兰德发布重磅报告:深度剖析海军水面火力支援的能力需求和缺陷|mk|兰德|导弹|弹药|武器|舰船

2020年4月16日，美国兰德公司在官网上发布了《海军水面火力支援需求评估》报告。报告主要目的是根据自2005年以来发布的海军作战主管和海军陆战队作战指挥官最新NSFS要求更新的概念，对现有的海军水面火力支援系统(NSFS)要求进行修改，如，在有争议环境中的沿海作战(LOCE)、分布式海上作战(DMO)和远征高级基地作战(EABO)。报告梳理了当前海军水面火力支援的能力需求和缺陷，利用四个典型的场景进行模拟分析，进而提出美海军水面火力支援能力重点发展方向。这项研究既解决了对岸上部队支援的需求，也解决了水面舰艇产生这些影响的需求。这项研究可以形成需求文档和基于能力的评估以作为长期投资的基础。

一、当前能力分析

（1）五英寸口径火炮

海军的Mk45 5英寸口径火炮，是一种主要用于海军水面火力支援系统的全自动炮架。它最初部署于1971年，取代了传统的Mk42 5英寸/54口径火炮。Mk 45的设计主要是为了比其前身更轻，更容易维护。炮架包括一个20发自动装弹鼓轮，最大射速为每分钟16至20发。它可由Mk 160火炮计算机系统或Mk 86火炮火力控制系统操作。

舰队中目前使用的Mk 45有三种变体:Mods 1、2和4。Mk 45 Mods 1和2是54口径，枪管长度为270英寸。Mk 45 Mod 4包括对以前Mods的几个改进，包括310英寸(62口径)的长枪管。Mk 45 Mod 4也提高了火炮性能和可维护性。Mk 45 Mods 1、2和4被用在阿列克·伯克级驱逐舰(DDG 51)和提康德罗加级巡洋舰(CG 47)上。

5英寸炮

MK 45 库存

（2）DDG 51级

DDG 51级导弹驱逐舰，也被称为阿列克·伯克级驱逐舰，是能够进行防空战、反潜战和反水面战的多任务战舰。船体于1991年交付，截至2019年6月，总共交付了67个船体(DDG 117于2019年6月7日交付)。DDG 51是在三个不同能力的阶段完成生产的。船体继续进行采购，另有21个船体获准建造。DDG 51级的每个船体容纳一个Mk 45火炮，弹匣容量为600发。其中30个船体安装了Mk 45 Mod 2变体，而另外37个安装了Mod 4。

（3）CG 47级

CG 47级导弹巡洋舰，也被称为提康德罗加级巡洋舰，是首个搭载宙斯盾作战系统的舰级。船身于1983年交付，1994年又交付了26艘。第一批五个船体，由于太贵无法进行现代化升级，已经退役了。因此，只有22个船体保持活动状态。每个船体容纳两个Mk 45火炮系统，总弹匣容量为1200发。五个船体配备了Mk 45 Mod 1变体，五个配备了Mod 2变体，12个配备了Mod 4变体。

CG 47级

（4）能力缺陷

沿海环境的挑战，提高了对NSFS系统有效范围的需求。最大航行吃水深度在31到33英尺之间，DDG 51号和CG 47号船体不能过于靠近海岸。另外，5英寸口径火炮最大射程为13英里，而且沿海地区经常拥挤不堪不易通航。考虑到这些因素，满足NSFS任务的航程要求至关重要。

火力需求量虽然没有明确的定义，但可能无法满足当前NSFS的需求。DDG 51的转速为20转/分。凭借其600发弹匣，可以达到60分钟的连续压制。同样，CG 47的转速为20转/分(装有两把5英寸火炮)。拥有1200发子弹，可以连续压制60分钟。虽然这一要求没有明确量化，但60分钟的压制可能无法满足NSFS全面支持的需要。

DDG 51和CG 47是多任务水面战舰，在许多作战领域为海军服务。因此，这些船只需求量很大，这可能产生在需要海军水面火力需要时供应不足的问题。与此同时，这些舰艇有多种弹药需求，但船上弹匣储存空间有限。由于需要实现较高的火力支援，这些舰船必须经常补给。补给可以在海上通过航行补给或者通过中转到可用的港口来完成。这两种方法都需要资源，否则将会中断任务的完成。考虑到平台火力的高需求和对再补给的频繁需求，NSFS平台的可用性面临严峻挑战。

DDG 1000被设计成一个专门提供火力支援的舰船平台，它的作战需求文件(ORD)要求其需要具备AGS发射LRLAP的能力。然而，由于该舰的费用和任务要求的变化，其从32艘减为目前的3艘。弹药成本大幅增加，海军失去了LRLAP弹药订单的预期规模经济效益，导致2018年11月决定将AGS火炮上装。同时，DDG 1000的任务从陆上攻击转移到了进攻性水面攻击。海军相应地修订了DDG 1000作战需求文件，并要求联合需求监督委员会(JROC)对AGS的关键性能参数(KPP)进行研究。作战需求文件第2版于2019年2月由联合参谋部J-8领导的职能能力委员会批准。其结果是海军的NSFS能力仍然完全属于DDG 51和CG 47级。

二、典型场景分析

（1）情景1:菲律宾巴拉望

这一设想假设了一个有争议的电磁环境，以及随后克服目标、指挥和控制中断的挑战。由于着陆部队分散在一个流动的环境中，知道在哪里快速准确地开火是至关重要的，但也可能会带来重大挑战。这种特殊情况表明，海军地面火力支援：评估ISR和C2的需求量可能对满足NSF的需求特别重要。

（2）场景2:也门亚丁

也门场景，详细的机场位置

也门场景，阿尔阿纳德空军基地

在这种情况下，NSFS的有效利用面临几个挑战。鉴于导弹威胁的移动性和多重性，目标获取将严重依赖于前方观察员、地面无人驾驶航空系统以及地面部队和海军舰艇之间的有效协调，并没有明显有助于目标捕获的有机系统。在巴拉望方案中，敌军的地理分散构成了主要挑战。相比之下，这种情况突出了高度机动和分散的敌军的挑战。这艘船的5英寸火炮根本无法对多个移动目标的支援做出足够快的反应。

（3）场景3:叙利亚拉塔基亚

这种情况在几个重要方面与上一个场景类似，因为火力系统的机动性对于瞄准和及时交战产生了挑战。有一艘水面舰艇在支援，该舰艇将不得不按顺序执行压制射击任务。每个移动目标将需要大约六发弹来创建一个标准的200米效果区域。敌方部队加强的防御阵地使局势进一步复杂化。除此之外，如果没有任何弹药，这艘船很可能无法对付戒备森严的防御阵地。

（4）场景4:爱沙尼亚塔林

这种情况给有效的海军水面火力支援系统带来了几个挑战。就火力而言，该方案强调了瞄准和成功压制移动目标，如BM-21梯度和2S23 Nona-SVKs。对于移动目标，传感器到射手的链必须缩短和加速，尤其是在依赖氦弹的情况下。区域效应弹药，可能有助于限制敌方的机动性。然而，正如在其他案例研究中指出的，船舶弹匣在很大程度上仅限于HE。最后，有限的弹匣尺寸以及由此导致的无法长时间持续维持火力是一个重大限制。在这种情况下，登陆部队可能需要近乎连续的火力支援，一个导弹驱逐舰弹匣只能提供大约一个小时的连续火力。即使在其反应中对海军火力进行了测量，在需要补给之前，单一的DDG51仍将面临挑战，以满足长期交战中所支援地面部队的需求。

三、未来发展方向

（1）射程改进能力

海军一直试图通过多个发展项目来扩大射程和提高能力。与火炮和射弹相关的要求与舰船相关联，海军已经改变了该舰的任务，并要求解除射程要求。然而，还有其他发展方向。

△火箭助推弹

火箭助推弹是装有火箭发动机的弹药，用于独立推进。前面已经讨论过的海军LRLAP射弹是火箭辅助的，但由于成本过高项目被取消了。其他类型的区域行动方案正在由陆军开发，包括HERA和XM1113系统。这些火箭助推弹有助于增加现有武器系统的射程，但生产成本都很高，需要改装舰载弹匣，以适应高爆炮弹的储存。高昂的生产和船只改装成本似乎使这些选择不适用于运送用于海军水面火力支援的船只。

△海军的电磁轨道炮

电磁轨道炮（EMRG）是一种利用舰船电源产生的电磁力发射弹丸的炮。它从2005年开始研发，最初计划成为一种NSF武器。迄今为止，已经采购了两个原型，一个由英国宇航系统公司采购，另一个由通用原子航空系统公司采购。EMRG可能满足"Hanlon letter"中规定的在50和100纳米之间范围要求。然而，EMRG计划面临许多挑战。按照目前的设计，EMRG的射速很低。目标是达到每分钟10次，但迄今为止只达到每小时几次的速度。由于射弹的速度和热量造成相当大的磨损，发射筒的寿命有限。此外，由于发射装置利用了船上的电力，与平台集成仍然是一个挑战。

△超高速弹

在EMRG的整个发展过程中，海军认识到其射弹与其他武器系统兼容性的重要性。这种射弹被称为GLGP或超高速弹，可以用5英寸的火炮(安装在DDG 51和CG 47级船体上)或155毫米的火炮(安装在DDG 1000级船体上)发射。如果和5英寸的火炮一起使用，GLGP的射程可以达到26到41海里。有了155毫米的炮，GLGP达到了40海里的射程。虽然这并没有达到63海里的阈值，但这是对当前POR的重要改进。此外，由于GLGP的模块化设计，这种射弹提供了一个节省成本的机会，因为它可以被配置为多枪系统。利用已有系统，可快速部署新项目，使其比新设计更快可用。GLGP可能为提高NSFS任务的性能提供一个快速部署的替代方案。

△靶场改进技术的评估

海军试图满足USMC概述的一般射程要求。然而，这些努力还没有过渡到POR，并且都面临技术或存储问题。就EMRG而言，较低的触发率实际上可能与容量和持久性的要求直接相反。可能有理由将GLGP作为一种提高射程的手段纳入海军作战计划中，我们从情景分析中知道，能够到达多个目标点是一项重要的能力，不能完全移动到敌方海防交战范围之外也是可接受的。我们还没有进行详细的分析，以确定该系统是否是海军POR的最佳补充。但这个系统至少有助于弥补能力差距。

（2）提高射弹和枪管性能的材料

这些材料可能有几个潜在的应用。可以想象，它们可以制造更轻的射弹，这种射弹可以在不增加爆炸重量或火箭推进的情况下增加射程。他们也可能加强枪管，允许更高的射速。下面讨论的材料并不是专门为NSFS应用开发的，但是它们已经成功地用于类似的应用中。

△形状记忆材料

形状记忆材料是具有记忆性的材料，在变形后加热时会恢复到其原始形状。一些较新的材料也对磁场有反应。在现有的形状记忆合金中，镍钛(也称为镍钛诺)是研究得最好的，并且已经在生物医学和工程应用中使用。由于这些材料在高温下保持其初始形状的能力，它们可能被证明是一种改进的抛射体材料，能够在更长的范围内保持形状。可能的缺陷包括制造成本高和可能的疲劳失效。

△石墨烯

石墨烯是碳的二维形式，其中碳原子排列成六边形晶格。它的二维结构使它具有独特的强度、导电性和导热性。研究表明，与厚度成比例，石墨烯的强度大约是钢的100倍。石墨烯可以用来制造更长的枪管，用于更长的射程。它也可以用来覆盖枪管内部，以更有效地散热，从而提高射速。尽管石墨烯创新用途的上限很高，但在实际应用中，石墨烯面临着一些问题。它相当脆，缺乏韧性。此外，科学家们还没有发现能够大规模制造的有效的方法。最后，将固有的二维材料转化为三维应用存在困难。正在进行的对复合材料的研究多少减轻了这些困难，复合材料有助于弥补材料的弱点，同时保持材料的强度。

△自修复材料

自修复材料是一种人造材料，无需外部人工干预就能自动修复自身损伤。尽管大部分研究都是在聚合物上进行的，但它们在所有种类的材料(聚合物、金属、陶瓷和水泥)中都有。通常，这些材料会被植入一种自我修复剂。可能的NSFS应用包括涂覆枪棒的内部，这将使射击速度更快，因为这种材料能够修复快速射击造成的损伤。此外，这些材料可以通过逆转磨损对设备的影响来减少与维护相关的需求。这种减少可以释放船上宝贵的空间，用来储存额外的弹药。实现自愈材料的挑战主要是困难的、特定材料的制造。此外，根据具体的材料，愈合可能由某些条件触发(例如，温度或热阈值)，并且广泛的愈合可能导致愈合剂的耗尽。

△块状金属玻璃/无定形金属

块状金属玻璃是具有非晶态晶体结构的固体金属材料。大多数金属在原子水平上自然形成晶粒。因为普通金属倾向于沿着晶界断裂，所以无定形金属比那些有晶粒的金属更坚固。由于成型和冷却之间的容量没有变化，所以BMGs也具有很好的热成型性。由于其优越的强度和耐磨性，弹道导弹可以用来包覆枪管，从而提高射速。此外，它们的高弹性和强度重量比可以帮助射弹飞得更远，增加有效射程。

虽然块状金属颗粒确实增加了强度、韧性和弹性，但它也使材料更脆，更容易发生灾难性的破坏。此外，给定时间和更高的温度，使其倾向于回复到它们的结晶状态。它们还受到尺寸和制造成本的限制。然而，有人研究了BMG基复合材料的创造，这可以解决其中的一些问题。

△海军水面火力支援应用中新材料的评估

新材料可能有助于更轻的射弹，从而增加射程，但它们的主要可能应用是改进炮管，从而允许更长时间的使用，可能有更高的射速。这可能有助于解决持久性和容量问题，但这些能力的主要限制于可用的弹匣容量，而不是枪管发射寿命的限制。如果没有明确的需求说明，这种技术的价值很难精确的评估。

（3）提高弹匣容量和容量的技术

船只被设计成具有特定的弹匣尺寸，这需要满足项目任务要求。正如我们在场景和容量分析中所看到的，进行火力压制的能力是一个主要的限制因素，这主要是由于相对于需求而言可用的弹药数量不足。这里考虑的技术旨在更有效地利用现有空间或更容易制造弹药。

△集束弹药

集束弹药是释放大量较小子弹药的武器。自第二次世界大战以来，集束弹药一直在国际上使用。它们既可以是空投的，也可以是地面发射的，与发射同等数量的独立子弹或导弹相比，仍然相对便宜。因此，它们是一种不需要部署额外火炮系统就能提高火力的经济有效的方法。它们也是一种成熟的技术，不需要进行额外的开发。

集束弹药的目标的确不太精确，因为其影响范围很广，这可能导致误伤平民目标的可能性增加。此外，弹药往往不会立即爆炸，缺乏自毁能力，产生的"哑弹"可能在冲突停止后几年后爆炸。这个哑弹率仍然高达20%，尽管美国十年来一直倡议将哑弹率降至1%以下。

同时，也不能忽视使用这种武器的人道主义方面。然而，它们在我们研究过的各种压力情境中的潜在效用也是如此。在高容量的情况下受影响的面积很大，目标众多，无论使用何种弹药，都很有可能造成附带损害。拥有这些类型的弹药将会增加灵活性，如果需要的是数量，而不考虑附带责任的话。

△巡飞弹

巡飞弹弹药是自主式无人驾驶飞行器，在给定的区域内巡飞弹，直到发现威胁。管这本身并不增加体积或容量，但它确实有可能提高使用较少弹药击中目标的机会。巡飞弹型弹药不是向分散的目标发射几发子弹，而是在识别出具体的威胁参数后攻击目标。弹药使用光电、无线电、微波或红外频率传感器来探测威胁。

它们可以飞出安全范围，为海上平台提供额外的火力支援。作为基准，IAI有100公里的航程，可以巡飞弹长达两个小时。巡飞弹型弹药便宜又精确，因为它们的容量更小，而且在系统上有制导。它们很难追踪和杀死，因为它们的雷达、视觉和热信号都很低。此外，他们已经在美国和其他几个国家使用，最突出的是以色列，因此不需要额外的开发领域。

可能的问题包括航程和飞行时间。巡飞弹型弹药一旦发射，就不是以枪炮弹药的速度飞行，而是以正常的无人机速度飞行。如果在一个目标区域的轨道上，它们可以快速击中目标。然而，如果火力打击发生在意外区域，无人机需要时间才能到达目标。另一个问题是无人机比普通的火炮弹药大，并且会占用船上的空间。

△3D打印

三维(3D)打印是从数字文件中制作物理对象。它可以通过允许在当地制造枪支弹药来帮助解决弹匣产能不足的问题。增材制造是当今用于三维打印对象的主要技术，其中对象是逐层构建的。3D打印允许设计的快速原型制作，并减少了对长供应链的需求，因为产品可以在现场打印。3D打印还能适应复杂的几何形状，并且可高度定制。

由于生产的分散性和可生产多种设计的能力，3D打印可以通过在海军平台上生产射弹来潜在地提高弹匣容量的效率。例如，GLGP号使用穿甲弹来安装每个推进系统。有了3D打印技术，可以按需打印适当系统的底板，而不是预先查询每个系统的库存。此外，平台能够存储零件的基本材料，而不是维修和维护中使用的备件，从而腾出更多空间用于存放弹匣。增材制造的使用也可以减少废料，因为物体是一层层建造的，而不是通过雕刻掉多余的材料。

潜在的缺陷包括对可用材料类型和产品尺寸的限制。尽管3D打印技术可用于许多种类的材料，包括树脂、陶瓷、塑料和金属，但它们可能不适用于所需的特定材料。产品尺寸在很大程度上受到打印机尺寸的限制，而打印机尺寸对于板载制造至关重要。此外，3D打印不适合大规模生产。所需的特定零件数量越多，其他制造工艺就变得越有效。此外，增材制造的逐层性质会引入结构上的弱点。取决于制造工艺，还可能存在重要的后处理步骤(例如，喷水、砂磨、化学浸泡)和可能的排放危险。最后，即使有船上制造设备，船只仍然需要储存原材料用于生产。

（4）能力发展总结

这些技术中有几项可能有助于NSFS任务，但目前没有一项是任何POR的一部分。这是因为，除了其他因素之外，对于这些功能没有明确的要求，因此，在给定的成本和工作量的情况下，没有很好的方法来评估这些功能会增加多少价值。然而，某些功能在各种情况下可能都有价值，尤其是那些缓解容量和容量不足的功能。

在评估增加射程的能力时，重要的是要将足够远距离的概念分开，以避免海岸防御的介入——这是任何能力都不可能实现的——从足够的射程到服务多个分开的目标。因此，解决方案不需要寻求最大范围，并且存在不容易获得的能力，例如超高速投射，可能满足场景中确定的要求。额外优势是，这种类型的射弹特别适用于提供更轻更强的材料或允许本地制造的技术。

在解决短缺方面最有效的技术之一也是已经发展成熟但面临政策限制的技术:集束弹药。虽然我们并不质疑人道主义考虑的重要性，但集束弹药应被视为用于军事需求，任何弹药的使用都有可能造成附带损害的情况。尽量减少哑弹率和延迟爆炸的努力将是保持这一选择的一个重要部分。

四、结论和建议

尽管NSFS是一个有着悠久历史的任务——至少可以追溯到内战时期——但它也是一个在需求开发方面没有得到适当审查的任务。

（1）能力发现

我们已经提到，对NSFS的要求并不完善，因此除了提供一般能力之外，基本无法满足。然而，我们的案例研究和建模确实表明了以下几点:

瞄准，特别是在被拒绝的环境中，可能非常具有挑战性，并且高度依赖有机资产，主要是无人机。这个问题不仅限于NSFS。把许多战争地区作为目标，在这可能是一个挑战。然而，NSFS对快速准确射击信息的要求使这个问题变得特别困难。
传感器到射手的时间线太长，无法支持在多变的战场上有效作战。NSFS的岸上机动部队必须能够在很短的时间内响应炮火的召唤。
一艘船用一把枪发射几发子弹，即使瞄准是最佳的，C2也执行得很好，但实际上它能到达的目标和同时服务的目标数量是有限的。这表明，无论单船的能力和容量如何，单船模型在竞争激烈的环境中可能根本行不通；自主船只提案可以缓解这种不足。
海军基于对其认为最有可能的作战任务的考虑，选择了弹药组合，但结果低估了可能特别有价值的弹药库弹药。此外，其弹药部分不涉及面积效应。
我们考虑的大多数情况都涉及到相当大的开支，根据一个合理的目标集进行的正式建模表明，弹药的开支非常大，通常超出了船上弹药库的容量。允许现场制造军械的新技术，如3D打印，可以缓解弹匣尺寸的不足。

（2）建议

1.最明显也是最有说服力的建议是，USMC应该利用一些情景和定量分析的结合来确定它需要从海军那里得到什么。在没有正式定义要求的情况下，海军既没有动机也没有理由超越船舶基准ROC/POE文件中的规定。