航空航天
航空航天
飞行系统分领域共有26个技术计划,该研究目的是帮助NASA确定达到技术目标所需的可能投资项目
航空航天 2019-12-06 20:54

2002年2月,NASA起草了一份新的航空蓝图(NASA AERONAUTICS BLUEPRINT)勾勒了未来一段时间(2002-2025年)NASA航空发展方向。NASA在这一航空蓝图中概括了美国航空工业面临的四大挑战:运力、噪声/污染排放、安全、不断萎缩的知识人才,并概述了有助于解决目前航空工业存在的问题和创建具有高性能和潜在能力的航空新纪元的先进技术。这些先进技术主要集中在四个方面:·先进的新概念航空航天系统·性能显著改善的革命性飞行器·航空安全保障·确保航空领域的高水平人才资源1. 先进的新概念航空航天系统NASA认为美国现有的民用航空系统的能力无法满足需求,严重阻碍了民用航空的发展,主要表现在航线交通拥挤、受恶劣天气影响大、航班延时、导航能力差等。在这一蓝皮书中,NASA提出了解决这些问题的技术途径: 高精度气象预测发展先进的传感器技术,提高数据处理和信息传输能力;充分认识和掌握飞机尾涡流动机理,开发精确预测气象和有效控制尾涡的技术。 空中交通管理最优化技术建立国家统一管理政策,去消部门、机构之间的限制,采用分布式空中--地面交通管制,确保安全而有效的飞行航线,采用精确的天气预测数据和飞机定位系统;交互式监视系统和飞行目标调整措施;系统级空中交通量优化技术。 高吞吐量飞机场管理技术开发飞机抵达和离场以及机场停留的一体化数字管理技术,确保飞机无间隔起飞和着陆,有效使用和灵活调整停机坪空间;建立全天候情况了解和响应机制,开发合成视觉系统;开发新机场设计技术和使用模式,建设智能型跑道和滑行道,确保同时着陆和起飞;建立智能型无控制塔机场,自主式排序和调度。 通信、导航和监视系统网络化发展机载网络技术;提高网络通信安全性;开发遥控监视飞行器技术;采用卫星通信和监视,实现全球通信和监视能力,实时显示天气状况和其他危害性情况的座舱显示技术;开发数字化宽带通信设施。2. 性能显著改善的革命性飞行器NASA认为,"革命性飞行器"主要以降低噪声、减少飞机排放物、改善飞机安全性、增强飞机能力为目标,开发一体化机体-推进系统、智能推进装置、智能传感器、主动流动控制及噪声控制,以及先进的飞行器概念,以确保未来的飞机具有高速-远程-长航时能力、无噪声无污染飞行能力、短距起飞和着陆能力和智能飞行控制能力。并提出了实现这些能力的技术途径,即发展轻重量、高强度材料;开发主动流动控制技术以改善气动效率;设计燃油效率高、低排放的动力装置,例如分布式发动机、电子发动机、先进的燃料电池和高效率电机;发展具有"神经系统"和自适应结构的变形飞机。3. 航空安全保障在航空安全方面,NASA认为最大挑战是保护公众、乘客和机组人员不受伤害,且不会处于危险之中,保护飞机不受威胁,避免将航空系统用作恶意企图。其解决方案是在最小成本下最大程度地加强国家航空系统的安全性。一方面加固飞机及其部件系统、全程监控空中飞行、空管系统的监视和干预(包括机载飞行控制能力和地面控制的超控)、应用信息技术增强安全保障系统(包括登机前对乘客的安检及身份确认)。另一方面,开发设计事故和损伤容错能力强的飞机、开发精确飞行轨迹管理系统等。4. 确保航空领域的高水平人才资源NASA在2002年向国会提交一份题为"美国航空研究与技术面临的危机"报告中指出,国防部和NASA在航空研究与技术方面的投资10多年来持续下降,致使数万高技术人才离开航空行业。而且,自1990年以来,从事航空航天工程的人才水平相对降低,具有学士学历的人才仅有57%,具有硕士学历的人才不足39%。此外据美国航空航天工业未来委员会发布的一份报告透露,1996~2001年,由于航空运输领域(包括航空旅客服务、航空货运服务、航空快件服务和机场服务)的从业人员大幅增长,美国航空航天工业与民航业总的从业人员增长了13.82万人,达到了200万人。然而,"9.11"恐怖事件的发生使航空运输领域的从业人员大幅下降,据统计,不到两年的时间已削减9%的劳动力,致使美国的经济受到严重影响。并且,行业人员呈老龄化趋势,更多的年青人弃选航空工程领域作为职业,加上高技术人才的流失,将导致未来10年内航空工业人才的严重匮乏。为此,NASA在新的航空蓝图中将增加知识人才列为重要任务。NASA提出从三个方面解决这一问题,一是普及教育,在小学、中学设立科学和工程课程,增加学生对航空工程的兴趣;二是吸收更多的航空专业人才;三是加强对行业人员的培训,成立特种机构尽可能协调劳动部、商业、教育和其它机构的计划来满足航空工业对人才的培训需求,创建虚拟实验研究室、开发知识学习软件,与政府、大学和其他工业界建立长期的合作。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 张晋平)

2 飞行器系统计划飞行器系统计划旨在发展新的飞行器技术,由7项子计划构成:安静飞机技术、21世纪飞机技术、极高效发动机技术、推进系统与动力装置、飞行研究、先进飞行器概念、突破性飞行器技术。

2005年4月,美国国家航空航天研究所根据美国国会的要求,领导完成了"响应呼唤:保持美国领先的航空计划"综合研究计划报告(以下称航空领先计划报告)的制订工作。该报告是根据美国国会在2004财年美国国家航空航天局拨款法案中的要求,在NASA 2005财年航空研究计划和预算的基础上制订出的NASA 2006-2010财年额外增加的研究计划和预算,增加的研究计划的目的就是确保美国未来在航空技术上的领先地位。该报告长达1000多页。自二战结束以来,美国一直是无可争议的世界航空技术领导者。航空技术产品占美国出口额的很大一部分。在过去的60多年中,航空技术一直是美国国防的基石之一,美国繁荣的源泉之一,美国创造力的标志之一。但今天,美国的世界航空技术霸主地位受到了挑战,这些挑战来自联合的欧洲。欧洲目前不仅在一些关键的航空技术领域超越了美国,而且已表态要在2020年以前成为世界航空工业的领导者。面对这种情况,美国的相关机构在过去的5年中一再发表报告,提出警告。2003年,美国国会终于意识到应该采取措施以应对这种威胁,并直接促成了航空领先计划报告的产生。在航空领先计划报告的制订过程中,由NIA选拔专家组成了"国家战略小组"。NST负责报告整体框架的制订,包括一套共6项美国对航空技术的国家需求,即:美国的经济竞争力;航空旅行的自由;飞行安全;国家安全和防御;保护环境;培养未来劳动力。所选技术项目要求直接根据它们在影响这6个国家需求方面的价值来确定。NST为报告划分了7个关键航空领域,即:空域系统;航空安全与安防;高超声速;旋翼机;亚声速;超声速;劳动力与教育。根据这7个航空领域组成了7个专家小组,小组成员为来自工业界和学术界的总共超过250名专家。专家们推荐,在NASA的2005财年航空预算水平基础上,今后5年NASA的航空预算年均增加8.85亿美元,具体为:2006财年增加7.13亿美元,2007财年增加8.71亿美元,2008财年增加9.34亿美元,2009财年增加9.96亿美元,2010财年增加9.17亿美元;若按币值不变计算,这相当于NASA 1998财年的航空预算水平。专家们认为,之所以选择由NASA来领导航空领先计划研究,是因为可以使用一些独特的国家研究设施,广泛汇集各方人才,研究成果也属于国家财富。综合研究计划具体内容如下。空域系统开展该领域研究的主要理由是:目前的民用航空系统不久就会达到其自然容限,需要进行转型,否则将明显阻碍美国的经济增长。该研究领域分为4个分领域,每个分领域列出了多项研究技术计划,具体如下:1."战略空域利用"分领域,共有7项技术计划,包括:NASA技术的成本效益模型;评估NASA的技术对系统运营成本的影响的模型;用于系统范围评估和规则的飞机位置信息。2."空域系统高效飞行轨迹管理"分领域,共有9项技术计划,包括:消除人为的空域边界;采用电子飞行规则改善的目视飞行规则/仪表飞行规则运营;降低间距标准。3."机场和地面管理"分领域,共有5项技术计划,包括:提高地面吞吐量;提高机场的全气象容量。4."全系统信息管理"分领域,共有4项技术计划,包括:新信息管理系统架构;评估数据链和位置报告系统。该领域的建议预算:2006财年1.54亿美元;2007财年1.74亿美元;2008财年1.72亿美元;2009财年2.45亿美元;2010财年2.55亿美元。该领域研究计划的预期成果:·将航空系统容量扩大至现有的3倍;·创建一个网络使能系统;·为所有用户提供态势感知。航空安全与安防一个国家的航空运输系统若要生存下去,就必须是安全的和安防的。该领域分成"航空安全"和"航空安防"两部分。航空安全部分分为4个分领域,即"飞行安全关键软件"、"人员界面系统"、"健康和可靠性管理"和"推进",共列出28项研究技术,包括:航空安全增强措施的集成/演示;电子自动驾驶仪技术;用于文件和飞行的可靠自主控制技术;三维/四维态势感知显示系统;有限元模型-结构载荷综合;先进任务规划方式;轻型、低功率结构载荷传感器;自动防撞;液体泄漏探测;损伤自适应控制和恢复。航空安全领域的建议预算:2006财年5083万美元,2007财年5419万美元,2008财年6311万美元,2009财年4781万美元,2010财年4515万美元。航空安防部分分为3个分领域:1."国家空域系统安防基础设施"分领域,共有4项研究技术,包括:安防技术成本效益和系统运营成本模型;飞机易损性:当今和未来。2."民用飞机安防" 分领域,共有4项技术计划,包括:安防飞行运营的程序和技术;不合作客机的识别。3."公务喷气机和通用航空安防"分领域,共有3项技术计划,包括:一致性监视和下一代应答机。航空安防部分的建议预算:2006财年4300万美元,2007财年4900万美元,2008财年3900万美元,2009财年4100万美元,2010财年5300万美元。该领域研究计划的预期成果:·降低事故率;·将安全和安防嵌入未来航空系统;·将能见度从事故原因中消除;·确保在不断扩展的航空系统中的安防。高超声速常规高超声速飞行是航空领域最后的尖端技术之一。该领域分为4个分领域,总共列出20项技术计划,建议该领域2006-2010财年的预算总额为2.5877亿美元(而2005财年该领域无研究经费)。具体如下:1."飞行器设计"分领域,共有6项技术计划,包括:多学科设计分析和优化工具;先进诊断系统。建议该分领域2006-2010财年的预算总额为3815万美元。2."高超声速推进"分领域,共有8项技术计划,包括:跨声速空气推进性能;低马赫数双模式冲压喷气发动机运行。建议该分领域2006-2010财年的预算总额为1.5167亿美元。3."材料和结构"分领域,共有4项技术计划,包括:低温油箱;高温轴承和密封装置。建议该分领域2006-2010财年的预算总额为5500万美元。4."地面和飞行试验"分领域,共有2项技术计划,包括:设施改善;低成本飞行试验。建议该分领域2006-2010财年的预算总额为1395万美元。该领域研究计划的预期成果:·提高飞行器速度和安全性;·提高操作灵活性和可靠性;·降低空间发射成本和响应时间。旋翼机随着对旋翼机的任务需求和成本的压力越来越大,美国需要先进的旋翼机技术来保持产品的经济竞争力。该领域分为"机体结构"和"推进"两个部分。机体结构部分分为7个技术分领域,即:机外噪声、机内噪声、振动、重量、空气动力学效率、安全性、零-零性能。每个技术分领域下列有多项技术计划,总共有30项,包括:降低机外噪声-固定几何形状旋翼系统;降低客舱噪声-降低源噪声;主动振动控制-高输出/低重量作动筒;先进材料/结构开发;固定和旋转系统的主动气流控制:降低阻力和下向载荷;先进飞行控制系统;有效和可靠的除冰。建议机体结构部分的预算为:2006财年3096万美元,2007财年3847万美元,2008财年3970万美元,2009财年6136万美元,2010财年3832万美元。推进部分有12个技术计划,包括:低压涡轮的陶瓷基复合材料叶片;低损耗可变扩散器;低噪声、低排放燃烧室。建议推进部分2006-2010财年预算总额为5250万美元。该领域研究计划的预期成果:·降低噪声和重量;·提高任务性能;·降低成本。亚声速未来对亚声速航空的需求是旅行更远,到达目的地更快,更安全,以经济可承受的方式进入新的远方。该领域的研究计划分为"机体结构"、"系统"、"通用和公务航空"、"推进"和"革命性方案"5个部分。机体结构部分分为"声学"、"空气动力学"、"结构"和"材料"4个分领域,每个分领域都有若干项技术计划。其中,声学分领域有2项技术计划,包括:机体结构-推进综合。空气动力学分领域有3项技术计划,包括:快速和准确的计算流体力学工具。结构分领域有7项技术计划,包括:低成本复合材料。材料分领域有13项技术计划,包括:低成本复合材料。机体结构部分的建议预算为:2006财年9800万美元,2007财年1.17亿美元,2008财年1.17亿美元,2009财年9800万美元,2010财年9200万美元。系统部分分为"分布式动力系统"、"多功能结构系统"、"综合飞机健康管理"、"驾驶舱和机组"及"综合无线飞机系统"5个分领域。分布式动力系统分领域共有8个技术计划,包括:高功率燃料电池部件系统。多功能结构系统分领域共有4个技术计划,包括:结构上集成的布线。综合飞机健康管理分领域共有4个技术计划,包括:先进诊断和预报算法。驾驶舱和机组分领域共有7个技术计划,包括:气象信息分享的网络中心方法。综合无线飞机系统分领域共有4个技术计划,包括:网络中心方法。系统部分的5年建议预算总额为2.189亿美元。 推进部分共有20项技术计划,包括:智能、自适应发动机和系统;高效、高载荷叶型。推进部分的建议预算:2006财年8490万美元,2007财年1.078亿美元,2008财年9960万美元,2009财年1.069亿美元,2010财年1.027亿美元。 通用和公务航空部分分为"机体结构"、"飞行和座舱系统"、"技术成熟"和"推进"4个分领域。机体结构分领域共有8个技术计划,包括:通过计算流体力学工具和方法减阻。该分领域5年的建议预算总额为3360万美元。飞行和座舱系统分领域共有9个技术计划,包括:精确飞行航迹管理。该分领域5年的建议预算总额为4140万美元。技术成熟分领域共有22个技术计划,包括:先进机翼/翼型设计。该分领域5年的建议预算总额为9412.8万美元。推进分领域共有9个技术计划,包括:先进气流控制排气混合器。该分领域5年的建议预算总额为5000万美元。 革命性方案部分分为"机体结构"、"飞行系统"和"推进"3个分领域。机体结构分领域共有11个技术计划,包括:智能结构。该分领域5年的建议预算总额为3.8992亿美元。飞行系统分领域共有26个技术计划,包括:自适应和重构控制。该分领域5年的建议预算总额为2.5089亿美元。推进分领域分为近期的"智能发动机"、中期的"混合发动机"和远期的"革命性发动机"计划,共有26项技术计划,包括:发动机健康监测。该分领域的建议预算:2006财年1055万美元,2007财年1550万美元,2008财年1939.5万美元,2009财年1736.5万美元,2010财年1419万美元。亚声速领域研究计划的预期成果:·降低噪声和排放;·转型的工具和设施;·发明下一代动力和推进系统;·通过新飞机改变机动性。超声速目前世界上没有具备持续超声速巡航能力的民用飞机,因而如果美国能生产出这种飞机并投入使用,将成为该领域的世界领先者。民用超声速技术可应用于军用和亚声速民机。该领域的最主要技术障碍是声学要求严重限制了发动机的设计空间,需要有创新的方法。该领域分为"机体结构"、"飞行系统"和"推进"3个分领域。机体结构分领域共有14个技术计划,包括:低音爆设计技术验证和FAR飞行规则。该分领域5年的建议预算总额为1.717亿美元。飞行系统分领域共有26个技术计划,包括:先进热管理。该分领域5年的建议预算总额为1.959亿美元。推进分领域共有25个技术计划,包括:低风扇噪声技术。该分领域单个技术计划5年的建议预算总额在299万-3900万美元的范围。该领域研究计划的预期成果:·可接受的音爆水平;·经济生存性;·可接受的排放水平。劳动力与教育只有拥有受过良好教育的劳动力才能确保美国的航空技术领先地位和竞争力。该领域分为"航空教育联盟"、"长期研究支持"、"大使项目"和"桥梁项目"4个分领域。航空教育联盟计划要求在美国建立5个这种工业界/学术界密切联系的联盟,以促进航空专业人士的培养。长期研究支持计划建议每年为大学的400名研究生提供航空研究支持。大使项目计划建议每年花费1000万美元,让航空业成功人士与中小学生建立联系,为他们树立成才的榜样。桥梁项目计划的目的是帮助女性和少数民族大学生进入航空领域就业。该领域的建议预算为:2006财年7930万美元,2007财年9925万,2008财年1.138亿美元,2009财年1.133亿美元,2010财年9280万美元。该领域计划的预期成果:·通过工业界/学术界联盟实施教育;·提高大学的航空研究;·提高航空劳动力的多样性。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 姜曙光)

[英国《飞行国际》2007年8月23日报道]699aa.net, 先进的驾驶舱、高升力装置、短距起飞和着陆能力、燃油效率高和低噪声将成为明年30万美元的NASA“百年挑战”个人航空器竞赛的关注重点。今年举行的首次活动中该项目已授予了25万美元奖励资金。

表3 2001~2003财年NASA飞行器系统计划投资细表

加州的比较飞机飞行效率基金会替 NASA组织此次竞赛,吸引了4支团队参加。这项活动旨在促进快速、安全、高效、经济可承受的、环保的和舒适的按需运输的个人驾驶飞机的5次年度活动的第1次。预计所有活动的总奖励资金为200万美元。