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NASA制订未来十年民用航空技术优先研究计划

http://cn.newmaker.com 6/22/2007 4:23:00 PM 佳工机电网

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展厅 8	航空与航天设备展厅直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ...

美国国家研究委员会（National Research Council，NRC）2006年年中公布了其在国家航空航天局（NASA）资助下、按照NASA合同要求完成的《民用航空技术十年发展规划：未来的基础》（以下简称《民用航空技术十年》）报告，报告总长200多页，主要内容有：确定各项研究与技术（R&T）挑战优先顺序的过程；各项R&T挑战的解释；共同课题及障碍；研究发现和建议。

NASA目前正在为制订未来的航空研究计划并行开展三项工作，上述报告即为其中的一项，另外两项为：制订国家航空政策（2006年12月公布）；NASA自己也在确定未来的优先航空研究计划（2005年4月完成）。这三项工作的共同目标是确保美国在航空R&T方面的长期国家投资，以实际改善航空运输系统并实现其它相关国家目标。

《民用航空技术十年》报告认为，航空运输系统对美国经济活力、公众幸福和国家安全都是非常重要的。航宇工业长期以来对美国经济的贸易平衡作出了积极的和大量的贡献。目前美国的世界航宇工业领导地位受到了挑战，受到挑战的领域包括：研究能力、技术专长以及民用飞机和空中交通管理系统的性能。报告认为，保持世界航宇工业领导地位可以为美国继续带来机遇，尤其是在设定飞机取证和使用的国际标准方面。因此应该采取强有力的行动来保持美国的这一领导地位。而NASA作为一个政府机构，有责任来维护美国的航空技术领导者地位。

一、研究背景

NRC是由美国自然科学院（NAS）、美国工程学院（NAE）和美国医学院（IM）构成的美国科学院（National Academies）的研究服务机构，是NAS和NAE向政府、公众以及科学与工程团体提供服务的首要执行机构，因此NRC的报告显然很有影响力。

《民用航空技术十年》报告的研究人员来自于美国科学院，共有研究人员超过60人，另有一些管理和工作人员。本报告的具体研究工作由NRC下属的"航空与空间工程委员会"（ASEB）负责完成，研究结果不仅仅针对NASA，也针对非NASA研究机构。美国国会的相关委员会支持开展这一研究。

本研究还指出了民用航空技术研究与其它领域（如国防、国土安全和空间）研究之间的相互促进作用。本研究的目的也是为美国政府制订参与民用航空技术的十年战略。本报告为随后进行的制订美国国家航空政策的工作提供了一个有用的基础。

二、研究内容

（1）战略目标

要求未来十年美国的民用航空R&T须有助于达到四个高度优先的战略目标并同时考虑两个优先度稍低的战略目标。四个高度优先的战略目标是：
·提高容量；
·提高安全性和可靠性；
·提高效率和性能；
·降低能耗和环境影响。
两个优先度稍低的战略目标是：
·利用与国防和国土安全研究的相互促进作用；
·支持空间项目。

（2）研究方法和结果

研究分五个领域进行，由五个研究小组分别开展：领域A，空气动力学和航空声学；领域B，推进和动力；领域C，材料和结构；领域D，动力学、导航、控制与航电系统；领域E，智能和自主系统，运筹与决策，人机一体化系统，组网和通信系统。报告认为，这些领域的进展对民用航空技术有重要的和长远的影响。

研究中采用了质量功能配置(Quality Function Deployment，QFD)方法来确定初选出的89项R&T挑战的最终排序。根据这89项R&T挑战对实现上述六项战略目标的潜力，从中产生出了51项高度优先的R&T挑战。QFD是产品设计中常用的一种群体决策方法。QFD从质量保证的角度出发，通过一定的市场调查方法获取顾客需求，并采用矩阵图解法将顾客需求分解到产品开发的各个阶段和各职能部门中，通过协调各部门的工作以保证最终产品质量，使得设计和制造的产品能真正地满足顾客的需求，并能降低产品成本，缩短产品开发周期。

具体在本研究中，6个战略目标即为顾客需求，R&T挑战即为产品。计算中，按照得分多少排出各领域中各项R&T挑战的排序，如A1为领域A中的第一优先R&T挑战；对于得分相同的R&T挑战，用a、b来区分，如B6a、B6b。

这51项高度优先的R&T挑战均匀分布在上述五个R&T领域（见表1）。

表1 51项高度优先的R&T挑战

领域A 空气动力学和航空声学

A1 新颖的推进/机体结构一体化系统性能

A2 通过转捩、边界层和分离控制提高气动性能

A3 高性能/灵活的多任务飞机的新颖气动构型

A4a 降低飞机和旋翼噪声的气动设计与流体控制方法

A4b 准确预测复杂3D构型的气动性能，包括改进的边界层转捩和紊流模型以及相关设计工具

A6 耐大气扰动和不利气象条件（如结冰）的空气动力学

A7a 能发挥编队飞行优势的气动构型

A7b 准确预测尾流涡，以及涡探测和减缓技术

A9 V/STOL和ESTOL的气动性能，包括适当的控制动力

A10 通过新颖的飞机外形修改以降低/减缓音爆的技术

A11 鲁棒的和有效率的多学科设计工具

领域B

推进和动力

B1a 静音推进系统

B1b 超洁净燃气涡轮燃烧室以降低在所有飞行段的气体和颗粒排放

B3 在维修间隔期能够自诊断和重新构型的智能发动机和机械动力系统

B4 改进的推进系统燃油经济性

B5 用于短距起飞和垂直降落的推进系统

B6a 能扩展使用包线的变循环发动机

B6b 集成动力和热管理系统

B8 用于超声速飞行的推进系统

B9 高可靠性、高性能和高功率密度飞机电力系统

B10 具有模态转换的组合循环高超声速推进系统

领域C

材料和结构

C1 综合飞行器健康管理

C2 自适应材料和变形结构

C3 多学科分析、设计和优化

C4 下一代聚合物和复合材料

C5 噪声预测和抑制

C6a 创新的高温金属和环境涂层

C6b 创新的载荷抑制，以及振动和气动稳定性控制

C8 高速旋翼机的结构创新

C9 高温陶瓷和涂层

C10 多功能材料

领域D

动力学、导航、控制与航电系统

D1 先进制导系统

D2 分布式决策，不确定性决策，飞行轨迹规划与预测

D3 基于闭环流量控制的空气动力学和飞行器动力学

D4 智能和自适应飞行控制技术

D5 容错和综合飞行器健康管理系统

D6 改进的机载气象系统和工具

D7 先进通信、导航和监视技术

D8 人机一体化

D9 合成的和增强的视景系统

D10 无人机在国家空域的安全使用

领域E

智能和自主系统，运筹与决策，人机一体化系统，组网和通信系统

E1 设计和评估复杂交互系统的方法、工具以及仿真与建模能力

E2 飞机隔离、间隔和排序的新概念和方法

E3 人工和自动化系统在隔离保证方面的合适用途，包括高度自动化隔离保证系统的可行性和优点

E4 经济可承受的新传感器、系统技术和程序以改进尾流紊流度的预测与测量

E5 能在地面和机载人机之间保证有效信息共享和协调的界面

E6 在航空运输系统的设计与仿真中包含易损性分析

E7 通过更好地利用改进的概率预测能使气象影响最小化的自适应ATM技术

E8a 透明的和协作的决策支持系统

E8b 采用使用和维修数据来评价安全性领先指标

E8c 可在有效的任务和注意力管理方面支持操作人员的界面和程序

（3）共同课题

从这51项R&T挑战中选出了涉及所有五个R&T领域的5个共同攻关课题：

Ⅰ）基于物理的分析工具。该课题的目的是使分析能力超出现有的建模和模拟能力并减少使用经验方法（如尝试法）。例如，紊流建模，该分析工具是A2、A4a、B1a、B1b等R&T挑战的关键部分。

Ⅱ）多学科设计工具。采用多学科设计工具来将高保真的分析与效率高的设计方法相结合，并包容不确定性、多目标和大型系统。许多项R&T挑战都依赖于改进的多学科设计工具，包括A1、A2、A3、A4a、B1a、B1b、B4、B8、C6b、D3、D4。

Ⅲ）先进构型。采用先进构型以超越常规技术和飞机的能力，来实现战略目标。与先进构型密切相关的R&T挑战有很多项，包括A1、A3、A4a、B3、B6a、B6b、C1、C2、D3和D4等。

Ⅳ）智能和自适应系统。采用智能和自适应系统以明显改善飞机的性能和鲁棒性，以及航空运输系统整体。与智能和自适应系统共同课题密切相关的R&T挑战也有很多项，包括A2、A4a、A7b、B3、C1、C2、C5、E1、E2和E3等。

Ⅴ）复杂交互系统。采用复杂交互系统可以更好地了解航空运输系统的特性以及改善航空运输系统性能的选择，航空运输系统本身就是一个复杂交互系统。与复杂交互系统共同课题密切相关的R&T挑战包括C1、E1、D2、E2、B3、C3、E3、E4、E6、A7b、E8a、E8b、E5和D10。

这些共同课题本身不是最终结果，它们是达到最终结果的一种手段。每一个共同课题都将提供解决上述五个R&T领域中的多项挑战的实现途径。每一个共同课题所带来的相互促进作用将使NASA的航空项目能最有效率地利用可用资源。

（4）关键障碍

即使每项R&T挑战都被成功地解决，在实现战略目标之前还必须解决两个关键的障碍，它们是：

·认证。随着系统变得越来越复杂，确保新技术能完全应用的认证方法也变得更加难以确定。NASA应该与FAA合作，研究新的认证方法以改善对认证的信心和减少认证所花费的时间。
·对内部和外部变革的管理。随着各个组成元素之间的相互作用变得更加复杂以及内部和外部约束数量的增多，变革象航空运输系统这样的复杂交互系统变得更加困难。因此需要新的工具和技术来预期和引入变革。

三、对NASA今后工作的建议

本研究指导委员会提出了8条建议，这些建议概述了优先开展民用航空技术R&T研究以及实现相应战略目标所需要采取的行动。这8条建议是：

（1） NASA应该将上述51项技术挑战作为未来十年自己民用航空技术研究项目的基础。
（2）美国政府应该将建立一个稳定的航空R&T计划列为高度优先工作，作为必要，这个计划应该向那些取得满意进展的研究项目提供十年以上的持续经费。
（3） NASA应该采用5个"共同课题"来最有效率地利用民用航空R&T资源。
（4） NASA应该支持基础研究，为新技术的实际认证标准创建基础。
（5）美国政府除开发和应用技术外还应该调整各机构的责任，以改善联邦机构的变革管理并确保安全和有效地向未来航空运输系统转换。
（6） NASA应该保证院校和工业界更多地参与其民用航空R&T计划，包括在内部研究人员与外部研究机构（工业界和院校）之间更加平衡地分配研究经费。截至2006年1月，NASA似乎仍坚持将93%（太多）的航空研究经费留给内部研究人员。
（7） NASA应该向非NASA研究人员咨询以确定可应用于关键航空R&T计划的最有效的设施和工具，应该促进合作研究以确保各项R&T计划具有最合适的研究能力，包括试验设施、计算模型与设施以及来自其它政府、工业界和学术界的智力资本。
（8）美国政府应该对机构（设置）选择方案进行一次高水平的评审以确保美国在民用航空技术的领导地位。

本报告还鼓励NASA进行下列工作：

·与其它公立和私立机构密切协调和合作，以利用政府机构和私营企业资助下的横向技术领域的成果。
·将每项新技术都开发到与之相适应的完备等级，因为工业界对继续开发新技术的兴趣随着急需程度和预期回报而变化。
·与美国防部和工业界协调，投资于与改进的地面/飞行试验设施和诊断技术相关的研究。

四、研究特点

对照2005年4月NASA下属的国家航空航天研究所（NIA）领导完成的《响应呼唤：保持美国领先的航空计划》综合研究计划报告（详见本数据库2005年9月16日文章，以下简称《美国领先》报告），来看看本报告的研究特点：

（1）与《美国领先》报告相比，本报告重点在民用航空技术，关注的时间段更长（十年）。
（2）本报告的组织完成者不属于NASA，而《美国领先》报告则由NASA下属的NIA领导完成，说明NASA在制订未来航空研究计划时是综合采纳内部和外部的多方面意见。
（3）研究中采用了现代项目咨询管理方法，即质量功能配置(QFD)方法，增强了科学性，降低了盲目性。
（4）本报告和《美国领先》报告在研究中采用了一种相同的研究模式，即先确定研究计划要满足的国家战略目标，然后围绕满足这些国家战略目标来制订航空研究计划。
（5）本研究中采取了"共同课题"的途径，形式新颖，具有可以充分利用可用资源的优点。

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