(THE UNPLANNED COSTS OF AN UNMANNED FLEET)

By Jonathan Panther & Johnathan Falcone

War On The Rocks

December 28-2021

Commentary.

Photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Alex Perlman

Hai chủ đề gần như không thể tránh khỏi trong bình luận về Hải quân Hoa Kỳ ngày nay. Đầu tiên là câu chuyện 15 năm đầy ác ý của tàu chiến ven biển (littoral combat ship, LCS), đã cung cấp một nghiên cứu trường hợp không may cho việc bắt giữ nhóm lợi ích (interest group capture), sai lệch về mục đích và phương tiện (interest group capture), chi phí vượt quá và lỗi kỹ thuật (engineering failures).

Chủ đề thứ hai là hy vọng hơn: đề xuất cho các tàu mặt nước không người lái sẽ tiết kiệm chi phí và tăng quy mô của hạm đội (cost savings and increase the size of the fleet). Khi Trung Cộng nhảy vọt với Hoa Kỳ (China leap-frogs the United States) về số lượng tàu thô được chế tạo và khai triển (built and deployed), chủ đề này đã trở thành rất cấp bách (acquired great urgency). Nó bao gồm các khái niệm như hợp tác giữa con người và máy móc (human-machine teaming) và bầy đàn tự trị (autonomous swarming) như các giải pháp hiệu quả (cost-effective solutions) về chi phí được đề xuất cho sự bất đối xứng về số lượng trên biển.

Tuy nhiên, rất ít bình luận kết nối rõ ràng hai chủ đề. Điều này thật không may bởi vì, trong khi LCS không phải là không người lái, nó ở xa hơn trên phổ không người lái hơn bất kỳ tàu Hải quân Hoa Kỳ nào khác đang hoạt động, khiến nó trở thành trường hợp thử nghiệm thực tế gần nhất cho kiến trúc hạm đội mặt nước trong tương lai. Trên thực tế, lập luận trung tâm về việc không người lái - rằng việc loại bỏ thủy thủ khỏi tàu sẽ tiết kiệm tiền, cho phép Hải quân mua và đưa một lượng lớn tàu cho các hoạt động hàng hải phân tán - chính xác là những gì chương trình tàu chiến ven biển hứa hẹn (LCS program promised.).

Trong trường hợp của tàu chiến ven biển, lời hứa này là một sai lầm vì hai lý do. Đầu tiên, thay thế thủy thủ bằng công nghệ làm giảm bảo trì ở cấp điều khiển, nhưng tăng nó ở trung tâm bảo trì khu vực và cấp nhà sản xuất thiết bị ban đầu. Điều này làm tăng chi phí nói chung, có nghĩa là ít nền tảng hơn có thể được mua. Thứ hai, cách cư xử tối thiểu làm cho các nền tảng ít linh hoạt hơn. Ít thủy thủ hơn có nghĩa là ít vấn đề được phát hiện hơn và ít khả năng khắc phục chúng hơn trong khi đang tiến hành. Do đó, nếu được đưa vào bất cứ điều kiện chiến đấu nào xấp xỉ, tàu chiến ven biển sẽ không có hiệu quả lâu dài. Chúng tôi lập luận rằng hai thách thức này có khả năng xảy ra trên các tàu không người lái như họ đã làm trên những con tàu có người lái tối thiểu.

Tất cả các vấn đề của tàu chiến ven biển và sau đó một số

Cựu Thứ trưởng Quốc phòng Robert O. Work đã chỉ ra rằng tàu chiến ven biển không phải là một "con tàu không có nhiệm vụ", như các nhà phê bình đôi khi tranh luận. Chương trình này có một kế hoạch rõ ràng, nhưng nó đòi hỏi những bước nhảy vọt kỹ thuật lớn để xây dựng một con tàu với thủy thủ đoàn nòng cốt chỉ có 40 thủy thủ, so với 176 trên các khu trục hạm lớp Oliver Hazard Perry mà tàu chiến ven biển dự định thay thế.

Tàu chiến ven biển được thiết kế cho cái mà Hải quân gọi là "các hoạt động hàng hải phân tán" (distributed maritime operations) (sau đó được gọi là "Khái niệm hoạt động toàn cầu" [Global Concept of Operations]), khái niệm hoạt động chính của nó (its principal operational concept) để đạt được kiểm soát trên biển trong một cuộc chiến cao cấp. Điều này đòi hỏi phải phân tán nhiều tàu - lớn và nhỏ, có người lái và không người lái - trên một khu vực hoạt động để hoạt động như cảm biến, kén phòng thủ và nền tảng tấn công (strike platforms). Kết nối với nhau, các tàu này có thể khai thác các luồng thông tin phổ biến và đồng bộ hóa cơ động và hỏa hoạn. Các thuộc tính chính của tàu chiến ven biển - tốc độ, kích thước nhỏ, chi phí thấp, mô-đun và điều khiển tối thiểu - được thiết kế để cung cấp số lượng, phạm vi địa lý và tính linh hoạt trong vai trò phân tán các hoạt động hàng hải theo yêu cầu.

Những thuộc tính này được cho là bổ sung cho nhau. Điều khiển tối thiểu sẽ làm giảm chi phí vòng đời, vì sẽ có ít không gian sống và hệ thống hỗ trợ cuộc sống để duy trì, ít nhân viên hơn để trả tiền và bổ sung ít hơn đang được tiến hành. Các mô-đun nhiệm vụ có thể hoán đổi của tàu chiến ven biển cho chiến tranh chống tàu mặt nước, chống tàu ngầm và chống mìn cũng sẽ giảm chi phí, vì các nhiệm vụ khác nhau sẽ không còn cần các nền tảng được thiết kế có mục đích như tàu quét mìn hoặc các nền tảng lớn có khả năng đa nhiệm vụ. Chi phí sản xuất và vòng đời thấp của con tàu sẽ cho phép Hải quân mua nhiều hơn, và số lượng sẽ có nghĩa là phạm vi địa lý lớn hơn đối với hạm đội. Đó sẽ là một chu kỳ đạo đức (virtuous).

Trụ cột của chu kỳ đạo đức là tiết kiệm chi phí, mà Hải quân dự kiến sẽ có được từ cấu trúc có người lái tối thiểu của tàu chiến ven biển. Tiết kiệm chi phí đã trở thành một mối quan tâm lâu dài khi Hải quân phải đối mặt với áp lực mở rộng hạm đội trong khi cố gắng bù đắp cho chi phí vượt quá nhiều lần trong các chương trình bao gồm siêu HKMH lớp Ford (Ford-class supercarrier), khu trục hạm lớp Zumwalt (Zumwalt-class destroyer) và nhiều ví dụ ít được biết đến (lesser-known examples). Hơn nữa, Hải quân phải đối mặt với áp lực ngân sách rộng lớn hơn từ bên ngoài tổ chức, bao gồm cả từ chính trị đảng phái (partisan politics) và lạm phát (inflation).

Hải quân Mỹ đã giảm kế hoạch mua (reduced its planned acquisition) thân tàu tác chiến ven bờ từ 55 xuống còn 32 chiếc vào năm 2014, và 5 năm sau, Quốc hội Mỹ đã cấm Hải quân Mua thêm. Tuy nhiên, việc thực hiện các hoạt động hàng hải phân tán vẫn là mục tiêu cuối cùng của Hải quân. Nó đòi hỏi Hải quân phải có được rất nhiều tàu - và sớm. Khi cuộc diễn hành của Hải quân đến mục tiêu trước đó là 355 tàu đã bị đình trệ (stalled), các nhà hoạch định hiện đang dựa trên lý thuyết rằng tiết kiệm chi phí từ các tàu không người lái sẽ tạo nên sự khác biệt giữa mức lực lượng hiện tại và các hoạt động hàng hải phân tán sẽ yêu cầu. Họ cũng đưa ra lập luận tương tự (same argument) cho tàu tác chiến ven bờ.

Khi số lượng thủy thủ đoàn giảm xuống, chi phí bảo trì tăng lên

Nhiều tài liệu ban đầu (early documents) về và phân tích (analysis) chương trình tàu tác chiến ven bờ nhấn mạnh khả năng chi trả, được thúc đẩy bởi các mô hình điều khiển tối ưu, điều động thủy thủ đoàn luân phiên và phụ thuộc vào hỗ trợ bờ biển để giảm chi phí vòng đời tổng thể của nền tảng. Có một logic đơn giản cho điều này: Ít nhân viên hơn tương đương với ít yêu cầu sinh sống hơn - và do đó có nhiều chỗ hơn cho các hệ thống chiến đấu - cũng như giảm lương và bổ sung (replenishments) ít hơn trên biển.

Nhưng việc loại bỏ nhân viên khỏi tàu cũng có nghĩa là một điều khác: hệ thống kỹ thuật phức tạp hơn. Bất kỳ thiết bị không người lái nào thường phức tạp hơn một máy có người lái được giao nhiệm vụ tương đương. Điều này có thể làm cho việc bảo trì thường xuyên và khắc phục tốn kém hơn, và cũng mang chi phí ẩn bằng cách đào tạo cấp cao cần thiết để tiến hành bảo trì. Tàu tác chiến ven bờ là một trường hợp điển hình, vì việc mua sắm có người lái tối thiểu đòi hỏi chuyên môn kỹ thuật từ các nhà sản xuất thiết bị ban đầu.

Theo thời gian, việc tiết kiệm chi phí vòng đời dự kiến dần dần bắt đầu giảm khi số lượng thủy thủ đoàn cốt lõi tăng 25% (increased by 25 percent), và số lượng nhân viên hỗ trợ bờ biển cần thiết tăng gấp ba lần (tripled). Một động lực tương tự đã diễn ra với kế hoạch giai đoạn đầu cho các tàu không người lái (early-stage planning for unmanned vessels). Nhưng ngay cả khi giả định rằng đây là những va chạm tốc độ tạm thời trên đường đến công nghệ trưởng thành hơn, chúng ta có thể hình dung các lĩnh vực khác, nơi những thiếu sót được nêu bật trong mô hình điều khiển tối thiểu của tàu chiến ven bờ khó có thể được giảm bớt bởi mô hình không người lái.

Về khái niệm, mô hình điều khiển tàu chiến ven bờ đã hình dung ra sự chuyển đổi của các thủy thủ, và đặc biệt là các kỹ sư, từ vai trò "người điều hành bảo trì" sang vai trò "chỉ dành cho người vận hành". Tuy nhiên, các thân tàu tác chiến ven bờ đầu tiên phải đối mặt với nhiều thương vong về thiết bị trên biển (faced many equipment casualties at sea), cho thấy sự cần thiết phải tiếp tục được bảo trì. Phá vỡ tư duy chỉ dành cho người vận hành tỏ ra khó khăn, vì các nhà sản xuất thiết bị ban đầu đã duy trì sự độc quyền của họ về chuyên môn bằng cách giữ chặt sở hữu trí tuệ - dưới dạng hướng dẫn kỹ thuật, bộ phận và công cụ (technical manuals, parts, and tools) - cần thiết để bảo trì và đào tạo. Nói cách khác, giảm bảo trì ở cấp điều khiển chỉ đơn giản là tăng nó ở cấp độ nhà sản xuất trung gian và ban đầu. Nhân lực không bị giảm, chỉ chuyển đổi.

Theo thời gian, một sự thay thế (alternative) không chính thức để phụ thuộc vào hỗ trợ nhà thầu đã xuất hiện. Thông qua kinh nghiệm trực tiếp vận hành thiết bị của họ trong khi đang tiến hành, các thủy thủ tàu chiến ven bờ đã phát triển "kiến thức bộ lạc" (tribal knowledge) về hệ thống của họ. Họ cũng đã có được kiến thức tại chỗ bằng cách quan sát các nhà thầu và kỹ sư trung tâm bảo trì khu vực. Khi các thủy thủ chuyển sang các chuyến tham quan bờ biển tại các cơ sở bảo trì khu vực và các nhóm đào tạo, thiết kế các chương trình đào tạo thế hệ thủy thủ LCS tiếp theo, Hải quân đạt được một số tự cung tự cấp (self-sufficiency), một nền kinh tế kinh nghiệm về quy mô có thể giúp bù đắp chi phí phụ thuộc quá mức vào các nhà sản xuất và nhà thầu thiết bị ban đầu.

Tuy nhiên, thật khó để thấy làm thế nào kịch bản lạc quan này có thể xảy ra với các nền tảng hoàn toàn không người lái. Đầu tiên, không có thủy thủ trên tàu, việc thí nghiệm và thực hành đang được tiến hành tạo ra kiến thức bộ lạc trong trường hợp tàu tác chiến ven bờ không thể xảy ra. Các thủy thủ cũng sẽ không có mặt để quan sát và học hỏi từ các nhà thầu sửa chữa thiết bị. Nếu không có nền kinh tế quy mô bắt đầu phát triển trong trường hợp tàu chiến ven bờ, chi phí bảo trì sẽ vẫn thuộc về các nhà thầu bên thứ ba.

Thứ hai, trong khi các nhà thầu có thể bay ra một nền tảng có người lái đang được tiến hành, họ không thể làm như vậy cho một tàu không người lái. Nếu không có chỗ ở và hệ thống hỗ trợ sự sống, các tàu không người lái sẽ phải quay trở lại cảng để sửa chữa, nếu không sẽ được duy trì trên biển và trên chiến trường bằng (sustained at sea and in theater by) tàu đổ bộ, tàu ngầm hoặc căn cứ trên biển viễn chinh. Hải quân Mỹ đã có một số kinh nghiệm (has some experience) sử dụng các nền tảng có người lái, bao gồm cả tàu chiến ven bờ (including the LCS), để vận hành và bảo trì các nền tảng không người lái, chẳng hạn như trực thăng MQ-8C "Fire Scout" (MQ-8C “Fire Scout”).

Nhưng các nền tảng không người lái nhỏ được điều khiển bởi các thủy thủ trong thời gian ngắn, và sau đó trở lại một con tàu có người lái, không hoàn toàn tương tự như các tàu mặt nước không người lái lớn hơn. Một sự khác biệt phát sinh từ việc mở rộng quy mô: Càng có nhiều nền tảng không người lái trong hạm đội, gánh nặng bảo trì mà các tàu có người lái sẽ phải chịu càng lớn, kéo họ ra khỏi các nhiệm vụ khác. Một điều khác là khả năng tự chủ và đa nhiệm vụ dự kiến của các tàu không người lái trong tương lai. Fire Scout được thiết kế để hoàn thành một nhiệm vụ hẹp và trở về "nhà" sau vài giờ, nhưng hầu hết các tàu không người lái trong tương lai sẽ không. Do đó, Hải quân có thể phải chịu đựng một số mức độ thương vong thiết bị "nhỏ" trên các tàu không người lái đang được tiến hành. Hạn chế là, không được giám sát, thương vong nhỏ thường trở thành những thương vong lớn.

Tàu không người lái ít kiên cường hơn

Chi phí sản xuất và vòng đời cao hơn của tàu chiến ven bờ dẫn đến ít nền tảng được mua hơn, và do đó không đủ số lượng cho các hoạt động hàng hải phân tán. Nhưng giả sử Hải quân giải quyết những vấn đề và lĩnh vực đó nhiều tàu không người lái như họ nghĩ là cần thiết, câu hỏi tiếp theo là liệu số lượng đó có thể được duy trì (sustained) trong các kịch bản không thường xuyên - tức là chiến đấu (i.e., combat) - hay không.

Kế hoạch hiện tại về việc sử dụng tàu không người lái kêu gọi họ hợp tác với các đơn vị có người lái, do đó mở rộng phạm vi hoạt động của hạm đội (expanding the fleet’s reach). Hạm đội, theo thiết kế, sẽ là một chiếc hybrid. Các đơn vị không người lái sẽ theo dõi hoặc tấn công kẻ thù trước khi nó có thể gây hại (before it can harm) cho các đơn vị có người lái có giá trị cao như hàng không mẫu hạm. Điều này đặt một mức phí bảo hiểm cao hơn về khả năng sống sót của tàu không người lái so với thường được giả định (assume). Trừ khi một số phần của pickets không người lái sống sót sau loạt đạn đầu tiên của kẻ thù, chỉ có lợi ích danh nghĩa sẽ tích lũy từ mô hình hạm đội lai này.

Tàu chiến ven bờ, về phần mình, có một hồ sơ nổi tiếng kém (famously poor record) về khả năng phục hồi, một vấn nạn đang diễn ra (ongoing problem) một phần do tính người lái tối thiểu. Ví dụ, với ít thủy thủ trên tàu để kiểm soát không gian kỹ thuật, một loại thân tàu bị thương vong động cơ lặp đi lặp lại mà chỉ đơn giản là không được chú ý (went unnoticed). Một ví dụ đặc biệt nổi bật khác là trục trặc động cơ thảm khốc của USS Fort Worth vào năm 2016, mà một cuộc điều tra được cho (investigation attributed) là do không đủ giám sát đối với người canh gác, phụ thuộc vào nhân sự để thực hiện một nhiệm vụ mà họ không được giao và thông báo chính thức (như thiết bị khởi động) và sự vắng mặt của lãnh đạo con tàu khỏi vai trò hỗ trợ do họ tập trung vào một thương vong kỹ thuật riêng biệt. Khi xác nhận cuộc điều tra, chỉ huy hạm đội Thái Bình Dương đặc biệt nhấn mạnh tác động của số lượng thủy thủ đoàn nhỏ hơn trong nạn nhân. Đây là ba năm sau khi Hải quân đã điều chỉnh các yêu cầu về nhân lực của tàu chiến ven bờ do sự mệt mỏi của thủy thủ đoàn và thiếu hụt do dự phòng (due to crew fatigue and watchstanding shortfalls).

Nguyên nhân chính của thương vong Fort Worth là lỗi của người vận hành, nhưng Hải quân đã quy cho hầu hết các lỗi kỹ thuật tàu chiến ven bờ do khác là do lỗi thiết kế hoặc lỗi lắp đặt. Trong những trường hợp này, các vấn đề không thể được khắc phục trên biển bằng thiết kế: cấu trúc hoạt động tàu chiến ven bờ do rõ ràng đã ủng hộ điều khiển tối thiểu với lời hứa hỗ trợ nhà thầu trên bờ cho cả bảo trì phòng ngừa và khắc phục. Như cố Thượng nghị sĩ John McCain đã chỉ ra, thương vong do thiết kế hoặc lắp đặt kém sẽ làm gián đoạn hoạt động ít hơn nhiều nếu các thủy thủ có thể khắc phục trở ngại trong khi đang tiến hành (if the sailors could fix the problem while underway). Và thử nghiệm khả năng sống sót của tàu chiến ven bờ do, đo lường khả năng "tránh, chịu đựng và phục hồi" của một con tàu và thủy thủ đoàn để "tránh, chịu đựng và phục hồi" thiệt hại do biển động hoặc chiến đấu, cho thấy kích thước thủy thủ đoàn tối thiểu của nó sẽ ức chế các nỗ lực kiểm soát thiệt hại (inhibit damage control efforts).

Giả sử (assuming) rằng các hệ thống không người lái không hoàn hảo hoặc không thấm nước để chống lại thiệt hại, họ sẽ, giống như tàu chiến ven bờ, sử dụng các thiết bị dư thừa để làm cho chúng có nhiều khả năng sống sót sau các lỗi thiết bị thông thường và chống lại thiệt hại. Thoạt nhìn, khái niệm có hệ thống dự phòng dường như hoạt động theo cách tương tự trên các tàu có người lái và không người lái. Sau này có thể chỉ đơn giản là tự động hóa việc chuyển đổi giữa các hệ thống chính và thứ cấp, thay vì một nhà điều hành con người tham gia sao lưu.

But there are, in fact, two key differences in how redundancy works on manned versus unmanned ships. First, for simple tasks, a sailor represents the redundancy of last resort. He or she can manually accomplish the machine’s function after the final backup fails. After an automated fire suppression system fails, a sailor can use a fire extinguisher. If a crew-served weapon’s electronic controls are damaged, sailors can aim and fire it.

Nhưng trên thực tế, có hai sự khác biệt chính trong cách thức hoạt động của dự phòng trên các tàu có người lái so với tàu không người lái. Đầu tiên, đối với các nhiệm vụ đơn giản, một thủy thủ đại diện cho sự dư thừa của phương sách cuối cùng. Anh ta hoặc cô ta có thể tự thực hiện chức năng của máy sau khi bản sao lưu cuối cùng thất bại. Sau khi hệ thống chữa cháy tự động bị hỏng, thủy thủ có thể sử dụng bình chữa cháy. Nếu điều khiển điện tử của vũ khí phục vụ thủy thủ đoàn bị hư hỏng, thủy thủ có thể nhắm và bắn nó.

Thứ hai, thủy thủ có thể sửa chữa thiết bị. Một hệ thống được thiết kế hoàn hảo giả thuyết (hypothetical) nên có khả năng phục hồi tốt hơn phiên bản do con người vận hành, bởi vì máy móc không mắc lỗi hoặc mệt mỏi. Nhưng trong thế giới quân sự, một diễn viên có chủ ý (kẻ thù) có thể làm xáo trộn thiết bị. Vì kẻ thù có động lực để thử lại mỗi khi dự phòng khôi phục khả năng hoạt động của mục tiêu, hệ thống cuối cùng sẽ hết dư thừa. Mặc dù nhiều hệ thống tàu quá phức tạp để sửa chữa ngay cả khi có người lái hoàn toàn, con người trên trạm có thể khôi phục dư thừa (redundancies) cho một số hệ thống đơn giản nhưng rất quan trọng. Một cái gì đó đơn giản như vá (patching) một chính lửa bị rò rỉ, ví dụ, có thể đại diện cho thiệt hại có thể sửa chữa cho một nền tảng có người lái, nhưng mất mát thảm khốc cho một nền tảng không người lái.

Hạm đội không người lái có thể được cứu?

Cấu trúc có người lái tối thiểu của tàu chiến ven bờ đã làm suy yếu tiện ích của nó đối với các hoạt động hàng hải phân tán theo hai cách. Thứ nhất, việc đưa con người ra khỏi tàu đặt ra yêu cầu cao hơn về hỗ trợ nhà thầu. Điều này đã làm tăng chi phí sản xuất và vòng đời, làm giảm số lượng nền tảng có thể được mua. Thứ hai, việc điều khiển tối thiểu của nền tảng làm cho nó ít kiên cường hơn với hao mòn thông thường, và do đó, Hải quân vừa ngừng hoạt động bốn thân tàu tác chiến ven bờ sớm và phải rút những chiếc khác khỏi các hoạt động thường lệ nhiều lần để tiến hành sửa chữa. Chúng tôi kết luận với ba khuyến nghị để giúp các tàu mặt nước không người lái trong tương lai tránh được số phận (fate) tương tự.

Thứ nhất, phát triển hệ thống không người lái đòi hỏi một cách tiếp cận khác để quản lý dự án so với sử dụng cho tàu chiến ven bờ. Sự tích hợp độc đáo của tàu chiến ven bờ về phần mềm, phần cứng mạng và hệ thống cơ khí - đặc biệt là trong nhà máy kỹ thuật - dẫn đến nhiều nỗi đau ngày càng tăng. Các lỗi thiết kế (design flaws) đã tìm đường vào nhiều thân tàu vì chương trình dựa trên cái được gọi là cách tiếp cận quản lý dự án "thác nước". Phương pháp này được đặc trưng bởi một kế hoạch dự án dài hạn chi tiết với một dòng thời gian duy nhất, điều này làm cho các thay đổi tốn kém.

Nhưng không giống như tàu chiến ven bờ, nơi bổ sung nhân sự vào khái niệm quản lý ban đầu đã giúp giải quyết các điểm tích hợp thất bại, các nền tảng hoàn toàn không người lái sẽ thiếu lùi lại này. Kết quả là, có một chi phí bảo hiểm thậm chí còn cao hơn về việc bảo đảm rằng các điểm tích hợp của mạng lưới và hệ thống cơ khí của tàu hoạt động đúng trước khi thực địa rộng rãi. Quản lý dự án Agile (Agile project management), một phong cách phát triển dựa trên thời gian ngắn hơn và nhiều ngày giao hàng, có thể giúp giải quyết vấn đề. Văn phòng điều hành chương trình của Hải quân, Hệ thống Tác chiến Tịch hợp (Integrated Warfare Systems), hiện đang làm việc để kết hợp (is currently working to incorporate) các quy trình giao hàng liên tục nhanh nhẹn. Trong cách tiếp cận này, dòng thời gian sản phẩm ít dứt khoát hơn, thay đổi sản phẩm thường xuyên và được mong đợi và người dùng cuối giúp hướng dẫn từng lần lặp lại. Phiên bản đóng tàu của nó sẽ bao gồm việc sử dụng các địa điểm thử nghiệm trên đất liền, như nó sẽ cho khu trục hạm lớp Constellation mới (the new Constellation-class frigate).

Thứ hai, ngay cả với thiết bị hoàn hảo, các tàu không người lái sẽ phải đối mặt với các cuộc tấn công với một chuỗi dự phòng luôn ngắn hơn một mắt xích so với các thủy thủ có mặt. Điều này không có nghĩa là các tàu không người lái là vô giá trị. Thật vậy, một số loại thiết bị có thể quá phức tạp đối với bất kỳ thủy thủ nào để hoạt động thủ công hoặc sửa chữa tại chỗ. Đối với một con tàu có vai trò hẹp được thực hiện độc quyền bởi các thiết bị phức tạp, việc điều khiển thực sự có thể phải chịu chi phí lớn hơn giá trị của nó. Nhưng chính đó là một bài học: Với kiến trúc (architecture) hạm đội phân tán (distributed fleet), Hải quân chỉ nên sử dụng tàu không người lái cho những khu vực nhiệm vụ mà khả năng sống sót trong vài loạt đạn đầu tiên không quan trọng đối với cuộc chiến kéo dài.

Thứ ba, trong khi mua và đưa một số lượng lớn tàu là cần thiết cho các hoạt động hàng hải phân tán, vì vậy đang ngăn chặn tất cả chúng bị đánh chìm hoàn toàn. Tàu không người lái không nên được coi là có thể sử dụng được nếu chúng dự kiến sẽ cung cấp số lượng, vì vậy một số tỷ lệ trong số chúng sẽ phải được sửa chữa trong điều kiện chiến đấu. Trong khi trong nhiều trường hợp [ví dụ (for instance), mất bánh lái (rudder) hoặc mảng (array) radar], một nhiệm vụ giết người là không thể tránh khỏi cho dù một con tàu có người lái hay không, thủy thủ có thể ngăn chặn một con tàu có người lái chìm đủ lâu để kéo đại dương để cứu thân tàu và thiết bị không bị ảnh hưởng. Trên các tàu không người lái, thời gian trục vớt sẽ ngắn hơn nhiều. Điều này cho thấy (suggests) rằng, nếu kiến trúc hạm đội trong tương lai phụ thuộc rất nhiều vào các tàu không người lái, Hải quân cuối cùng (eventually) cũng sẽ phải chịu chi phí cho các tàu hỗ trợ có người lái hơn.

Chương trình tàu chiến ven bờ hứa hẹn sẽ làm nhiều hơn và chi phí ít hơn. Cuối cùng nó đã làm ít hơn và chi phí nhiều hơn, chính xác là vì tiền đề hoạt động của nó không đánh giá đủ cao yếu tố con người. Thủy thủ là một phần hữu cơ của một con tàu, không phải là gánh nặng chi phí. Cho đến khi thiết bị có thể tự học và tự sửa chữa, điều đó sẽ vẫn là trường hợp sẽ bàn đến.

by Jonathan Panther và Johnathan Falcone

Jonathan Panter là một ứng cử viên tiến sĩ tại Khoa Khoa học Chính trị tại Đại học Columbia. Nghiên cứu của ông xem xét nguồn gốc của các hoạt động tổ chức hải quân. Trước khi tham dự Columbia, ông từng là một sĩ quan phục vụ trên tàu mặt nước trong Hải quân Hoa Kỳ.

Johnathan Falcone là một sĩ quan hoạt động trên tàu mặt nước đang hoạt động trong Hải quân Hoa Kỳ, phục vụ như kỹ sư trưởng trên một tàu chiến ven biển. Ông tốt nghiệp Trường Quan hệ Công chúng và Quốc tế của Đại học Princeton và Đại học Yale.

Ý kiến của các tác giả là của riêng họ và không phản ảnh lập trường chính thức của Hải quân Hoa Kỳ.

THE UNPLANNED COSTS OF AN UNMANNED FLEET

By Jonathan Panther & Johnathan Falcone

War On The Rocks

December 28-2021

Commentary.

Photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Alex Perlman

Two subjects are nearly inescapable in commentary about the U.S. Navy today. The first is the much-maligned, 15-year saga of the littoral combat ship (LCS), which has provided an unfortunate case study for interest group capture, misalignment of ends and means, cost overruns, and engineering failures.

The second subject is more hopeful: proposals for unmanned surface vessels that will deliver cost savings and increase the size of the fleet. As China leap-frogs the United States in raw numbers of ships built and deployed, this subject has acquired great urgency. It includes concepts such as human-machine teaming and autonomous swarming as proposed cost-effective solutions to the numerical asymmetry at sea.

Very little commentary, however, explicitly connects the two subjects. This is unfortunate because, while the LCS is not unmanned, it is further on the unmanned spectrum than any other U.S. Navy vessel in operational use, making it the closest real-world test case for future surface fleet architecture. In fact, the central argument for zero-manning - that removing sailors from ships will save money, allowing the Navy to purchase and field large quantities of vessels for distributed maritime operations - is exactly what the LCS program promised.

In the case of the LCS, this promise was a fallacy for two reasons. First, replacing sailors with technology reduced maintenance at the operator level, but increased it at the regional maintenance center and original equipment manufacturer levels. This raised costs overall, meaning fewer platforms could be purchased. Second, minimal manning made platforms less resilient. Fewer sailors meant fewer problems spotted, and less capacity to fix them while underway. Hence, if fielded in anything approximating combat conditions, the LCS would not remain effective for long. We argue that these two challenges are as - if not more - likely to occur on unmanned ships as they did on minimally manned ones.

All the Problems of the LCS and Then Some

Former Deputy Secretary of Defense Robert O. Work has shown that the LCS was far from a “ship without a mission,” as critics have sometimes contended. The program had a clear plan, but it required vast technical leaps to build a ship with a core crew of only 40 sailors, compared to the 176 on the Oliver Hazard Perry-class frigates that the LCS was intended to replace.

The LCS was designed for what the Navy calls “distributed maritime operations” (then called “Global Concept of Operations”), its principal operational concept for achieving sea control in a high-end fight. This entails dispersing numerous vessels - large and small, manned and unmanned - across an operating area to act as sensors, defensive pickets, and strike platforms. Networked together, these vessels can exploit common information streams and synchronize maneuver and fires. The LCS’ chief attributes - speed, small size, low cost, modularity, and minimal manning - were designed to deliver the quantity, geographic range, and flexibility in roles that distributed maritime operations demanded.

These attributes were supposed to be complementary. Minimal manning would reduce life-cycle costs, since there would be fewer living spaces and life-support systems to maintain, fewer personnel to pay, and fewer underway replenishments. The LCS’ swappable mission-modules for anti-surface, anti-submarine, and anti-mine warfare would also reduce costs, since disparate missions would no longer need purpose-designed platforms like minesweepers, or large ones with multi-mission capability. The ship’s low production and life-cycle costs would enable the Navy to buy more of them, and quantity would mean greater geographic reach for the fleet. It would be a virtuous cycle.

The linchpin of the virtuous cycle was cost savings, which the Navy expected to derive from the LCS’ minimal-manning construct. Cost savings have become a perennial concern as the Navy faces pressures to expand the fleet while trying to make up for repeated cost overruns in programs including the Ford-class supercarrier, Zumwalt-class destroyer, and many lesser-known examples. Moreover, the Navy faces broader budget pressures from outside the organization, including from partisan politics and inflation.

The Navy reduced its planned acquisition of LCS hulls from 55 to 32 in 2014, and five years later Congress barred the Navy from purchasing any more. However, implementing distributed maritime operations remains the Navy’s ultimate goal. It requires that the Navy acquire a lot of ships - and soon. As the Navy’s march to its previous target of 355 ships has stalled, planners are now banking on the theory that cost savings from unmanned vessels will make up the difference between current force levels and what distributed maritime operations will require. They made the same argument for the LCS.

As Crew Numbers Go Down, Maintenance Costs Go Up

Many of the early documents about and analysis of the LCS program stressed affordability, driven by optimal manning, rotational crew-deployment models, and reliance on shore support to reduce the overall life-cycle costs of the platform. There is a simple logic to this: Fewer personnel equals fewer habitability requirements - and hence greater room for combat systems - as well as reduced pay and fewer replenishments at sea.

But removing personnel from ships also means something else: more complex technical systems. Any unmanned piece of equipment is usually more complex than a manned machine assigned to do an equivalent task. This can make routine and corrective maintenance more costly, and also carries hidden costs by way of the high-level training required to conduct maintenance. The LCS was a case in point, as minimal manning drove procurement of systems that required technical expertise from the original equipment manufacturers.

With time, the projected life-cycle cost savings slowly began to diminish as core crew numbers increased by 25 percent, and the number of required shore-support personnel tripled. A similar dynamic is already playing out with early-stage planning for unmanned vessels. But even assuming that these are temporary speed bumps on the way to more mature technology, we can envision other areas where the deficiencies highlighted in the LCS’ minimal-manning model are unlikely to be alleviated by the zero-manning model.

In concept, the LCS manning model envisioned the transition of sailors, and engineers in particular, from a “maintainer-operator” role to that of “operator only.” However, the early LCS hulls faced many equipment casualties at sea, demonstrating the continued need for underway maintenance. Breaking the operator-only mindset proved difficult, as the original equipment manufacturers preserved their monopoly on expertise by keeping a close hold on the intellectual property - in the form of technical manuals, parts, and tools - necessary for maintenance and training. In other words, reducing maintenance at the operator level simply increased it at the intermediate and original manufacturer levels. Manning was not reduced, just transposed.

With time, an informal alternative to reliance on contractor support has emerged. Through direct experience operating their equipment while underway, LCS sailors have developed “tribal knowledge” of their systems. They have also acquired onsite knowledge by observing contractors and regional maintenance center engineers. As sailors transition to shore tours at regional maintenance facilities and training groups, designing programs to train the next generation of LCS sailors, the Navy achieves some self-sufficiency, an experiential economy of scale that can help recoup the costs of overreliance on original equipment manufacturers and contractors.

Yet it is difficult to see how this optimistic scenario could occur with fully unmanned platforms. First, with no sailors aboard, the underway experimentation and practice that produced tribal knowledge in the LCS case can’t happen. Nor will sailors be present to observe and learn from contractors who repair equipment. Without the economy of scale that began developing in the LCS case, maintenance costs will remain beholden to third-party contractors.

Second, while contractors can fly out to a manned platform that is underway, they cannot do so for an unmanned vessel. Without accommodations and life-support systems, unmanned vessels will have to return to port for repairs, or else be sustained at sea and in theater by amphibious ships, submarines, or expeditionary sea bases. The Navy already has some experience using manned platforms, including the LCS, to operate and maintain unmanned ones, such as the MQ-8C “Fire Scout” helicopter.

But small unmanned platforms controlled by sailors for brief periods of time, and then returned to a manned ship, are not entirely analogous to larger unmanned surface vessels. One difference arises from scaling: The more unmanned platforms in the fleet, the greater the maintenance burden that manned vessels will bear, drawing them away from other tasks. Another is the autonomy and multi-mission capability expected of future unmanned vessels. The Fire Scout is designed to accomplish a narrow mission and return “home” after a few hours, but most future unmanned vessels won’t be. Therefore, the Navy may have to tolerate some level of “minor” equipment casualties on underway unmanned vessels. The drawback is that, left unattended, minor casualties often become large ones.

Unmanned Ships Are Less Resilient

The higher production and life-cycle costs of the LCS led to fewer platforms purchased, and therefore insufficient quantity for distributed maritime operations. But assuming the Navy solves those problems and fields as many unmanned vessels as it thinks necessary, the next question is whether that quantity could be sustained in non-routine - i.e., combat - scenarios.

The current plan for the employment of unmanned vessels calls for them to team with manned units, thus expanding the fleet’s reach. The fleet, by design, will be a hybrid. Unmanned units will track or engage an enemy before it can harm high-value manned units such as aircraft carriers. This places a higher premium on the survivability of unmanned vessels than is often assumed. Unless some portion of the unmanned pickets survive an enemy’s first salvo, only nominal benefits will accrue from this hybrid fleet model.

The LCS, for its part, has a famously poor record of resilience, an ongoing problem attributable in part to minimal manning. With fewer sailors onboard to inspect engineering spaces, for example, one hull type suffered repeated engine casualties that simply went unnoticed. Another particularly salient example was the USS Fort Worth’s catastrophic engine failure in 2016, which an investigation attributed to insufficient oversight over watchstanders, reliance on personnel to perform a task they were not officially assigned to and briefed on (such as starting equipment), and the ship’s leadership’s absence from supporting roles due to their focus on a separate engineering casualty. In endorsing the investigation, the commander of the Pacific fleet specifically highlighted the impact that the smaller crew numbers played in the casualty. This was three years after the Navy had already adjusted LCS manning requirements due to crew fatigue and watchstanding shortfalls.

The primary cause of the Fort Worth casualty was operator error, but the Navy has attributed most other LCS engineering failures to design flaws or installation mistakes. In these cases, the problems could not be fixed at sea by design: the LCS operational construct explicitly backstopped minimal-manning with the promise of shore-based contractor support for both preventive and corrective maintenance. As the late Sen. John McCain pointed out, casualties from poor design or installation would disrupt operations far less if the sailors could fix the problem while underway. And the LCS’ survivability testing, which measures a ship and her crew’s ability to “avoid, withstand, and recover from” damage sustained by rough seas or combat, suggests that its minimal crew size would inhibit damage control efforts.

Assuming that unmanned systems are not flawless or impermeable to combat damage, they will, like the LCS, employ equipment redundancies to make them more likely to survive routine equipment failures and combat damage. At first glance, the concept of having backup systems appears to work the same way on manned and unmanned vessels. The latter might simply automate the switch between primary and secondary systems, instead of a human operator engaging the backup.

But there are, in fact, two key differences in how redundancy works on manned versus unmanned ships. First, for simple tasks, a sailor represents the redundancy of last resort. He or she can manually accomplish the machine’s function after the final backup fails. After an automated fire suppression system fails, a sailor can use a fire extinguisher. If a crew-served weapon’s electronic controls are damaged, sailors can aim and fire it.

Second, sailors can repair equipment. A hypothetical perfectly designed system should be more resilient than a human-operated version, because machines do not make mistakes or get tired. But in the military world, an intentional actor (the enemy) can tamper with the equipment. Since the enemy has an incentive to try again each time a redundancy restores the target’s operability, the system will eventually run out of redundancies. Although many shipboard systems are too complex to repair even if fully manned, the human on-station can restore redundancies for some simple but highly critical ones. Something as simple as patching a leaky fire main, for instance, might represent repairable damage for a manned platform, but catastrophic loss for an unmanned one.

Can the Unmanned Fleet Be Saved?

The minimal-manning construct of the LCS undermined its utility for distributed maritime operations in two ways. First, removing humans from the ship placed higher demands on contractor support. This drove up production and life-cycle costs, driving down the quantity of platforms that could be purchased. Second, the platform’s minimal manning made it less resilient to routine wear and tear, and consequently, the Navy both decommissioned four LCS hulls early and had to withdraw others from routine operations repeatedly to conduct repairs. We conclude with three recommendations to help future unmanned surface vessels avoid a similar fate.

First, unmanned system development requires a different approach to project management than was used for the LCS. The LCS’s unique integration of software, network hardware, and mechanical systems - particularly in the engineering plant - resulted in many growing pains. Design flaws found their way into multiple hulls because the program relied on what’s known as a “waterfall” project management approach. This method is characterized by a detailed long-term project plan with a single timeline, which makes changes costly.

But unlike with the LCS, where adding personnel to the original manning concept helped resolve failed integration points, fully unmanned platforms will lack this backstop. As a result, there is an even higher premium on ensuring that the integration points of the ship’s networks and mechanical systems function properly before widespread fielding. Agile project management, a development style based on shorter timelines and multiple delivery dates, might help address the issue. The Navy’s program executive office, Integrated Warfare Systems, is currently working to incorporate agile continuous delivery processes. In this approach, the product timeline is less definitive, changes to the product are frequent and expected, and the end user helps guide each iteration. The shipbuilding version of this would include the use of land-based testing sites, as it will for the new Constellation-class frigate.

Second, even with perfect equipment, unmanned vessels will face attacks with a redundancy chain that is always one link shorter than it would be with sailors present. This does not mean that unmanned vessels are worthless. Indeed, some types of equipment may be too complicated for any sailor to either operate manually or fix on scene. For a vessel with a narrow role performed exclusively by complex equipment, manning might indeed incur greater costs than it is worth. But that itself is a lesson: With a distributed fleet architecture, the Navy should only use unmanned vessels for those mission areas where the ability to survive the first few salvos matters little to the extended fight.

Third, while purchasing and fielding a great number of vessels is necessary for distributed maritime operations, so is preventing them all from being sunk outright. Unmanned vessels should not be considered expendable if they are expected to provide quantity, so some proportion of them will have to be repaired in combat conditions. While in many cases (for instance, the loss of a rudder or radar array), a mission kill is inevitable whether a ship is manned or not, sailors can prevent a manned ship from sinking long enough for an ocean-going tug to save the hull and untouched equipment. On unmanned ships, the timeline for salvage will be much shorter. This suggests that, if future fleet architecture depends heavily on unmanned vessels, the Navy will eventually bear the costs of more manned support vessels as well.

The LCS program promised to do more and cost less. It ended up doing less and costing more, precisely because its operational premise did not appreciate the human element enough. Sailors are an organic part of a ship, not a cost burden. Until equipment can learn on its own, and repair itself, that will remain the case.

By Jonathan Panther & Johnathan Falcone

Jonathan Panter is a Ph.D. candidate in the Department of Political Science at Columbia University. His research examines the origin of naval organizational practices. Prior to attending Columbia, he served as a surface warfare officer in the U.S. Navy.

Johnathan Falcone is an active-duty surface warfare officer in the U.S. Navy, serving as chief engineer aboard a littoral combat ship. He is a graduate of Princeton University’s School of Public and International Affairs and Yale University.

The authors’ opinions are their own and do not reflect the official stance of the U.S. Navy.

*  *  *

Xem bài liên hệ với đề tài nầy: click vào đây

Xem bài trang Y học, đời sống: click vào đây

Xem bài trang Kiến thức, tài liệu: click vào đây

Trở về trang chính: http://www.nuiansongtra.net