NASA着眼未来的航空新计划

陈培儒

如果从其前身1915年3月成立的美国国家航空咨询委员会（NACA）算起，美国航空航天局（NASA）已经走过了100多个年头。在过去的100多年里，美国乃至世界航空技术进步的背后都有NASA的身影。从某种程度上来说，NASA成就了美国第一个航空百年的辉煌历史。

如今，在数字技术、信息技术的推动下，航空业面临着新一轮的技术变革。在这个关键时期，为了捍卫美国在航空领域的领导地位，NASA近年来不断调整航空业战略发展规划，进一步明确了未来民用航空科技的发展路线。

NASA的使命

在世界航空业的第一个百年中，美国无论是在基础科学研究还是技术应用方面都是当之无愧的领导者。从第二次世界大战后直到20世纪70年代，美国在民用飞机领域的市场占有率甚至达到了96%。在这个过程中，NASA一直扮演着“幕后英雄”的角色。

直到欧洲举各国之力成立了空客公司之后，民用航空市场一家独大的局面才得以改变。2005年，空客在民用飞机市场的占有率达到了52%，完全打破了美国的垄断地位。面对欧洲航空工业日益强劲的竞争力以及欧盟接连推出的雄心勃勃的航空技术发展规划，美国国会和工业界对未来的忧虑与日俱增，举国上下都不断呼吁政府加大对航空科研的投入力度，并制定相应的战略发展规划，以继续保持美国在航空领域的领先地位。

2006年，NASA对组织机构进行了新的调整并专门成立了航空研究任务事务部（ARMD）。ARMD根据行业新的发展动态，接连出台了一系列新的战略规划，并将航空安全计划、空域系统计划、基础航空计划、航空试验计划、集成系统研究以及航空战略和管理6大研究计划列为未来的重点发展方向。但随着5G通讯技术、大数据技术等新技术的快速发展，全球航空业进入了一个前所未有的技术变革期，此时，NASA也开始意识到是时候对战略发展规划作出新的调整了。

于是，2020年2月，NASA基于对未来航空发展趋势的预测以及其他行业技术扩散影响等的考虑，制定并发布了《2019战略实施规划》，对未来25年NASA航空研究工作重点进行了描述。新规划的核心是“通过推进航空研究实现安全、可持续的美国和全球航空业的革命性转变”。基于此目标，NASA制定了方向更为明确的四大研究领域，分别是航空运营和安全计划、先进飞行器计划、集成航空系统计划和变革性航空概念计划。

同时，尽管今年新冠肺炎疫情对于全球经济的影响是巨大的，但是美国政府并没有降低NASA航空领域的预算。在美国政府公布的2021财年预算申请中，NASA的预算为252亿美元，较上年预算增加12%。其中，用于民用航空领域的研究预算为8.19亿美元，较2020财年7.839亿拨款（实际批准）增加了4.5%。这些新增的资金将重点支持X-59安静超声速技术（QueSST）低声爆验证机、电推进系统、无人机空中交通管理等方面的研发工作。

NASA新战略的看点

此次，NASA提出的《2019战略实施规划》主要包括6个战略重点，分别是空域运行与安全性计划，民用超声速飞机的创新，超高效亚声速运输机，安全、安静和价格合理的垂直起降航空器，及时全系统安全性保证，航空变革的有保证自主。战略重点的实施效果按近期（2015～2025年）、中期（2025～2035年）和远期（2035年后）分别描述，随着研究成果从概念到实践的不断发展，NASA的研究工作也不断深入。笔者依次对这6个战略发展重点进行简要的阐述。

空域运行与安全性计划。该战略的构想是对所有用户实现安全、日常高节奏空域进入。近期、中期、远期三阶段的实施效果是：2015～2025年，提升常规飞机跨所有飞行运行阶段（又称为“域”）的运行性能，实现新飞行器的初步进入（ATM+1）;2025～2035年，逐步增加自主和协作空中交通管理（ATM）和日常所有飞行器的进入和运行（ATM+2），包括无人机系统完全融入国家空域系统（NAS）;2035年后实现动态自主航迹服务（ATM+3）和NAS的变革。

民用超声速飞机的创新。该战略的构想是实现可行的、经济可承受的民用超声速空中运输。近、中、远三阶段的实施效果是：2015～2025年，形成超声速民机认证标准;2025～2035年引入经济可承受的、低声爆、低噪声、低排放超声速运输机;2035年后增加任务通用性和实现超声速运输机市场的增长。

在这个过程中，NASA一个很重要的工作是与国际标准制订组织一起确定声爆等级，发展低声爆设计工具与模型;中期将研究新一代超声速运输机降噪降排放的技术;后期将关注发展使超声速航线运输更具竞争力的空中交通管理等技术。研究主题包括消除民用超声速飞机环境阻碍、设计与效率的综合、建模仿真与试验能力、高效的超声速飞行运行。

超高效亚声速运输机。NASA对该战略进行了调整优化，未来将实现亚声速运输机经济性和环保性能的革命性提升，向采用替代推进系统和能源转变。预期实施效果：2015～2025年，飞机将满足航空公司和公众对效率、经济性、环保的要求，并向机队级别碳排放零增长方向改进;2025～2035年，飞机实现噪声和能源效率的革命性提升、机队水平较2005年碳排放零增长，初步应用电推进技术;2035年后，飞机持续改进噪声和能源效率、机队水平较2005年碳排放降低50%。

同时，NASA近期还将加速先进技术开发、研究先进飞行器概念和使能技术;中期开展颠覆性创新概念、技术和方法研究，并开展大规模验证促进技术转移;远期继续开展先进计算方法、创新材料与结构等方法和技术的研究。NASA该战略重点下的研究主题包括超高效机体、超高效推进、超高效飞行器系统综合、建模仿真与试验能力。

安全、安静和价格合理的垂直起降航空器。该战略为重新制订提出，将實现垂直起降飞行器广泛应用于运输和多种服务。三阶段的实施效果为：2015～2025年，提升垂直起降飞行器的性能，包括经济性、环保性和现有市场的易用性;2025～2035年，引入新的垂直起降飞行器和技术，实现新市场、提升易用性、降低环境影响;2035年后，各种尺寸的垂直起降飞行器广泛用于运输和各种服务。NASA近期将研究与垂直起降飞行器相关的多学科设计分析优化工具、噪声建模、提高功率转换效率和可靠性等技术;中期针对扩大垂直起降飞行器市场和建立噪声、安全性等标准，研究噪声预测、全构型仿真高精度算法、高效替代推进方案等;远期主要关注消除安静、高效、自主飞行器在城市环境运营障碍的技术，包括升力和推进系统的高效集成、低噪声运行技术等。研究主题包括洁净和高效的推进、高效和安静的飞行器、安全舒适和易用性、建模仿真与试验能力。

及时的全系统安全性保证。NASA期望该战略的实施效果是：2015～2025年，及时安全性监控和告警工具可扩大系统感知和提供有限的运行决策支持;2025～2035年全域的综合预测技术将实现NAS范围内更为综合和实时的探测与告警能力;2035年后自适应实时安全性威胁管理将实现NAS范围内的安全性保证和完全综合的威胁探测与评估能力。为此，近期NASA将主要研究初步的持续实时监控、已知安全性风险的实时故障与诊断识别;中期实现安全边际和可信决策支持工具的综合全系统持续监控;2035年后通过综合威胁探测、预测和决策支持，实现实时智能安全性监控。研究主题包括：持续全系统安全性感知（监控），安全性风险识别和评价（评估），协调的预防、缓解和恢复（缓解），实验验证和评估。

航空变革的有保证自主。该项战略重点将在航空应用场景中安全实现自主，通过应用机器智能和机器连通性，为民用航空带来自主技术应用的巨大改变。实施效果是：2015～2025年，引入有限自主的航空系统，实现功能级目标;2025～2035年，引入灵活自主的航空系统，可执行任务级目标;2035年后，引入有保证自主的分布式协作航空系统，大规模自主系统将实现系统层面的管理。NASA航空研究的任务是开发自主航空系统的概念、架构和应用，进行技术研发和验证。近期关注预定自主、初级目标导向和自适应自动化;中期关注任务级目标导向的自适应自动化;远期投向大规模系统的极度灵活性和适应性，具有极高的可靠性和从干扰恢复能力。研究主题包括：复杂自主系统设计的技术和方法，自主系统的保证、验证与确认，复杂航空系统的人员-自主编组，自主空域和飞行器系统的实现与集成，自主系统的试验与评价。

2021年的关注重点

在《2019战略实施规划》的基础上，今年NASA又对这些航空研究项目根据新财年的预算进行了更加细致的安排和部署。特别值得关注的是，NASA还对《2019战略实施规划》作出了新的补充，主要体现在：新设航空学评价与试验能力计划，支持地面试验设施的可持续发展;在综合航空系统计划下设置电气化动力系统飞行验证项目，加强对飞机电推进技术的飞行验证。

在空域运行与安全性计划方面，2021财年NASA将重点关注空中交通管理-探索（ATM-X）和系统级安全性（SWS）。空中交通管理-探索项目将继续推进实现无人机系统交通管理（UTM）运行和空域集成的技术开发与验证，特别是实现城市空运（UAM）飞行器的空域和空中交通管理能力;利用波音环保验证机开展飞行试验，确定未来自主货机运行的研究需求。系统级安全性项目将开发处理飞行器狀态信息以监控系统安全性和作出预测的技术，为发展先进实时系统级安全性保证系统打下基础，进而实现风险的自动监控、评估和缓解。

民用超声速飞机的创新方面，2021年NASA将支持X-59QueSST飞机的后期试飞工作。此外，NASA还将确定并采购声学验证测量系统，准备低声爆飞行验证机试验的实施计划，利用预测验证工具完成试验前预测能力的评估。高超声速技术项目将应用不确定性量化校准模型进行预测计算，将不确定性量化方法和计算流体力学设计与分析相结合，开展一种涡轮基冲压组合（TBCC）发动机部件的设计，为后续制造和地面试验打下基础。

电气化动力系统飞行验证项目为2021财年新设项目，该项目将支持把电动力系统、电分配和储能部件加装至已有飞机平台，通过飞行试验验证电推进系统性能。2021财年，NASA将完成该项目启动评审。

低声爆飞行验证机项目方面，分为3个阶段。第1阶段开展X-59飞机详细设计、制造、首飞和包线扩展试飞;第2阶段开展低声爆声学验证试飞，包括飞机近场、中场和远场及地面声爆信号的数据收集和评价;第3阶段，X-59验证机将在多个地点开展低声爆公众反应试飞，试飞研究结果将提交国际民航组织以制订新的超声速客机噪声标准。2021财年该项目预算为7910万美元，较2020财年1.035亿美元拨款额下降23.6%，主要工作是完成最后的飞机子系统测试和NASA提供的系统地面试验，完成X-59飞机的飞行就绪评审。预计X-59将在2022年1月完成首飞，2023年1月洛克希德·马丁公司将把飞机交给NASA，LBFD任务的第1阶段随之结束。

新设航空学评价与试验能力计划，为NASA航空研究的地面试验能力发展提供支持，涉及埃姆斯研究中心、格林研究中心、兰利研究中心的亚声速、跨声速、超声速和高超声速风洞以及推进系统试验设施。这些设施的集中规划、使用和管理有利于计算工具、软件和有关系统有效采集和处理研究数据。过去该计划的相关工作放在先进飞行器计划下管理，2021财年则独立成为一个航空研究计划。2021财年该计划将评估上述三个研究中心有关设施的状态，风洞设施为NASA其他研究任务试验需求提供保障。

从NASA发布的战略规划中，可以明显感受到，在革命性新技术的推动下，NASA已经走在了转型的道路上，而航空研究技术的调整只是其转型过程中的一步。未来，NASA会如何在新的研究战略和计划下实现更多的创新，值得业界持续关注。