前言
美国海军研究实验室（NRL）自1923年7月2日成立以来，与美国政府、大学和行业伙伴携手，共同打造了地球上最强大的海军战斗力，不仅促进美国的国家安全和繁荣，同时强化了美国在世界舞台上的领导者角色。值此百年华诞之际，我们回顾实验室取得的辉煌成就，正是对科学精神与创新能力的不懈追求，引领我们不断跨越熟悉的边界向未知的领域探索。未来的挑战正迎面而来，不会静待我们的步伐。
保持美国海军的优势，对于维护海洋的威慑力和确保海洋自由至关重要。一旦国家召唤，需要直面危机之时，美国海军及其海军陆战队必须配备具有决胜战场的武器和能力。本出版物介绍了25项在研的科学与工程技术领域的前沿概念，它们将在未来25年内对保障美国国家安全方面发挥重要的作用。这些精心挑选的技术成果，仅仅是海军研究实验室众多研究项目的冰山一角，涵盖了非机密项目和机密项目，它们共同绘制出海军未来的技术选型蓝图，为美国海军及至整个国家打造强大的新兴能力，开辟无限的潜能。
电磁战——通信雷达阵列
海军的雷达技术从早期的模拟相控阵列演变为日渐数字化的架构，能够实现同时接收多个信号波束，然而发射端依然很大程度上单次仅能发射一个信号波束。随着雷达系统向依赖健壮通信链路的分布式系统转型，且这些链路往往由雷达本身提供，发射和接收能力的不对称性正面临着越来越大的挑战。雷达发射机中使用的饱和放大器，因其固有的非线性特性，成为传统线性波束形成技术的主要障碍。对此，海军研究实验室目前正在开展基础研究，旨在设计与当前及未来的雷达发射机相兼容的阵列波形，为后续的应用研究奠定基础。
海底作战——自主协同作业的水下航行器声纳行动
近期，海军研究实验室在自主水下航行器（AUV）结构基础上的声纳技术领域取得了突破性进展，主要运用了声学色彩指纹技术的声学声纳技术，预期可以推进水下系统自主性、人工智能技术应用、紧凑型能源方案以及水下声学通信技术的发展。未来，部署多个自主水下航行器，即可实现无人操作、长时间协同作业的水下声纳行动。这种无人且无需操作员操控的AUV舰队，将显著增强美国海军在濒海区域的反潜作战声纳侦测能力，可用于执行潜艇战、水雷对抗行动及无人潜航器的对抗任务。此外，该声纳技术还将有力支撑美国海军进行经济高效的全面诊断演练，精确识别并有效降低海军自身水下装备面临的声学漏洞风险。
通信、信息技术与网络战
硅光子学: 下一代集成电路革命
硅光子学技术实现把光信号直接注入半导体芯片的飞跃，为美国的计算机和国防技术领域注入了强劲的动力。光子集成电路的兴起，预期将掀起计算领域以及国防部专用应用领域的变革，比如在量子传感、生化分析以及高频雷达信号处理等应用方面。不过，如何将新型光子材料融入微电子制造工艺之中，以及如何研发更加尖端的光子封装技术，依然是硅光子学领域面临的两大挑战。海军研究实验室目前直接领导国防部资助的AIM光子研究所中最先进的Foundry工厂，将与国防部紧密合作，共同持续引领光子集成电路在国防部专用应用领域的前沿研究。
用于定位、导航和定时的量子传感器
海军研究实验室正在开发一种新型的传感器架构，该架构集加速度、旋转、重力及磁场测量能力为一体，旨在实现无GPS的条件下长时间高精度导航。目前，实验室正在研究的原子物理学、量子光学以及材料合成项目，逐步揭开激光冷却原子和半导体色心形成的奥秘，旨在建立对这些现象的基本认知。这些研究为基于量子叠加与量子纠缠原理的传感器架构设计及开发奠定了理论基础。随着这些传感器技术的日益成熟，美国海军将有望实现更为尖端的定时系统、通信工具、导航技术、监视系统以及侦察能力。
通信、信息技术与网络战
神经形态处理技术 —— 快速、低能耗、边缘计算系统
神经形态处理是一种模拟人脑运作机制以构建计算机系统的方法。神经形态处理器集成众多独立的硅质“神经元”，这些神经元通过电压脉冲（亦称尖峰信号）进行通信。只有每个神经元接收到来自相邻神经元足够强度的尖峰信号时，才会迅速激活启动工作，这一特性使得神经形态处理器能够同时实现高速计算与低能耗运行。然而，这种机制也使得神经形态处理器具有不可微分性，限制了传统训练方法，比如标准人工神经网络训练法的应用。面对该挑战，海军研究实验室受人类大脑学习机制传统理论的启发，正在开发设计新型的芯片，并研究训练尖峰神经网络的有效方法。
作战空间环境
利用声音让海洋预报更准确
水下声音能量可以用于感知海洋环境（温度和盐度），并且能够为海军作战化海洋预报模型的升级及修正提供有力的支持。这一过程主要通过集成专门的软件，实现将海洋声音转换为温度和盐度信息，反之亦然。这些声学观测结果并不局限于单一孤立空间点的信息收集，而是能够提供从声源至接收器整个路径的海洋环境信息。相比于单个孤立剖面点的数据或传统的单点测量工具（例如投弃式温深仪），水下声音能量展现出能够捕获更丰富、更全面的海洋信息的潜力，为海洋预报信息的校正提供依据，从而确保预报的准确性和精确性。
作战空间环境
全大气层预测系统 : 贯通陆地、大气层和太空的天气预报
海军的作战疆域广泛地覆盖海洋、大气层乃至太空，然而，目前对影响舰队全球部署的太空天气的预测能力尚未具备。这涉及到计算技术和科学认知两大方面的挑战，需要我们构建新一代全大气层预测耦合模型。该模型需要具备由海洋自下而上和由太阳至上而下的双向驱动能力，此外还需要与距离地球100千米高度以上的电离层和磁层模型实现深度交互。海军研究实验室的多学科研究员团队携手外部合作伙伴，将继续共同探索和定义新的研究路径，旨在未来开发出大气层及太空天气预测集成系统。
作战空间环境
海军作战空间管理的元优化
随着海军作战管理辅助工具（BMA）的独立采购量激增，作战规划人员面临需要调配大量的优化调度人员、计划员及经理等资源的情形。处理多领域、多任务冲突时，仅依赖多个BMA各自提供的独立优化决策指导，往往只能收获相互矛盾的指导建议。元优化作为一项新兴的研究领域，旨在解决分布式海上作战（DMO）以及竞争环境下多BMA交互管理中日益凸显的问题。元优化构建了一个至关重要的信息共享网络，不仅能够减轻各BMA的工作负担，同时可以及时提取与当前任务直接相关以及有关的信息，并精准地传递给相应的BMA，从而显著地提升决策指导的性能、准确性及灵活性。
作战空间环境
快速辐射带修复系统
高空核爆炸(HAND)所释放的“杀手”电子，多年来一直由地球的电磁场捕获，这些电子威胁巨大，可能会严重削弱乃至摧毁海军及国防部的天基传感器系统，对海军行动产生不利的影响。
为此，海军研究实验室已成功研发出快速辐射带修复技术(RRBR)，该技术可以迅速沉降这些危险的电子。快速辐射带修复技术的关键物理机制已经在实验室环境中得到了实验验证，海军研究实验室计划筹备全面的太空演示任务，接着着手设计一种作战HAND对抗原型系统，用于保护海军/国防部关键的天基传感器免受严重的辐射损坏，从而确保信息无缝传递给作战人员。
赋能科技
基于物理知识的机器学习：赋能下一代多物理模拟仿真技术
从海洋建模到精细的高超音速计算领域，海军众多关键应用均面临着模拟仿真方面的严峻挑战，这主要源于其极高的复杂性和庞大的规模。基于物理知识的机器学习技术可以突破这一瓶颈。该机器学习技术通过整合基于物理的约束条件，比如经典的守恒定律，可以挖掘数据中复杂的非线性关系。借助物理知识的机器学习技术，我们依据少量数据，即可构建精确的模型，进而更高效地将数据驱动的模型集成到更大规模的基于物理知识的模拟仿真体系中，并且可以提供可靠的验证结果。这些技术的应用应该会极大地推动新一代基于物理知识的计算模拟仿真技术的发展。
赋能科技
使命必达、更安全和更具可持续性的下一代电池
对国防部而言，“无能源则使命难继”，所有军事行动都离不开稳定可靠的能源供应，它是确保部队执行任务时安全进行运输、存储及操作的基础。尽管当前锂电池在储能领域依然占据着主导地位，鉴于其持续存在的安全隐患，海军研究实验室的科学家们决心研发出性能更好、安全性更高且成本更为低廉的能源替代品。近期，海军研究实验室开发出一种“海绵状”锌阳极电池技术，该技术利用金属支架与空隙，构建了一个相互渗透的网络，使得电化学与化学反应控制在海绵内部，从而成功地解决了长期存在的枝晶形成难题。目前，所开发的水基锌电池展现出稳健性和安全性高且能量密度出众的优势，可以作为锂离子电池的替代方案。
赋能科技
用于下一代射频和能源微电子领域的超宽带隙半导体
海军研究实验室正在引领国防领域研发一种新兴的电子材料，即超宽带隙半导体。相较现有的传统半导体材料，超宽带隙半导体能够在更高的电压和能源密度环境下工作。通过运用金刚石、立方氮化硼、氮化铝以及氧化镓等材料，高速晶体管的性能有望实现前所未有的飞跃。这项技术可以将高效的固态功率放大器和功率转换能力扩展应用至对尺寸、重量及功率要求苛刻的平台上，进一步稳固国防部在电磁频谱领域的领导地位。
赋能科技
量子计算——量子世界中的信息处理
信息处理无处不在，它在国防部扮演着举足轻重的角色，因为任何计算能力的优势都是构筑军事战略高地的基石。量子计算作为一种新兴技术，为我们解决最棘手的数值难题提供了新的途径。量子计算的基本单位是量子比特，其状态不再局限于传统的0或1的二元选择，还可以是两者的任意线性叠加的组合。通过引入量子比特寄存器，量子计算机能够指数级地提升处理传统的0或1状态的叠加情况的速度。相比之下，面对这类复杂计算，传统的经典计算机往往力不从心，需要耗费难以估量的时间和庞大的计算资源。
赋能科技
微波能量光束
微波能量波束技术通过使用定向微波波束，可以在自由空间进行高效的、点对点的电能传输。美军及偏远地区的设施当前普遍依赖燃料作为能源供应，这不仅导致高昂的燃料运输成本，有时还因地理位置难以到达时常面临能源供应的难题。在冲突期间，远距离运送燃料时，美军往往会持续地暴露在安全威胁之下，迫使大量的情报、监视、侦察和防御资源转向保护人员安全。微波能量波束技术能够不间断地瞬时传递能量，而且有效地规避了传统能源补给方式中的人员安全风险。这一技术可以扩展应用到空对地场景，以及对尺寸、重量和功率要求苛刻的无人作战平台，为军事行动的能源供应提供一种全新的选择方案。
可负担性和可持续性
使用低功率神经形态计算技术进行船舰维护
功率与能源问题始终是国防部关注的核心焦点。探索大幅降低自主系统、人工智能及机器人功率需求的方法，是构建军事优势的关键路径。神经形态计算，作为一种新兴技术，为解决这些根本性的能源问题提供了强有力的支撑。当前的机器人神经形态系统可以感知并识别环境中的工具，能够自主执行简单的清洁任务，并将工具顺利交接给人类伙伴。海军研究实验室所研发的四足机器人，目前已在船模环境中执行了船舰维护任务。未来，研究将进一步扩展至舰舰领域的更多方面，比如环境感知、预测，以及水下测绘和通信能力提升。
可负担性和可持续性
生物制造——确保国防部供应链的安全
生物制造标志着化学制造领域的一种范式变革，即使用微生物作为可编程的活体生物工厂，实现按需生产关键分子。该技术的运用，可以使美国国内的分子生产控制达到前所未有的高度，从而确保美国本土及需求点的供应链免受国际局势不稳定因素的影响。海军研究实验室正在开发一系列的新型工具，旨在扩展生物制造的微生物库，并且在探索创新的生物优化生产工艺，以期攻克制约生物制造潜能充分释放所面临的一系列关键性挑战。凭借与国防部及工业界建立的战略合作伙伴关系，海军研究实验室已在海军及海军陆战队生物制造领域占据了领导地位。
可负担性和可持续性
海水制取作战燃料
海军实验室已开发出可扩展的模块化技术，这些技术利用海水资源提取二氧化碳（CO2）和氢气（H2），进而生产作战所需的燃料。其核心工艺E-CEM，可以从海水中提取二氧化碳并制成氢气。海军实验室设计了使用催化剂促进“气转液”的工艺，在此过程中二氧化碳和氢气结合，生成军用级燃料，实现按预定时间和地点定制化生产的目标。这些模块化技术具备可扩展性，可以部署在军事行动偏远的区域，无论是沿海地带还是广阔的海域，可以就地生产符合军事标准的燃料。这一能力不仅保障了美国海军能源的安全和自给自足的能力，同时减轻对后勤运输的负担，为部队执行任务提供了更大的行动自由。
空间研究与技术
卫星机器人服务
卫星执行着至关重要的国防、科学研究以及商业任务，然而与飞机、船只及坦克装备相比，卫星一旦受损便无法修复，且传感器过时后难以进行升级更新。为此，海军研究实验室历经二十余年设计和制造出机器人航天器，它们能够安全可靠地对价值数十亿美元的商业卫星和国防卫星提供维修和升级服务。不久的将来，被誉为“机械师”的机器人卫星将可以承担卫星的飞行计算机、电池和传感器升级重任，从而有效地延长卫星的使用寿命。此外，我们正在研发一种新型机器人，未来它们能够在轨道上组装大型望远镜，甚至建造太阳能发电站。
空间研究与技术
用于国防和太空探索的高超音速系统
在现代导弹战争时代背景下，速度与机动性是决定与资深对手交锋胜负的关键因素。此外，成本与数量的考虑也成为介入或规避此类冲突的关键衡量指标，这意味着对战术高超音速系统的需求将会激增。战术高超音速系统凭借最小的系统工程设计冗余，实现了性能的颠覆性提升，改变了战场的游戏规则。从飞机和火箭技术的发展历程来看，高超音速空气动力学、推进、控制和材料技术在军事打击和国防领域的应用将具有双重的意义，这些技术可以将民用航空运输和太空访问飞行器执行发射、重返地球以及行星际任务的速度提升5至20倍。
空间研究与技术
利用X射线脉冲星进行空间导航
脉冲星作为自转不息的中子星，是自然界中最稳定的时钟。航天器上装载的X射线传感器可以捕捉到脉冲星的脉冲信号，据此自主测定航天器的位置与速度。海军研究实验室与美国国家航空航天局携手共同开发了此项技术，并已成功完成首次在轨演示实验。目前，海军研究实验室正在进一步对该传感器进行微缩化处理和优化，同时深入挖掘和解析这些自然时钟的更多特性，旨在打造一套在GPS信号中断情况下的仍然保持稳定的导航系统，从而为执行地月间往返及行星际空间探索任务的航天器提供自主导航解决方案。
自主系统
无限飞行的无人驾驶飞行器
海军研究实验室正在研发一种创新技术与策略，可以支持小型无人驾驶飞行器在净零能源的条件下持续飞行。这一目标的实现，将依赖于多个前沿领域取得重大突破，包括能源采集、转换与储存技术、高效的空气动力学研究与路径规划、高性能材料的研发与结构设计创新，以及实现自主化的技术。这些突破将为远离作战区域发射的、资源需求极低的新型无人驾驶航空器开辟出广阔的应用前景，可以大幅提高作战人员的作战效能，提升作战有效性，并在实战中发挥更大的价值。
自主系统
协同作业的无人驾驶航空器系统
协同作业的无人驾驶航空系统（UAS）在自主作战领域内，有望实现作战人员凭借较低成本的资产实现对敌方资产的压倒性优势，同时在人类难以操控和数据链路难以覆盖的环境下执行任务。海军研究实验室一直是作战相关环境中无人系统协同飞行实验和演示领域的领导者，通过不懈探索研究新型的自主算法、传感器、载荷和边缘数据处理硬件，协同作业自主系统部署即将变成现实，这意味着战术作战行动将要迎来颠覆性变革。
定向能源
下一代定向能源武器的脉冲激光器
脉冲激光器凭借其超高强度光束，通过引入新型、可扩展的致命机制，预计带来海军舰船防御领域的一场全新革命。它将突破传统激光器的局限，能够有效对抗导弹袭击、小型船只侵扰、无人驾驶飞行器的威胁以及新兴的安全威胁。为此，亟需在激光技术、光束控制技术，以及材料与系统在高强度激光脉冲下的响应能力方面实现技术突破。海军研究实验室始终站在科技研究的最前沿，正在开发所需的新型激光系统模型和设施，这些成果将重塑目前我们运用军舰、支持部队登陆行动，以及实施能量投射的方式，从而更有效地应对现代安全的诸多挑战。
人员安全保护
海军和远征行动中可部署的DNA测序技术
DNA测序技术是“揭示”DNA序列的技术，它被视为鉴定生物体身份以及确定其生物潜能的黄金标准。虽然国防部视其为关键能力，但目前的DNA测序流程无法适应海军行动的轻量化、机动性和远征特点，因此亟需开发和改进该测序流程，以便在关键时刻能够提供近实时的行动情报。海军研究实验室及其远征平台的合作伙伴，作为该领域公认的领导者，将继续引领定制化DNA测序能力的研发，满足海军作战领域涌现的新理念和需求。
人员安全保护
看见我们周围的爆炸物、化学品和病原体
爆炸物、麻醉品、毒素、病原体以及化学或生物战剂等隐形威胁，若采用传统的表面擦拭取样检测方法，不仅难度大，而且非常危险。运用光学方法，利用威胁物的独特化学特性，能够实现非接触式、远距离的探测。海军研究实验室推出了用于非接触式、远距离探测的红外背散射成像光谱（IBIS）技术。该技术采用了紧凑型、人眼安全的隐形红外量子级联激光器（QCL），用于探测目标表面，同时借助红外相机捕捉背散射信号。通过IBIS技术，可以成功定位和识别一系列的微量威胁化学物质，此外该技术能够随着运营和安全环境的变化而持续演进。
海军研究实验室100项科学和工程研究成果 (1923-2023)
这份精选的清单仅仅是海军研究实验室自1923年7月2日创立以来所取得的数千项非机密科研成果的缩影，尚有众多研究因保密的性质而未公开。尽管新近研究成果的全面应用和影响仍需来日验证，但这100项研究成果足以充分证明海军研究实验室凭借一群为国家奉献的政府科学家、工程师及其辅助团队的不懈奋斗，正在对美国海军乃至整个国家产生广泛而深远的强大影响。
这些成果不仅彰显了海军研究实验室在维护美国海权与国家安全的卓越贡献，而且许多成果是在国家、自由世界和民主制度面临严峻威胁之际取得的，是其勇于担当的写照。海军研究实验室不仅重塑了美国军队的作战方式，提升了军事效能，有效抵御了技术突袭，同时还将重要的技术成果惠及到工业界，而且至少在三大历史性里程碑事件中——美国首台雷达的诞生、世界首颗情报卫星的发射和全球定位系统的首颗作战卫星的部署，改变了世界力量的格局。
海军研究实验室与政府、大学及行业合作伙伴携手并进，共同铸就了地球上最强大的海军战斗力量，并塑造了美国在全球舞台上的角色。回顾往昔的成就，我们倍受鼓舞，将以不懈的努力和奉献的精神，为迎接未来必将到来的挑战做好准备。
电磁战
美国发明雷达
计划位置指示器
敌我识别系统
单脉冲雷达
美国首台机载雷达
雷达吸波材料和消音室
超视距雷达
高分辨率雷达
高频测向
超快速施放投掷式干扰器
特定发射器识别
逆合成孔径雷达
红外威胁预警
AN/ALE-50拖曳式反制系统
反舰导弹防御雷达
纳尔卡（NULKA）舷外反制系统
海底战
首个作战测深仪
美国首个作战声纳系统
首个核潜艇提议
深海搜寻
潜艇适居性
干涉型光纤声传感器
广义近场声全息
固定翼飞机载重力测量
结构声学
通信、信息技术与网络战
高频无线电设备的开发
无线电传播与“跳跃距离”效应
飞机无线电自导系统
首个作战卫星通信系统
安全语音通信
密码设备的密钥分发和管理
战术通信
自由空间光学通信
飞鼠无人机
洋葱路由和Tor工具
作战空间环境
使用微波成像测量风速
光纤陀螺仪
NOGAPS/NAVGEM全球天气预报
厄尔尼诺过去十年的影响
中尺度预报系统
地形波预报
高光谱成像仪在战术和环境中的应用
全球海洋预报系统
区域热带气旋预报系统
WindSat星载极化微波辐射计
赋能科技
液体热扩散过程
高功率钕玻璃激光器
磁通量校正传输
永磁材料
声学匹配场处理技术
脉冲X射线照相
氮化镓晶体管开发
可负担性和可持续性
伽马射线照相
断裂力学原理
分子结构分析和诺贝尔奖
合成润滑剂
海军使用的聚四氟乙烯
定量X射线荧光分析
改进的锅炉水处理
断裂试验技术
半绝缘砷化镓晶体
离子注入冶金的技术
氟化的网络聚合物
磁性材料和半导体技术
低太阳能吸收舰船漆
快速固化防腐涂料
顶部伪装和甲板防滑涂料
高温防滑甲板
空间研究与技术
首个太阳远紫外线光谱
首次探测太阳的X射线
维京探测火箭计划
先锋计划——火箭
先锋计划——迷你轨道和空间监视
先锋计划——卫星和科学
X射线天文学
太阳辐射（SOLRAD）I
美国首颗作战情报卫星
时间导航系统（TIMATION）和导航卫星测时测距（NAVSTAR）GPS定位系统
高层大气遥感
星载日冕仪
海域感知
深空计划科学实验（克莱门汀号）
波长干涉测量
战术卫星
自主系统
龙眼无人机
用于无人系统的氢燃料电池
定向能源
高功率高电流脉冲功率发生器
准分子激光技术
首个作战舰载激光武器
人员安全保护
改进的飞机座舱盖和窗户材料
碳酸氢钾干粉灭火剂
辐射检测
核反应堆安全
海洋表面单层研究
光学免疫测定与传感器
表面声波化学传感器
污染物传输分析师
沉默守护者计划
个人防护装备及损伤生物力学
透明盔甲
文章相关信息
发布机构：美国海军研究实验室
发布日期：2024年3月
原文链接：https://www.nrl.navy.mil/Portals/38/PDF%20Files/25%20for%2025%20Booklet_FINAL.pdf
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小蜜蜂翻译组公益译文项目，旨在分享国外先进网络安全理念、规划、框架、技术标准与实践，将网络安全战略性文档翻译为中文，为网络安全从业人员提供参考，促进国内安全组织在相关方面的思考和交流。