美國高超聲速武器工業基礎能力布局分析及啟示

2021-02-23 海鷹資訊

2020年3月2日,美國防部國防研究與工程現代化局局長馬克·劉易斯在新聞發布會上表示,國防部成立了一個新的機構——「高超聲速作戰室」,重點關注當前美國高超聲速工業基礎現狀和量產能力,識別生產供應鏈上的「關鍵節點」,並著眼於國防部需要投資的方向,以確保工業基礎準備就緒。近兩年,美國在高超聲速工業基礎能力方面的動作頻出,彰顯出在美國高超聲速武器服役之際,工業能力因涉及到長遠優勢而受到越來越高的重視。

近年來,隨著美國明確戰略重心轉向大國競爭,高超聲速技術成為包括國防副部長麥可·格裡芬在內的多個高層的頂級優先事項,美國空軍高層更是將高超聲速武器裝備發展比喻成「曼哈頓工程」。美國公開承認當前高超武器發展落後於中俄,但另一方面,並不將短期內武器化進度趕上中俄視為發展目標。格裡芬在2018年2月的一次演講中稱,「美國對於(在高超領域)重新獲得與中俄競爭對手相匹配的水平並不感興趣,我就想走著瞧……美國的目標是——再次實現對中俄的技術突襲,掌握主導權,達成威懾效應。」劉易斯認為,美國與中俄相比,在高超聲速技術基礎科學方面的認知仍具有領先優勢,美國要平衡好近期和中長期的資源投入,而不僅僅是針對中俄的被動反應。

美國通過啟動多個快速原型樣機項目來加速高超聲速飛彈武器研製,在需求和技術的雙重牽引下,目前發展到一個關鍵時間窗口——從試驗探索到工程研製,從技術可行到武器可用,從解決有無到裝備夠用。格裡芬在2019年8月召開的空間與飛彈防禦研討會上表示,目前製造高超聲速武器不再是一個技術問題,也不再是一個物理問題,而是一個涉及生產更多數量的工業工程問題……工業將不得不重新學習如何高效和經濟地生產這些武器……與過去其他武器相比,高超聲速武器需要更嚴格的熱保護系統,需要研究能大規模生產精密硬體的途徑。

2019年以來,美國從戰略評估、組織管理、採辦程序、供應鏈、條件建設等方面多管齊下,意圖建立一個可支撐未來高超聲速武器生產需求和可持續發展的工業基礎。

由國防工業全貌向高超聲速武器領域聚焦,制定專項評估機制,迭代性地深化開展評估

應川普第13806行政指令要求,美國防部工業政策辦公室牽頭,商務部、能源部和國土安全部等多個政府部門共同參與,歷時1年多的全面調查和評估,於2018年10月發布《評估和強化製造與國防工業基礎及供應鏈彈性》研究報告。基於該評估框架,美國國防合同管理局工業分析小組(DCMA-IAG)於2019年2月啟動了高超聲速工業基礎能力和產能評估研究,重點評估領域包括產能、能力、工業基礎瓶頸、技術勞動力、材料、製造、研發支持、投資需求和樣機設計需求。與此同時,國防部技術和製造工業基礎(TMIB)辦公室制定了一項評估機制,第一階段將通過審查前期所有相關報告,並與DCMA-IAG的評估結果進行整合,以便全面了解高超聲速製造與工業基礎的關注點、風險和機遇;第二階段根據評估結論,利用政府政策工具,從技術能力提升、體制保護等方面採取相關舉措;第三階段通過與所有相關方進行協調,對採取的策略和舉措的有效性進行檢驗和改進。

進入2020年,隨著美國逐漸明晰高超聲速飛彈發展策略,追求遠中近射程銜接、高低搭配、多域平臺適裝的型號譜系,「裝備夠用」成為重點待解決問題。為此,美國防部專門針對高超聲速工業能力發展,依託「高超聲速作戰室」持續開展評估研究,預計在未來幾個月形成一份初步的評估戰略報告。

                                             

圖1  美國防部制定的高超聲速工業基礎評估機制

專門成立職能機構,統籌高超聲速工業基礎能力建設,加強人才儲備

美國防部從2019年開始關注高超聲速工業能力建設,指示採辦與保障副部長辦公室下屬負責工業政策的助理部長辦公室、研究與工程副部長辦公室下屬技術和製造工業基礎辦公室協作開展高超聲速工業基礎能力需求和戰略制定評估。而進入2020年,國防部內部機構管理發生重大調整,採辦和保障副部長埃倫·洛德主導創建了專門的職能機構——「高超聲速作戰室」,由劉易斯和負責採購事務的助理部長凱文•費伊共同擔任主席。該機構由國防部眾多部門辦公室代表組成,包括工業政策和專業領域專家,一方面將評估現有工業基礎是否能夠生產超燃衝壓發動機、高溫材料、新的制導系統及其他相關部件;另一方面將從人才培養和輸送角度,評估國防部是否具備所需的人員和專業知識,目前正由負責高超聲速的助理局長邁克·懷特組建大學聯盟,通過調動大學社區各個層面的參與者,使工業界以及美國政府實驗室都得到人力資源保障。

制定更為靈活、快捷的適應性採辦策略,提升高超聲速武器裝備採辦效率

為響應新版國防戰略,美國防部於2020年1月發布新的採辦政策文件5000.02指示,從政策體系、採辦程序、業務領域等方面對採辦政策作出重大調整,突出強調時間和速度,從上到下進行放權,凸顯採辦過程的靈活和快捷性。

其中,針對高超聲速技術這類需要快速轉化為作戰能力的業務,國防部正式引入中間層採辦程序,通過簡化需求生成過程、下放項目管理權力、省略裡程碑決策點等將開發周期縮短至5年內(美國國防部重大項目平均周期為8年)。事實上,早在2017年瞄準加快形成高超聲速早期作戰能力,美空軍通過先行先試、逐步迭代等方式,採用中間層採辦程序啟動了兩個高超聲速飛彈快速原型樣機項目,加快採辦速度,為美軍未來高超聲速武器的量產和部署提供了有力的政策保障。

積極擴大供應商規模,利用政府工具扶持工業基礎下遊行業

美國目前公開在研6個高超聲速飛彈項目,在加快推進原型開發和演示驗證的同時,通過合同授予擴大供應商規模,將研發、設計和生產環節有機地銜接起來。以陸軍的通用高超聲速滑翔彈頭(C-HGB)項目和遠程高超聲速武器(LRHW)項目為例,前者已授出量產合同,而後者仍處在原型開發階段,將對前者進行集成。美國防部採用「1+N」的模式,目前分別為這兩個項目選擇了一家總承包商和若干家分包商,並計劃在未來繼續選擇新的總承包商。

正如美空軍採購負責人羅珀所言,「國防部希望為陸海空三軍的高超聲速飛彈系統找到雙供應商……不會進行大規模的生產,但希望具備一個適應性很強、非常靈活的工業基礎,讓我們能夠進行螺旋式升級、批量次生產」。劉易斯也在新聞發布會上表示,「我們不僅希望確保一級供應商,同時也在尋找規模化生產所需的其他供應商」。

此外,美國前期工業基礎評估報告顯示,某些專用零部件的供應商數量稀少,個別領域甚至有淪為孤源供應商的風險。為此,美國《國防生產法案》第三章規定,國防部每年有數千萬美元的撥款,用於創建、維持、保護、擴大或恢復對國防至關重要的工業基礎部門生產能力,支持脆弱的供應商,消除「單一故障點」。

高度關注熱防護、材料等瓶頸技術,推動增材製造等先進工藝在高超聲速武器的應用

2014年,美國空軍科學顧問委員會對高超聲速飛行器技術成熟度進行整體評估,建議提升高溫材料技術、彈身熱防護系統性能,推動增材製造等先進位造工藝的應用,以減少部件數量以及降低製造成本。其中,針對材料和熱防護,美空軍和國防高級研究計劃局(DARPA)在2016年、2018年相繼發布招標公告,為高超聲速武器熱防護系統的材料和工藝徵詢來自工業界和學術界的信息;美陸軍在2021財年國防預算申請文件中指出,將依託C-HGB的熱防護系統量產需求,建立相應產業基礎。

對於增材製造技術,羅珀表示,具備此項能力是高超聲速飛彈供應商篩選的必備要求。洛馬公司總裁曾透露,增材製造技術可使高超聲速巡航飛彈的批量生產成本降至百萬美元量級。鑑於其在生產效費比上的巨大優勢,美國政府實驗室、軍工企業很早開始在高超聲速領域的應用研究,目前正逐步實現從材料到零部件,再到關鍵分系統部件的突破。諾格公司在2019年6月表示,將採用增材製造技術試製完整的超燃衝壓發動機,可大幅縮減發動機質量。

為加速高超聲速武器研發和技術成熟,美國正在通過改造和新建等手段,提升試驗設施能力。

首先,著力升級改造已有設施能力。2012年12月20日,美國國防部試驗資源管理中心發布《試驗與鑑定基礎設施全面評估》報告,在當前已有和在建的地面試驗設施中,確定了16處核心試驗設施和3處重點試驗設施。這些設施主要分布在美國國防部、NASA、能源部和高校,涉及傳統燃燒加熱、電弧、激波、靜音、清潔空氣等不同類型的風洞以及彈道靶和火箭撬等設施,能夠模擬高溫、高壓、高馬赫數、高焓、高雷諾數等參數。藉助每年提供的升級改造和運維經費,上述16處核心高超聲速地面設施得以正常運轉並適時升級改造。2019年7月,AEDC 9號風洞完成了從馬赫數14擴展到馬赫數18升級後的初步調試。

其次,按需建設新試驗能力。2018年3月,DARPA局長史蒂文·沃克稱,目前正在著力推動制訂一項針對高超聲速飛彈試驗需求的國家層面的基礎設施發展規劃。未來幾年內其地面試驗設施數量有望得到增長,其持續了近20年的高速系統試驗(HSST)專項儲備的試驗技術也將轉化到新試驗設施的建設中。例如,儘管已有普渡大學的靜音風洞,美國空軍仍新建多座靜音風洞,包括在聖母大學新建一座Ma6級(直徑為美國其它同級靜音風洞的2倍)和一座Ma10級靜音風洞,2019年在普渡大學新建一座Ma8級靜音風洞;此外,美國陸軍聯合德克薩斯農機大學計劃新建一座Ma10級高超聲速風洞等等。

持續優化,查漏補缺,夯實高超聲速武器技術工業發展基礎

高超聲速技術已然成為大國博弈的長期競爭焦點。在加大顛覆性技術基礎投入的思想牽引下,美國對高超聲速武器工業基礎能力的重視程度不斷增加,可以說這是技術向裝備轉化的必然要求,也反映了美國立足基礎謀求長遠技術優勢的戰略策略。歷經數十年的高超聲速探索經驗與教訓,美國充分認識到基礎對科技持續向好發展的重要性,2009年就在國家高超聲速基礎研究計劃(NHFRP)的牽引下專門組建了三個國家高超聲速科學中心,重點對六大領域開展基礎研究,旨在加強美國在高超聲速技術基礎科學方面的認知,最終實現高效可靠的高超聲速系統設計。

無論是高超聲速基礎科研還是高超聲速工業基礎,我們看到「基礎」貫穿於美國高超聲速科技的發展。為防止美國在高超聲速武器領域實現對我技術突襲,需全面總結經驗,評估優劣勢,查漏補缺,持續完善高超聲速科技與工業體系

強化國防工業能力評估的重要性,系統研究國外相關做法和規範,予以客觀地學習借鑑

美國是在一定框架體系下對高超聲速工業基礎能力進行評估,通過持續性、迭代性的工業基礎調查和工業能力評估來摸清家底,並將調查評估結果作為國家層面進行工業政策調整和工業能力調整的重要依據。事實上,不僅僅是針對高超聲速這一專項領域,美國對整個國防工業和分行業都會定期進行評估,在立法方面給予保障,並從制度和流程上對評估活動進行規範。比如,《美國法典》第10篇第148章授權美國防部開展工業能力評估;國防工業能力評估條令5000.60-H定義了適時開展個案評估的條件,並制定了詳細的評估流程;《1997財年國防授權法案》要求美國防部每年向國會提供工業能力評估報告。可以說,評估和監控國防工業能力,已成為美國保障國防工業效率的重要舉措,也是實際上的一項國家基礎工程。有必要系統研究國外關於工業能力評估的做法,尤其是美國工業能力評估的最新趨勢,為構建我國工業強基工程提供新的視角。

充分發揮政府的統籌、規劃和協調作用,構築靈活、高效的工業基礎

綜合上述舉措可以看出,美國政府的宏觀調控和幹預,在高超聲速工業基礎發展中發揮著至關重要的作用,包括對一級承包商的嚴格篩選、支撐供應鏈中較為脆弱的節點、以及利用政策扶持下遊薄弱行業等。儘管美國也認為主要依靠市場機制來推動國防工業自我調節,是既符合經濟學理論、也有利於國防工業順應21世紀的技術、創造力和資本市場發展潮流的做法,但對於諸如高超聲速這類研發難度和前期投入巨大的國防優先技術,顯而易見,政府充當著非常重要的角色,能夠有效彌補市場機制在一些關鍵和薄弱領域的國防需求的不足。在一些尚處於萌芽期或對國防安全非常重要的技術領域,要充分發揮政府的「定海神針」作用,從頂層加強統籌規劃,營造一個健康、充足、高效的工業基礎環境,從而促進技術的蓬勃發展。

美國強大的國防工業基礎支撐了其在全球範圍內的整體競爭力,其在國防工業實力基礎上構建的戰略威懾和技術優勢,也是美國威懾和遏制對手的主要手段和倚仗。如馬克•劉易斯所言,「不允許和潛在對手之間存在能力上的不對稱。現在,既然他們(中俄)加速武器轉化和部署,美國不能長期處於能力不對稱境況。」可見,保證與對手之間的代際優勢,是美國加強高超聲速武器工業基礎建設的內在驅動力。預期美國將會進一步加大建設力度,相關動向需保持密切跟蹤和關注。

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