NASA著眼未來的航空新計劃

陳培儒

如果從其前身1915年3月成立的美國國家航空咨詢委員會（NACA）算起，美國航空航天局（NASA）已經(jīng)走過了100多個年頭。在過去的100多年里，美國乃至世界航空技術(shù)進(jìn)步的背后都有NASA的身影。從某種程度上來說，NASA成就了美國第一個航空百年的輝煌歷史。

如今，在數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)的推動下，航空業(yè)面臨著新一輪的技術(shù)變革。在這個關(guān)鍵時期，為了捍衛(wèi)美國在航空領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，NASA近年來不斷調(diào)整航空業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)一步明確了未來民用航空科技的發(fā)展路線。

NASA的使命

在世界航空業(yè)的第一個百年中，美國無論是在基礎(chǔ)科學(xué)研究還是技術(shù)應(yīng)用方面都是當(dāng)之無愧的領(lǐng)導(dǎo)者。從第二次世界大戰(zhàn)后直到20世紀(jì)70年代，美國在民用飛機(jī)領(lǐng)域的市場占有率甚至達(dá)到了96%。在這個過程中，NASA一直扮演著“幕后英雄”的角色。

直到歐洲舉各國之力成立了空客公司之后，民用航空市場一家獨大的局面才得以改變。2005年，空客在民用飛機(jī)市場的占有率達(dá)到了52%，完全打破了美國的壟斷地位。面對歐洲航空工業(yè)日益強(qiáng)勁的競爭力以及歐盟接連推出的雄心勃勃的航空技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，美國國會和工業(yè)界對未來的憂慮與日俱增，舉國上下都不斷呼吁政府加大對航空科研的投入力度，并制定相應(yīng)的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，以繼續(xù)保持美國在航空領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2006年，NASA對組織機(jī)構(gòu)進(jìn)行了新的調(diào)整并專門成立了航空研究任務(wù)事務(wù)部（ARMD）。ARMD根據(jù)行業(yè)新的發(fā)展動態(tài)，接連出臺了一系列新的戰(zhàn)略規(guī)劃，并將航空安全計劃、空域系統(tǒng)計劃、基礎(chǔ)航空計劃、航空試驗計劃、集成系統(tǒng)研究以及航空戰(zhàn)略和管理6大研究計劃列為未來的重點發(fā)展方向。但隨著5G通訊技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，全球航空業(yè)進(jìn)入了一個前所未有的技術(shù)變革期，此時，NASA也開始意識到是時候?qū)?zhàn)略發(fā)展規(guī)劃作出新的調(diào)整了。

于是，2020年2月，NASA基于對未來航空發(fā)展趨勢的預(yù)測以及其他行業(yè)技術(shù)擴(kuò)散影響等的考慮，制定并發(fā)布了《2019戰(zhàn)略實施規(guī)劃》，對未來25年NASA航空研究工作重點進(jìn)行了描述。新規(guī)劃的核心是“通過推進(jìn)航空研究實現(xiàn)安全、可持續(xù)的美國和全球航空業(yè)的革命性轉(zhuǎn)變”。基于此目標(biāo)，NASA制定了方向更為明確的四大研究領(lǐng)域，分別是航空運營和安全計劃、先進(jìn)飛行器計劃、集成航空系統(tǒng)計劃和變革性航空概念計劃。

同時，盡管今年新冠肺炎疫情對于全球經(jīng)濟(jì)的影響是巨大的，但是美國政府并沒有降低NASA航空領(lǐng)域的預(yù)算。在美國政府公布的2021財年預(yù)算申請中，NASA的預(yù)算為252億美元，較上年預(yù)算增加12%。其中，用于民用航空領(lǐng)域的研究預(yù)算為8.19億美元，較2020財年7.839億撥款（實際批準(zhǔn)）增加了4.5%。這些新增的資金將重點支持X-59安靜超聲速技術(shù)（QueSST）低聲爆驗證機(jī)、電推進(jìn)系統(tǒng)、無人機(jī)空中交通管理等方面的研發(fā)工作。

NASA新戰(zhàn)略的看點

此次，NASA提出的《2019戰(zhàn)略實施規(guī)劃》主要包括6個戰(zhàn)略重點，分別是空域運行與安全性計劃，民用超聲速飛機(jī)的創(chuàng)新，超高效亞聲速運輸機(jī)，安全、安靜和價格合理的垂直起降航空器，及時全系統(tǒng)安全性保證，航空變革的有保證自主。戰(zhàn)略重點的實施效果按近期（2015～2025年）、中期（2025～2035年）和遠(yuǎn)期（2035年后）分別描述，隨著研究成果從概念到實踐的不斷發(fā)展，NASA的研究工作也不斷深入。筆者依次對這6個戰(zhàn)略發(fā)展重點進(jìn)行簡要的闡述。

空域運行與安全性計劃。該戰(zhàn)略的構(gòu)想是對所有用戶實現(xiàn)安全、日常高節(jié)奏空域進(jìn)入。近期、中期、遠(yuǎn)期三階段的實施效果是：2015～2025年，提升常規(guī)飛機(jī)跨所有飛行運行階段（又稱為“域”）的運行性能，實現(xiàn)新飛行器的初步進(jìn)入（ATM+1）;2025～2035年，逐步增加自主和協(xié)作空中交通管理（ATM）和日常所有飛行器的進(jìn)入和運行（ATM+2），包括無人機(jī)系統(tǒng)完全融入國家空域系統(tǒng)（NAS）;2035年后實現(xiàn)動態(tài)自主航跡服務(wù)（ATM+3）和NAS的變革。

民用超聲速飛機(jī)的創(chuàng)新。該戰(zhàn)略的構(gòu)想是實現(xiàn)可行的、經(jīng)濟(jì)可承受的民用超聲速空中運輸。近、中、遠(yuǎn)三階段的實施效果是：2015～2025年，形成超聲速民機(jī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn);2025～2035年引入經(jīng)濟(jì)可承受的、低聲爆、低噪聲、低排放超聲速運輸機(jī);2035年后增加任務(wù)通用性和實現(xiàn)超聲速運輸機(jī)市場的增長。

在這個過程中，NASA一個很重要的工作是與國際標(biāo)準(zhǔn)制訂組織一起確定聲爆等級，發(fā)展低聲爆設(shè)計工具與模型;中期將研究新一代超聲速運輸機(jī)降噪降排放的技術(shù);后期將關(guān)注發(fā)展使超聲速航線運輸更具競爭力的空中交通管理等技術(shù)。研究主題包括消除民用超聲速飛機(jī)環(huán)境阻礙、設(shè)計與效率的綜合、建模仿真與試驗?zāi)芰Α⒏咝У某曀亠w行運行。

超高效亞聲速運輸機(jī)。NASA對該戰(zhàn)略進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，未來將實現(xiàn)亞聲速運輸機(jī)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能的革命性提升，向采用替代推進(jìn)系統(tǒng)和能源轉(zhuǎn)變。預(yù)期實施效果：2015～2025年，飛機(jī)將滿足航空公司和公眾對效率、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保的要求，并向機(jī)隊級別碳排放零增長方向改進(jìn);2025～2035年，飛機(jī)實現(xiàn)噪聲和能源效率的革命性提升、機(jī)隊水平較2005年碳排放零增長，初步應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù);2035年后，飛機(jī)持續(xù)改進(jìn)噪聲和能源效率、機(jī)隊水平較2005年碳排放降低50%。

同時，NASA近期還將加速先進(jìn)技術(shù)開發(fā)、研究先進(jìn)飛行器概念和使能技術(shù);中期開展顛覆性創(chuàng)新概念、技術(shù)和方法研究，并開展大規(guī)模驗證促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)移;遠(yuǎn)期繼續(xù)開展先進(jìn)計算方法、創(chuàng)新材料與結(jié)構(gòu)等方法和技術(shù)的研究。NASA該戰(zhàn)略重點下的研究主題包括超高效機(jī)體、超高效推進(jìn)、超高效飛行器系統(tǒng)綜合、建模仿真與試驗?zāi)芰Α?/p>

安全、安靜和價格合理的垂直起降航空器。該戰(zhàn)略為重新制訂提出，將實現(xiàn)垂直起降飛行器廣泛應(yīng)用于運輸和多種服務(wù)。三階段的實施效果為：2015～2025年，提升垂直起降飛行器的性能，包括經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和現(xiàn)有市場的易用性;2025～2035年，引入新的垂直起降飛行器和技術(shù)，實現(xiàn)新市場、提升易用性、降低環(huán)境影響;2035年后，各種尺寸的垂直起降飛行器廣泛用于運輸和各種服務(wù)。NASA近期將研究與垂直起降飛行器相關(guān)的多學(xué)科設(shè)計分析優(yōu)化工具、噪聲建模、提高功率轉(zhuǎn)換效率和可靠性等技術(shù);中期針對擴(kuò)大垂直起降飛行器市場和建立噪聲、安全性等標(biāo)準(zhǔn)，研究噪聲預(yù)測、全構(gòu)型仿真高精度算法、高效替代推進(jìn)方案等;遠(yuǎn)期主要關(guān)注消除安靜、高效、自主飛行器在城市環(huán)境運營障礙的技術(shù)，包括升力和推進(jìn)系統(tǒng)的高效集成、低噪聲運行技術(shù)等。研究主題包括潔凈和高效的推進(jìn)、高效和安靜的飛行器、安全舒適和易用性、建模仿真與試驗?zāi)芰Α?/p>

及時的全系統(tǒng)安全性保證。NASA期望該戰(zhàn)略的實施效果是：2015～2025年，及時安全性監(jiān)控和告警工具可擴(kuò)大系統(tǒng)感知和提供有限的運行決策支持;2025～2035年全域的綜合預(yù)測技術(shù)將實現(xiàn)NAS范圍內(nèi)更為綜合和實時的探測與告警能力;2035年后自適應(yīng)實時安全性威脅管理將實現(xiàn)NAS范圍內(nèi)的安全性保證和完全綜合的威脅探測與評估能力。為此，近期NASA將主要研究初步的持續(xù)實時監(jiān)控、已知安全性風(fēng)險的實時故障與診斷識別;中期實現(xiàn)安全邊際和可信決策支持工具的綜合全系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控;2035年后通過綜合威脅探測、預(yù)測和決策支持，實現(xiàn)實時智能安全性監(jiān)控。研究主題包括：持續(xù)全系統(tǒng)安全性感知（監(jiān)控），安全性風(fēng)險識別和評價（評估），協(xié)調(diào)的預(yù)防、緩解和恢復(fù)（緩解），實驗驗證和評估。

航空變革的有保證自主。該項戰(zhàn)略重點將在航空應(yīng)用場景中安全實現(xiàn)自主，通過應(yīng)用機(jī)器智能和機(jī)器連通性，為民用航空帶來自主技術(shù)應(yīng)用的巨大改變。實施效果是：2015～2025年，引入有限自主的航空系統(tǒng)，實現(xiàn)功能級目標(biāo);2025～2035年，引入靈活自主的航空系統(tǒng)，可執(zhí)行任務(wù)級目標(biāo);2035年后，引入有保證自主的分布式協(xié)作航空系統(tǒng)，大規(guī)模自主系統(tǒng)將實現(xiàn)系統(tǒng)層面的管理。NASA航空研究的任務(wù)是開發(fā)自主航空系統(tǒng)的概念、架構(gòu)和應(yīng)用，進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和驗證。近期關(guān)注預(yù)定自主、初級目標(biāo)導(dǎo)向和自適應(yīng)自動化;中期關(guān)注任務(wù)級目標(biāo)導(dǎo)向的自適應(yīng)自動化;遠(yuǎn)期投向大規(guī)模系統(tǒng)的極度靈活性和適應(yīng)性，具有極高的可靠性和從干擾恢復(fù)能力。研究主題包括：復(fù)雜自主系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)和方法，自主系統(tǒng)的保證、驗證與確認(rèn)，復(fù)雜航空系統(tǒng)的人員-自主編組，自主空域和飛行器系統(tǒng)的實現(xiàn)與集成，自主系統(tǒng)的試驗與評價。

2021年的關(guān)注重點

在《2019戰(zhàn)略實施規(guī)劃》的基礎(chǔ)上，今年NASA又對這些航空研究項目根據(jù)新財年的預(yù)算進(jìn)行了更加細(xì)致的安排和部署。特別值得關(guān)注的是，NASA還對《2019戰(zhàn)略實施規(guī)劃》作出了新的補(bǔ)充，主要體現(xiàn)在：新設(shè)航空學(xué)評價與試驗?zāi)芰τ媱潱С值孛嬖囼炘O(shè)施的可持續(xù)發(fā)展;在綜合航空系統(tǒng)計劃下設(shè)置電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證項目，加強(qiáng)對飛機(jī)電推進(jìn)技術(shù)的飛行驗證。

在空域運行與安全性計劃方面，2021財年NASA將重點關(guān)注空中交通管理-探索（ATM-X）和系統(tǒng)級安全性（SWS）。空中交通管理-探索項目將繼續(xù)推進(jìn)實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)交通管理（UTM）運行和空域集成的技術(shù)開發(fā)與驗證，特別是實現(xiàn)城市空運（UAM）飛行器的空域和空中交通管理能力;利用波音環(huán)保驗證機(jī)開展飛行試驗，確定未來自主貨機(jī)運行的研究需求。系統(tǒng)級安全性項目將開發(fā)處理飛行器狀態(tài)信息以監(jiān)控系統(tǒng)安全性和作出預(yù)測的技術(shù)，為發(fā)展先進(jìn)實時系統(tǒng)級安全性保證系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，進(jìn)而實現(xiàn)風(fēng)險的自動監(jiān)控、評估和緩解。

民用超聲速飛機(jī)的創(chuàng)新方面，2021年NASA將支持X-59QueSST飛機(jī)的后期試飛工作。此外，NASA還將確定并采購聲學(xué)驗證測量系統(tǒng)，準(zhǔn)備低聲爆飛行驗證機(jī)試驗的實施計劃，利用預(yù)測驗證工具完成試驗前預(yù)測能力的評估。高超聲速技術(shù)項目將應(yīng)用不確定性量化校準(zhǔn)模型進(jìn)行預(yù)測計算，將不確定性量化方法和計算流體力學(xué)設(shè)計與分析相結(jié)合，開展一種渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動機(jī)部件的設(shè)計，為后續(xù)制造和地面試驗打下基礎(chǔ)。

電氣化動力系統(tǒng)飛行驗證項目為2021財年新設(shè)項目，該項目將支持把電動力系統(tǒng)、電分配和儲能部件加裝至已有飛機(jī)平臺，通過飛行試驗驗證電推進(jìn)系統(tǒng)性能。2021財年，NASA將完成該項目啟動評審。

低聲爆飛行驗證機(jī)項目方面，分為3個階段。第1階段開展X-59飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計、制造、首飛和包線擴(kuò)展試飛;第2階段開展低聲爆聲學(xué)驗證試飛，包括飛機(jī)近場、中場和遠(yuǎn)場及地面聲爆信號的數(shù)據(jù)收集和評價;第3階段，X-59驗證機(jī)將在多個地點開展低聲爆公眾反應(yīng)試飛，試飛研究結(jié)果將提交國際民航組織以制訂新的超聲速客機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)。2021財年該項目預(yù)算為7910萬美元，較2020財年1.035億美元撥款額下降23.6%，主要工作是完成最后的飛機(jī)子系統(tǒng)測試和NASA提供的系統(tǒng)地面試驗，完成X-59飛機(jī)的飛行就緒評審。預(yù)計X-59將在2022年1月完成首飛，2023年1月洛克希德·馬丁公司將把飛機(jī)交給NASA，LBFD任務(wù)的第1階段隨之結(jié)束。

新設(shè)航空學(xué)評價與試驗?zāi)芰τ媱潱瑸镹ASA航空研究的地面試驗?zāi)芰Πl(fā)展提供支持，涉及埃姆斯研究中心、格林研究中心、蘭利研究中心的亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速風(fēng)洞以及推進(jìn)系統(tǒng)試驗設(shè)施。這些設(shè)施的集中規(guī)劃、使用和管理有利于計算工具、軟件和有關(guān)系統(tǒng)有效采集和處理研究數(shù)據(jù)。過去該計劃的相關(guān)工作放在先進(jìn)飛行器計劃下管理，2021財年則獨立成為一個航空研究計劃。2021財年該計劃將評估上述三個研究中心有關(guān)設(shè)施的狀態(tài)，風(fēng)洞設(shè)施為NASA其他研究任務(wù)試驗需求提供保障。

從NASA發(fā)布的戰(zhàn)略規(guī)劃中，可以明顯感受到，在革命性新技術(shù)的推動下，NASA已經(jīng)走在了轉(zhuǎn)型的道路上，而航空研究技術(shù)的調(diào)整只是其轉(zhuǎn)型過程中的一步。未來，NASA會如何在新的研究戰(zhàn)略和計劃下實現(xiàn)更多的創(chuàng)新，值得業(yè)界持續(xù)關(guān)注。