文/航空學報
2020年9月15日, 時任美國空軍採辦、技術與後勤助理部長威爾•羅珀在空天網年會線上會議中宣佈，“下一代空中主宰”（NGAD）專案的全尺寸驗證機已經首飛；2020年8月18日美國海軍研究協會網站報道，美國海軍航空系統司令部成立了NGAD辦公室（PMA-230），正加速下一代艦載戰鬥機的發展。在當前大國競爭與大國博弈的背景下，隨著美國空海軍緊鑼密鼓的加速下一代戰鬥機研製，關於未來空戰形態演變的研判和未來戰鬥機發展趨勢的討論也愈發激烈。
圖1 下一代戰鬥機概念渲染圖（來源：Flight Global）
此前，我國飛行器設計領域專家、中國航空研究院院長孫聰院士在《航空學報》2021年第8期發表了重磅文章《從空戰制勝機理演變看未來戰鬥機發展趨勢》（文章連結：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2021.25826）。孫聰院士長期從事飛機航空電子、隱身技術和飛機設計工作，先後擔任殲-XXB/BS、殲-15和鶻鷹飛機總設計師，是我國戰鬥機研製的新一代領軍人物。文章系統梳理了空戰制勝機理的演變歷程，結合當前技術發展與佈局，研判了未來戰鬥機發展趨勢。以下，小編從這篇論文中摘錄出關鍵內容，與各位航空愛好者和從業者分享。
1 空戰制勝機理演變歷程
一、能量機動制勝時代
按照戰鬥機的攻擊方式，能量機動空戰時代包括了航炮時代和尾後攻擊紅外導彈時代，並一直持續到20世紀70年代末，按照CSBA整理的從1965年到2002年的空戰統計，這兩種攻擊方式造成的殺傷之和佔到了該時代下總空戰殺傷數的90%以上。
圖2 1965-2022年空戰殺傷統計（來源：CSBA）
經歷了短暫的槍支上天進行空空作戰後，空戰迅速進入了航炮時代。航炮空戰主導了20世紀半個多世紀的空戰模式，跨域了螺旋槳飛機和噴氣式飛機兩大類機型。航炮空戰時代在資訊域和認知域的博弈主要依靠飛行員的眼睛和大腦，在物理域的行動和攻擊環節依靠飛機平臺和航炮。受限於人眼的視線距離、範圍和大腦的注意力等生理限制，常常會給對手從視線盲區偷偷接近並一擊脫離的機會。如果雙方態勢平等交戰，可以說航炮攻擊模式是對飛機平臺的能量機動要求最為苛刻的攻擊模式。這種攻擊難度也導致了航炮空戰有極大的偶然性。比如朝鮮戰爭中，中國英雄飛行員張積慧，雖然在噴氣式飛機上的飛行時間才100多小時，總共飛行時間300多小時，但憑著過硬的技術和堅強的意志擊落了飛行時間超過3000小時的美國王牌飛行員戴維斯，後者在兩個月內擊落了11架戰鬥機和3架轟炸機。
圖3 張積慧與戴維斯空戰示意圖
由於航炮空戰太過依賴於飛機平臺的高度速度和空間機動能力，軍事強國開始紛紛開發攻擊距離更遠，攻擊時空條件也更為寬鬆的空空導彈。1965年越戰中的“滾雷行動”，AIM-7麻雀雷達制導導彈和AIM-9響尾蛇紅外製導導彈被大規模應用於空戰中，只是相比戰前預測的可分別達到71%和65%的命中機率，實際結果只有8%和15%，與預期相去甚遠。
總的來說，能量機動對飛機平臺的要求是要有較快的速度來快速接近或脫離對手，較高的升限來增加高度與能量優勢，較好的爬升率以在垂直平面穩定截獲或擺脫對手，優秀的滾轉敏捷性和轉彎盤旋機動能力以獲得或阻止對手獲得開火機會。
二、資訊機動制勝時代
隨著電子、通訊、計算機等技術的迅速發展，戰鬥機在機載雷達、資料鏈、導航、飛控、武器等方面都有了長足的進步，空戰進入了資訊機動制勝時代。隱身技術的出現極大顛覆了隱身平臺和非隱身平臺在資訊獲取方面的巨大差距，隱身飛機之間的對抗更是空前加劇了資訊獲取、處理、融合、傳輸，使用等多個方面的機動與博弈。飛機在資訊域的雷達效能倍數提升和在物理域的導彈射程倍數拓展使空戰真正進入了超視距，“先敵發現，先敵發射，先敵命中”成為了資訊機動時代的制勝機理。資訊機動中，先發現與先識別對手是空戰殺傷鏈啟動的首要條件，也是空戰雙方在資訊域激烈博弈的原因所在。
F-15C飛機配裝的AN/APG-63(V)2脈衝多普勒雷達對1平方米目標探測距離超過了125千米； AIM-54不死鳥空空導彈最大射程超過了200千米；同時，吸取了越戰中超視距攻擊時無法可靠識別的經驗教訓，F-15使用了可以從目標的回波訊號中自動檢測目標型別的技術（提取對手發動機壓縮機和渦輪葉片的訊號特徵），從而具備了非合作目標識別能力。這些技術的共同進步理論上將催生髮起距離超過100千米的空戰對抗，但事實上，自從80年代後，一場軍事大國間勢均力敵的空戰從未發生過。
隨著地面防空體系的逐步完善，三代機面臨的地面威脅愈發嚴峻，為了解決突防難題，美軍早在20世紀70年代（如果不算SR-71“黑鳥”）開始了隱身飛機F-117的研發，並在海灣戰爭中投入實戰，取得了巨大收益。隱身技術的應用極大破壞了攻防雙方在資訊域內博弈的平衡，正因如此，自從80年代末以後，美軍研製的所有高威脅環境下的作戰飛機基本都具有隱身能力或特徵。
圖4 F-117
為空優而生的F-22定義了四代機的4S標準：隱身、超巡、超高機動、超級航電，對三代機形成了碾壓優勢。在2006年的“北方利刃”演習中，F-22取得了對三代機144:0的驕人成績。很多觀點將F-22取得的巨大優勢歸結為由高隱身和大功率有源相控陣雷達共同構成的資訊作戰能力。事實上，這隻佔了4S中的兩個S。相比三代機F-22在物理域同樣構建了無可比擬的效能優勢，從而實現了在資訊域和物理域對三代機的雙殺與全面升級，這正是另外兩個S的意義所在。
圖 5 先敵發現是資訊機動的首要需求
F-22在超音速巡航狀態下發射導彈，能大幅提升導彈的動力射程，F-22的超聲速大穩盤過載為其提供了優異的攻防轉換能力，使其在不損失速度的情況下，能夠快速掉頭，並利用超巡速度迅速消耗掉來襲導彈動力射程。攻防兩方面相綜合，F-22對三代機形成了牢不可破的不可逃距離優勢。
圖6 F-22和典型三代機相互之間的不可逃逸區（動力學維度）
綜合來說，由於感測器技術和導彈技術的快速進步使得空戰範圍顯著拓展，資訊機動空戰時代追求“先敵發現、先敵發射、先敵命中”的制勝原則，並在體系作戰的支援下空戰效能實現了倍增。隱身技術的出現立刻打破了攻防雙方在資訊領域的博弈平衡，但為空優而生的F-22確是在資訊域和物理域對三代機實現了全面升級。這表明資訊機動絕不是對能量機動的摒棄和否定，恰恰相反，能量機動以另一種形式完成了拓展和昇華，和資訊優勢一道，共同構建了資訊空戰時代下的制勝能力。
2 未來空戰制勝機理
從20世紀百年航空技術發展規律看，戰鬥機的發展正向複雜空戰系統方向快速演變，隨著自主、人工智慧、無人、計算、通訊等增量技術和變數技術的井噴式發展，航空平臺之間將實現更深程度的互聯互通、更廣範圍的協同增能，這直接激發了複雜空戰系統的研究與應用。
設想這樣一個203X年類似思想實驗的空戰場景：A國兩架高隱身戰鬥機正在執行空中巡邏任務，突然受地面指揮控制中心和地面預警雷達引導，前出攔截B國的空中突防編隊。A國戰鬥機在合適的距離雷達開機進行猝發探測，卻發現了前後2個編隊共10個目標，由於雙方距離在快速接近中，在A國戰鬥機雷達無法準確識別目標的情況下，2名飛行員無暇進行過多思考，協同目標分配後各選了兩個目標，向每個目標發射二枚導彈。在制導過程中，突然雷達告警接收到對手雷達制導訊號，但無法判斷是前後哪個編隊發射了導彈，情急之下，放棄中段制導而掉頭脫離。
事實上這是一個廣義上2V2的空戰場景，B國除了2架有人高隱身戰鬥機外，還配飛了4個無人忠誠僚機，2個遠射前置空中節點，和2個誘餌/探測/靈巧幹擾三能一體的對空巡飛器共8個低成本/可消耗無人機。該空戰場景離我們並不遙遠，我們可以從美軍當前的技術佈局找到線索。
2016年，美空軍正式對外發布公開版《空中優勢2030飛行規劃》，明確提出為了繼續維持跨代的空中優勢，美國空軍需要迅速構建新一代空戰系統和下一代空優戰鬥機PCA。2020年8月，美國海軍航空系統司令部成立了NGAD辦公室，以加速下一代艦載戰鬥機的發展。從美軍當前的技術佈局可以研判，美軍正以“下一代空中主宰”為抓手，以點帶面，圍繞未來空戰系統的通訊架構、指控架構、功能架構等諸多關鍵維度，進行全面的技術攻關與驗證，加速構建一個分佈、高生存、強殺傷、動態、彈性、高效的複雜空戰系統。
圖7 美國國防部、空/海軍等圍繞未來複雜作戰系統的技術佈局
從當前美軍的技術佈局和學界討論研判，未來空戰必然是空戰系統的對抗，至少美軍正在塑造空戰系統對抗的新模式，並加速研發和構建相關能力。其核心理念是：以PCA等下一代戰鬥機平臺為核心節點，透過將少量的PCA等高階平臺和大量的低成本、可消耗、模組化、強自主的無人僚機/巡飛器等相組合，構建原生空戰系統。未來，空戰系統之間的對抗，核心追求在於識別和認知對手多節點間的關係、系統架構和複雜殺傷鏈路的同時，阻止對手識別和認知己方的系統架構和殺傷鏈路，並尋求在全殺傷鏈環節遲滯、破壞和打斷對手的閉環功能，空戰將進入認知機動制勝時代。
圖8 未來以有無人協同為核心特徵的複雜空戰系統
認知機動時代的空戰系統設計屬於複雜系統設計範疇。不同於傳統單一系統，複雜系統更多透過分散式控制、系統自主決策、區域性可見、靈活分層、協同合作、系統間相互影響和追求最少約束等機制來完成設計目標。因此，需要尋求新的方法和手段來設計複雜系統，以產生和管理湧現性行為來滿足認知機動空戰的應用需求。未來空戰系統設計的總體目標是：從通訊架構、指控架構、功能架構和物理架構等諸多層面，以下一代制空作戰飛機為強節點，透過多種有/無人節點間的廣泛資訊互動和不同程度的自主決策執行，實現殺傷鏈的快速、高效、精準、並行閉環，在效率、魯棒性、適應性、彈性及準確性等諸多維度實現能力湧現。自主和人工智慧技術是實現複雜空戰系統的必要條件。
需要說明的是，下一代空戰形態的出現絕不是對上一代空戰形態的否定和摒棄，恰恰相反，是對上一代空戰形態的繼承和拓展。透過爭奪資訊域、認知域和物理域“三位一體”機動的綜合優勢來擊敗對手，始終是空戰制勝機理不變的指導思想。
圖9 空空對抗貫穿於資訊域/認知域/物理域
3 幾個關係的探討
一、 能力與規模並重
裝備的能力、規模、組合是裝備結構設計的最核心因素，也是一型裝備在設計之初必須考慮的不可或缺約束。2009年，空軍中校W·Locke透過系統的整理和分析紅旗軍演中的訓練資料，提煉出了戰鬥機數量優勢對空戰交換比影響的規律。結論顯示雙方的參戰架數比來到2:1以後，SU-27與F-15C的空戰損失比出現拐點並迅速上升。當參戰架數比在0.1:1和2:1之間時，SU-27與F-15C的空戰損失比表現的極為平緩，幾乎定格在3.5:1，當參戰架數比小於0.1時，損失比迅速下降（F-15C的損失迅速增加）。從二戰空戰的歷史資料和紅旗軍演的訓練資料統計結果來看，當雙方戰鬥機處於同代對抗時，數量優勢對交戰級空戰的影響極為明顯。隨著交戰層飛機間協同程度的不斷提高，數量優勢對交戰結果的影響還將繼續增加。
圖10 “紅旗軍演”：SU-27與F-15C的交換比
2015年，蘭德公司釋出《中美軍事計分卡》的研究報告，對中美在機場打擊、空中優勢、反艦作戰等10個任務方面的軍事能力進行了全面對比。其中，在對比中美空中優勢力量時分析了美軍為獲取並控制住臺灣上空空中優勢所需的兵力規模（見下圖）。研究表明，在最嚴苛的情況下，美軍需要從關島基地或同等距離的其他基地出動7個空中聯隊，才能實現對臺海上空的持續控制。事實上，中遠距離的區域控制和綿長國境線的防禦要求對每個軍事大國的戰鬥機規模都有著強大需求。考慮一場7天24小時的區域控制任務，防禦方要保持足夠規模的飛機持續存在，以頂住進攻方的一次湧入攻擊。空戰結果不但與上述交戰層的規模影響強聯動，甚至還是在機場受到猛烈攻擊的情況下進行作戰，難度不可不察。因此，規模需求是裝備論證階段必須考慮的核心約束之一。
圖 11攻擊與不攻擊基地情況下為取得空中損耗戰勝利所需的兵力（以空中聯隊數量衡量）
二、專用與多用權衡
在2018年戰略與預算評估中心釋出的研究報告中指出，美國海軍航空兵的裝備結構發展體現了這樣一個規律：大國對抗追求效能，和平時期追求效率。隨著大國競爭時代的又一次到來，戰略與預算評估中心為美國海軍建議了面向2040年的3種航空兵裝備結構方案，分別為傳統型，均衡型和專用任務結構型。評估結果表明，專用任務裝備結構方案能在更遠的距離以更高的生存能力投送更多的火力，是支撐大國博弈的有效解決方案。
從當前美國空海軍的發展佈局看，尤其在作戰裝備結構的專案安排上，確實呈現了這種特點。美國空軍的PCA專注於空優任務，B-21則專注於遠端穿透縱深打擊。2020年12月，美國海軍等聯合釋出了《海上優勢：以一體化全域海軍力量制勝》的海上戰略檔案，檔案中指出海軍的下一代飛機將在防空反導戰中承擔重責，聯合打擊戰鬥機F-35C將在MQ-25無人加油機的保障下，在力量投射與打擊任務中承擔首要職責。從裝備建設角度看，美國空海軍根據自身在聯合作戰概念中承擔的角色，並結合各自獨特的軍種需求，對裝備的定位有不同之處，但均選擇了一條相對專用任務型裝備結構道路：充分發揮嚴酷環境下專用裝備在執行匹配任務時的裝備潛力，透過全域協同和一體化指控作戰，實現整體效能最優。
三、數字工程與快速採辦創新
2018年6月，美國國防部正式對外發布“國防部數字工程戰略”。核心思想是利用全生命週期內可跨學科、跨領域連續傳遞的模型和資料，開展系統論證、設計、試製試驗和鑑定等科研活動。2019年，空軍負責採辦、技術與後勤的助理部長羅珀提出“數字化百系列”概念，旨在透過綜合運用數字工程、敏捷軟體開發以及模組化開放系統架構的“三位一體”工具，對戰鬥機進行每四年一次的高頻率升級，實現快速迭代研發。為與數字工程相適應，美國防部也不斷推進採辦改革策略。2020年1月，美國防部正式釋出5000.02指示《適應性採辦框架的執行》，力求實現靈活、快速、敏捷的能力整合、快速原型與快速部署。至此，針對數字時代的能力開發，和敏捷靈活創新的適應性能力採辦，美軍力求兩手抓，兩手都要硬，意圖在不斷迷惑對手的同時，徹底拉開與對手在時間、節奏和能力上的差距。
經過一個多世紀的空戰實踐，人類已經歷能量機動制勝、資訊機動制勝兩個空戰時代，隨著自主、人工智慧等諸多增量與變數技術的快速發展，未來空戰將迅速進入到認知機動制勝時代，以有無人協同為核心特徵的複雜空戰系統間的對抗將是未來空戰的主要模式。認知機動空戰的核心追求是識別和認知對手多節點間的關係、系統架構和複雜殺傷鏈路的同時，阻止對手識別和認知己方的系統架構和殺傷鏈路，並尋求在全殺傷鏈環節遲滯、破壞和打斷對手的閉環功能。立足於大國競爭與大國博弈下的時代需求，立足於未來聯合作戰概念下的使命定位，立足於數字化時代下的技術變革，下一代戰鬥機必將是一型在裝備結構中專注於空優的、規模化的，在任務層面具備快速響應的、在交戰層面能贏得認知機動空戰的複雜空戰系統中的核心骨幹節點。
