的環境,那里沒有對手的空軍或防空部隊)下運行良好,但在與先進的防空部隊和飛機的近距離沖突中,它們會面臨更大的挑戰,而這些飛機越來越成為美國國防規劃的一部分。國防部也可能在更先進的技術(如噴氣動力無人機系統)成熟時,有意識地在采購方面采取戰略暫停。最后,許多無人機系統的開發被認為在這一時期轉移到了不被承認的機密系統。因此,國防部的采購可能沒有如此急劇下降,而是從非機密或公認的機密項目轉移到公共預算文件中看不到的非公認的機密項目。

3.3 組織管理

盡管大多數美國軍用無人機系統是基于MQ-1 "捕食者 "機身的,但各軍種都有無人機系統項目。在授權和監督方面,國會可以考慮以下問題。誰應該管理國防部無人機系統的開發和采購?這些項目中至少有一部分的管理應該集中起來嗎?如果是這樣,國防部的中央機構應該設在哪里?

前空軍參謀長諾頓-施瓦茨將軍提出:"理想情況下,你想做的是讓美國政府以一種能夠讓我們獲得最佳能力的方式。一個例子是BAMS[MQ-4 Triton]和[RQ-4]全球鷹。為什么海軍和空軍要有兩個獨立的倉庫、地面站和訓練管道,來處理本質上是相同的飛機和不同的傳感器?我認為我們雙方有很多機會可以更好地利用資源。" 蘭德公司2013年的一項研究發現,從歷史上看,聯合載人飛機項目并沒有帶來生命周期的成本節約,但通過一個辦公室管理多個項目而不完全合并這些項目可能是可能的。

3.4 與現有部隊結構的互操作性

無人機系統在與有人駕駛飛機執行任務時帶來了潛在的互操作性挑戰,因為飛行員并不直接在飛機上,而是位于機場上,用于起飛和降落,或者位于美國的一個設施。例如,UAS飛行員依靠攝像機或傳感器與編隊中的有人飛機進行視覺接觸。在過去的20年里,陸軍和空軍都展示了將無人機系統整合到其行動中的方法;最近,陸軍在其2021財政年度的項目匯合中試驗了新的概念。然而,海軍和海軍陸戰隊在將無人機系統整合到他們目前的機隊和行動中的經驗有限,特別是在航空母艦和兩棲艦上的大型無人機系統。隨著新的無人機系統的開發,以及使用這些飛機的新概念,有人駕駛的飛機和無人機系統將如何整合仍有待觀察。同樣,目前還不清楚與空域沖突有關的問題在多大程度上會給國防部帶來挑戰。

3.5 出口管制

美國通過多邊出口管制制度和國家出口管制來控制無人機系統的出口。

導彈技術管制制度

導彈技術管制制度(MTCR)"尋求限制 "核生化武器擴散的風險,"通過管制可能有助于此類武器運載系統(除有人駕駛飛機外)的貨物和技術的出口"。1987年由美國和其他六個國家成立的MTCR,每年舉行幾次會議,目前由35個伙伴國組成,是一個非正式的自愿安排,其伙伴國同意對一個包含兩類受控物品的附件適用共同的出口政策準則。伙伴國根據國家立法執行這些準則,并定期交流有關出口許可證問題的信息,包括拒絕技術轉讓。MTCR準則適用于武裝和非武裝無人機系統。

第一類MTCR項目是最敏感的,包括 "能夠在至少300公里范圍內運送至少500公斤有效載荷的完整無人機系統,其主要的完整子系統......以及相關的軟件和技術",以及為這些無人機系統和子系統 "專門設計的 "生產設施。伙伴國政府應 "強烈推定拒絕 "此類轉讓,無論其目的如何,但可在 "罕見情況下 "轉讓此類項目。 該準則禁止出口第一類物品的生產設施。制度伙伴在授權出口第二類物品方面有更大的靈活性,其中包括不太敏感和兩用的導彈相關部件。這一類別還包括完整的無人機系統,無論有效載荷如何,射程至少為300公里,以及具有某些特征的其他無人機系統。

MTCR準則指出,各國政府在考慮MTCR附件物品的出口請求時應考慮六個因素。(1) 對核生化擴散的關注;(2) 接受國 "導彈和空間計劃的能力和目標";(3) 轉讓對核生化運載系統的 "潛在發展意義";(4) "對轉讓的最終用途的評估",包括下文所述的政府保證;(5) "相關多邊協定的適用性";以及(6) "受控物品落入恐怖團體和個人手中的風險"。 " 該準則還規定,如果伙伴國政府 "根據所有可用的、有說服力的信息 "判斷該物品 "打算用于 "核生化武器的運載,則強烈推定拒絕轉讓MTCR附件中的任何物品或任何未列入清單的導彈。

此外,MTCR準則指出,如果出口國政府不判斷擬議的第一類無人機系統的轉讓是用于核生化運載,政府將從接受國獲得 "有約束力的政府對政府的承諾",即 "未經 "出口國政府的同意,"該項目或其復制品或衍生品都不會被再次轉讓。出口國政府還必須承擔 "采取一切必要步驟,確保該物品只用于其既定的最終用途 "的責任。此外,政府只有在得到 "接受國政府的適當保證",即接受國將只為其既定目的使用這些物品,并在未經出口國政府事先同意的情況下不修改、復制或重新轉讓這些物品的情況下,才可批準轉讓 "可能有助于[核生化]運載系統 "的物品。伙伴國政府的出口管制必須要求在政府通知出口商此類物品 "可能全部或部分用于......載人飛機以外的[核生化]運載系統 "的情況下,授權轉讓未列入清單的物品。這些限制被稱為 "全面 "管制。

其他多邊出口管制制度

其他多邊制度限制可能使無人機系統開發核生化有效載荷的技術的出口。例如,核供應國集團管理與核有關的出口,而瓦森納安排在常規武器和某些兩用貨物和技術方面發揮著類似的作用。澳大利亞集團是與化學和生物武器有關的技術的類似組織。

美國的出口管制

從2017年開始,美國向MTCR合作伙伴提交了一系列建議,以放寬該制度對某些無人機系統的出口準則。 這些政府以協商一致的方式作出決定,但沒有同意采納任何這些建議。2020年7月24日,特朗普政府宣布了一項新的無人機系統出口政策,將 "精心挑選的MTCR第一類無人機系統的子類,其飛行速度不能超過每小時800公里(大約每小時500英里),視為第二類",從而克服了MTCR對這些系統的 "強烈拒絕推定"。美國已經向法國、意大利、日本、德國、韓國、西班牙和英國出口了MTCR第一類無人機系統。

美國商務部工業與安全局(BIS)2021年1月12日的最終規則實施了對美國兩用許可程序的相關修改。BIS向國會提交的2020財政年度報告指出,取消了所有2020年MTCR會議,并解釋說,美國單方面采取這一政策是因為 "在可預見的未來,MTCR沒有進一步進展的場所"。 國務院的一位官員說,該提案 "仍然是我們在MTCR中的一項優先努力,但這--與其他許多事情一樣--受到了旅行限制的阻礙",該限制是為了應對COVID-19病毒帶來的風險。MTCR成員在2021年10月舉行了一次全體會議,但沒有通過美國的提案。

美國對無人機系統的出口施加了一些其他限制。美國務院負責管理對軍用無人機系統和其他國防物品的出口管制;這一制度的法定依據是《武器出口管制法》(AECA;P.L. 94-329)。該法第71(a)條要求國務卿保持一份MTCR附件中所有不受美國雙重用途管制的物品清單。美國出口管制法》還限制了原產于美國的國防物品的用途,并禁止未經美國政府許可向第三方轉讓此類物品。2018年出口管制法》(P.L. 115-232,B副標題,第一部分)為總統提供了廣泛而詳細的立法授權,以實施對兩用物品出口的控制,包括兩用無人機系統和相關組件。美國關于兩用物品出口的法規包含對無人機系統的全面控制。

美國政府還實施了一些法規,以確保原產于美國的無人機系統的接收者將這些物品用于其申報的目的。根據2019年5月國務院的一份概況介紹,美國將轉讓軍用無人機系統,"只有采取適當的技術安全措施"。 國務院和商務部都會進行最終監測,以確定接受國是否適當地使用出口物品。概況介紹說,一些軍用無人機系統 "可能要接受強化的最終使用監測",以及 "額外的安全條件"。根據國務院的概況介紹,美國轉讓MTCR第一類無人機系統也 "應要求與 "美國政府就該系統的使用進行定期磋商。

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