【智库声音】美国海军重点研究方向

作者：太阳谷 摘自：高端装备产业研究中心

导读

本文从舰载武器系统领域、赛博与电子战领域、人工智能与无人系统领域以及其它重要领域等多个方面对美国海军重点研究领域进行了调研梳理。可以看出：舰载武器系统领域已经从海军激光系统（NLFoS）、定向能集成平台与超高速射炮（HVP）等方面展开研究；赛博与电子战领域主要围绕战备分析和可视化环境（RAVEN）平台、“对抗综合传感器的多元素信号特征网络仿真”（NEMESIS）项目与认知型电子战技术等方面开展研究；人工智能与无人系统领域涉及人工智能重点研究项目、无人系统重点研究方向以及“蜂群战术”（SWARM-Tac）系统、无人机“自动翱翔算法”与续航力增强技术等方面研究；此外，美海军还对信息战重点研究方向、提高超视距通信新方法、太空激光探测器、生态系统预报模型与技术等进行了研究。总之，先进的舰载定向能系统、赛博与电子战领域、人工智能与无人系统以及信息战、太空激光探测、生态系统预报模型与技术等都将是美海军的重点研究方向。

美海军研究实验室近年来将研究集中于“第三次抵消战略”的关键技术上，其项目涉及超过15个科学学科及应用技术领域，主要基于快速原型化及实验机制，加强网络与太空能力、无人系统、定向能、水下战、高超声速及机器人技术等领域的研究，以获得多元学科的创新性协同效应。在此从舰载武器系统、赛博与电子战领域、人工智能与无人系统领域等多个领域对美海军重点研究方向的概况进行梳理。

舰载武器系统领域

激光武器系统

美军近年来一直将定向能武器作为其保持优势、增强导弹防御以及应对地区冲突的关键手段，美海军对于定向能武器的研究尤为重视，计划将其沿着如下方向发展并引入海面舰队，以大幅提升作战能力。

“海军激光系统”（NLFoS）是美海军的重点项目，在此将该项目中主要的三个子项目的研究内容与装备舰艇整理，如下所示。

图表：美海军在研的主要定向能武器系统

项目名称

研究内容

装备舰艇

“海军光学炫目干扰”项目

开发30千瓦级低功率激光武器

安装在小型水面舰艇上，用于拦截无人机以及光学/红外制导的武器，进行非杀伤性作战。

“高能激光和一体化光学炫目器”计划

功率为60千瓦的激光武器

强调巡航导弹跟踪并将其击毁的能力，计划于2021年安装至阿利伯克级驱逐舰。

“固体激光技术成熟化”（SSL-TM）项目

研发功率为150千瓦的固态高能激光武器

两栖舰和驱逐舰，用于防空与反小型水面舰艇。

目前，美海军同时进行的多项激光武器系统研发计划中，低功率的激光炫目装置进展较为迅速。据消息称，美国海军“阿利伯克”级驱逐舰“杜威”号已于2019年11月在舰桥前方安装了一座海军光学炫目拦截器，美海军还计划采购8座海军光学炫目拦截器来装备“阿利伯克”级驱逐舰，并计划于2020年完成3座的安装工作，于2021年完成全部8座的安装。

而高能固体激光武器技术难度较大，进展缓慢，同时将所研发的激光武器系统集成到舰船的电力/作战系统还面临技术难题，美海军的激光武器系统距离实战尚需时日。

定向能系统电力“能量库”计划

美海军相继提出了下一代综合动力系统（NGIPS）、海军动力系统（NPS）和海军动力与能量系统（NPES）3项技术发展路线图，以指导海军及国防部对舰艇能量系统技术的进一步研究与项目开展。

美国海军自2019年已经开始致力于开发一种电力“能量库”，旨在建立一种通用化、模块化、可扩展的中间电力系统，以服务于高功率舰载定向能武器系统，并且还能够用于多个任务系统和舰艇型号。

美海军“能量库”的连接平台与任务系统

“能量库”研究的目的在于为定向能武器等高能任务系统提供电力的同时，保护能量系统及平台其他系统不受任务系统产生的脉冲的影响。此外，能量库的变电器具备双向性，能够支持舰艇平台的能量管理、负载均衡和应急供电。

“能量库”的研究内容主要包括能量库架构研究、储能技术研究、变电技术研究、配电技术研究、热管理技术研究与演示验证，发展规划如下表所示：

图表：“能量库”计划发展规划

发展阶段

研究标的

主要研究内容

近期阶段（2016-2025）

新型雷达和定向能武器

开发先进储能方案、电路保护方案、能量管理系统，以及先进的系统设计工具。完成模块化、可扩展的能量库演示验证，以验证其与现有平台的整合，并满足新型任务系统的需求。

中期阶段（2026-2035）

未来水面作战舰艇及其它新型平台的电力系统

在任务系统硬件在环的情况下，开发并验证电力和控制系统，并在陆基试验场开展动力与能量系统测试。

远期阶段（2036-2045）

下一代综合动力与能量系统

开展测试，实现灵活、高适应性、智能化和可升级；继续研究高温/室温超导、碳纳米管、金属基体纳米碳复合材料、新型燃料电池等技术，提高系统效率。

美海军开展“能量库”计划的相关研究，将解决舰艇发展的能量系统技术瓶颈，提高装备平台的效能，有助于定向能武器等新型武器、任务系统的集成应用。

定向能系统集成实验室（DESIL）

美国海军于2020年5月开始建造一个面积约1718平方米，能在海洋环境中测试激光武器的“定向能系统集成实验室”（DESIL），计划于一年后开放使用。

该实验室将用于：

◆模拟海军舰载平台可能出现的各种情形，测试湿度、空气密度以及温度变化等海洋环境对高能激光束传输性能的影响，验证舰船系统为高能激光武器提供电力和制冷的途径，对激光武器射击海上靶场及其上空的目标进行试验；

◆将集成、测试和评估新研发的定向能与高能激光武器原型；

◆将引进工业领域开发的激光技术，进一步推动舰载激光武器的开发。

超高速射弹（HVP）

对应于电磁轨道炮的研究，美海军在开发一种技术衍生品——超高速射弹（HVP），与为电磁轨道炮研发的炮弹相同，但可以从使用火药的传统火炮上发射。HVP的研发是美国海军利用传统舰炮对抗反舰巡航导弹和无人机蜂群的最新技术探索之一。

图表：超高速射弹（HVP）

类别

描述

发射方式与性能

从美海军的127mm甲板炮上发射，最高速度为3马赫，仅为用电磁轨道炮发射的速度的1/2，但已然优于美海军目前使用的127mm炮弹。

优势

与轨道炮炮弹相比，美海军在役的HVP发射器一百有余，增强舰只能力的同时能够降低成本，实用性将优于建造能安装轨道炮的新舰船；

舰炮本身具有高射速和大备弹量：Mk 45型舰炮的射速达到每分钟15发，兼具防空与反舰功能，提康德罗加级巡洋舰和阿利伯克级驱逐舰的该炮备弹量均超过600发。

用途

能够用于陆地目标、飞机、导弹、敌舰等目标的远程打击。

据消息称，阿利伯克级导弹驱逐舰“杜威”号已于2018年使用其Mk 45型127毫米舰炮试发射了20枚超高速射弹（HVP）。

美海军将HVP作为反制低端反舰巡航导弹和大中型无人机的理想手段，未来美海军计划将新HVP炮弹部署到当前舰队，以显著提高舰艇的防空反导能力与火力持续能力，将成为当前舰队中的关键武器系统之一。

赛博与电子战领域

赛博战

2019年底，美国海军水面战中心达尔格伦分部成立新的赛博战工程实验室，未来将成为海军实现赛博战愿景、任务和计划的关键。赛博战工程实验室将利用达尔格伦分部在作战系统研发、分析、试验和评估领域的经验和竞争力，继续进行高效的工程创新，并将赛博战技术解决方案集成到海军和联合作战系统中。

同年，美国海军开始着手对赛博安全的动态配置、欺骗策略与人工智能3个关键领域提供支持。其中：

动态配置。该领域的研究目的主要在于迷惑攻击者，通过对路由器规则、接入控制清单、入侵检测/预防系统参数以及防火墙和网关过滤器规则进行动态配置，以阻止攻击、误导攻击者并隔绝系统的各组件，从而限制入侵行为的损害范围。可将预测性分析法与动态配置结合开发得到学习模型，实现恶意软件具体类型的识别。

欺骗策略。该领域旨在有效利用拒止和欺骗技术认知敌方进攻的具体细节，从而使得相关单位能够建立主动、基于威胁的赛博防御。但在赛博安全中使用欺骗软件和硬件的工作尚处在萌芽阶段，尚无法对相关技术的有效性进行验证。

人工智能。美海军自2015年开展“赛博觉醒特遣队”项目后，也开始了人工智能应用的研究，致力于提高网络自动化程度，采用机器处理繁重的工作，从而大幅提高信息处理效能。

战备分析和可视化环境（RAVEN）平台

美海军在WEST 2020会议中称，RAVEN平台是海军广泛的数字化转型工作的一部分。基于RAVEN平台，美海军既能够获得以前无法识别的数据信息并随时显示出来，还能减少人工工作量，扩展其他用途。

◆RAVEN平台能够提供36个数据库，可显示战备状态的图像；

◆通过连接RAVEN数据库的不同部分，指挥官能够更方便快捷地提取战备情况报告；

◆可以扩展支持赛博数据显示工具（dashboard，能够提供网络、补丁程序等级、扫描频率等舰队整体赛博战备方面的信息）。

目前，RAVEN平台已经实现全面作战能力，其发展为赛博数据显示提供了所有核心要素，降低了数据显示工具的开发难度，标志着海军关键战备数据环境的初步建成。

“对抗综合传感器的多元素信号特征网络仿真”（NEMESIS，复仇女神）项目

“复仇女神”是美海军近五年致力于完善的一个项目，不同于传统电子战战术只能实现个别或局部效果，其基于网络化协同电子战概念，能够对敌方传感器网络实施大规模电子攻击。

该项目的目的在于将各种平台（雷达反射器、电子战气球、各类无人机蜂群）进行组合，通过组网协同作战，以迷惑、欺骗或致盲分布在广阔区域的敌方传感器。截至目前“复仇女神”系统的确切构成尚无详情披露，仅从涉及“复仇女神”的官方文件可以获悉分布式诱饵和干扰机蜂群是该项目的核心组成。

在此仅将调研得到的项目所涉及的电子战技术与能力的相关资料进行梳理，如下所示：

◆能够提供火力和通信支持，还能够构造逼真的假目标，增加敌军必须交战的潜在目标数量；

◆可模拟真实平台的射频辐射和雷达回波，包含红外诱饵和模拟部署部队计算机网络活动的概念和能力；

◆还包括水下高保真声学诱饵，生成敌军必须识别或攻击的额外目标，水声诱饵包括无线电模拟器，模拟螺旋桨或其他推进系统以及水面/水下平台特定装备的噪声。

根据综合调研到的资料推测，“复仇女神”将融合多种前沿电子战概念，形成创新型联合电子战系统，不仅能在指挥与控制环节干扰敌军能力，还能针对战斗空间的敌方传感器实施欺骗。

认知型电子战技术

认知型电子战技术将认知科学的成果与电子战技术结合，在传统电子战系统中增加目标认知、智能决策、自主学习等功能，实现电子战智能化，已经由DARPA开展了先期研究。在DARPA研究成果的基础上，美海军也开展了相关研究。

“反应式电子攻击措施”（REAM）项目是美国海军未来海军能力（FNC）项目之一，旨在将DARPA研发的认知型电子战技术转移到海军的EA-18G电子战飞机上，增强EA-18G对抗敏捷、自适应和未知的雷达、雷达模式的能力。

目前美海军已经将认知电子战技术逐步转入工程应用的研制阶段，除了REAM项目之外，海军空战中心飞机还授予了Leidos公司相关合同，具体细节如下表所示。

图表：REAM项目相关公司与主要研究内容

相关公司

主要研究内容

完成时间

诺斯罗普·格鲁门

为REAM项目研发机器学习算法，以应用于EA-18G的电子攻击装备中。

原计划2019年底完成，目前尚未见最新消息。

Leidos公司

开发“自适应雷达对抗”项目的软件套件，以便在海军F/A-18飞机上使用。

未见披露。

此外，REAM项目还开展了获取频谱知识的技术、满足尺寸/重量/功耗限制的频谱学习技术、生成电子攻击方案的频谱推理技术，以及执行电子攻击措施的频谱攻击技术的相关研究。

美国海军将继续为认知型电子战技术的相关项目提供支持，以开展3～5年的持续性基础研究，将技术成熟度提高到6作为最终目标，预计美海军的认知型电子战技术将于2021年被应用。

未来认知型电子战技术在EA-18G等上的应用，将补足目前美海军电子侦察装备的能力短板，并提升海军装备自主作战的水平，大幅提高电子战装备的作战效率，尤其是在复杂电磁环境中，能及时调整干扰措施，充分发挥电子战装备的能力。

人工智能与无人系统领域

人工智能重点研究方向

2020财年，美国海军将在人工智能和机器学习领域投资9亿美元，较2018、2019财年分别增长2.3亿、1.13亿美元，其中5类人工智能/机器学习项目的总金额占30%，在此将这5类项目主要研究内容进行梳理，如下表所示。

图表：美海军2020重点人工智能/机器学习项目

项目类型

主要研究内容

项目意义

水面舰艇&潜艇船体机电一体化

自主系统间的可扩展和鲁棒的分布式协同能力、有人/无人系统协同、自主认知和智能决策，以及自主系统的智能体系架构等。

利用应用研究高级分析、机器学习和人工智能技术支持高级海上平台、海上生存能力和自主性技术。

数学、计算机和信息科学

机器学习、构建智能和自主Agent推理和智能技术的基础研究，决策理论、算法和工具等。

实现与智能自主系统设计、通信和控制相关的数学基础、计算理论与工具的深度认知。

陆、海、空中载具

高级舰船概念、旋翼机在舰载环境的自主作战以及甲板自主操作等。

提升分布式智能的自主生存能力，推动海基航空能力的不断发展。

通用图像应用研究

人机编队的接口和对话系统、敏捷智能认知电子战算法和体系架构、海军平台的预测性维护（数字孪生）等技术和概念的发展。

实现用于人机协同和机器人训练的人工智能与机器人系统的集成，推动人工智能的应用进程。

电子战技术

展开深度学习，改进传感器系统建模能力，开发可负担的认知、协同电子战效应器系统试验技术等。

提供一体化光学和射频能力，提高信号处理过程中的电子战功能，将机器学习技术应用于舰船自防御系统等。

无人系统重点研究方向

美国海军始终将无人系统作为在各个阶段、各个作战域应对未来战争的重要手段，2020年依旧采用系列化发展战略，持续推进无人系统的研发和部署。

无人潜航器

研发具备自主环境感知、预判能力和适应环境变化的系统；已经开始建造“虎鲸”超大型无人潜航器；还将发布“Snakehead”大排水量无人潜航器和中型无人潜航器的建造竞标书；同步推进自主控制、指挥控制、能源动力、负载及开放式架构等相关支撑性技术。

无人水面艇

不断深化完善概念，并设计和应用新的作战架构，提升在复杂、多变的环境中的“海战场感知能力”感知能力、“分布式杀伤力”和自主执行任务的能力；将开始模块化反水雷无人水面艇的初始低速生产；授出能够提供分布式传感能力的中型无人水面艇原型样机与大型无人水面艇的概念设计合同。

无人机

研究在海上/舰上环境中安全操作、人-机有效协作以及大幅降低人员需求；要求MQ-25无人加油机2021年实现首飞，并尽快实现初始运行能力IOC；MQ-4C“人海鱼神”无人机能够在2021年达到初始运行能力IOC。

远征无人系统

研究为当前和未来的舰艇及车辆提供经济、通用、模块化的自主套件，以及人机交互与多平台协作技术。

创新型无人系统

研究跨域平台、高效水动力学理论、仿生水下推进系统、纳米无人机的低功耗感知与测图、类肌肉致动器以及多功能材料表面控制技术。

美海军在研发无人系统的同时，将对无人系统进行持续测试，以实现跨域无人系统协同，以及无人-有人协同等为最终目标。

“蜂群战术”（SWARM-Tac）系统

美国海军水面作战中心于2019年开始致力于开发“蜂群战术”（SWARM-Tac）系统，该项目旨在利用机器学习和人工智能，为大型战舰制定战术，提高其成功防御这类集群攻击的可能性。

SWARM-Tac是一种由人工智能驱动的软件，能够利用海军舰艇上已有的传感器信息，如雷达及其他用于让舰员了解战场态势的设备、舰艇本身的信息、可用的武器和攻击者的数量。该软件将所有这些信息综合进解决方案，并判断这些解决方案的成功概率。

尽管SWARM-Tac目前仍处于研发阶段，但已经在2018年的一次海上试验中取得了不错的结果。

无人机“自动翱翔算法”

美国海军研究实验室正在开展“自主上升暖气流定位”项目，并于2019年5月申请了一项软件专利，据称能够帮助长航时无人机自主地利用上升暖空气柱在空中进行无动力翱翔。

无人机进行翱翔需要借助暖气流探测和位置估计软件。与此前的系统依赖于批量评估过程，需要存储大数组数据不同：

◆该翱翔软件使用了被海军用于潜艇和巡航导弹导航的算法——扩展卡尔曼滤波，具备发现和评估暖气流的能力，能够帮助小型蝉翼滑翔机等无人机盘旋飞行，也可帮助配备光伏电池或燃料电池的长航时无人机延长飞行时间。

◆根据美国海军申请的专利内容可知，该技术无需增加燃料电池，无需对飞机硬件做出任何改变，即可用于增加有人机和无人机的航程和续航能力。

◆能够根据需要更新软件，具有参数化的特性，能够快速适应各种飞机类型。

无人机续航力增强技术

美国海军研究实验室科研人员正在开发“太阳能-飞行”技术，使无人机能够利用大气和太阳提供的能量实现飞行时间超过12小时。“太阳能-飞行”技术即续航力增强技术，该技术能够让无人机飞行更长时间，无需携带额外电池，帮助作战人员执行任务。

无人机只需携带诸多采用自动飞行算法的智能软件，与轻型集成的太阳能电池阵列，在无人机高速飞行时，发动机被关闭，太阳能电池阵列可以更快地给机载电池充电，从而增加作战无人机的任务可用性。

美海军研究实验室针对“太阳能-飞行”技术的研究，一方面旨在演示新技术如何提高飞机的续航能力；另一方面将进一步探索其在已有的小型“大乌鸦”无人机、大型“捕食者”无人机等多个现有项目中的应用。

其它领域

信息战重点研究方向

据美国C4ISR网站消息称，美国大西洋和太平洋海军信息战中心于2020年6月通过信息战研究项目（IWRP）联盟宣布10个新项目。其中主要包括：

◆IWRP流程优化，包括工作流程工具和项目提案搜索功能；

◆软件定义的无线电软件增强功能，主要针对HTLx-T2，HTLv-1和HTLv-2三种软无电台收发机的短波无源干扰和多放大器的升级；

◆多光谱发射器，用于在册项目签名管理程序招标多光谱发射器硬件解决方案；

◆通信浮标的传统潜艇发射器控制系统新原型；

◆海军311网络服务节点将为共享数据环境/云迁移提供类似于民用311服务的非战术，按需和预定位置的信息帮助。

另外还包括人力资源培训的通用界面，5G原型网络增强功能，海底通信浮标的新型运输集装箱设计原型，法律和执法系统，以及海军数据收集，案件管理和法院报告功能等项目。

此外，美海军2020年还将在“哥伦比亚”级潜艇等的研发、新型武器、高超声速、激光系统、数字战争以及大数据分析等方面投入资金，进行创新。

提高超视距通信新方法

探索替代由卫星、飞机或无人机提供的超视距通信的方法是美国海军的重点优先事项之一。

美海军研究实验室采用多中继方式依赖多条路径实现远程窄带射频传输，在无需依赖卫星或者飞机的情况下提高了超视距通信链路的鲁棒性，具备高可靠性。该方法能够在基带层实现，有益于采用嵌入式系统实现和迁移到嵌入式系统，并且能够降低成本。

目前美海军研究实验室的研究重点在于接收系统，以实现能够接收来自各种非建制中继的低质量射频信号，将信号解码成分离基带之后再组合，未来将进一步加强通信技术的通用性，便于作战人员使用各种中继。

微小太空碎片的激光探测器

LARADO项目由美国海军研究实验室的地理空间科学和技术分部赞助，目前正在进行为期三年的实验室演示，有望在约两年内研制成具有太空应用价值的版本。

图表：LARADO项目

LARADO项目

具体描述

研究目标

利用天基激光产生的光束和星载照相机制成一种新型传感器，探测微小碎片，诊断卫星故障，并提高空间态势感知能力。

研究内容

采用质量不足1千克的小型激光器，通过金字塔型小透镜发出光线，在航天器前方形成光束，碎片穿过光线时发出的光子会被星上鱼眼摄像机捕获，卫星操作员可通过关联碎片探测时间与故障本身来判断故障是否由碎片引起。

优势

已经实现几厘米到百分之一毫米大小太空碎片的探测；增加激光器尺寸的同时，还能够提高分辨率和扩大视场，能够为决策/规划/操作人员提供近实时确定各种天基服务中断原因（已知的/自然的/人为的）的能力。

当然，该项目尽管在所探测太空碎片的大小以及兼顾激光器尺寸与分辨率提升等方面取得了一定进展，但仍面临挑战，主要源于激光电源的质量问题，其电源质量尚未实现数千克重的目标。

未来LARADO还将寻求资助以安装在一颗或多颗卫星上进行在轨试验，并被用于对低地球轨道的一小块区域进行监视，以确定微小碎片密度，所收集的数据将能够把NASA轨道碎片环境模型中目前使用的碎片数量密度评估提高50%。

生态系统预报模型与技术

2020年2月24日报道，为解决海洋微小生物会严重破坏海军战术决策者感知环境和绘制航行路线能力的问题，美国海军研究实验室目前正在针对海洋生物群进行研究，旨在开发中等营养级（ITL）生态系统预报模型。

美国海军研究实验室已经于2020年2月在特拉华海岸进行了为期14天的环境测试，基于所收集的有关具有生物活性的沿海地区的中等营养级生态系统的动态信息，得到海洋微生物会通过声信号、生物发光和环境噪声的衰减来影响海军的行动的结论。

研究过程中，海军研究实验室使用了多型舰船和工具，包括配备有盐度、温度、氧气、叶绿素a和光衰减测量工具的浮游动物活体成像系统（ISIIS）以及安装有成像仪和机载遥感器、用于勘测海洋环境的海上飞机等，还为此开发了一种用于检测和收集水下信息的新工具——环境多波长光探测和测距照相机（MUWLE），并装备于海上飞机。

小结：美海军的重点研究方向涉及舰载定向能武器系统、赛博与电子战领域、人工智能与无人系统领域以及信息战、太空激光探测、海洋生态系统预报等多个重要领域。其中，30千瓦级激光武器已经开始装备现役“阿利伯克”级驱逐舰，高能固体激光武器技术难度较大，进展缓慢，超高速射弹（HVP）是美海军用于反制反舰巡航导弹和无人机蜂群的最新技术探索之一；战备分析和可视化环境（RAVEN）平台已经实现全面作战能力，能够为赛博数据显示提供所有核心要素，“对抗综合传感器的多元素信号特征网络仿真”（NEMESIS，）项目将融合多种前沿电子战概念形成创新型联合电子战系统，认知型电子战技术则已经逐步转入工程应用的研制阶段，将大幅提升复杂电磁环境下的电子战作战效率。

主要参考资料

1.Navy Laser,Railgun,and Gun-Launched Guided Projectile:Background and Issues for Congress.

2.Navy to Field High-Energy Laser Weapon,Laser Dazzler on Ships This Year as Development Continues

3.NRL’s LARADO Project Hopes To Track Tiny Space Debris.

4.Navy Could Use AI to Combat Swarms of Enemy Boats.

5.Northrop Grumman wins contract for REAM program.

6.The Navy has 10 new information warfare projects.

注：原文来源网络，文中观点不代表本公众号立场，相关建议仅供参考。

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