万字长文：珠海航展忠诚僚机很火爆，放眼世界我们到底水平如何？
科技
军事
2024-11-19 22:43
广西
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编者按：在第15届珠海航展上，各种新型无人装备与歼-35A、苏-57等有人战机一样颇受瞩目，尤其是中国版“忠诚僚机”FH-97A的亮相，为世人揭开了中国在探索无人机深度介入的新空战技术方面的进展。随着无人机与人工智能技术的日益融合，以往只在科幻影片中出现的AI战机大战有人战机的场景恐怕在不久将来就会变为现实。本文作者——资深工科985通信硕士瑞翔试图用万字长文的方式以AI技术为切入点，把AI技术在空战领域的运用以及对空战形态的影响进行介绍，这其中就会讲清楚忠诚僚机。希望对感兴趣的朋友有所裨益。阅前敬请加注星标，以免错过精彩内容，谢谢！引子：奇特的模拟空战
AI空战入门
美国的有无协同发展
俄罗斯的有无协同发展
欧洲的有无协同发展
日本的有无协同发展
澳大利亚的有无协同发展
中国的AI空战能力发展
结语
2024年5月2日，一则新闻在国际航空界引发了爆炸效应。美国空军部长弗兰克·肯德尔亲自坐进一架被称作VISTA X-62A的双座战斗机驾驶舱前排，升空与一架F-16进行视距内模拟空战，而对方驾驶员是一位拥有2000～3000小时经验的现役战斗机飞行员。按照规则，空战的武器为近距格斗导弹和机炮，共有3个不同版本的10～12种空战设定。这场空战发生在美国加利福尼亚州爱德华兹空军基地上空，其新闻爆点并不在于年逾古稀的空军部长大人如何将自己塞进战斗机的狭窄座舱，而在于毫无空战经验的他居然与对手打得难解难分。肯德尔当然不是什么天赋异禀的天才，秘诀在于他乘坐的VISTA X-62A其实是一架由AI控制的无人战斗机！![]()
■2024年5月，美国空军部长弗兰克·肯德尔坐在由AI控制的战斗机上。“我坐在前座，操纵杆上有一个按钮，我可以一键启动自动空战模式。一旦我们得到关于威胁所在位置的告警——无论是在前方、后面还是任何出乎意料的地方——我就会按下按钮，飞机会立即自动机动到有利的位置，然后要么远离威胁，要么向威胁目标开火射击。这基本上是一场势均力敌的战斗，如果对手不是一个仅次于‘指挥飞行员’级别的高级飞行员， VISTA X-62A能取得更好的成绩。”肯德尔如此说道。在这场奇特的模拟空战，空军部长只不过是VIP观众，真正负责空战行动的实际上是机载人工智能（Artificial Intelligence，AI）：VISTA X-62A正是一架接受无人化改造，加装自主空战系统的F-16D Block 30战斗机。在空战AI的控制下，VISTA X-62A以超过880千米的时速进行机动，与王牌飞行员驾驶的F-16展开近至300米距离的咬尾竞赛，并对肯德尔的身体施加了5倍于自身体重的压力。2005年上映的美国科幻片《绝密飞行》（Stealth）虚构了人工智能控制的战斗机大战苏-27的桥段，观众们在对激烈火爆的空战场面大呼过瘾之余，也认为“觉醒”的人工智能驾驶战斗机战胜人类飞行员的情节过于天马行空。然而，在不到20年的时间里，AI空战的未来之光已经照进了现实。![]()
■《绝密飞行》中无人机和有人机展开空战的剧照。虽然上述新闻极具噱头，但也并非石破天惊。事实上在AI空战的赛道上各军事大国早已下场并布局多年，因为各国军方早就认识到AI空战相比由人操控的传统空战模式具有无法比拟的优势：首先，AI空战的平台是无人机，节省了培养飞行员的时间和经济成本。一个合格的飞行员往往要用5年时间加以培训，再用5年时间不断学习装备和技术的新知识，期间伴随的金钱花销同样巨大。训练AI则简单得多，充分学习和训练的AI可以轻松地无成本复制。复制的AI在空战技能水平上没有区别，而人类飞行员的传帮带效果却参差不齐。再者，遂行AI空战的无人机免去了维持飞行员生命的配套系统，也不需要弹射座椅，可以节省可观的飞机重量转用于载油、载弹或其他装备。无人机的空战机动无需考虑人类飞行员的生理极限，AI也不知疲劳，“头脑”永远清醒。最后，无人机比有人战斗机在硬件上更便宜，不用过于担心装备的战损，更不用担心飞行员的伤亡，可以执行危险程度更高的任务。AI和无人机具有天然的密切关联，但是AI空战并不能和无人机空战划等号。早在2002年美国的RQ-1“捕食者”无人机就在海湾上空和伊拉克的米格-25战斗机发生过空战，仍然胶着的俄乌战场上也上演过无人机之间空中撞击的剧目，而AI空战显然和这些依靠地面站遥控的无人机空战不是同一回事：无人机被AI赋予更大的自主权，彻底摆脱地面站遥控机制带来的战场感知限制和操作时延限制。从自主程度上划分，AI空战概念可以分成以下3个级别：1、战斗机上无人，完全由AI控制起飞、降落、机动和开火，AI自主程度最高；2、战斗机上有人，人类负责起降和下定空战决心，战斗机的机动和开火由AI控制；3、战斗机无人，作为有人战斗机的僚机，起飞、降落和空战受有人战斗机控制，AI自主程度最低。其中第3级别又可细分为两类：1）有人战斗机和无人僚机都从地面机场起飞，无人僚机伴飞有人战斗机；2）有人战斗机携带（挂载）无人僚机从地面机场起飞，人类飞行员在空中视战场态势决定是否释放无人僚机。级别1：完全AI自主是AI空战的最高级别，“扳机”的扣动全在AI的一念之间，电影《绝密飞行》中的无人机击败苏-27桥段所描述的就是这样的空战场景。实现这一级别的AI空战最大的问题来自于伦理方面：让AI掌握杀人的权力是否安全？在《绝密飞行》中，具备了自我意识的AI就已经做出了违逆长官意志的“反叛”行为。即使在AI空战技术发展引领全球的美国空军内部，目前也以否定完全AI自主的观点为主流。级别2：飞机上有人，但是只负责做出交战决策，具体空战动作由AI控制。从繁琐且极其消耗精力的空战操作中解放出来以后，飞机上的人类乘员就可以更加从容地处理更需要人类智力的问题。这就是开篇新闻中空军部长肯德尔体验的空战模式，而该模式一旦成熟将成为AI空战的一种重要形式。如前文所述，肯德尔驾乘的VISTA X-62A战斗机实际是由一架F-16战斗机为适应AI空战改造而来。以原本的有人平台实现AI空战有着独特的优点：F-16战斗机有目前无人机普遍不具有的强大航电系统，比如火控雷达，空战时开火能力更强；F-16载弹量可达8吨，远超目前主流无人机的载弹水平；F-16的最高航速超过2马赫，目前的无人机难以望其项背。为了获得此种AI空战能力，美国国防高级研究计划局（DARPA）于2019年5月启动“空战演进”（ACE）项目。参与项目的8家公司各自开发用于F-16战斗机的人工智能空战算法，其中很多是初创小公司，而著名公司有洛克希德·马丁和佐治亚理工 Georgia Tech的人工智能学院。2019年11月20~21日，约翰·霍普金斯应用物理试验室举行了各家公司推出的空战AI之间的“阿尔法狗斗”（Alpha Dogfight）竞赛，规则规定各方模拟驾驶的F-16战斗机只能使用机炮作为攻击手段。结果，名不见经传的小公司“苍鹭系统”（Heron System）的算法胜出。“苍鹭”空战AI随后和美国空军王牌飞行员在模拟机上进行单挑，出人意料地取得了5∶0大胜的战绩。2022年12月和2023年4月，美国空军使用AI代理驾驶VISTA X-62A战斗机进行实际飞行测试。2023年9月，无人驾驶的VISTA X-62A战斗机首次与人类飞行员正面交锋。此后，类似的空战测试进行了约21次，空战AI在测试中自我学习的速度很快，对抗人类飞行员时已经呈现出可观的胜率。![]()
■AI控制的VISTA X-62A（左）和人类飞行员驾驶的F-16进行空战测试。所以，本次在媒体报道之下大出风头的空军部长肯德尔的AI空战故事并非一夕达成，更是其背后美国军方多年持续投入后的水到渠成。级别3：有人飞机（尤其是五代战斗机）带领无人机（尤其具有隐身能力的型号）协同执行空战任务，这种AI空战模式其实就是美国首先提出的“忠诚僚机”概念，也是目前各军事大国着力发展的热点战法。无人机协同有人机作战，简称“有/无协同”，本质上是无人机充当有人机的僚机，接受有人机的任务安排，增强有人机对战场态势的感知，提高有人机的生存几率和扩充有人机的火力打击范围。无人机和有人机一同飞向战场，克服了地面控制站和无人机距离过远时的时延问题，使得无人机对空战形势作出及时反应成为可能。典型的空战构想为：1架五代有人战斗机指挥2～4架隐身无人僚机在自己前方几十到上百千米，利用无人僚机的机载雷达等传感器扩展己方对战场的感知范围。在无人僚机发现敌机后，有人战斗机可以命令其发射空空导弹实施攻击。此时己方有人战斗机还远在后方，免于被敌机发现。突前的无人僚机得益于更小的机身尺寸以及兼顾隐身效果的外形，也有可能不为敌机所探知。敌机在面对来袭的空空导弹时，可能无法及时察觉而被击落，也有可能在导弹告警系统的提醒下进行规避和逃逸。无论哪种情况，均可视为对敌机作战行动的挫败。如果无人僚机基于平衡成本的考虑未加装雷达，在有人战斗机雷达探测距离100千米、空空导弹攻击范围80千米的假定下，无人僚机也可以只携带雷达制导空空导弹前出有人战斗机20千米占位。当敌机距离己方无人僚机80千米时可被己方有人战斗机雷达发现，有人战斗机可命令无人僚机向敌机发射空空导弹，并以机载雷达对空空导弹提供制导。假设敌机具有和己方有人战斗机相似的性能，则双方可能同时发现对方。但是，对于敌机来说，其发现的目标包括了己方有人机和无人机，而己方有人机实际上仍位于敌机导弹射程之外，所以就算敌机也同时发射了空空导弹，也大概率瞄向了无人僚机。而己方有人战斗机在保持航向完成对无人僚机发射的空空导弹的中段制导之后，即可掉头离开战场，空空导弹在自身主动寻的装置的导引下完成对敌机的末段冲刺。对于敌机发射的导弹而言，最好的结果无非是击中了对方的无人僚机，最坏的结果则是因为敌机的被击落或敌机的逃逸而无法完成中段制导，最终脱靶。前出的无人僚机不仅可以充当有人战斗机的导弹发射架和扩展有人战斗机的战场态势感知，还可以作为电子战平台破坏敌方的战场态势感知。无人僚机之间也可以存在任务差异，如分别担任诱饵、通信中继、火力平台和制导平台等。美国关于有/无协同空战的示意图可以大致说明无人僚机的用途：![]()
■美军对无人僚机承担任务及运用方式的规划图。
美国空军研究实验室（AFRL）于2015年发起“忠诚僚机”项目，开发无人机自主技术，通过有人机/无人机协同增强美国空军在未来的对抗和拒止环境中的作战能力。美国海军陆战队在2016年用1架AV-8B“鹞II”战斗机与克瑞拓斯（Kratos）UTAP-22无人机协同飞行，前者用分布式目标处理系统（DTP-N）和战术目标网络技术（TTNT）数据链这两项技术和后者进行了信息交互，验证了“忠诚僚机”的可行性。目前“忠诚僚机”项目中的无人机平台主要是克瑞拓斯公司推出的XQ-58“女武神”。该款无人机采用隐身设计，长8.8米，宽6.7米，最高速度0.85马赫，实用升限13715米，作战半径达到3941千米，载弹量2吨。如果得到充分量产，该机型的单价可以低至200万美元，无人机的经济性得以完美体现。2019年3月，在美国亚利桑那州尤马试验场首飞后，“女武神”进行了多次测试。早在2020年，美国空军就测试采用F-22和F-35战斗机与XQ-58A无人机进行编队飞行，使其充当F-22和F-35战斗机之间的通信节点，以实现数据交换。2021年3月26日，“女武神”首次打开了内部武器舱门，在空中释放了重约12千克的Area-I公司Altius-600小型无人机。![]()
■2022 年在埃格林空军基地进行的一次测试中，一架“女武神”与一架F-16编队飞行。
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■在2023年7月25 日的测试中，一架“女武神”无人机（右）在埃格林基地与一架F-15E 战斗机一起飞行。2023年7月25日，“女武神”无人机在佛罗里达州的埃格林空军基地完成了一次长达3小时的AI自主飞行。未来，“女武神”无人机主要担任五代机F-35和“下一代空中优势战斗机”（NGAD）的僚机，其挂载的AIM-260空空导弹射程可达260～300千米，届时将进一步增强有人机/无人机协同作战编队的超视距空战能力。![]()
■MQ-58B“女武神”电子攻击无人机和F-35协同编队，测试无人僚机对防空单位的电子压制能力。美国海军也不甘人后，于2020年2月测试了1架F/A-18E/F“超级大黄蜂”舰载战斗机搭配2架无人版EA-18G“咆哮者”电子战飞机的协同作战能力。无人版“咆哮者”搭载ALQ-249电子战吊舱，比此前演习中致盲并“击落”了F-22隐身战斗机的“咆哮者”搭载的ALQ-99电子战吊舱更为强大。作为僚机，无人版“咆哮者”无疑能为有人长机迎战敌方隐身战斗机提供可观的电子战保障。![]()
■“咆哮者”机身上夸耀“击落”F-22战绩的标志。无人版“咆哮者”还装备了分布式目标处理系统（DTP-N）和战术目标网络技术（TTNT）数据链。前者可以同时处理多批次目标信息，后者相当于军用的内部网络，用于对各种作战信息及时共享，覆盖范围555千米。
