美海军研究实验室发布未来25年的25项技术

2024年4月，美国海军研究实验室（NRL）发布了《2023–2048的25项技术》报告。报告展示了该实验室为满足美国未来25年关键的国家安全需求开展的一系列科学技术概念，涉及10个技术领域的25项技术。本文从研究背景、基本概念和影响意义等方面对各项技术进行阐述。

技术领域一：电磁战

技术1：雷达阵列通信技术

为满足未来分布式系统的发展需求，雷达需要自身具备强大的通信链路。目前，雷达接收机已经实现了同时多波束，但发射机因内部饱和放大器的非线性效应，影响传统线性波束形成。海军研究实验室目前正在对现有和未来的雷达发射机相兼容的阵列-波束形成进行基础研究，为未来应用研究奠定基础，推动海军雷达从模拟相控阵技术体制向数字架构的方向发展。

技术领域二：水下战

技术2：声纳水下多平台协同自主作战

海军研究实验室近期在基于声学彩色指纹的自主水下潜航器（AUV）声纳技术方面取得了突破，结合水下系统自主性、人工智能技术、紧凑型能源和水下声学通信的新进展，将实现多个自主水下潜航器水下长时间无人协同作业，大幅提升美国海军在濒海反潜战、水雷对抗和反无人潜航器（UUV）行动的声纳能力。

技术领域三：通信、信息技术和网络战

技术3：硅光子学——新一代集成电路革命

硅光子技术正在实现将光直接照射到半导体芯片上。这种光子集成电路将彻底变革计算，以及量子传感、生物和化学分析、高频雷达信号处理等特定的国防部应用。海军研究实验室及国防部合作伙伴已经并将继续主导面向国防部应用的光子集成电路的开发工作，重点解决在微电子加工中引入新的光子材料和开发改进光子封装。

技术4：定位导航授时量子传感器

为实现GPS长期不可用时平台的导航能力，海军研究实验室正在开发新的传感器架构，用于测量加速度、旋转、重力和磁场。目前开展的工作包括原子物理学、量子光学和材料合成，正在逐步建立对激光冷却原子和半导体色心的基本理解，为基于量子叠加与纠缠原理的传感器架构的设计和制造奠定基础。随着传感器技术的逐步成熟，海军将具备先进的授时、通信、导航、监视和侦察能力。

技术5：神经形态处理——快速、低功耗、边缘计算系统

神经形态处理是一种构建计算机的方法，其工作方式与人脑类似。神经形态处理器使用许多独立的硅“神经元”，通过电压尖峰进行相互通信。每个神经元从其邻近接收到足够的尖峰时，就会立即工作，使神经形态处理器具有快速和节能的优势。由于神经形态处理器操纵尖峰的“不可微调性”，不能如标准的人工神经网络进行训练。海军研究实验室正在通过模仿人脑学习理论，开发新型的芯片设计和训练尖峰神经网络的方法。

技术领域四：战场空间环境

技术6：基于声学的精确海洋预测系统

水下声学传感器可以感知温度和盐度等海洋环境，并更新和校正海军海洋预测模型。其实现方式是集成可以将海洋声源转换为温度和盐度的软件。观测结果提供了从声源到接收器整个通道的海洋环境信息，其为校正海洋预测模型提供的信息量可能远超出任何单个剖面式浮标或一次性深海温度记录仪的信息量。

技术7：整体大气层预测——连接地面和空间气象

海军的作战空间包括海洋、大气层和空间，但海军目前尚没有建立能够预测全球范围部署舰队所需的空间气象的能力。为解决计算和科学方面的挑战，需要建立新一代耦合整体大气层预测模型，下至海洋、上至太阳为驱动，并与100公里高空的电离层和磁层模型交互。海军研究实验室联合其他合作伙伴继续寻求确定新方法，推动实现未来的大气和空间综合气象预测能力。

技术8：海军战场管理的元优化

随着战斗管理辅助（BMA）工具的采购量激增，作战规划人员对优化的调度器、规划器、管理器有了更多的选择，不利于多域、多任务冲突中各种战斗管理辅助工具的应用管理。元优化将解决分布式海上作战和对抗环境中多个战斗管理辅助工具的交互问题。元优化是一个信息共享网络，可以减轻战斗管理辅助工具的工作量，同时将相关信息及时分发给“正确”的战斗管理辅助工具，提高作战指挥决策能力。

技术9：快速辐射带修复系统

高空核爆（HAND）产生的“杀手”电子，可能会削弱或摧毁海军/国防部的天基传感器，对海军行动造成威胁。海军研究实验室开发了能够快速沉降“杀手”电子的快速辐射带修复（RRBR）技术，并完成了该项技术的关键物理特性的实验室验证。后续计划对这一概念进行全面的太空演示，并设计一种高空核爆作战对抗原型系统，使海军/国防部的关键天基传感器免受辐射损伤，并确保作战人员获取无缝的信息流。

技术领域五：科技赋能技术

技术10：物理信息指导的机器学习：实现下一代多物理仿真

从海洋建模到详细的高超音速计算等诸多海军关键应用，如果不降低复杂度或规模的要求，将使仿真面临挑战。为克服这一瓶颈，海军研究实验室采用了集成传统的守恒定律等物理约束机器学习方法，以捕捉数据中复杂的非线性关系。利用这种物理信息指导的机器学习方法，海军研究实验室可以用少量数据建立精确的模型，更有效地将以数据驱动的模型集成到更大的物理仿真中，并提供结果可信度的验证。这些技术有助于加速下一代物理计算仿真的发展。

技术11：面向任务的高性能、安全可持续性的下一代电池

国防部所有的军事任务都需要可靠的电源，能够在任务条件下运输、储存并保持运行。为解决锂电池长期存在的安全性问题，海军研究实验室近期开发出一种“海绵”锌阳极，其原理是以金属支架和空隙形成相互渗透网络，将电化学和化学反应分布到“海绵”内部，消除了长期存在的枝晶生长的问题。这种水基锌电池具有低成本、高性能、大容量、安全性的特点，目前成为广泛使用的锂电池的替代品。

技术12：用于下一代射频和功率微电子的超宽带隙半导体

海军研究实验室正在研发国防应用的超宽带隙半导体材料。相较目前传统的半导体，金刚石、立方氮化硼、氮化铝和氧化镓等为代表的超宽带隙半导体材料具有在更高的电压和功率密度下工作的能力，将推动高速晶体管性能的创新发展。这项技术旨在将高效固态功率放大器和功率转换能力扩展应用于对体积、重量和功耗有着严格限制的平台，以进一步提升国防部电磁频谱的主导地位。

技术13：量子计算：在量子世界中处理信息

信息处理对于国防部至关重要，计算优势意味着军事优势。作为一种新兴技术，量子计算可以帮助解决最具挑战的数值问题。量子位是量子计算的基本单元，可以是0位或1位状态，也可以是0和1多个状态的叠加态。量子位与寄存器相结合，将使量子计算机能够处理指数级的多个状态的叠加态。

技术14：微波功率波束

一些偏远地区的部队和远程设施依赖传统且效率低下的常规燃料，燃料运输时会产生高昂的成本。冲突时期，燃料运输还使美军持续面临危险，为避免伤亡会转移大量的情监侦和防御资源。微波功率束通过定向微波束在自由空间实现瞬间、持续的点对点能量传递，且不会危及生命。这种传递方式可以扩展到空间到地球的应用领域，以及对体积、重量和功耗有严格要求的无人平台。

技术领域六：经济性和可持续性

技术15：基于低功耗神经形态计算的舰船维护

大幅降低自主系统、人工智能和机器人的功耗将为美军带来军事优势，受到国防部的普遍关注。作为一项新兴技术，神经形态计算有助于解决基本的电力问题。机器人神经形态系统可以感知工具，执行简单的清洁任务，并向人类移交工具。海军研究实验室开发的四足机器人目前在其船舶模型中完成了船上维护任务，后续研究将拓展到感知和预测，以及水下测绘和通信等其他能力。

技术16：生物制造：确保国防部供应链安全

生物制造是化学制造的一种范式转变，其利用微生物作为可编程的活体生物加工厂，按需生产关键分子，可实现对国内生产分子的严格控制，确保国内和需求点的供应链免受国外不稳定因素的影响。海军研究实验室正在开发新型分子工具，扩大适用于生物制造的微生物库和新的生物优化生产工艺，以充分挖掘生物制造的潜力。通过与国防部和工业部门建立的战略合作伙伴关系，海军研究实验室负责海军和海军陆战队的生物制造发展。

技术17：海水转化军用燃料

海军研究实验室开发出可扩展的模块化技术，可将海水转化为军用燃料。研究采用电解阳离子交换模块（E-CEM*）工艺，提取海水中的二氧化碳并产生氢气，产生的气体通过催化气—液工艺按需生产出军用级燃料。这些模块化技术具有可扩展性，将在沿海或海上的偏远作业区生产符合军用标准的可用燃料，为美海军提供安全的能源，并降低后勤需求，确保任务的行动自由。

技术领域七：空间研究和技术

技术18：机器人维修卫星

卫星能够执行关键的国防、科学和商业任务，但存在故障无法修复，过期的传感器无法升级等问题。海军研究实验室投入20多年的时间设计建造出机器人航天器，可以安全可靠地修复和升级价值数十亿美元的商业和国防部的卫星。在不久的将来，海军研究实验室将实现在轨部署机器人“机械师”，通过升级卫星飞行计算机、电池和传感器延长卫星使用寿命。此外，实验室正致力于研究在轨建造大型望远镜或太阳能发电站能力的机器人。

技术19：国防和太空进入的高超音速系统

在现代制导导弹战时代，导弹的速度和机动性将决定与尖端对手交战的效果。成本和数量是解决或遏制与对手发生冲突的关键指标之一，这意味着需要大量的战术高超音速系统，要以最小的系统工程设计裕度达到改变游戏规则的性能。为打击和国防应用而开发的高超音速空气动力学、推进、控制和材料技术将具有双重用途：民用航空运输以及执行发射、再入和行星间任务的太空进入飞行器，其速度提升5-20倍。

技术20：X射线脉冲星导航技术

脉冲星是高速自转的中子星，被誉为自然界最精准的天文时钟。航天器搭载的X射线传感器可以观察其脉冲并自主确定位置和速度。海军研究实验室与国家航空航天局合作开发了X射线脉冲星导航技术，并进行了首次在轨演示。目前，实验室正在研究缩小和改进传感器的技术，以及寻求更多的自然时钟并提取相关特征，以期在GPS中断时提供弹性能力，并执行顺月和行星间的自主导航任务。

技术领域八：自主系统

技术21：无限续航的无人系统

海军研究实验室正在研发小型无人机在净零能耗下保持飞行的技术和策略，涉及能量的收集、转换和存储、高效的空气动力学和航路规划、材料和结构性能，以及实现自主性等。研究成果有望实现远距离作战区的系统发射，同时降低系统维护所需资源，大幅提高作战人员的作战效能。

技术22：无人机协同作战

无人机协同自主作战有望实现“己方”低成本资产压制“敌方”资产，并在超出人类控制和数据链范围的区域执行任务。海军研究实验室一直负责无人协同系统在相关作战环境中的飞行实验和演示。后续将继续对新型自主算法、传感器、有效载荷和边缘数据处理硬件进行研究，推进协同自主系统的实战部署并变革战术作战行动模式。

技术领域九：定向能

技术23：下一代定向能武器：脉冲激光武器

脉冲激光具备超高强度光束优势，有望实现传统激光无法达到的可扩展的致命性，彻底改变海军舰艇压制导弹、小艇、无人机和新兴威胁的能力。这需要在激光技术、光束控制以及材料和系统响应高强度激光脉冲方面取得科技进步。海军研究实验室正在开发所需的模型和设施，目标是使激光系统变革海军在部署舰艇、支持岸上部队和进行力量投射的方式，以应对现代安全挑战。

技术领域十：人员防护

技术24：海上和远征作战应用的DNA测序

DNA测序技术被认为是识别生物体和确定其生物潜力的黄金标准。该项技术虽然被认为是国防部的一项关键能力，但目前的测序流程并不适用于海军进行轻型、机动和远征作战。海军研究实验室及其远征平台合作伙伴将继续合作，对流程进行开发和改进，为新兴的海军特定作战概念和需求开发定制的DNA测序能力，按需提供近实时的实操信息。

技术25：爆炸物、化学品和病原体的检测

爆炸物、麻醉品、毒品、病原体以及化学或生物战剂难以用表面滑动采样等传统方法进行检测。光学方法可以根据威胁物质的独特化学特征，提供非接触式防区外检测能力。海军研究实验室开创性研发的红外后向散射成像光谱学（IBIS）是一种非接触式防区外检测方法，其结合了紧凑、安全、无形和隐形的红外量子级联激光器（QCL），在使用红外相机收集反向散射信号的同时，对表面进行询问。红外后向散射成像光谱学技术可以成功定位和识别一系列痕量威胁化学品，目前正推进其在作战和安全环境中的应用。

结语

美国海军研究实验室认为，上述技术是当前最具发展前景的一些技术领域，从增强计算能力的量子算法到反映人类认知的人工智能系统，从声学、声纳技术和无人协同水下行动等水面战技术到先进的雷达技术和红外对抗措施等颠覆性新兴技术，均表明了美军为应对新威胁正在采取积极行动。通过发展这些技术，保持美国的海上优势，同时推动科技的创新发展。

来源：电科防务