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進步的背后都有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，在數字技術、信息技術的推動下，航空業面臨著新一輪的技術變革。在這個關鍵時期，為了捍衛美國在航空領域的領導地位，NASA近年來不斷調整航空業戰略發展規劃，進一步明確了未來民用航空科技的發展路線。

NASA的使命

在世界航空業的第一個百年中，美國無論是在基礎科學研究還是技術應用方面都是當之無愧的領導者。從第二次世界大戰后直到20世紀70年代，美國在民用飛機領域的市場占有率甚至達到了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，空客在民用飛機市場的占有率達到了52%，完全打破了美國的壟斷地位。面對歐洲航空工業日益強勁的競爭力以及歐盟接連推出的雄心勃勃的航空技術發展規劃，美國國會和工業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，并制定相應的戰略發展規劃，以繼續保持美國在航空領域的領先地位。

2006年，NASA對組織機構進行了新的調整并專門成立了航空研究任務事務部（ARMD）。ARMD根據行業新的發展動態，接連出臺了一系列新的戰略規劃，并將航空安全計劃、空域系統計劃、基礎航空計劃、航空試驗計劃、集成系統研究以及航空戰略和管理6大研究計劃列為未來的重點發展方向。但隨著5G通訊技術、大數據技術等新技術的快速發展，全球航空業進入了一個前所未有的技術變革期，此時，NASA也開始意識到是時候對戰略發展規劃作出新的調整了。

于是，2020年2月，NASA基于對未來航空發展趨勢的預測以及其他行業技術擴散影響等的考慮，制定并發布了《2019戰略實施規劃》，對未來25年NASA航空研究工作重點進行了描述。新規劃的核心是“通過推進航空研究實現安全、可持續的美國和全球航空業的革命性轉變”?；诖四繕耍琋ASA制定了方向更為明確的四大研究領域，分別是航空運營和安全計劃、先進飛行器計劃、集成航空系統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濟的影響是巨大的，但是美國政府并沒有降低NASA航空領域的預算。在美國政府公布的2021財年預算申請中，NASA的預算為252億美元，較上年預算增加12%。其中，用于民用航空領域的研究預算為8.19億美元，較2020財年7.839億撥款（實際批準）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（QueSST）低聲爆驗證機、電推進系統、無人機空中交通管理等方面的研發工作。

NASA新戰略的看點

此次，NASA提出的《2019戰略實施規劃》主要包括6個戰略重點，分別是空域運行與安全性計劃，民用超聲速飛機的創新，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，及時全系統安全性保證，航空變革的有保證自主。戰略重點的實施效果按近期（2015～2025年）、中期（2025～2035年）和遠期（2035年后）分別描述，隨著研究成果從概念到實踐的不斷發展，NASA的研究工作也不斷深入。筆者依次對這6個戰略發展重點進行簡要的闡述。

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

民用超聲速飛機的創新。該戰略的構想是實現可行的、經濟可承受的民用超聲速空中運輸。近、中、遠三階段的實施效果是：2015～2025年，形成超聲速民機認證標準;2025～2035年引入經濟可承受的、低聲爆、低噪聲、低排放超聲速運輸機;2035年后增加任務通用性和實現超聲速運輸機市場的增長。

在這個過程中，NASA一個很重要的工作是與國際標準制訂組織一起確定聲爆等級，發展低聲爆設計工具與模型;中期將研究新一代超聲速運輸機降噪降排放的技術;后期將關注發展使超聲速航線運輸更具競爭力的空中交通管理等技術。研究主題包括消除民用超聲速飛機環境阻礙、設計與效率的綜合、建模仿真與試驗能力、高效的超聲速飛行運行。

超高效亞聲速運輸機。NASA對該戰略進行了調整優化，未來將實現亞聲速運輸機經濟性和環保性能的革命性提升，向采用替代推進系統和能源轉變。預期實施效果：2015～2025年，飛機將滿足航空公司和公眾對效率、經濟性、環保的要求，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，初步應用電推進技術;2035年后，飛機持續改進噪聲和能源效率、機隊水平較2005年碳排放降低50%。

同時，NASA近期還將加速先進技術開發、研究先進飛行器概念和使能技術;中期開展顛覆性創新概念、技術和方法研究，并開展大規模驗證促進技術轉移;遠期繼續開展先進計算方法、創新材料與結構等方法和技術的研究。NASA該戰略重點下的研究主題包括超高效機體、超高效推進、超高效飛行器系統綜合、建模仿真與試驗能力。

安全、安靜和價格合理的垂直起降航空器。該戰略為重新制訂提出，將實現垂直起降飛行器廣泛應用于運輸和多種服務。三階段的實施效果為：2015～2025年，提升垂直起降飛行器的性能，包括經濟性、環保性和現有市場的易用性;2025～2035年，引入新的垂直起降飛行器和技術，實現新市場、提升易用性、降低環境影響;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。NASA近期將研究與垂直起降飛行器相關的多學科設計分析優化工具、噪聲建模、提高功率轉換效率和可靠性等技術;中期針對擴大垂直起降飛行器市場和建立噪聲、安全性等標準，研究噪聲預測、全構型仿真高精度算法、高效替代推進方案等;遠期主要關注消除安靜、高效、自主飛行器在城市環境運營障礙的技術，包括升力和推進系統的高效集成、低噪聲運行技術等。研究主題包括潔凈和高效的推進、高效和安靜的飛行器、安全舒適和易用性、建模仿真與試驗能力。

及時的全系統安全性保證。NASA期望該戰略的實施效果是：2015～2025年，及時安全性監控和告警工具可擴大系統感知和提供有限的運行決策支持;2025～2035年全域的綜合預測技術將實現NAS范圍內更為綜合和實時的探測與告警能力;2035年后自適應實時安全性威脅管理將實現NAS范圍內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實時監控、已知安全性風險的實時故障與診斷識別;中期實現安全邊際和可信決策支持工具的綜合全系統持續監控;2035年后通過綜合威脅探測、預測和決策支持，實現實時智能安全性監控。研究主題包括：持續全系統安全性感知（監控），安全性風險識別和評價（評估），協調的預防、緩解和恢復（緩解），實驗驗證和評估。

航空變革的有保證自主。該項戰略重點將在航空應用場景中安全實現自主，通過應用機器智能和機器連通性，為民用航空帶來自主技術應用的巨大改變。實施效果是：2015～2025年，引入有限自主的航空系統，實現功能級目標;2025～2035年，引入靈活自主的航空系統，可執行任務級目標;2035年后，引入有保證自主的分布式協作航空系統，大規模自主系統將實現系統層面的管理。NASA航空研究的任務是開發自主航空系統的概念、架構和應用，進行技術研發和驗證。近期關注預定自主、初級目標導向和自適應自動化;中期關注任務級目標導向的自適應自動化;遠期投向大規模系統的極度靈活性和適應性，具有極高的可靠性和從干擾恢復能力。研究主題包括：復雜自主系統設計的技術和方法，自主系統的保證、驗證與確認，復雜航空系統的人員-自主編組，自主空域和飛行器系統的實現與集成，自主系統的試驗與評價。

2021年的關注重點

在《2019戰略實施規劃》的基礎上，今年NASA又對這些航空研究項目根據新財年的預算進行了更加細致的安排和部署。特別值得關注的是，NASA還對《2019戰略實施規劃》作出了新的補充，主要體現在：新設航空學評價與試驗能力計劃，支持地面試驗設施的可持續發展;在綜合航空系統計劃下設置電氣化動力系統飛行驗證項目，加強對飛機電推進技術的飛行驗證。

在空域運行與安全性計劃方面，2021財年NASA將重點關注空中交通管理-探索（ATM-X）和系統級安全性（SWS）?？罩薪煌ü芾?探索項目將繼續推進實現無人機系統交通管理（UTM）運行和空域集成的技術開發與驗證，特別是實現城市空運（UAM）飛行器的空域和空中交通管理能力;利用波音環保驗證機開展飛行試驗，確定未來自主貨機運行的研究需求。系統級安全性項目將開發處理飛行器狀態信息以監控系統安全性和作出預測的技術，為發展先進實時系統級安全性保證系統打下基礎，進而實現風險的自動監控、評估和緩解。

民用超聲速飛機的創新方面，2021年NASA將支持X-59QueSST飛機的后期試飛工作。此外，NASA還將確定并采購聲學驗證測量系統，準備低聲爆飛行驗證機試驗的實施計劃，利用預測驗證工具完成試驗前預測能力的評估。高超聲速技術項目將應用不確定性量化校準模型進行預測計算，將不確定性量化方法和計算流體力學設計與分析相結合，開展一種渦輪基沖壓組合（TBCC）發動機部件的設計，為后續制造和地面試驗打下基礎。

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

低聲爆飛行驗證機項目方面，分為3個階段。第1階段開展X-59飛機詳細設計、制造、首飛和包線擴展試飛;第2階段開展低聲爆聲學驗證試飛，包括飛機近場、中場和遠場及地面聲爆信號的數據收集和評價;第3階段，X-59驗證機將在多個地點開展低聲爆公眾反應試飛，試飛研究結果將提交國際民航組織以制訂新的超聲速客機噪聲標準。2021財年該項目預算為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子系統測試和NASA提供的系統地面試驗，完成X-59飛機的飛行就緒評審。預計X-59將在2022年1月完成首飛，2023年1月洛克希德·馬丁公司將把飛機交給NASA，LBFD任務的第1階段隨之結束。

新設航空學評價與試驗能力計劃，為NASA航空研究的地面試驗能力發展提供支持，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洞以及推進系統試驗設施。這些設施的集中規劃、使用和管理有利于計算工具、軟件和有關系統有效采集和處理研究數據。過去該計劃的相關工作放在先進飛行器計劃下管理，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設施的狀態，風洞設施為NASA其他研究任務試驗需求提供保障。

從NASA發布的戰略規劃中，可以明顯感受到，在革命性新技術的推動下，NASA已經走在了轉型的道路上，而航空研究技術的調整只是其轉型過程中的一步。未來，NASA會如何在新的研究戰略和計劃下實現更多的創新，值得業界持續關注。