航空霸业的幕后英雄

王元元

从1915年3月成立NACA（NASA的前身）算起，NASA的航空研究已经走过了100个年头。100年来，美国乃至世界航空技术进步的背后几乎都有NASA的影子，NASA对现代航空技术的发展做出了巨大的贡献，为美国确立在航空领域的领先地位打下了坚实的基础。

NASA航空研究的定位

NASA（美国航空航天局）是美国政府研发机构中最主要的航空航天科研机构，它的三大战略目的是：

1）扩大空间知识、能力和机会的边界；

2）提高对地球的认识，开发技术改善生活质量；

3）为美国民众服务，通过有效管理美国公民、技术能力和基础设施完成使命。

NASA以民用航空航天科研为主，负责计划、执行和管理民用航空航天的研究与发展活动。除了民用航空航天的研究与发展外，该局通常与国防部一起，对军用航空航天研究與发展计划提供资金和技术成果，与陆、海、空军有共同的合作计划。

在航空研究方面，NASA有着悠久的历史。NASA的前身就是1915年3月由国会批准成立的NACA（国家航空咨询委员会），在1958年以前，NACA主要开展航空技术的研究，为美国乃至全世界航空技术的进步发挥了重要的作用。直到1958年，美国人为加速实现在卫星方面赶上前苏联的计划，才将NACA改组为NASA，开始将航空航天技术一起上升到国家战略层面上部署研究计划。2006年，NASA根据形势变化又专门设立了航空研究任务事务部（ARMD），提高了对航空基础研究和应用研究的重视程度。

ARMD的研究直接支撑美国国家航空研究与发展政策以及相应的总统在2006年12月20日签署的13419号行政命令，还有2007年12月发布的国家航空研究与发展规划以及相应的基础设施规划，以及2010年2月进行的规划更新。

ARMD主要开展高质量、前沿的研究，包括跨越大范围的航空核心竞争力的基础研究，这些基础研究支持了航空和空间探索活动；还包括涉及先进飞机技术和系统发展的关键领域研究，这些关键领域包括飞机安全、环境适应性和燃油效率等；NASA还开展相关环境中的系统级技术评估以及同FAA合作开展下一代空中运输系统（NextGen）的研究；此外，ARMD正在寻找一种同其他机构，尤其是国防部一起管理国家研究、开发、试验和评估（RDT&E）基础设施的协作方法。

NASA航空研究的历史贡献

自从NASA成立以来，开展了大范围的航空技术研究，研究对象涵盖军民用领域的各类飞行器，研究类型包括基础研究、应用研究和演示验证（包括一批X系列飞行验证机）。这些领域的研究成果已经大量在商用飞机、通用飞机、旋翼机和战斗机上应用，成为当今先进飞行器的技术特征。

以商用飞机为例，NASA研究成果的应用主要体现在以下几个方面：

1.计算流体力学（CFD）

从20世纪70年代开始，NASA开始开发能够用于准确预测流体运动的复杂的计算程序，比如气流流过飞机机翼的运动或者燃油流过航天飞机主发动机的流动。

那些想法和程序最终成了CFD，而CFD目前已经发展成为研究流体动力学和开发新飞机的至关重要的工具。CFD能够为设计和测试几乎任何类型的飞机大大节省开发时间和成本。

2.机载风切变探测

在20世纪80到90年代，NASA领导了一项大范围的关于风切变的特点、危害性以及在飞行中的进行探测的研究工作。今天，民航飞机上都安装了前视传感器以提醒飞行员避免进入风切变区域。

3.数字电传

在20世纪60到70年代，NASA进行了数字电传系统的开发和测试。数字电传系统采用数字计算机和电缆将飞控信号从飞行员处传递到舵面处从而进行飞机的控制，它取代了更重的、可靠性更低的液压系统。电传飞控系统目前已广泛应用于军民用飞机和航天飞机上。

4.涡轮—气弹程序

在20世纪90年代，NASA开发了一个模拟喷气发动机涡轮叶片气动弹性问题的二维计算程序。这些气动弹性问题包括可能导致叶片失速或者破坏的颤振以及疲劳等现象。

工程师们可以利用这个涡轮—气弹程序为今天的喷气发动机设计更轻、更薄、速度更快的涡轮叶片，实现发动机高效率、低排放、低噪声的设计目标。

5.空中交通管理

在过去几十年，NASA已经开发了许多空中交通管理模拟工具，包括：

·中心塔康自动化系统（CTAS）——1990s

CTAS是NASA开发的为空中交通管制员提供信息的一套软件工具。

·交通管理顾问（TMA）——1990s

TMA是NASA开发的帮助空中管制员在高峰时期合理安排航班安全降落的软件。

·机场场面管理系统（SMS）——2000s

SMS是NASA开发的为管制员提供飞机着陆或者到达机库门口时间信息的软件。

·未来空中交通管理概念评估工具（FACET）-2000s

FACET绘制了成千上万条航线以改善美国国内的空中交通流量。

6.闪电防护标准

在20世纪70到80年代，NASA针对飞机的雷击发生条件和雷击的危害进行了大量的研究和飞行试验。NASA对闪电、雷击的知识积累成为改善飞机电子和航电系统闪电防护标准的基础。

7.NASA结构分析程序（NASTRAN）

在20世纪60年代，NASA同工业界合作开发了一款通用结构分析软件，航空航天工程师们可以使用该软件对不同结构进行建模和分析，包括所有类型的航空飞行器和航天飞机。今天，NASTRAN已成为一款计算机辅助工程结构分析的“工业标准”软件工具。

8.复合材料结构

20世纪70年代，NASA首先同工业界合作进行高强度、非金属材料研究，以探讨替代飞机上较重的金属材料的可能性。逐渐地，复合材料开始在飞机尾翼、机翼、发动机、整流罩和机身上有所应用，它能够降低空机重量和改善总体性能。

9.玻璃化座舱

在20世纪70到80年代，NASA开创并测试了先进驾驶舱布局概念，这种概念采用平板数字显示替代了传统的机械化仪表刻度盘显示模式。平板数字化显示更加有效，能够为飞行机组人员提供更加综合、更容易理解的图像等飞机状态信息。

玻璃化座舱在今天的民用飞机、军用飞机和通用飞机上广泛使用，同时也应用于NASA的航天飞机机队中。

10.面积律

在20世纪50年代，NASA的科学家理查德·惠特科姆发现了一些关于气动问题挑战的关键解决方案。其中，最具革命性的解决方案之一就是“面积律”。采用面积律设计的飞机避免了气流流经机体过程中产生了突变和翼身结合部引起的阻力增加。

面积律的成功应用使得几十年来高速飞行变得更加高效。

11.损伤容限风扇机匣

21世纪初，NASA开始进行低成本涡扇发动机机匣的前沿研究，希望能够研制出更轻、同时能够抵御叶片包容性失效的风扇机匣。

最终的解决方案是采用编制复合材料结构风扇机匣，它能够减低发动机重量、增加安全性和提高飞机结构完整性。

12.喷气发动机燃烧室

从20世纪90年代到21世纪初，NASA改善了与喷气发动机燃油燃烧有关的清洁燃烧技术，降低了有害燃烧物的排放。

13.发动机V型喷口

從20世纪90年代到21世纪初，NASA利用计算机模拟设计了最新的发动机V型喷口，该型喷口呈非对称的扇形形状，应用在喷气发动机和短舱上可以降低发动机噪声。

NASA和工业界共同开展的地面和飞行测试表明，新型V型喷口可以降低客舱和地面的噪声等级。V型喷口在今天许多飞机上都有应用，包括新的波音787飞机。

14.超临界翼型

在20世纪60到70年代，NASA科学家理查德·惠特科姆领导了一批研究人员开发和测试了一系列具有独特形状的翼型，这些翼型应用在亚声速飞机上可以改善飞机的升阻特性。

这些独特形状的翼型最终发展成为“超临界翼型”，它们应用在机翼上后大大改善了飞机的巡航效率。

15.结冰探测

从20世纪90年代到21世纪初，FAA要求NASA对危险的、当时尚未理解的被称为“大尺寸超冷水滴（SLD）”的结冰现象进行研究。

NASA的飞行试验结果被整理录入大型数据库以改善天气预测模型和SLD探测仪器的研制。

16.翼梢小翼

在20世纪70到80年代，NASA的研究推动了翼梢结构向垂直方向延伸（翼梢小翼）以降低气动阻力而取代了一味增加翼展的传统做法。翼梢小翼有助于增加飞机航程和降低燃油消耗。

首先应用翼梢小翼的是通用飞机。在20世纪80年代，波音生产的747-400商用喷气飞机采用了翼梢小翼，增加了飞机航程。

17.跑道刻槽

在20世纪60年代，NASA设想并开发了一种方法，在跑道刻上横向沟槽以排出跑道积水。在20世纪80年代，NASA进行了上千次的飞机和地面车辆的滑跑测试，结果证明刻槽跑道表面具有更好的摩擦特性。

因此，刻槽跑道帮助飞机在雨、雪或冰覆盖跑道上安全着陆。今天，NASA的跑道刻槽方法已经在美国军事基地的飞机跑道、高速公路，甚至是游泳池露天平台、操场和炼油厂地板上有所应用。

18.风洞

早在20世纪30年代，NASA的前身——NACA（国家航空咨询委员会）建造并运行了一批风洞设施，这些风洞在美国飞机设计和改进历史中起到了举足轻重的作用。

经过几十年的发展，NASA扩大了风洞的规模，建成了成套的基础设施，它将继续开展基础性的试验测试工作，包括稳定性与控制、空中结冰、失速避免、推进系统、机体开发、颤振避免和降噪等。

正如前文所述，NASA对美国航空科技的推动无处不在，某种程度上说是它成就了美国第一个航空百年的辉煌历史。如今，随着全球范围内日益增加的流动性需求，可持续发展带来的挑战以及信息、通信和自动化技术发展的推动等因素的影响，航空业将面临新一轮的技术变革。在这个关键的历史转折期，NASA及时根据环境变化调整了它的航空研究战略，聚焦于解决民用航空未来20-40年可能面临的全球性挑战，并且正在考虑将曾经的“从实践中学习”的X系列验证机文化重新带回航空领域，未来NASA将如何继续领导美国保持航空科技的霸主地位我们将拭目以待。