美国防创新小组2021年度报告展示美国防科技重点发展方向

2022年1月26日，美国国防创新小组发布2021年度报告，概述了其年度发展状况。因其国防科技转化“排头兵”的角色，国防创新小组支持的项目，在一定程度上反映了美国国防科技的当前发展动向和未来发展趋势。本文梳理了年度报告中2021财年技术转化项目和重点发展方向，供参考。

一、2021财年技术转化项目

二、重点支持方向

（一）人工智能

1.高超声速导弹轨迹建模

2020年7月，国防创新小组与导弹防御局合作，在高超声速导弹飞行过程中利用人工智能模拟其轨迹。合作产生了一个由C3.AI公司开发的软件，并于2021年5月过渡给导弹防御局。

C3.AI公司基于现有物理模型，在几分钟内生成并分析数万条导弹轨迹，速度提高了100倍，这使得国防部能够根据需要快速评估作战场景，拦截对手导弹。

2.基于人工智能的知识图谱构建

2019年9月，国防创新小组与一家专门从事自然语言处理的公司合作，开发了一个威胁检测平台，该平台可以自动收集和处理3000多万条开源信息，以识别对手对美国国家安全供应链的渗透。该平台可以对敌对行动进行识别、跟踪和画像，其速度是人类的三倍，准确度与人类类似。

3.预测性维护

国防部每年需要花费450亿美元维护各型飞机，无法预测的系统故障会导致任务准备度降低，飞机维护成本增加。

2017年7月，国防创新小组使用竞争性“商业解决方案开放”流程，选择C3.AI公司为E-3“哨兵”飞机预测性维护开展为期两年的原型样机设计工作；2019年，原型样机投入生产；2021财年，原型样机继续进行改进。

2020年7月，国防创新小组与美国空军快速维持办公室合作，将C3.AI公司的预测性维护能力扩展到22种飞机；2021年，进一步扩展到F-35“闪电”-II飞机，以减少F-35计划外停飞维护时间，从而提高F-35的任务能力并降低维护成本。

此前，美国空军的飞机预测性维护项目已经节省了5000多个小时的故障排除时间，并提供了高达80%的任务能力。该项目已经将处理F-35飞机维护信息所需时间从几个月降低到几天，一旦在所有机型全面推广，将为美国空军节省55亿美元。

4.智能商业自动化

纠正国防部的交易错误需要数周到数月时间，仅2021财年就消耗了超过10万个工时。该问题将造成数十亿美元的未解决金融交易，并导致资金控制和管理的巨大难题。

为应对这一挑战，国防创新小组和国防部审计署与Summit2Sea公司合作，开发了一个机器学习工具，以识别和纠正国防部财务系统中的错误交易。

审计署办公室在国防部的六个财务系统中安装了该工具，将单次错误检测时间从两小时缩短到两分钟，准确率约为92%，每年可节约数百万美元的人工成本。

（二）自主系统

1.反无人机系统

2019年，国防创新小组评估了保护国内外军事基地免受无人机威胁的方案，最终与Anduril公司合作开发了自主、数据融合和人工智能/机器学习赋能的传感器技术，以检测、识别、跟踪和拦截对手无人机。

2021年6月，国防创新小组向工业界发布意见征询书，测试原型样机，并与Anduril签订了价值9900万美元的合同，与国防部和联邦机构共享反无人机技术。在合同发布90天内，南方司令部、海关与边境巡逻局和海军陆战队签订了超过3500万美元的采购合同。

反无人机系统目前在全球6个基地运行，预计2022年将扩展到15个基地。此外，该系统还在国防部内部推出了“产品即服务”运营模式，通过将维护工作转移给供应商，并利用快速升级迭代对不断变化的问题做出响应，以节约成本。

2.“蓝色无人机”项目

2021年8月，塔利班执掌阿富汗政权后，美军将大量人员撤至德国拉姆施泰因空军基地。面对突如其来的大规模人员流动，基地急需空中监视能力。

由于空域限制、网络安全漏洞、数据收集威胁以及授权获取难题，许多军事基地无法使用无人机。

但拉姆施泰因空军基地成功从国防创新小组的“蓝色无人机”项目中采购了小型无人机，不到24小时，项目组就将无人机运往基地。基地作战人员在几小时内，而非几周内迅速运行了4个“蓝色无人机”系统，接受无人机操作和安全培训，并对一个活跃的机场建立了实时监控。无人机获取的情报被整合到行动中，为决策者提供态势感知信息，确保人员和行动安全。

无论是为美国总务管理局提供无人机，制作通用控制器原型样机，还是开发无人机蜂群，国防创新小组都在推动国防部快速确定、审查和定制商用无人机。

3.电动垂直起降

国防创新小组与Joby航空公司签订了1100万美元的全电动五座有人驾驶飞机原型样机设计合同，其中包含电动垂直起降技术。

2020年2月，国防创新小组将Joby航空公司的电动垂直起降项目过渡到美国空军AFWERX创新计划的“敏捷至上”项目中，探索航空业新兴的电动垂直起降技术在特种作战、救援搜索、短距运输等军事任务应用的可行性。

（三）网络

1.5G专用网络

国民警卫队经常需要应对包括野火、飓风、骚乱、边境犯罪、流行病在内的紧急状况。这些场景需要无缝衔接、可扩展和实时的通信能力。目前，国民警卫队仅拥有小范围的公共无线网络和非加密无线电。虽然可以使用电缆进行专用通信，但安装和管理的复杂性可能会导致远程操作环境出现延迟。

国防创新小组与加州国民警卫队合作，研发5G专用网络技术。国防创新小组已经与Nokia和Somewear Labs公司签订了价值180万美元的合同，为商用移动5G专用网络研制原型样机，为任何地方（包括恶劣环境）的工作人员提供可靠的数据和语音服务。

2.“前出追捕”项目

“前出追捕”项目使美国能够通过识别并消除发生在盟国境内的敌对网络活动，提前应对网络攻击。网络司令部需要打击不受控制的外国网络中的恶意攻击行为。

国防创新小组与网络司令部的网络国家任务部队合作，研发了一款便携式威胁搜索平台的原型样机，以发现、报告和消除美国外网络中的敌对活动，该平台能够在14个国家使用。

3.未来网络

国防创新小组的“安全云管理”项目评估了几种“商用现货”技术，为商业云服务提供快速、安全和可控的访问。

2020财年，国防创新小组与非传统供应商合作，提出了基于零信任原则的云访问方案。在为期一年的项目结束后，国防创新小组认为所有方案都达到了目标，并向国防信息安全局提交了一项方案。该项目目前正处于过渡阶段，并将被列入国防创新小组的已完成项目目录中，进行更广泛的推广。国防信息安全局最近披露，“安全云管理”项目影响了国防部通过新项目“雷霆穹顶”将现有的联合区域安全堆栈升级为零信任原则的努力。

（四）能源

1.混合动力战术车辆

美军拥有超过25万辆战术车辆，并经常在恶劣环境中工作。这些车辆在静止和行进状态下的运行时间基本相当，车辆即使处于静止状态，发动机也不能熄火，必须为电子设备和作战人员提供加热或冷却服务，这样会消耗大量燃料。

国防创新小组与陆军运输系统项目经理（隶属于作战支援和作战服务支援项目执行办公室）合作，从陆军主力车型——2.5到10吨的中型战术车辆着手，开发油电混动技术。国防创新小组现已向XL Fleet和Volta动力系统公司授出原型样机设计合同。

在成功演示和评估后，公司将开发一个改装套件，安装在中型战术车辆上。该项目可将燃料消耗降低20%。未来若扩展到更多类型的战术车辆，国防部每年可节约超过8000万桶原油。

2.“先进电池标准化的快速启动”项目

2021财年，国防部开始将先进的电池技术用于军事。该项目的主要目标是使用“商用现货”动力电池对标准化电池模块进行原型设计，加速军事平台的电气化。通过创建跨平台的电池标准和模块，加速军用高压电池的研发。

（五）人因系统

1.“威胁暴露的快速分析”项目

该项目使用可穿戴设备，利用基于医院感染数据的算法，可在传染病症状出现前48小时进行预测。该算法可检测软组织感染、肾脏感染和诺如病毒等。健康预测可穿戴设备的广泛使用，可以在病人出现症状并具有传染能力前进行有效识别，遏制传染病在军队中的传播。

2020年12月，国防创新小组、国防威胁降低局、国防高级研究计划局、德州农机大学、圣地亚哥海军医学医院、空军研究实验室、帕洛阿尔托退伍军人协会和飞利浦发起了一项研究，对150多例新冠阳性病例进行健康预测算法训练，预测准确率高达60%。2021年4月，研究团队改进了算法，使准确率提高到73%，平均能在症状出现前2.5天预测新冠感染。除预测有症状的新冠感染外，该项目还能预测完全接种疫苗患者的无症状感染和Delta变种感染。2021年9月，研究成功结束，涉及11000多名参与者、550名新冠感染者和2.01亿小时的磨损时间数据。

2.“飞行员培训转型”和“虚拟教练飞行员练习裁判”项目

根据美国空军财务部的数据，培养一名战斗机飞行员需要花费200多万美元和近18个月的时间。在这一过程中，应当着力减少教练工作量、降低风险和成本。

（1）“飞行员培训转型”项目

2021年，国防创新小组在美国空军固定翼本科飞行员训练基地部署了一个平台，用于T-6和T-38教练机项目，测试平台取得成功。国防创新小组还为B-52、F-16和UH-1N飞机研发了专用平台。海军也开始为T-6B和T-45教练机项目部署该平台。至今，美军正在使用或订购了超过150套测试平台。美国空军预计，平台将于2022年投产。实验表明，该平台可将飞行员培训成本和时间减少三分之二。

（2）“虚拟教练飞行员练习裁判”项目

该项目使用人工智能教练，在没有人类教练参与下培训飞行员。在美国空军进行早期研发后，国防创新小组进一步完善了人工智能飞行教练。2021年，该项目成为第一个获得美国空军认证的指导飞行学员基本特技动作的人工智能教练。该项目还可以与“飞行员培训转型”平台结合，学员可以通过人工智能教练练习基本动作，通过人类教练学习高阶技能。学校可以采用标准化的教学流程更快地培养出更优秀的飞行员。

3.生理状态监测

2014年，一名经验丰富的飞行员驾驶F-15C“雄鹰”飞机坠毁身亡，其中一个原因是“无法解释生理事件”损害了飞行员的工作能力。目前飞机上还没有实时传感器来监测飞行员的身体状态。

国防创新小组与空军、空军国民警卫队及海军合作，设计了传感器原型样机，以检测飞行中的“无法解释生理事件”。

2021财年，空军国民警卫队测试了一台名为SPYDR的设备的4项功能，包括生物识别传感衬衫、血氧监测仪和气流传感仪。

（六）太空

1.合成孔径雷达

国防创新小组继续支持商用合成孔径雷达（SAR）卫星。继2020年首次在美国内部署SAR卫星后，2021年，Capella航天公司将SAR卫星网络扩大了四倍，扩大了覆盖范围并提高了重访率。

此外，Meta Orbital Effects公司改进了SAR技术，提高了正射校正精度（将原始图像转换为平面精确图像），并将处理时间从几分钟缩短至90秒。

上述公司有望在2025年前为用户提供快速响应的高保真SAR图像。

2.响应式发射

2021年，Astra和VOX Space公司展示了灵活的太空发射能力，这将使国防部在需要的时间和地点快速进行发射。

2021年11月，SpinLaunch公司展示了小卫星高频率、低成本、低污染的发射能力。预计在未来10年，响应式发射将大幅节约发射成本。

3.大容量星座的电力推进

国防创新小组与Apollo Fusion公司合作，通过降低成本和集成复杂性，使航天器更容易集成电力推进系统。

其中，霍尔效应电力推进器非常适合在轨机动和轨道转移，这可以使低轨星座具有更强的机动性，并将使用寿命延长数月至数年。

Apollo Fusion公司的设计和制造流程具有应对供应链中断的弹性，并可以提高效率，减少零件数量，提高在各种航天器中的兼容性。

（来源：北京航天情报与信息研究所，刘杰）

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