0 引 言 

F-35 聯合攻擊機是美國洛馬公司聯合英國等 8個國家研製的一款隱身超音速多用途戰鬥機。該型飛機從 2006 年 AA-1 試驗機首飛至今的十數年間,包括武器分離試驗、武器精準投放試驗、任務效能試驗和多機對抗先進威脅試驗等等在內的各類科研試驗活動一直伴隨其研製工作不斷開展,其成體系、大規模的試驗活動具有參考和借鑑價值。本文在閱讀公開資料 F-35 聯合攻擊機近期鑑定試驗情況的基礎上,立足國內軍用航空武器試驗鑑定工作進行思考和研究,總結得出了航空裝備試驗鑑定工作在技術狀態管控、裝備缺陷管理、配套試驗基礎設施以及應當關注的其他專業領域等方面的若干啟示。 

1 F-35 飛機近期主要試驗情況 

F-35 聯合攻擊機於 2018 年 4 月之後全面轉入初始作戰使用試驗與鑑定( IOT&E)。其近年來的試驗活動可以從以下幾個方面進行描述。

1.1外場試驗全面完成

2019 年底,據美軍作戰試驗鑑定局宣稱,F-35聯合攻擊機初始作戰使用外場試驗已完成 91%,試驗小組將在隨後繼續開展剩餘的試驗評估工作。2020-2021 年,F-35 完成的初始作戰使用外場試驗主要包括:1)隱身能力持久性試驗;2)AIM-120導彈和寶石路 IV 激光制導炸彈在 GPS 拒止條件下的性能試驗;3)壓制和摧毀敵方防禦力量的電子攻擊試驗;4)任務軟件缺陷修正後的 AIM-120 導彈試驗;5) F-35A 型機投放B61-12 核彈惰性彈飛行試驗;6)對空進攻、對空防禦、巡航導彈防禦、壓制/ 摧毀敵空中防禦、電子攻擊、近距空中支援、協同打擊等多種不同任務使命下的威脅環境對抗試驗。圖 1是美國海軍 F-35C 型機正在進行 AIM-120 導彈投放飛行試驗。

截止 2021 年 7 月,F-35 聯合攻擊機初始作戰使用外場試驗已全面完成。

1.2 內場仿真測試進展緩慢

F-35 聯合攻擊機內場仿真測試用到的試驗環境稱為聯合仿真環境(JSE),這是一種可擴展、高保真、通用化的仿真手段,能夠模擬外場試驗難以實現的高密度威脅場景。聯合仿真環境被美國國防部認為是唯一的可以用來充分鑑定 F-35 綜合能力的試驗形式,F-35 聯合攻擊機任務系統大量的威脅作戰條件測試和驗證工作都需要在聯合仿真環境中完成。

然而,聯合仿真環境的開發需要對 F-35 飛機眾多軟件和硬件進行數字化建模與集成,這是一項非常複雜艱巨的任務,因此該項工作自 2015 年以來就一直遲滯。

2020 年,洛-馬公司與美國海軍航空系統司令部合作,持續開展 F-35 聯合攻擊機的數字模型集成工作。駕駛艙、視覺設備和建築等物理設施以及地形、威脅、目標等合成環境的數字模型已經建設完備,建成的 F-35 聯合攻擊機全任務模擬器如圖 2 所示。而其他各類威脅和武器模型的全面集成和聯調尚未完成,多個模型之間交互的問題仍然存在。另外由於受到新冠疫情影響,項目軟件集成調試進展緩慢,不足以支持開展 F-35 聯合攻擊機內場仿真測試工作。

2021 年,聯合仿真環境開發團隊在仿真技術優化和系統整體穩定性提升方面持續着力,但如需完成必要的驗證,未來仍有大量工作需要開展。由約翰霍普金斯應用物理實驗室、卡耐基梅隆大學和喬治亞理工學院聯合完成的一份技術評估報告認為,必須為聯合仿真環境追加足夠的財政和人力投入,才能更好地支持 F-35 聯合攻擊機內場仿真測試工作。 

1.3實彈試驗注重易損性、毀傷性評估 

實彈射擊與評估(LFT&E)是 F-35 聯合攻擊機非常重要的試驗大類。近年來,美軍方在 F-35 項目中除了完成各類武器分離、精準投放試驗之外,更加關注對易損性、毀傷性的試驗評估。

2018 年 4 月,洛-馬公司就發布了 F-35 易損性評估和實彈射擊綜合評價報告,描述了其在動態威脅條件下的易損性試驗工作。2020 年,美軍主要開展了 F-35B 型機電磁脈衝威脅耐受性系統級試驗、第二三代頭顯對生化和放射性元素的防護能力試驗,旨在全面評估 F-35 在非常規威脅條件下的易損性。

毀傷性試驗評估方面,2020 年,美國空軍向國防部作戰試驗鑑定局提交的兩份報告詳細記錄了F-35 航炮毀傷性地面試驗和空對地試驗情況,而海軍仍在對空對 F-35 對地打擊時航炮的毀傷能力進行持續分析評價。後續美國防部作戰試驗鑑定局將出具一份獨立的 F-35 航炮毀傷性評估報告,為該型飛機全速生產決策提供支撐依據。

1.4 作戰數據完整性網絡測試推進艱難 

F-35 聯合攻擊機特有的自主後勤信息系統(ALIS)是其操作支持、任務規劃、供應鏈管理等多元功能的複雜集成,堪稱“系統之系統”。洛-馬公司宣稱,藉助該系統, F-35 飛機的維護成本相比F-22 可以降低 80%。然而,由於自主後勤信息系統實在過於複雜,其開發過程一直步履維艱。2020年,開發團隊陸續發布了自主後勤信息系統 V3. 5的多個子版本,但大多數改進並沒有消除長期存在的數據質量和完整性問題。由於自主後勤信息系統項目推進不力,2020 年初,美國國防部宣布將使用更加輕量和高效的作戰數據完整性網絡(ODIN)代替自主後勤信息系統,稱之為“A2O(ALIS to ODIN)戰略”,並計劃在 2022 年底之前在所有的 F-35 飛行部隊全面投入運行。 

2020 年,作戰數據完整性網絡繼續開展相關開發和試驗工作。9 月份美國海軍陸戰隊某飛行中隊完成 F-35B 型飛機作戰數據完整性網絡硬件加裝,隨後進行了數架次飛行試驗活動。 

2021 年,面臨資金限制和自主後勤信息系統軟硬件老化等挑戰,項目團隊重新制訂了從 ALIS 分階段過渡到 ODIN 的計劃,取代之前的快速過渡方案。2021 年的相關的開發工作主要集中在 ODIN 基礎硬件換裝、網絡安全改進、軟件穩定性提升和處理時間可用性優化等方面,此外還進行了任務規劃支持環境的網絡安全測試。後續還將開展嚴格的數據完整性測試。 

然而截止 2021 年初,作戰數據完整性網絡項目包括總體試驗方案在內的關鍵戰略文件尚未提供給美國國防部,因此作戰試驗鑑定局將無法對整個系統的發展和運行適用性開展充分鑑定評估,這為後續該系統部署的時間進程帶來了一定風險。 

1.5 網絡安全性試驗仍是薄弱環節 

網絡安全性試驗的目的是評估武器裝備在作戰環境中識別網絡漏洞、檢查攻擊路徑、修復網絡防禦從而正常支持作戰任務的能力。根據美國國防部政策要求,F-35 聯合攻擊機試驗小組於 2015 年 2 月制定了網絡安全性試驗策略,經作戰試驗鑑定局批准後據此開展相關試驗工作。

2020—2021 年,試驗小組繼續與美國國防部的各利益相關方合作,開展 F-35 聯合攻擊機網絡安全試驗,主要包括:1) 在馬里蘭州帕圖克森特河微波暗室進行可變信息格式網絡安全測試;2)在馬里蘭州帕圖克森特河微波暗室進行導航系統的網絡安全測試;3)在德克薩斯州沃思堡洛-馬公司任務系統集成實驗室進行武器接口網絡安全測試;4)在德克薩斯州沃思堡和加利福尼亞州愛德華茲空軍基地進行自主後勤信息系統合作脆弱性和滲透評估;5)在亞利桑那州尤馬海軍陸戰隊航空站進行任務規劃支持環境(MPSE)合作脆弱性和滲透評估;6)在佛羅里達州埃格林空軍基地對任務規劃支持環境進行對抗評估。 

經過近幾次相對成功的試驗,一些與網絡安全有關的系統問題得以暴露,但還未得到徹底解決。迄今為止,一方面對 F-35 聯合攻擊機供應鏈的網絡安全試驗還不夠充分,另一方面飛機技術狀態頻繁迭代升級也可能會進一步增加軟件開發環境的網絡安全測試難度,因此試驗小組必須繼續制定合適的試驗策略,以支持 F-35 聯合攻擊機後續持續開展網絡安全測試。 

2 F-35 試驗鑑定里程碑事件回顧 

美軍規定的試驗與鑑定工作分為研製與演示驗證試驗(SDD) 和初始作戰使用試驗( IOT&E) 兩個階段:研製與演示驗證試驗類似國內定義的性能試驗,這類試驗有較為完備的理論方法支撐和錯綜複雜的結構化組織,通過獲取關鍵數據來評定飛機裝備各項技術能力以及適航性、限制條件和安全性等;初始作戰使用試驗則類似國內定義的作戰試驗,強調把試驗點帶入到使用環境,以評估更為複雜和苛刻的任務場景下的裝備能力。

對於 F-35 聯合攻擊機而言,研製與演示驗證試驗和初始作戰使用試驗雖說分屬兩個不同的試驗鑑定階段,但實際上時間框架存在一定交疊。圖 3 回顧展示的是 F-35 聯合攻擊機研製與試驗的重要里程碑時間節點。

3 對國內裝備試鑒工作的啟示 

在前文介紹 F-35 聯合攻擊機近期試驗工作和回顧試驗鑑定關鍵里程碑節點的基礎上,本節我們着眼裝備技術狀態管控和缺陷管理、基礎試驗資源建設、虛擬仿真試驗的應用和應當關注的其他試驗領域等幾個方面開展中美雙方對比分析,期望能夠對國內航空裝備試驗鑑定工作帶來啟示。

3. 1 技術狀態管控 

F-35 聯合攻擊機項目自從 Block 3F 以來就廣泛採取了所謂“持續能力開發和交付( C2D2)” 模式。相比於傳統的瀑布式採辦,C2D2 模式要求每 6個月更新一輪軟件版本,更加迅速敏捷,也更加適應現代戰爭對武器裝備能力漸進式提升的客觀要求。然而,美國國防部也意識到這種能力提升形式存在風險:半年一輪的軟件版本升級對開發者來說很難按計劃交付新的能力增量;軟件修正工作又常常會引入系統穩定性問題或者影響飛機其他交聯功能;頻繁的軟件更新使得留給新代碼的測試時間很短,進一步增大了軟件錯誤的可能;缺乏仿真環境、實驗室、試驗機、模擬器等足夠的試驗基礎設施來滿足飽滿的系統升級驗證需求。 

與之相類似,國內目前各類新武器型號飛速發展,研製周期不斷縮短、逐步釋放裝備能力成為常態。武器裝備漸進式能力提升要求試驗鑑定工作必須加強被試裝備技術狀態的管控能力,具體的措施例如:針對裝備技術頻繁變更的問題,提前規劃布局仿真環境和它機平台等試驗手段,發揮仿真試驗和它機試飛的領先作用;拉通型號能力狀態規劃和年度升級計劃,推行系統狀態監管制度,嚴把升級關口;提高試驗機構型管控水平,打包集中處理故障和其他及臨時問題;提前謀劃狀態變更後的階段性驗證工作,減少計劃外的頻繁迭代驗證。 

3. 2 裝備缺陷管理 

一直以來,F-35 聯合攻擊機的缺陷問題備受矚目,回顧歷年的美國國防部試驗鑑定局年度報告可知:2018 年 5 月完成 SDD 試驗時,F-35 飛機 I 類缺陷多達 64 項,2020 年底初 IOT&E 外場部分即將結束時 I 類缺陷尚有 10 項。由於試驗過程仍在不斷暴露新問題,各類缺陷一直沒有徹底根除。

實際上,美國試驗鑑定工作的規範性、細緻性和完備性使得缺陷問題的發現和糾正有一套成熟完善的體系。F-35 項目辦公室認為,現有缺陷在當前的作戰環境下可能會對作戰任務產生影響,但仍然可以接受;美智庫戰略與預算評估中心表示,缺陷問題是 F-35 戰鬥機在複雜的現代化升級過程中必然面臨的,美軍也正在持續採取措施解決這些問題;美軍現役飛行員也表示,F-35 仍然屬於新裝備,缺陷不可避免。 

國內近年來關於裝備的缺陷問題的認知不斷深化,並且新的試驗鑑定工作要求越來越強化對裝備缺陷問題的評價。在後續的工作中,試驗鑑定部門應當更加關注裝備缺陷管理能力:一方面從思想上提高認識,正視武器裝備缺陷存在的客觀規律,營造試驗鑑定特有的“以發現裝備缺陷、找到戰鬥力增長點為榮”文化氛圍;另一方面在業務水平和管理能力上下功夫,按照安全性、適用性和效能的影響程度等方面明確缺陷認定、細化缺陷等級,建立裝備全壽命周期、全試驗流程、分階段、分級別的動態管控科學模式。 

3. 3 基礎試驗資源 

美軍認為,試驗鑑定的質量在很大程度上取決於可用的試驗工具和基礎設施,通過這些工具和設施營造能夠反映裝備在作戰中遭遇到的環境和場景,才能有效地檢驗被試裝備戰術性能。2019 年—2020 年,依託內華達州試驗訓練靶場和穆古角靶場16 部可編程開環式雷達輻射模擬器營造的敵方雷達和綜合防空系統輻射信號試驗環境,F-35 開展了近 20 次各類電磁對抗科目飛行試驗,為驗證電子攻擊能力起到了至關重要的作用;此外,美軍還特別呼籲各類內場測試實驗室和露天靶場儘快升級,以滿足為 F-35 各類試驗訓練任務開展的需要。由此可見,即便美軍現有的裝備試驗設施和技術實力在全球範圍內首屈一指,但其一直沒有放緩相關的資源和資金投入,以保持對潛在對手的裝備領先優勢。 

國內方面,全新作戰概念和新型裝備湧現,推動着試驗鑑定體系架構不斷革新,相關科研機構近年來積極致力於裝備試驗能力的開拓提升工作。隨着物聯網、LVC 等新質技術發展應用,裝備未來開展跨域聯合多地的試驗鑑定工作成為趨勢。在此種局勢下,更應當加大試驗基礎資源設施建設投入,例如打造專用的航空武器複雜環境和體系對抗性能試驗靶場,以此擴充完善現有試驗條件的物理域,進而實現向電磁域、信息域乃至認知域的縱深跨越提升。 

3. 4 仿真模擬試驗 

美軍極為重視仿真模擬試驗在 F-35 研製中發揮的作用。F-35 聯合攻擊機試驗與鑑定計劃規定,約 43%的系統能力需要通過擁有全套飛行硬件、高保真模擬器和大型綜合戰術環境模型的仿真環境進行測試。從歷年美國國防部試驗鑑定局發布的年度報告可以看出,美軍先後多次部署建模仿真方面的相關項目,用於測試 F-35 飛機高度複雜的軟硬件系統。仿真模擬試驗為 F-35 試驗鑑定任務提供了必要的技術保障,大大提高工作的效率的同時還能有效控製成本。

國內裝備試驗鑑定領域對虛擬仿真技術的研究起步較晚,目前應用於航空裝備的仿真模擬試驗還存在很大局限性,特別是對於航電任務系統,仿真模擬試驗還沒有發揮出應有的價值。後續要加強仿真建模試驗的項目布局和資金投入;更加注重虛實結合的試驗手段和基於“預測-試驗-比較”的試驗鑑定模式;由軍方、裝備研製單位、試驗鑑定機構等共同配合努力,聯合建立被試對象數字樣機模型,利用各類實裝試驗數據不斷對模型進行修正校驗,形成模型和仿真環境的構建規範,提高模型精度和仿真結果的可信度;利用仿真工具推演試驗進程,優化試驗方案,預測試驗結果,特別是利用已有的試驗數據推導補充邊界狀態和極限條件的裝備效能;藉助仿真模擬試驗提高裝備試驗安全性,降低試驗鑑定成本,提高試驗鑑定效率。 

3. 5 其他試驗領域 

從 F-35 聯合攻擊機開展各類試驗的情況來看,美軍裝備試驗鑑定工作中還關注很多不被國內熟知和掌握的領域,這些領域一定程度也為我軍裝備未來的試驗鑑定工作指出了關注和發展的方向。

(1)網絡安全性試驗 

網絡已經成為構成現代化武器裝備的重要組成部分,隨着武器裝備中軟件代碼數量大幅增長,系統的複雜性和網絡安全薄弱性正在不斷提高。美國國防部陸續頒布了一系列有關網絡安全試驗鑑定的頂層指導文件,規範試驗鑑定內容、程序和步驟。近年來,藉助豐富的網絡安全靶場條件,F-35 聯合攻擊機網絡安全試驗一直在持續深入開展。在網絡安全試驗領域,雖說近年來國內也有一些科研機構正在開展相關的研究,但距離在裝備上開展的工程應用仍有很長的路要走。 

(2)互操作性試驗

隨着現代武器裝備網絡規模不斷發展龐大,互操作性試驗變得越來越重要。美軍認為,軍事信息裝備互操作性是聯合作戰中奪取制信息權的關鍵,美國國防部明確要求必須對包括 F-35 聯合攻擊機在內的所有重大防務採辦項目進行全生命周期的互操作性測試評估。美國國防部研製試驗鑑定辦公室編寫了互操作性試驗的相關指南,對互操作性試驗的相關要求進行了明確。

(3)易損性試驗 

從 F-35 聯合攻擊機試驗鑑定的有關資料來看,廣義的易損性試驗其實是一個很大的範疇,包括火力、微波、激光、電磁等物理武器,生物武器,化學武器,放射性武器在內的多種攻擊或威脅方式對被試裝備的損壞程度,都可以通過易損性試驗進行評估。國內方面技術積累還較為薄弱,更多還是關注物理武器致使的裝備毀傷,對美軍定義的生物、化學、放射性等“非常規威脅”易損性試驗的相關研究工作開展甚少。 

4 結 語 

本文在回顧總結近年來 F-35 聯合攻擊機試驗情況的基礎上,站在航空裝備試驗鑑定的立場開展思考研究,提出了一些思路和後續發展方向,期望對今後更好地開展國內裝備試驗鑑定工作有所啟發。未來,系統為用戶提供了信息監視、預警、決策等平台,在態勢可視化設計過程中應當充分遵循用戶認知特性和習慣,從信息數量、關係、維度、主次等多層面出發,綜合運用分層分級、關聯聚合、時空多維、焦點推送等設計策略,有效解決態勢顯示問題,降低用戶認知負荷,不斷提升態勢顯示友好性與人機工效。