美空军研究实验室(AFRL)为美国空军先进装备与技术的发展提供了强有力的科研保障。本文从AFRL近几年的重点项目研究进展、重点研究领域以及2030战略之“先锋”计划等三方面做梳理，意在探寻美空军的科研布局，以期为我国空军科研项目的开展提供借鉴。所涉及的重点项目最重要的包含自防护高能激光演示(SHiELD)项目、“自主队友科技”项目(STAT)、低成本可消耗飞机技术项目和“微型自卫弹药”(MSDM)项目等。文中所涉及的AFRL的重要研究领域最重要的包含高功率电磁赛博电子战、响应式模块化火箭(ARMR)发动机架构、空军认识引擎(人工智能)、反电子设备高功率微波先进导弹(CHAMP)、量子信息科学以及芯片尺寸的光学相控阵与激光雷达系统等十余个方面。此外，2030年战略之“先锋”计划更加聚焦于新型武器系统与作战概念，将逐步推动作战概念的创新与技术转化，从而为美空军构建新型战略能力奠定基础。“先锋”计划的主要内容有旨在创建由协作、自主、网络化的武器集成武器系统的“金帐汗国”(Golden Horde)弹药自主蜂群项目;包括将提升地面、太空和用户设备部分的天基定位、导航和授时能力的下一代导航技术卫星3(NTS-3);还包括未来的Skyborg自主无人战斗机智能平台项目。

  AFRL一直以开发航空航天、传感器、信息、弹药、材料和制造工艺、定向能量、航天器等领域的新技术为研究重点，致力于领导美国航空航天作战技术的创新、开发和集成，负责空军科学和技术方案的规划和执行，以及提升美国的太空、近空和互联网空间力量的作战能力。

  美空军研究实验室在多领域开展了多个重点项目的研究，在此对自防护高能激光演示(SHiELD)项目、“自主队友科技”项目(STAT)等重点项目的研究进展进行梳理。

  SHiELD项目由AFRL主导，项目周期由2015到2021年，将研发和演示以平台自卫为目的、以导弹或无人机等空中威胁目标为打击对象的机载高能激光武器系统，技术成熟度(TRL)要求6级。

  项目研发的高能激光武器系统最重要的包含以下三个子系统：考虑大气效应的自防护高能激光演示样机转塔(采用光束控制管理系统，用于将激光束指向目标);激光吊舱(用于对激光武器供电和冷却);适用于下一代紧凑环境的激光器改进(LANCE，使高能激光器自身能够瞄向敌方目标，并使之失去作战能力)。

  SHiELD的具体战技指标未见公开资料，但根据其披露的四方面有关的资料可以推断出其相关要求：

  以战术导弹为主要打击目标，代表其系统应具备硬目标毁伤能力和出色的动态目标精密跟瞄能力;

  系统将在跨音速/超音速或高过载飞行环境下进行飞行测试，则代表未来将要在实际飞行环境对系统作战能力进行验证。

  项目开发的防御性激光武器系统，具有尺寸可变的特点，可装在AC-130炮艇机等大型飞机上用作攻击性武器。

  AFRL在该项目中的工作重点之一是将多个灵活的光纤激光器进行功率合成，以满足自防御、进攻性激光武器所需十千瓦和上百千瓦功率的要求。

  在2019和2020年开展第一阶段低功率机载测试飞行试验，利用一台较低功率的激光器作为目标预瞄准指示器，采用具有光束和系统控制功能及激光供电电源和冷却设备的吊舱式独立结构(有利于飞机安装、减少气动影响，并保证成果能够在包括无人战机在内的不同飞机平台上进行应用)，演示跨声速飞行光束控制性能，并利用信标光源表征超声速飞行气动效应，研究超声速环境怎么样影响激光束的传播及如何补偿激光大气畸变。

  在2021年开展第二阶段高功率机载测试飞行试验，在战术战斗机上试验集成LANCE的全尺寸激光武器样机，并开展亚音速/超音速飞行测试，以确认LANCE与其它子系统的工作协调性、机载电池的功率提供能力，尤其将确定激光器是不是真的存在过热现象，并据此判断是否需附加热管理措施。

  美空军研究实验室2017年7月发布了“自主队友科技”(STAT)项目跨部门公告，旨在寻求能够强化从任务规划、任务执行到作战评估的全流程作战任务的自主技术，以提升美空军在复杂环境下的作战能力。

  STAT将展示模块化、可传输的开放系统架构，并发展适用于多域应用程序的自主技术，以服务于包括任务规划、任务执行和任务后分析在内的整个任务周期，其中所开展的技术演示将大幅度的提升空军在各种各样的环境下执行任务的能力，同时最大限度地降低空军的作战风险。

  该项目重点研究最重要的包含八大领域，这中间还包括技术成熟与集成的需求。在此将其归纳为如下两部分：项目管理与运行，通信、软件与系统集成。

  项目的管理与运行最重要的包含规划与汇报、执行功能、系统集成，以及测试和评估技术四大领域内容。

  规划与汇报、执行功能与测试和评估技术对MDC2、ISR PED以及有人-无人编队三大技术至关重要。

  通信与数据链接、人机接口、飞行运行以及多域任务作战对于MDC2、ISR PED以及有人-无人编队三大技术而言同样至关重要。

  近年来，AFRL始终致力于“忠诚僚机”项目的发展，旨在将有人-无人飞机或无人飞机相互配合，进行串联作战。由于AFRL在多域指挥与控制和ISR处理方面经验较少，其在STAT项目中的研究将更多地考虑怎么把自主性引入诸如“空中作战中心武器系统”等方案，探索如何确保编队飞机在通信堵塞或完全失联的情况下能完成任务，并将以“忠诚僚机”的经验为依据，最终实现在对抗环境中匹配飞机的串联作战行动。

  该项目中所有的技术开发工作将遵循接口设计标准，以便在多平台和多领域间进行转移，其自主工具功能将贯穿于任务执行的全部阶段与每一段杀伤链。

  此外，美空军研究实验室近年来始终致力于有人-无人编队的研究与验证工作，旨在慢慢地提高自主系统飞行中的性能。据报道，AFRL计划于2018年底后的15个月，在STAT项目的支持下，对有人-无人飞行器进行飞行测试。

  第二年将开发独特的组件与技术，并且每15个月即进行飞行测试验证新的功能。其附加的飞行将测试编队软件在较少人为控制的情况下，怎么样处理任务和应急规划、不确定性、战术和战役。

  总而言之，该项目中所开发的技术将大幅度的提升美空军在不同环境下执行任务的能力，同时最大限度地降低风险，并且将自主系统融入任务空间更是能够使空军在敌方的决策回路中进行作战。

  2015年，美空军宣布启动低成本可消耗飞机技术项目;同年9月，美空军研究实验室宣布开展为期27个月的低成本可消耗无人作战飞机演示验证项目，开发满足特定任务能力需求的低成本无人作战飞机系统概念，完成验证机制造与试飞试验，并验证装备概念与制造技术的可行性。

  2019年3月5日，XQ-58A技术验证机(该机是美空军研究实验室低成本可消耗飞机技术的验证机)成功完成了76分钟的首飞，标志着美空军在研究和验证有限寿命/架次的低成本无人作战机技术与装备方面已然取得了阶段性进展，为其未来构建质量与数量均优的空中优势奠定了基础。

  根据其披露的试飞计划，后续还将完成两个阶段4次试飞，重点将集中在系统工程、气动力性能与发射/回收系统的评估，并同时初步建立面向有限寿命需求的剪裁设计和制造标准，获取可消耗飞机成本模型相关数据。

  此外，XQ-58A在完成低成本可消耗飞机技术验证项目后，有可能参与美空军“忠诚僚机”等项目的飞行演示验证。

  AFRL于2019年再次推动“微型自卫弹药”(MSDM)项目，MSDM能够增强未来各种平台的自卫能力，但不会对主武器载荷造成影响。

  该项目最早由AFRL于2015年启动，其目的是研制防御性导弹，旨在为作战飞机提供“反介入/区域拒止”(A2/AD)环境下有效实施自卫的动能防御手段，以应对当前日益复杂的防空系统与远程空中拦截导弹的发展现状。

  洛克希德·马丁公司和雷神公司均承担了持续到2021年初的MSDM的研发工作。其中，在洛克希德·马丁公司的研究设想中，MSDM将采用雷达制导，由飞行员在探测到敌方导弹后发射，但存在如下缺点：将占用F-22和F-35等隐身战机的内置弹舱空间，必须替换部分“小直径炸弹”或AIM-120“先进中距空空导弹”。

  AFRL还针对高功率电磁赛博电子战应用、涉及装备性能提升等多个领域开展了大量研究。

  2017年5月，AFRL/RDH向雷神公司导弹系统部门授予了用于高功率电磁赛博电子战应用计划的合同。该计划旨在通过实验、概念演示和结果记录，开发高功率电磁(HPEM)技术，并将其集成到军事赛博和电子战(EW)系统。

  计划内容最重要的包含研究、分析，以及HPEM可用于赛博或电子战应用的信息场景、行为、实验和演示概念。

  该计划将使用适用于现有和未来军事系统的已有和新兴的HPEM射频源和软件技术，开发并优化一系列潜在任务场景库，并对如何有效利用HPEM技术改善赛博和电子战未来发展进行深入研究。

  截至2019年，美空军已经在涉及装备性能提升的AgilePod吊舱、太赫兹厚度测量能力等五大领域展开了相关研究。

  反电子设备高功率微波先进导弹项目于2009年4月真正开始启动，旨在研制一个紧凑型高功率微波有效载荷和5个空中飞行平台演示器，并将有效载荷集成到空中平台演示器上，以用于战争初期的战略空袭或夺取制空权等。

  CHAMP系统是一种基于巡航导弹的高功率微波武器系统，已具有相当高的技术成熟度，由B-2隐形轰炸机携挂的巡航导弹负载，飞进敌区领空，再对准敌方的导弹控制管理系统进行发射。

  该系统对于争夺制电磁权以及对重要战略目标进行先遣电磁打击都具有重要意义，能够实现美国破坏敌方“反介入/区域拒止”的目标。

  高超声速飞行研究：旨在为空军提供经济可承受的高超音速武器系统，在相关飞行条件实施研究的能力有助于美国空军在原型和实用高超声速系统研制之前降低失败的风险，AFRL近期已经完成X-60A液体火箭的关键设计评审，现将进入制造阶段。

  网络化武器：旨在使新一代武器能够在复杂的区域拒绝环境中突防、作战、和攻击目标的一组新技术。采用低成本子系统来进行武器的大规模部署，并将其组成网络，可共享信息动态和响应环境的变化。这些新技术的有效性已被证实，将被转化到当前系统与新系统中，以提供在复杂环境中适应与作战的新方法。

  下一代软件定义无线电SDRF++、量子信息科学与芯片尺寸的“光学相控阵与激光雷达”系统的研究极大推进了美空军在通信导航以及信息领域的技术提升。

  此外，据2019年5月报道，AFRL正在考虑签订一份天文辅助导航研发技术合同，降低GPS拒止环境中制导、控制的风险，研究重点开发一种能全天候工作的星体，能可靠地对9000米～24000米传感器高度进行天文观测，必要时还能提供指向能力。

  据空军研究实验室2020年2月26日报道，美国空军编制的2030年战略中，识别了一系列转型科学与技术组合，“先锋”计划是其中的一部分。“先锋”计划将通过原型研制和实验来迅速推进新型武器系统和作战概念，其三大项目包括“金色部落”(Golden Horde)弹药自主蜂群项目、新一代导航技术卫星3(NTS-3)项目和Skyborg自主无人战斗机智能平台项目。

  AFRL于2019年6月称，将开展“金帐汗国”(也可称为“金色部落”)弹药自主蜂群项目，该项目将通过创建一个集成的武器系统来展示协作、自主、网络化的武器。

  2020年美空军称将采用“小直径炸弹”、“微型空射诱饵”(MALD)作为项目初始演示武器，计划在一年内对“金帐汗国”项目进行首次演示，并在后续分阶段验证单一型号和不相同的型号机载武器的自主协同能力。而开发“金帐汗国”项目所需的“新兴弹药技术”，则预计将于2021年12月前完成。

  针对如何使F-15、B-52等大载弹量航空平台在投放多枚任务载荷后实现更理想的作战效果，或是向指挥控制节点提供更详尽的精报数据的需求，AFRL将不断挖掘“金色部落”项目的潜力。

  针对强对抗环境可能出现的瞄准、导航、通信能力降级等坏因，提高机载武器的自动化、智能化和协同水平，未来可能形成类似“联合直接攻击弹药”所采用的通用集成组件，大范围的使用在现役机载武器升级，从而提升综合作战效能、降低强对抗环境中毁伤目标的成本。

  NTS-3将增强地面、太空和用户设备部分的天基定位、导航和授时(PNT)能力。原型演示包括一个天基测试车、企业指挥和控制地面部分以及敏捷软件定义的无线电台。

  其卫星部分将在地球同步轨道上运行一年，以测试新的硬件、软件和运行能力，在卫星系统运行期间，NTS-3将集成具有灵活和安全信号的实验天线、增强的自动化和商业地面资产。

  NTS-3将为新的可重新编程的软件定义的GPS接收器奠定基础，使得这些接收器能够轻松满足运行需求并响应一直在变化的状况，作战人员也最终将受益于增强的安全性和导航灵活性。

  Skyborg将尝试将无人机自主技术与开放式任务系统相集成，以实现有人-无人编队飞行，旨在为飞机开发一种新型软件工具，使其具备自主能力(包括飞行计算机在飞行中学习新机动性的能力)。

  Skyborg团队对ISR和态势感知能力尤为重视，其核心目标是提高任务规划效率和人机协同配合能力，以应对高对抗环境下的各类威胁。

  以“金色部落”、“导航技术卫星3(NTS-3)”和“天空博格人(Skyborg)”为代表的未来重点项目群将推进美空军的战斗能力转型，改变其战斗方式和其使用空中/太空力量的方式，是确保美空军技术优势的关键。

  通过对AFRL重点项目、重要研究领域以及“先锋”计划进行梳理能够获得，①自主技术和AI和机器学习，已成为美国进行高端作战的核心技术，AFRL十分重视无人机的相关研究，其中低成本可消耗飞机技术侧重于研发有限寿命/架次的低成本无人战机，以构建质量与数量均优的空中优势，“忠诚僚机”、STAT等项目侧重于有人-无人飞机编队研究，而Skyborg则将更进一步推进自主无人战斗机智能平台的研发;②“微型自卫弹药”、高功率电磁赛博电子战应用计划、CHAMP以及网络化武器等研究可提升美空军在“反介入/区域拒止”环境下的防御能力等，“金帐汗国”则将创建由协作、自主、网络化的武器集成的武器系统;③下一代软件定义无线电SDRF++、量子信息科学与芯片尺寸的“光学相控阵与激光雷达”系统的研究将极大推动美空军在通信导航以及信息领域的技术提升，新一代导航技术卫星NTS-3则将逐渐增强地面、太空和用户设备的天基定位、导航、授时服务能力。