GOTChA方法在美國空天動力發展的應用研究

■ 王巍巍 李茜 /中國航發渦輪院

空天動力是實現空天一體、攻防兼備、全域打擊、雷霆出擊作戰戰略的驅動力，能夠使飛行器具備全球到達、全球打擊和全球機動的能力，是軍事強國競相研發的重點，是占領戰略制高點的殺手锏。美國高度重視空天動力的發展，從20世紀60年代開始，先后開展了40多個科研發展計劃。這些計劃是基于什么目標開展的、這些計劃彼此之間是如何續接的？

美國在空天動力領域的研究工作普遍采用了被稱作GOTChA的方法，GOTChA是由頂層目標（goals）、分目標（objectives）、技術挑戰（technical challenges）和技術途徑（approaches）的首字母縮寫構成。該方法最早應用在美國航空航天領域的發展規劃中，由于應用效果顯著，后來被美國國防部（DoD）、能源部（DoE）和國家航空航天局（NASA）等廣泛推廣應用于各種發展戰略規劃和技術開發計劃的管理上。

圖1 GOTChA方法架構圖

GOTChA方法基本架構

GOTChA方法的核心是頂層目標至上，所有科技活動的開展都是為了實現頂層目標，所有管理步驟都以它為中心, 其架構如圖1所示。分目標是從頂層目標分解下來的子目標，是實現頂層目標不可分割的組成部分。技術挑戰是實現頂層目標可能遇到的困難和瓶頸問題。而實施途徑則是針對這些問題，有的放矢地提出解決方法。GOTChA方法在頂層目標分解過程中是自上而下，層層分解，但在具體實施過程中是自下而上，逐級實現。通過采用GOTChA方法可以把底層的科技活動與最頂層的目標緊密相連，做到目標牽引，聚焦核心。

頂層目標牽引

美國從20世紀80年代至今的典型空天計劃如圖2所示。這些計劃按照近期、中期和遠期應用目標逐步推進，層層突破，滾動式發展。 通過采用GOTChA方法的梳理，可以發現這些計劃的發展脈絡和實現途徑，了解到長遠的戰略目標與當下的科研活動的關系，進一步確認頂層目標和底層科研活動的關聯性。通過采用這個方法還能夠追根溯源，找到科技活動的終極目標。

美國國家綜合科技發展和驗證（NAI）計劃是GOTChA方法應用的典型案例，如圖3所示。NAI計劃是由DoD和NASA聯合推出的國家級大型科技發展計劃，其頂層目標是“高速飛行、全球打擊和空天一體”，旨在通過該計劃的實施產生對美國國防安全發揮重大作用的尖端技術。為實現頂層目標，分解出3大關鍵領域，分別是高速高超聲速（high-speed/hypersonics）[1]、進入太空（space access）和空間技術（space technology），通過實現這3個分目標來支撐頂層目標的實現。每一個分目標的實現，又牽引出一系列子規劃和關鍵技術項，每一個子規劃都是圍繞實現頂層目標需要的關鍵技術進行攻關。

高速高超聲速飛行是在NAI計劃頂層目標牽引出的子目標，在具體實施過程中，按照GOTChA方法把高速高超聲速飛行作為頂層目標來牽引關鍵技術和梳理面臨的挑戰與問題。在高速飛行這個目標的牽引下，確定出高速渦輪發動機、渦輪基沖壓組合（TBCC）發動機、碳氫燃料超燃沖壓發動機等推進技術是實現高速飛行的關鍵技術。而高速渦輪發動機作為高超聲速飛行頂層目標分解出的子目標，其目標的實現又通過綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）計劃、通用經濟可承受先進渦輪發動機（VAATE）計劃和高速渦輪發動機驗證機（HiSTED）計劃等的開展來持續推動（見圖4）。

圖2 美國在空天動力領域開展的研發計劃

圖3 GOTChA方法在NAI計劃中的應用

通過GOTChA方法對NAI計劃的梳理可以看出，在頂層目標的牽引下，分解出若干個分目標，每一個分目標的實現都面臨技術挑戰和難點，為突破這些難點需要若干技術來實現。而每一個關鍵技術攻關的同時又可以按照GOTChA方法來梳理出自己的分目標，面臨的技術挑戰和解決問題的途徑。從這種環環相扣的技術路線梳理不難看出，采用GOTChA方法管理頂層規劃思路清晰、邏輯縝密，每一個分目標都是為頂層目標做貢獻，每一個分目標還可以作為下一級的頂層目標來實施，層層分解落實，牽引出的每一個項目或者技術都是在為最頂層目標做貢獻，都是為實現頂層目標服務。由此不難發現，美國在空天動力領域實施的眾多計劃都是圍繞最頂層戰略目標而開展的，所有的科研計劃都是在頂層目標的牽引下推出的，而大型計劃的頂層戰略目標則是從DoD的戰略需求提取的，由軍方、科研機構和企業聯合制訂的。

圖4 GOTChA管理方法中頂層目標的牽引性示例

圖5 GOTChA方法梳理的NASP計劃

技術途徑的選擇

長期以來，美國在空天動力領域的頂層規劃都是圍繞著高速飛行、全球打擊和空天一體這個頂層目標來開展的，為此推出了一系列的計劃，這些計劃通過滾動推進、交叉開展，不斷修正技術途徑，最終達到頂層目標。通過采用GOTChA方法對美國空天動力領域開展的美國國家空天飛機（NASP）計劃、高超聲速技術（HyTech）計劃和超級飛行（Hyper-X）計劃等的梳理，闡釋在頂層目標牽引下，技術途徑是如何不斷更改、修正或者補充完善的。綜上所述，美國在空天領域的計劃都是在頂層目標牽引下開展的，但具體實施需要自上而下分解。在分解子目標時，如果由于認知不足、基礎科研技術成熟度不高、技術途徑走不通，無法實現頂層目標時就需要實時地重新選擇子目標，重新梳理問題，重新選擇技術途徑，重新確定關鍵技術。例如，NASP是1985年由DoD與NASA共同制訂的，是在高速飛行、全球打擊和空天一體的戰略目標牽引下開展的，目標是研發馬赫數（Ma）15的氫燃料超燃沖壓發動機，使X-30飛機實現單級入軌，如圖5所示。

NASP計劃在執行了大約10年的時間后被迫終止了，其中最主要的原因之一是技術途徑的選擇不合理。當時選擇的是Ma15的碳氫燃料超燃沖壓發動機，基于當時的科技基礎很難達到這么高的飛行速度。DoD很快糾正了錯誤的技術路線，在1995年啟動了HyTech計劃。該計劃作為頂層目標的分目標，吸取了NASP計劃失敗的教訓，把速度范圍降低到Ma4 ～8，動力形式也調整為碳氫燃料雙模態超燃沖壓發動機，如圖6所示。

圖6 GOTChA方法梳理的HyTech計劃

圖7 GOTChA方法梳理的Hyper-X計劃

HyTech計劃成功驗證了馬赫數降低后的超燃沖壓發動機的可行性，積累了豐富的地面試驗數據。在該計劃執行過程中，通過開展大量地面試驗認識到，超燃沖壓發動機的全面技術驗證僅靠地面試驗是不行的，需要更多飛行驗證，因此在1996年啟動了Hyper-X。該計劃推出了X-43A、X-43B、X-43C和X-43D等4型飛行器，用于對空天動力技術進行飛行驗證，如圖7所示。在Hyper-X計劃下， X-43A飛行器飛行試驗的成功，標志著超燃沖壓發動機技術從實驗室研究階段走向工程研制階段。同時在該計劃框架下還探索了其他動力形式，如TBCC發動機和火箭基組合循環（RBCC）發動機，拓寬了實現高超聲速飛行的技術途徑。

通過這幾個案例的梳理，可以看出每一個子計劃是如何圍繞頂層目標來確定技術途徑的。技術途徑的選擇是為實現頂層目標服務的，如果這個技術途徑選擇得不合理，頂層目標就不容易實現，因此需要不斷對技術途徑進行調整。但每一次的調整也不是對之前完成工作的全面否定，而是批判性繼承。像NASP計劃雖然失敗了，但該計劃在超燃沖壓發動機地面試驗上做了一些工作，尤其是試驗設備的建設上，為后續的HyTech計劃開展地面試驗提供了條件。Hyper-X是在HyTech計劃執行過程中推出的，是前者在推進過程中對實現頂層目標的技術途徑有了更進一步的認識，對技術途徑進行了補充與完善。

通過采用GOTChA方法對這些計劃的梳理可以看出，美國在空天動力領域技術途徑的確定不是一蹴而就的，是不斷地調整和修正的。采用GOTChA方法對這些計劃的發展進行研究，進一步了解到美國在空天領域開展的所有計劃都是在頂層目標牽引下開展的，都是為了推進頂層目標的實現。不論技術途徑如何更迭替換，頂層的目標卻巋然不動。也就是說，國家從戰略高度確定的頂層目標不會輕易更改，而實現的技術途徑要隨著基礎研究和科技發展的速度不斷優化選擇。

圖8 關鍵技術識別路線圖

關鍵技術的識別

通常在開展關鍵技術攻關時，很難直接把該技術與頂層目標的關系梳理清晰，而GOTChA方法則能夠建立起關鍵技術與頂層目標的直接關系，通過該方法遞進式的梳理，識別出哪些關鍵技術是實現頂層目標所必需的。識別關鍵技術需要有目標來牽引，而GOTChA方法的核心正是目標牽引，在頂層目標牽引下，分解出各個層級的目標，而每一個層級目標的實現都面臨很多挑戰和具體問題，這樣一來，就牽引出一系列關鍵技術群來應對這些挑戰和問題。

以TBCC發動機為例，進一步說明關鍵技術的識別思路。TBCC發動機作為能夠實現高超聲速飛行的關鍵動力系統之一，支撐其發展的關鍵技術主要有低速段動力技術、高速段動力技術和模態轉換技術等。低速段動力發展需要攻克的關鍵技術有超級燃燒室技術、超級冷卻技術、射流預冷技術和推力提升技術等。通過采用GOTChA架構，可以看出TBCC不是作為單一的技術在發展，它是頂層規劃下牽引出的關鍵技術群之一。TBCC技術一方面是美國國家級頂層規劃核心目標牽引出的關鍵技術，另一方面自身的發展又牽引出一系列關鍵技術群。采用GOTChA這種架構能夠有針對性地識別出關鍵技術，不攻克這些關鍵技術，TBCC的研制就不能向前推進，頂層目標就不能實現。圖8用TBCC發動機的發展來演示關鍵技術的識別和技術攻關的支撐計劃。

在科研實踐中，關鍵技術的識別往往缺少牽引，也很難把關鍵技術的突破與頂層目標的實現建立聯系，在缺少牽引的情況下確定出的關鍵技術可能并不是實現頂層目標所需要的，而為實現頂層目標所需要的關鍵技術又沒有識別出來，而采用GOTChA方法來管理發展規劃，通過頂層目標的牽引、分目標的梳理，技術挑戰的推斷，有助于識別出關鍵技術。

啟示

通過GOTChA方法在美國空天動力技術領域應用的案例，清晰地看出所有的科研活動都應聚焦到核心目標上，所有的科研活動都是在頂層目標的牽引下開展，所有的研究方向都是為頂層目標服務，所有的關鍵技術都是圍繞頂層目標梳理。而分目標的確定、技術途徑的選擇和關鍵技術的識別都與頂層目標緊密相關；由此也可以看出GOTChA方法強調系統關聯，強調繼承性發展，注重上下聯動；每一個技術途徑的選擇都是基于對前序技術途徑失敗教訓的借鑒和成功經驗的繼承，每一個關鍵技術的識別都是有的放矢，都是實現目標所必需的。目前，我國正處于“十四五”規劃論證與編制的關鍵階段，建議參考GOTChA方法來梳理發展思路，選擇發展途徑和識別關鍵技術。