NASA明確未來25年航空研究工作重點

2020年2月，美國航空航天局（NASA）航空研究任務(wù)部發(fā)布2019年戰(zhàn)略實施規(guī)劃（簡稱實施規(guī)劃），對未來25年NASA航空研究工作重點進行了闡述。作為NASA航空研究工作主管部門，航空研究任務(wù)部于2015年首次推出戰(zhàn)略實施規(guī)劃，對接NASA五年期戰(zhàn)略規(guī)劃。該實施規(guī)劃每兩年滾動更新，2019年版實施規(guī)劃對先前內(nèi)容進行了優(yōu)化，重新定義了部分航空戰(zhàn)略重點，描繪出美國民用航空運輸未來發(fā)展的新遠景。

1 主要內(nèi)容

2019年版實施規(guī)劃包括概要、簡介、航空戰(zhàn)略、6領(lǐng)域航空戰(zhàn)略重點等。其中，簡介部分回顧和總結(jié)了NASA航空研究為美國航空科技發(fā)展做出的貢獻；航空戰(zhàn)略部分概述了NASA航空研究任務(wù)部制定航空研究戰(zhàn)略的流程和戰(zhàn)略實施過程；6領(lǐng)域航空戰(zhàn)略重點圍繞未來25年的發(fā)展，闡述各領(lǐng)域的分階段實施效果、NASA航空研究任務(wù)部的航空研究任務(wù)。

實施規(guī)劃提出了“通過革命性技術(shù)的研究、開發(fā)和轉(zhuǎn)移來改變航空業(yè)”的航空研究總目標，明確了“通過高風(fēng)險高回報的研究，實現(xiàn)無與倫比的靈活、更安全、更潔凈和更高效的航空運輸”這一21世紀發(fā)展構(gòu)想。實施規(guī)劃以全球高速交通需求保持增長，對航空的經(jīng)濟可承受性、可持續(xù)性和更環(huán)保的要求，以及新技術(shù)的加速融入這三大趨勢作為需求輸入，提出6領(lǐng)域戰(zhàn)略重點，實施效果則展現(xiàn)出航空研究成果應(yīng)用后的預(yù)期成效。當(dāng)前NASA 設(shè)有“空域運行與安全性”“先進飛行器”“綜合航空系統(tǒng)”和“變革性航空概念”4個航空技術(shù)研究計劃，具體落實實施規(guī)劃中的重點研究內(nèi)容。

2 未來25年航空研究重點

實施規(guī)劃提出的6個戰(zhàn)略重點是：全球運行安全、高效增長；民用超聲速飛機創(chuàng)新；超高效亞聲速運輸機；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）、遠期（2035年后）分別描述，NASA航空研究工作將圍繞這些戰(zhàn)略重點及預(yù)期效果展開。

（1） 全球運行安全、高效增長

該戰(zhàn)略重點的構(gòu)想是對所有用戶實現(xiàn)安全、可剪裁、常態(tài)化、高節(jié)奏的空域進入。近、中、遠期的預(yù)期實施效果是：2015—2025年，提升常規(guī)飛機在所有飛行階段的運行性能，實現(xiàn)新航空器的初步進入（ATM+1）；2025—2035年，逐步增加自主和協(xié)作空中交通管理（ATM）和日常所有航空器的進入和運行（ATM+2），包括無人機系統(tǒng)完全融入美國國家空域系統(tǒng)；2035年后實現(xiàn)動態(tài)自主航跡服務(wù)（ATM+3）和國家空域系統(tǒng)變革。NASA近期開展建模仿真、試驗基于航跡的運行（TBO）和下一代空中交通系統(tǒng)概念等工具，并研究失控、風(fēng)險感知與探測等安全性問題；中期通過對新的空中交通管理概念、實時可預(yù)測建模仿真工具的研究，提升國家空域系統(tǒng)的效率和可預(yù)測性；遠期關(guān)注具有更高自主和安全性診斷能力的革命性全球航行系統(tǒng)的研究。研究主題包括：先進運行概念、技術(shù)與自動化；緊急風(fēng)險的安全性管理；綜合建模仿真與試驗；空域運行性能實現(xiàn)措施。

（2） 民用超聲速飛機創(chuàng)新

該戰(zhàn)略重點的構(gòu)想是實現(xiàn)可行的、經(jīng)濟可承受的民用超聲速空中運輸。近、中、遠期的預(yù)期實施效果是：2015—2025年，形成超聲速民機認證標準；2025—2035年，引入經(jīng)濟可承受、低聲爆、低噪聲、低排放的超聲速運輸機；2035年后增加任務(wù)通用性和實現(xiàn)超聲速運輸機市場的增長。NASA近期主要開發(fā)低聲爆等驗證工具和技術(shù)；中期將研究新一代超聲速運輸機降噪聲及降排放技術(shù)；遠期關(guān)注發(fā)展超聲速航線運輸有關(guān)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環(huán)境阻礙；高效飛機的綜合設(shè)計；建模仿真與試驗?zāi)芰Γ桓咝У某曀亠w行運行。

（3） 超高效亞聲速運輸機

該戰(zhàn)略重點內(nèi)容較之前進行了調(diào)整優(yōu)化，將實現(xiàn)亞聲速運輸機經(jīng)濟性和環(huán)保性能的革命性提升，向采用替代推進系統(tǒng)和能源轉(zhuǎn)變。近、中、遠期的預(yù)期實施效果是：2015—2025年飛機將滿足效率、經(jīng)濟性、環(huán)保的要求，并向機隊級別碳排放零增長方向改進；2025—2035年飛機實現(xiàn)噪聲和能源效率的革命性提升，機隊水平較2005年碳排放零增長，初步應(yīng)用電推進技術(shù)；2035年后飛機持續(xù)改進噪聲和能源效率、機隊水平較2005年碳排放降低50%。NASA近期將加速先進技術(shù)開發(fā)；中期開展顛覆性設(shè)計概念、技術(shù)和方法的研究，開展大規(guī)模驗證促進技術(shù)轉(zhuǎn)移；遠期繼續(xù)開展先進計算方法、創(chuàng)新材料與結(jié)構(gòu)等方法和技術(shù)的研究。研究主題包括：超高效機體；超高效推進；超高效飛行器系統(tǒng)綜合；建模仿真與試驗?zāi)芰Α?/p>

（4） 安全、安靜和價格合理的垂直起降航空器

該戰(zhàn)略重點為重新制定提出，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)。近、中、遠期的預(yù)期實施效果是：2015—2025年提升垂直起降航空器的性能，包括經(jīng)濟性、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航空器和技術(shù)，拓展新市場、提升易用性、降低環(huán)境影響；2035年后各種尺寸的垂直起降航空器廣泛用于運輸和各種服務(wù)。NASA近期將研究垂直起降航空器的多學(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)；中期研究噪聲預(yù)測、全構(gòu)型仿真高精度算法、高效替代推進方案等；遠期主要關(guān)注消除安靜、高效、自主航空器在城市環(huán)境運營障礙的技術(shù)。研究主題包括：潔凈高效推進；高效且安靜的航空器；安全舒適和易用能力；建模仿真與試驗?zāi)芰Α?/p>

（5） 及時全系統(tǒng)安全性保證

該戰(zhàn)略重點的發(fā)展將實現(xiàn)航空系統(tǒng)和運營過程擁有預(yù)測、探測和緩解潛在安全性風(fēng)險的能力。近、中、遠期的預(yù)期實施效果是：2015—2025年，及時安全性監(jiān)控和告警工具可擴大系統(tǒng)感知和提供有限的運行決策支持；2025—2035年全域綜合預(yù)測技術(shù)將實現(xiàn)國家空域系統(tǒng)更綜合和實時的探測與告警；2035年后自適應(yīng)實時安全性威脅管理將實現(xiàn)全系統(tǒng)安全性保證和完全綜合的威脅探測與評估能力。NASA近期將研究初步的持續(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；遠期通過綜合的威脅探測、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；安全性風(fēng)險識別和評價；協(xié)調(diào)的預(yù)防、緩解和恢復(fù)；試驗驗證和評估。

（6） 航空變革的有保證自主

該戰(zhàn)略重點將在航空應(yīng)用場景中安全地實現(xiàn)自主，通過應(yīng)用機器智能和機器連通性為民用航空帶來自主技術(shù)應(yīng)用的巨大改變。近、中、遠期的預(yù)期實施效果是：2015—2025年引入有限自主的航空系統(tǒng)，實現(xiàn)功能級目標；2025—2035年引入靈活自主的航空系統(tǒng)，執(zhí)行任務(wù)級目標；2035年后引入有保證自主的分布式協(xié)作航空系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)層面的自主管理。NASA近期關(guān)注預(yù)定自主、初級目標導(dǎo)向和自適應(yīng)自動化；中期研究任務(wù)級目標導(dǎo)向的自適應(yīng)自動化；遠期投向大規(guī)模系統(tǒng)的極度靈活性和適應(yīng)性等技術(shù)研究。研究主題包括：復(fù)雜自主系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和方法；自主系統(tǒng)的保證、驗證與確認；復(fù)雜航空系統(tǒng)的人員——自主編組；自主空域和航空器系統(tǒng)的實現(xiàn)和集成；自主系統(tǒng)試驗與評價。

3認識與建議

實施規(guī)劃指明了NASA未來航空研究的大方向，成為上承研究戰(zhàn)略、下引任務(wù)安排的重要指導(dǎo)文件。從該文件看，NASA航空研究有三點值得關(guān)注：一是已初步明確未來民航運輸發(fā)展藍圖。實施規(guī)劃提出的6領(lǐng)域戰(zhàn)略重點是為未來美國民航運輸設(shè)計發(fā)展路徑，代表了民航運輸發(fā)展領(lǐng)先者的未來圖景預(yù)見，針對各領(lǐng)域戰(zhàn)略重點提出的三階段實施效果則近似于未來民用航空科技每10年的發(fā)展目標。二是突出發(fā)展超聲速客機、民用垂直起降航空器兩種新型平臺。兩類航空器將成為未來25年NASA及美國航空業(yè)發(fā)展重點，其相關(guān)技術(shù)和認證標準發(fā)展將加快。三是持續(xù)研發(fā)促進安全、環(huán)保的技術(shù)。如可綜合無人機、垂直起降航空器等的先進空中交通管理概念和技術(shù)，風(fēng)險感知與預(yù)測技術(shù)，航空系統(tǒng)安全性監(jiān)控、故障與識別技術(shù)，航空器自主技術(shù)，降噪設(shè)計技術(shù)，電推進技術(shù)等。

我國民用航空科技正處在不斷夯實積累、追趕國際先進水平的時期，今年更是制訂“十四五”規(guī)劃的關(guān)鍵時期。我國應(yīng)借鑒國外經(jīng)驗，制訂好發(fā)展戰(zhàn)略和實施規(guī)劃，加快開展超聲速民機、垂直起降航空器等新平臺的預(yù)先研究，發(fā)展飛機安全技術(shù)、降噪降耗技術(shù)，縮小與國外技術(shù)差距，為未來我國推出更好滿足市場需求、具有更優(yōu)性能和競爭力的民機產(chǎn)品打好基礎(chǔ)。

作者簡介

吳蔚，航空工業(yè)發(fā)展研究中心系統(tǒng)工程研究所副研究員，研究領(lǐng)域涵蓋國外試飛技術(shù)、綠色航空等方面。