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国防创新倡议——武器装备原型设计的重要性

  编者按:美国《武装力量季刊》曾于2015年2月发表了题目为《国防创新倡议——武器装备原型设计的重要性》的文章。该文指出,在预算下滑期间开发颠覆性技术需要两个主要因素:一是依靠科学家、工程师和中级军官建立创新文化,促进以新方法考虑老问题;二是由高级领导人和官员通过支持试验和原型设计,打开创新的大门,这也是最重要的因素。文章简要介绍了军事创新的两个成功的历史范例,分析了美国国防部面临的挑战,包括国家安全环境的复杂性,研究开发试验评估预算的下滑,最后阐述了美国国防部开发创新性军事装备的战略。
  
  
     
  美国国防部在对开发未来军事装备进行原型设计方面有着丰富的历史,其中有两个最佳的历史范例:一是坦克原型设计,二是X型飞机项目,这两个范例很好地解释了促进原型设计取得成功的不同特点。  
  
坦克原型设计与X型军用飞机项目
 
坦克原型设计与试验
  进行坦克原型设计的原因在于必须找到能够取代运用于一战的堑壕战战术的作战样式。这些努力来自于一些中级军官,他们受到研究新型战术和技能应用想法的驱动,要求产业界开发新技术,为这种想法付诸实践提供便利。X型军用飞机则是源自于一些具有创新思想的科学家、工程师与军事人员的合作,创造并应用了许多具有划时代意义的成功,例如涡轮喷气发动机。在上述范例的发展过程中,美国国防部和产业界几乎持续不断地推动新技术融入既定范式。这种协作使得新型战术和技能应用在研发过程中掌握的信息基础上得到进一步开发。
  从一战结束到二战开始,美国陆军将坦克融入机械化作战,这被认为是武器装备原型设计与试验方面精心研究和恰当记录的范例。美国军事历史研究中心罗伯特·卡梅伦博士认为:“机械化部队作为‘战术实验室’得以兴起,旨在确定围绕坦克建成的作战部队的最佳组织结构和条令。”此言听起来意义深远,而在此期间坦克的研发工作遇到了各种可能的阻力,包括预算限制和观念狭隘的影响。如果对一战、二战以及两次大战之间问世的坦克技术进行简要而深刻的考查,就会发现武器装备原型设计的效力——不仅克服了这些障碍,在二战中赢得了对轴心国部队作战的胜利,还在此后催生了有史以来最尖端的机械化部队。
  在一战初期,英法两军分别建造和使用了坦克。英军将坦克用于突破步兵面临的障碍;而法军则将坦克用于火力支援,对步兵的火力形成补充。美国陆军注意到这两种使用方式的优点,但直到战争结束之后才有了关于建造坦克需求和计划的文献记录。他们与英国和法国陆军合作,学习新型坦克技术,但并没有致力于制造美式坦克。
  1918年2月,约翰·J·潘兴将军在法国布尔建立了轻型坦克学校,并任命年轻的乔治·S·巴顿担任学校领导,试验战术、技术与程序。在1918年战争临近结束时,另一位年轻军官德怀特·D·艾森豪威尔被派到马里兰州米德堡,计划创建第一个坦克营。这两位精英对于坦克战的协作与热情持续了整个生涯,并且促使二战期间盟军坦克战在欧洲和北非战场掌握了主导权。但在早期,巴顿和艾森豪威尔反对常规战术、技术与程序,主张将坦克作为作战部队的独立兵种,而不是仅仅为步兵提供支援。他们认为,美国军界对坦克热情不足的原因是“未能充分认识到坦克的用途和潜能”。艾森豪威尔和巴顿除了在米德堡研发和试验坦克之外,还为《步兵日志》撰写了坦克战和坦克设计的文章——几乎总是违反陆军领导层的意愿。
  一战之后,陆军领导层在国会的支持下解散了用于试验的小规模坦克部队,并将剩余的少量坦克配属给步兵。艾森豪威尔和巴顿继续对坦克进行试验,并编制了将坦克用作为独立作战兵种的条令、战术、技术与程序。然而,研发资金几乎被全部削减,他们俩被安排了新的工作,坦克研发工作停滞不前。持续的资金紧缩政策,使得1925—1931年间仅仅建造了一辆坦克原型装备。
  1920年,美国会颁布了《国防法案》,将坦克配属于步兵。但此后越来越多的人士达成共识,认为应该克服陆军部和国会的官僚掣肘,继续进行坦克研发工作。前任坦克军团司令和坦克学校校长塞缪尔·罗肯巴赫准将认识到艾森豪威尔和巴顿奉行的理念前景可观,于是继续积极开展坦克研发和试验活动。但直至1927年,他陪同陆军部长德怀特·戴维斯造访了英国陆军机械化实验部队之后,后者才于1928年在米德堡建立了美军机械化试验部队。
  1930年,道格拉斯·麦克阿瑟被任命为美国陆军参谋长后,开始努力推动美军部队机械化建设,并特别强调发展坦克力量。他支持巴顿和艾森豪威尔关于将坦克用于进攻性行动的主张,并资助了一些试验活动,以保持这个发展势头。就在二战前夕,艾森豪威尔成为训练教官,并为新近组织的路易斯安那军事演习编写演习计划。路易斯安那演习是二战前美军总部进行的一系列演习活动,由乔治·C·马歇尔发起,旨在帮助陆军为二战做好准备。这些演习活动的主要特色是新型条令与组织结构概念的战地试验,以及新装备和新计划应用的战地试验。演习在领导战地部队以最现代的方式进行配置方面提供了具有实用性的实践经验,并促使仍然沉溺于战前懵懂状态的美军指挥机构进行变革。
  1940—1941年的路易斯安那军事演习旨在使美国陆军改变和平时期的心态,准备应对迫在眉睫的全球冲突。马歇尔决定通过试验来设计作战部队结构,该部队将由训练有素的官兵组成,遵循科学合理的条令,促进“以非凡的方式实现创新和发展”。
  50年之后,戈登·R·苏利文就任陆军参谋长时,面对着给陆军造成极大困扰的一系列问题——冷战终结;国会授权对陆军资金进行大幅度削减;随之进行的部队规模大幅度裁减;还有一系列应急部署的需求。他从马歇尔身上吸取了经验,组织实施了现代路易斯安那军事演习。他的“现代版马歇尔理念”是基于“反复试验,广泛应用以计算机为基础的仿真技术,对建议的条令、程序、组织体系和装备进行测试。”这些演习活动形成了一些最重要的能力,包括“全资产可视性”、“战场数字化”和“黑夜的主宰——夜视技术”,使美军多次受益。
  坦克技术在一战、二战以及两次世界大战之间的历史时期得到了应用,并在2次路易斯安那军事演习中进行了大规模试验。从中获得的经验教训仍然适用于今天,特别是伊拉克战争和阿富汗战争已经进行了许多年。美军在历史上和当前面临的形势相似:防务预算削减,军力水平下滑,研发资金有限,还有围绕着未来战争性质问题展开的理论和政治争论。
  美军从中吸取的第一个经验是,在资源有限的情况下,原型设计和试验是很好的投资。第二个经验是,在准备应对未来冲突时,以过去战争为基础研发的条令并非总是有价值。第三个经验是,在队伍中,总是会有一些像艾森豪威尔和巴顿那样有着“创新血统”的年轻人。他们应该有机会在体系内分享这种创造力,促进灵活性和创新性。
  X飞机原型设计和军事航空业的发展演进
  X飞机也是军事历史上非常有名的原型设计系列。在为了分享第一架X型原型机成果而专门发行的手册中,介绍了该项目的目的:“对于空气动力学以及跨声速和超声速状态下的飞行性能掌握程度有限,促使美军启动该研发项目,以增加在该领域基础信息和实际信息研究方面的微薄资金。美军确定了研发纯研究飞机的综合项目,并且尽最大努力即刻执行。”
  X-1型军用飞机项目从1946年一直延续至1958年。基于确定的目的,该项目在此期间制造了7个机身,进行了236次飞行试验,仅仅发生了3起重大事故。X-1系列军用飞机项目的成功完成,不仅在当时引人瞩目,而且提供了各种重要的技术组合,几乎应用于当今所有的高性能军用飞机。X-1系列原型飞机不但首次突破了水平飞行的音障,还为高速和高空试验设置了基线,并且证明了薄翼剖面在空气动力学方面的可行性。
  在20世纪50年代,其他17个X项目也开始进行,对于从无尾机身到垂直起降等各个方面进行了测试。例如,X-14在1957—1981年期间对垂直起降技术进行了测试,为X-22系列(1966—1984年)创造了条件,并最终发展出如今V-22战机采用的气动配置。X飞机原型设计中也有最终没有投入生产的,例如原本设计用于测试在飞机上使用核动力推进可行性的X-6军用飞机项目(1955—1957年)。
  在20世纪60年代,又有7个X项目推出了原型机,其中有两个值得注意:一是X-23A无人机项目,用于对太空项目中使用的高超声速再入飞行器烧蚀材料进行测试;二是X-26项目,对于发展后来在一些最尖端侦察机上使用的隐身技术做出了很大贡献。
  在20世纪70年代,仅仅实施了1个X项目,原型机是一种水上飞机,旨在探索小型水上飞机在东南亚实施民事警务巡逻的效能。
  20世纪80年代也仅进行了1个X飞机项目,但该项目引人注目之处在于引进了前掠翼设计,并采用先进组件及其他空气动力学技术进步,从而能够实现超声速飞行。这些研发工作为此后所有高性能战斗机投入生产铺平了道路。
  在20世纪最后10年仍然仅仅进行了1个全维X型飞机项目——X-31型(1990—1995年)极短距起降推力矢量超级机动测试平台,还有3种成比例模型用于探索其他设计修正。
  在21世纪前15年,X飞机项目成员从X-32增加到X-56,相继制造出了无人作战航空系统验证机、复合式直升机矢量推力涵道螺旋桨推进器技术和高超声速冲压发动机。这些项目中有几项已经直接应用于联合攻击战斗机和F-22战机研发。
  美军在1940—2012年期间进行的X型军用飞机项目共有56个。将这些项目标绘在图表上,会发现几个情况:
  第一,某些技术从原型设计到最终运用于战地飞机,耗时长达数十年。
  第二,在战争开销增加期间(例如冷战以及伊拉克和阿富汗战争),建造的原型机数量非常少。
  第三,在最近数十年,X型军用飞机项目更多地属于项目开发,而不是最初X-1项目的“纯研究”属性。
  X型军用飞机原型设计突出了2个潜在的收益,可借鉴于《国防创新倡议》中运用的抵消战略:
  第一个收益是在预算不稳定期间将原型设计用于未来装备开发,以保持与技术进步同步,且无需向常规采办项目投入大量资金。
  第二个收益是作为成本分摊机制,提供了与产业界在可以公开交换信息的环境中开展合作的机会。
  
  当前的挑战
  
  2014年2月24日,时任美国国防部长查克·哈格尔在对2015财年预算进行作证时总结道:“我们正在进入一个时代,美国在海洋、天空和太空的主导地位将不再是理所当然。”国防部副部长罗伯特·沃克补充道:“自从第二次世界大战结束以来,美国从来没有试图要和潜在对手比拼坦克、飞机、人员、导弹,我们总是寻求实现抵消。”新的抵消战略是基于在人员和业务实践中鼓励创新文化,即“创建长期研发项目”,实现技术突破,并“重振兵棋推演”和研发新型作战概念的原型设计。然而,该战略面临着两个重要挑战:一是国家安全环境的复杂性;二是整个国防预算特别是研究开发试验评估预算所承受的不断增加的财政压力。
  
  国家安全环境的复杂性
  国家安全环境的复杂性表现为国家和非国家行为体构成的挑战不断增加,这些行为体在地面、海上、空中、太空和网络空间领域威胁着美国及其盟国的安全。这些挑战包括:
  * 加快技术发展的步伐,挑战美国保持优势的能力,而美国的优势受到了20世纪计划和预算程序的制约;
  * 作战使能装备的重要性上升,例如太空、网络空间和电磁频谱;
  * 预算和采办减少;
  * “一己之力”的威胁,即个人可借助在因特网上广泛可用的知识和工具,对大型复杂系统造成破坏;
  * 通过打破“最薄弱环节”,摧毁系统之系统的依存关系。
  其他国家正在利用不断加快的技术发展步伐,将目标瞄准美国的关键性装备,攻击信息网络的弱点,造成关键信息泄露。
  美国在告别伊拉克和阿富汗战争年代的同时,中东的地缘政治版图仍在继续变化,包括埃及的动荡,叙利亚令人担忧的化学武器问题,以及伊朗持续抱有核野心,使得整个地区形势至少是处于不稳定状态。此外,恐怖主义在各个大陆之间的持续性扩散,继续威胁美国及其伙伴国的安全,以及正在打造的与伙伴国之间的关系。最后,其他国家研发先进军事装备,正在缩小与过去处于技术领先地位的国家之间的能力差距。这些复杂而不断上升的威胁,使得美国在做出战略选择时更加困难。
  
  研发领域的财政压力
  预算下滑同样正在使美国发展作战装备的思维方式发生改变。美国防部副部长沃克最近明确指出,“自动减支并非有助于美国的国家安全。必须指出,如果想要一个受到预算驱动的战略,那么就执行自动减支。如果想要一个有助于国家的战略,那么就更多地考虑总统预算。”
  商业机构和联邦政府研发部门共同关注的指标是研发资金增幅与人均国内生产总值增长率的比率。国家科学基金会对这个指标进行跟踪研究时发现,在1989—2009年期间,联邦研发开支年增长率仅为1.3%,而国内生产总值的年增长率达到2.4%。在将联邦政府研发资金与商业领域研发资金进行对比方面,该基金会更新的数据也显示出一个有趣的趋向。国家科学基金会理事会在2014年的报告中指出:“美国基础研究大多在高等院校进行,由联邦政府提供资金。然而,在美国研发资金总额中所占比例最大的是开发资金,主要由商业机构提供,商业机构还是应用研究的主体。”
  图表1清楚显示,在2009—2012年期间,商业研发资金发生了戏剧性转变,而联邦政府研发资金在下滑。美国防部需要关切的是,随之产生的学术研究者对联邦政府投资的依赖性,以及2011—2012年联邦政府投资下滑造成的影响。这意味着美国国防部在研究解决方案时,应该首先评估产业界的研发投资,然后适当利用产业界已经投资和针对防务需求进行改进的项目。
  积极的消息是,2011年国家研发开支增加了5%,达到4280亿美元;2012年国家研发开支增加了5.7%,达到4520亿美元。这在相当程度上超过了这2年国内生产总值4%的增幅。这个趋势是历史模式的再现,即国家研发投资总额的增长率高于国内生产总值增长率。
  美国国防部一贯依赖研究开发试验评估预算,用于研发新装备,确保军事优势。图表2显示,研究开发试验评估预算自2009财年达到顶峰以来,正在急剧收缩。采购预算通过利用研究开发试验评估阶段开发的装备,进行武器系统的系统工程与制造,最终用于完成新装备的开发。图表3显示,如果将采购账目对研究开发试验评估资金进行补充,用于开发新系统和对现有系统进行现代化改造,财政紧缩的定律不会改变。事实上,它加重了形势的严峻性。
  当前财政环境的影响不能低估。研究开发试验评估账目的削减,不仅会减少在新的科学技术领域的投资,而且会导致努力解决美国国防部面临问题的科学家和工程师数量下滑,进而削弱国家安全技术能力。采购预算的压力将会导致新启动项目的减少,并且更多地聚焦于维持和发展现有能力。如果缺乏强有力的管理,将可能造成两方面的严重负面影响:
  第一,冒险精神受限,使得决策者更加不愿意开发和运用新技术。规避风险将会减缓美国研发项目技术进展的步伐,使得美国的全球竞争者能够利用加快的技术进步。
  第二,工业设计能力削弱,新设计项目减少,导致尖端设计能力面临风险。可能在未来某一天需要某种防务设计能力的时候,会发现难以重新生成这种能力。
  
  基于风险的创新战略
  
   考虑到一系列复杂的威胁以及研究开发试验评估和采购资源在下滑,美国面临的挑战是,在资源减少的年代里如何维持和增加在未来技术和系统概念方面的投资。关于如何应对这种挑战的战略指导,包含在《维持美国的全球领导地位》的相关文件之中。《国防预算优先级与选择指南》概要论述了未来5年实现重大节约的办法,从而使联合部队“规模更小、更精干”,但“仍然保持机敏、灵活、战备、创新和技术先进性”。在保护新装备和投资方面,指南要求“为一些装备增加投资,对于其他装备则维持现有资金保障水平,或者略有削减”。图表4显示了基于风险的装备研发重点。
  根据该战略进行的装备开发聚焦于两种新技术应用方法:能够提升现有装备性能的新技术低风险应用方法;能够催生新装备的新技术高风险应用方法。通过开发新技术的低风险应用方法提升现有装备性能,是美国国防部过去一贯沿袭的发展道路,在渐进式改进方面,有着悠久的历史。面对预算下滑和掌握尖端技术的对手,即将面临的挑战是如何保护“谷种”或者新兴的科学技术,这种科学技术能够使美国在实施和打赢未来战争的方式上实现突破。
  世界技术评估中心新近编撰的一份研究报告提出了研究如何掌握21世纪新兴科学和创新的有益框架。该报告得到了来自国家科学基金会、国家卫生研究院、国家航空航天局、环境保护署、海军研究办公室和农业部的参与者的资助和支持。报告在掌握科学与工程大趋势方面使用了“聚合-发散”循环周期。报告将聚合界定为“在似乎独特的科学学科、技术、社会团体以及能够实现相互和睦、合作和融合的人类活动领域进行升级和转型互动,并通过这一进程创造附加价值,开辟新兴领域,实现共同目标。”在循环周期的聚合阶段,创造性时期成为多学科领域协同的主体,并在融合阶段将这些领域进行整合。在发散阶段,融合的知识通过创新型新方法的系统开发进行整合,并在测试和利用附加价值的产出成果阶段达到顶峰。
  报告指出,智能手机为理解“聚合-发散”循环周期方面或许提供了最佳范例。人们在大约10年前通过将材料科学、纳米技术、认知科学和人机界面技术的新知识进行结合,获得了手机平台,但手机的迅猛发展得到了以创新和产生成果为主要内容的发散阶段的推动。在这一阶段,技术的使用方式“在国家安全、教育和认知科学等多种领域产生了广泛意义和辅助影响。”
    科学知识的聚合
  表5概要介绍了研究报告《聚合知识、技术和社会:超越纳米—生物—信息—认知技术的聚合》在新兴科学知识方面的成果,这也是美国防部感兴趣的内容。
  美国防部根据这个聚合与发散的框架进行思考,意在维持当前的研究开发试验评估投资水平,并通过在灵活性和创新性方面的原型设计,增加对关键装备的投资。聚合将主要在科学技术界培育,而发散将在工程、试验和采办界得到推进。
  借助装备原型设计保持技术优势。在最近美国国防部高级领导层会议上,负责采办的副部长和负责研究与工程的副部长联合提议进行灵活创新,旨在通过扩大利用开发性和操作性原型设计推动装备发展。开发性原型设计演示的装备无需担心操作因素;操作性原型设计演示的装备则考虑到可维持性、可制造性和可靠性。研究工程界与采办界共同努力,旨在增加原型设计方面的投资,打造必备能力。
      当前灵活性与创新性原型设计
  推动建立《维持美国的全球领导地位》和《长期研究与发展规划》中概述的变革文化,关键在于承诺“鼓励作战概念方面的创新”。在美国国防部,作战概念通过试验进行开发,通常结合运用现有系统与新技术,也有的表现为原型设计的形式。军事用户可以训练使用原型设计,对创新性平台、系统和武器提供的机遇进行评估,探索新技术具备的战术与战略优势。这种近乎完全的原型设计,优势在于可用于军事演习或者应急作战,使军种领导人能够在作战背景下对其效用进行评估。在作战环境中试验原型设计,有助于洞察未来需求,并且有机会考虑摆脱现有材料解决方案的系统方法。
  灵活性和创新性原型设计战略有以下三个要素:
  * 建立专门的开发性和操作性原型设计项目,具有重大规模和有限期限,旨在设计、开发和交付尖端的地面、海上、空中和太空系统的完整的操作性原型产品;
  * 向联合部队和军种用户交付操作性原型设计,锻炼并评估在现实条件下与现有装备协同使用的军事效能;
  * 利用从这些原型设计中获得的知识和经验,开发新型作战概念,揭示未来采办项目的需求和技术可行性。
  有效原型设计项目的关键特征在于能够保持快速灵活、可视公开、公平开放。快速灵活的特点受益于设计周期短(2年以内),足以实现快速持续的技术进步,使美国在周期时间内的装备选择增长速度比潜在对手更快。为了确保可视性,先进原型设计演示将尽最大可能做到非机密。演示装备将通过展示美国的能力,使对手在开发和部署应对美国潜在能力的反制装备方面付出更大的代价,从而促使潜在对手对行为做出改变。美国国防部在原型设计方面的投资将生成知识产权,并尽可能广泛地与美国各界分享。根据原型设计工作开发的技术知识产权将归政府所有,而开发的知识和经验将在整个国防工业基地进行共享。美国防部借助原型设计,在新启动设计和生产间歇期间保持关键性非国防工业基地的设计和制造能力,并对其进行技术更新。交付完全的(或者近乎完全的)原型设计产品,能够锻炼生产制造能力,并支持资本投资,从而保持最高水平的设计和制造能力。
  原型设计还可以激励富有创新精神的设计者和工程师。通过原型设计,为美国国防部提供应对关键性挑战的渠道,应该能够吸引国防工业基地工作人员中的优秀人才。原型设计工作还应该有助于招募年轻的科学家和工程师,并且作为强调科学、技术、工程和数学教育吸引力的重要平台。
  
  结 论
  
  开发性和操作性原型设计能够用于提升现有装备的性能,锻炼尖端设计团队,保持相对于未来潜在对手的技术优势,并且使操作用户能够洞察未来的战略和战术。在财政受限的环境中,避免将先进的原型设计视为后续采办项目的引领系统,这一点非常关键。相反,原型设计项目或许仅仅能够达到为设计概念或者相关制造能力提供切合实际的锻炼。这些项目可能还会为应对新兴技术和作战挑战演示潜在的解决方案。
  美国国防部必须紧跟科学发展走向和新兴技术。新兴技术的新发现,例如嵌入式机器人系统和3D打印技术,将为防御性和进攻性装备带来史无前例的突破。借助激发灵感的基础研究,能够引发现有应用之外的新兴运用方式,产生新理念和新发明,并通过开发原型设计取得发展。美国防部借助“聚合-发散”范式,正着手实施双管齐下、基于风险的战略,以最具效率和效力的手段利用资源(资金、便利和人力),为国防提供支持。实施这一新战略和支持“聚合-发散”演化过程的关键,在于进一步强调开发性和操作性原型设计。
    无论原型设计被用于开发新的创新型装备,还是改进现有装备,这种应用在资源受限和地缘政治动荡的年代肯定会有效果。采用这种无限可能的艺术,并将其转变为可行的科学,是值得开展的研究开发议程。然而,成功将依赖于建设变革、创新和协作文化。民众的求知欲和创造力将成为最重要、最具决定性的要素。(王涛)
 
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