【科技动向】美刊概述下一任美国总统必须关注的九大航空航天技术领域
2016年8月26日，美国《航空周刊与空间技术》选出了下一任美国总统必须关注的九大航空航天技术领域，指出美国在这9个领域的技术必须领先于各个敌手和竞争者，并确保航空出行仍是经济上可承受又能获利的，工业界能继续赢得出口和创造工作岗位。
这9个航空航天技术领域如下。
一是高超声速（Hypersonics）。隐身使美国领先于其同等对手；速度将使美国继续保持领先。美国已在高超声速领域花费了数十亿美元，但只有很少用于展现该技术，反而让中国和俄罗斯追上来了。到了继续前进的时候了。美国不想要另一个X-30“国家空天飞机”计划，而将启动作战型吸气式高超声速导弹发展，并以一个稳健的后续规划，发展可重复使用的高超声速（速度马赫数5＋）情监侦与打击飞机所需的技术。
美国洛马公司SR-72高超声速飞机想象图。本号已多次报道和分析美国高超声速相关技术进展，最近的分析可参见8月16日廖孟豪先生在本号发表的专栏文章：“‘排空驭气奔如电，升天入地求之遍’——深度解读DARPA高超声速飞机及其动力发展构想”（点击题名可直接访问）（美国《大众科学》杂志图片）
二是自主性（Autonomy）。这并不止于无人机和机器人系统。这事关增进人类在所有领域的能力，从空域管理到空中主宰，使航空变得更加安全、更加经济上可承受，并且支撑新的使命和市场。在这个方向要少谈发展算法，这一点很大程度上留给美国企业家们独创性；这更多地事关各种大型演示，以帮助客户们、规则制定方和战士们对自主系统建立信任。
美国空军研究实验室（AFRL）在2014年11月公布的自主性路线图。可见，美国空军计划在2020年实现机器辅助的作战行动，压缩杀伤链时间，实现防御性系统管理员自主识别威胁并给出行动建议，情报分析系统融合情报数据并向人类分析员提示威胁；2030年之后实现对平台作战行动的优化，提供一体化的侦察及武器效果，确保可在“反介入/区域拒止”环境中连续执行任务。这一技术领域的整体目标则是“促成以计算的速度形成决策”（美国空军图片）
三是连通性（Connectivity）。无论是在商业领域还是战争领域，任何有关有人和无人系统一起无缝工作的愿景，都需要可以与其他海量用户安全、保密和高效分享频谱的网络。但是频谱是有限且宝贵的资源，而且美国的竞争对手们也可竞争并利用。因此，需要能够打开诸如激光通信或太赫兹等新频谱的技术，能够动态地分享空中波谱的技术。烟囱式占用频谱的日子已经屈指可数了。
美军正在实施多个与连通性相关的科研项目，其重点是对抗环境下的组网通信及高速通信。后者如美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）的“100G”项目，旨在利用对毫米波信号的高阶调制和空间复用实现100吉比特每秒的传输速率（DARPA图片）
四是推进（Propulsion）。对涡轮发动机技术持续的投资已使美国保持对竞争对手们的领先，新的高燃料效率商用涡扇发动机正在投入使用，而军用的通用自适应循环发动机正在发展之中。但是现在不是松懈的时候。民用发动机还需要更高的效率。军用动力装置还需要更好的经济可承受性和更强的能力。发动机为飞机赋能，但是它的技术发展需要数十年，因此要保持投资。
美国已实施了两个国家级推进技术计划。第一个是1987年启动的“综合高性能涡轮发动机技术”（IHPTET）计划，其目标是将推重比提升一倍，其成果支撑了F-22战斗机的F119和F-35战斗机的F135发动机；第二个是2005年启动的“通用经济可承受先进涡轮发动机”（VAATE）计划，瞄准将经济可承受性提高10倍，将大型涡扇/涡喷发动机的推重比提高100%，燃料消耗降低25%，发动机的发展、采购和寿命周期维护费用降低60%。计划在2019年完成。现在，美国国防部正在制定第三个国家级推进技术计划——“支撑经济可承受任务能力的先进涡轮发动机技术”（ATTAM）计划，该计划制定工作由AFRL牵头，已进行了一年时间，将首次包括彻底集成动力与热管理系统的内容。该计划最早将在2017年启动。上图为美国空军研究实验室对VAATE计划的简要说明，下图为该实验室准备在美国航空航天局（NASA）推进系统实验室的高空台上，利用一台F110涡扇发动机进行强行抽取兆瓦级功率的试验（AFRL、NASA图片）
五是高效率（Efficiency）。为了降低油耗或排放，航空运输领域对提升效率的要求不会减少，对发动机而言将是“没有最好，只有更好”。是时候通过各种大型演示来证实来自从新设计工具到新颖布局（亚声速的或超声速的）的一切事物的成熟度了，这样可以把商用飞机空气动力学向前推进一大步。美国航空航天局（NASA）必须投入资金，与工业界一起发展可使美国保持领先的X飞机。
美国洛马公司“混合翼身”（HWB）布局战略运输机想象图（上图）及该机采用空中加油配置、利用翼下吊舱实现双点伸缩套管（硬式）加油的想象图（下图）。洛马公司在AFRL的“高能量效率的革命性布局”（RCEE）项目中发展了该布局。按照该公司的设计，该机除采用具有很高空气动力效率的布局之外，还拟配装超高涵道比涡扇发动机，可运载美国空军当前使用C-5战略运输机才能运送的超大型货物，并且耗油率比C-17战略战术运输机可降低多达70%。2016年2月，该布局4%的缩比模型在美国航空航天局兰利研究中心的国家跨声速风洞中进行了风洞试验；按计划，2016年秋季，该公司将完成有人驾驶的HWB演示验证机的研究与分析工作。RCEE项目将在2017年结束，但美国航空航天局已将HWB布局验证机与波音公司的“翼身融合体”（BWB）布局验证机视为其下一个X飞机的竞争方案（美国洛马公司图片）
六是材料（Materials）。先进制造技术并不仅止于3D打印。从铝到钛，再到碳纤维，新材料在过去点燃了航空航天领域革命的火种。美国需要领导下一场革命，不管它是源自由纳米增强的复合材料、在原子尺度装配的新合金、生物工程学材料还是生物启发的结构。通过推进计算和建模来支撑更快的新材料认证也是关键。
DARPA正在实施“从原子到产品”（A2P）项目，其目标是开发装配尺寸接近原子的纳米级工件的技术和工艺，装配形成至少毫米级尺寸的系统、零件或材料。DARPA认为，许多常见材料在纳米级制造时会展示出独特和很不寻常物理性能，这些原子级性能具有潜在但重要的国防应用，包括量子化的电流－电压特性、极大降低熔点并具有极高的比热。现在面临的挑战是如何在较大尺寸的产品级（一般几厘米）器件和系统上保持原子级这种材料特性。A2P项目重点关注装配，其次关注纳米尺度独特特性的开发。通过A2P项目形成的系统、零件或材料将通过纳米级装配实现独特的材料性能、小型化、3D结构和异质（材料和几何形状）（DARPA图片）
七是定向能（Directed Energy）。精确制导武器曾在冷战时期赋予美国抵消苏联数量优势的能力，并使美军能够在反恐战中实施外科手术式打击。但是，它们已变成了普遍事物。现在，潜在的敌人不仅数量庞大，而且装备精良。美国需要定向能武器的精确性和近乎无限的“储弹量”，也是时候将这种武器走出实验室和实验，提供给用户用于作战评估和早期部署了。
美国弹载高功率微波战斗部技术和战术飞机机载激光武器技术正在取得突破。上图为2012年10月，采用高功率微波战斗部的AGM-86C空射巡航导弹被装入B-52H轰炸机内埋弹舱中的“通用战略武器旋转发射装置”之后，地面人员对其进行检查，这张图比我们以前发布过的更清晰和完整，而相关内容可参见本号在的详细报道：“‘闪电’猎杀：美空军轰炸机将配装采用高功率微波战斗部的巡航导弹”（点击题名可直接访问）；下图为DARPA的“高能液体激光区域防御系统”（HELLADS）项目成果配装轰炸机和战斗机，用于拦截导弹的想象图。HELLADS发射功率为150千瓦，目标质量为758千克，功率密度达到5千克每千瓦的极高水平。样机已从2015年夏季开始在新墨西哥州白沙导弹试验场进行试验，但此后再未公布任何进展（AFRL、DARPA图片）
八是可复用性（Reusability）。美国的经济和安全高度地依赖于用于通信、导航与授时、监视、广播、气象预报、资源监测的卫星。但建造并发射航天器仍是漫长且昂贵的过程，并且在轨的卫星也是潜在的脆弱资产。美国必须推动相关技术的发展，实现以快速响应、完全可复用性的方式日常化地进入空间。
DARPA正在通过“实验性太空飞机”（XS-1）项目发展可重复使用助推飞行器，目标是验证可重复使用助推飞行器按需、快速在10天内完成10次飞行，同时将一个重900磅（约400千克）的试验载荷送入轨道。DARPA还期望未来可以通过换装更大型的一次性上面级来发射3000磅左右（约1400千克左右）的轨道载荷，并将这种载荷的单次发射成本控制在500万美元（包括可重复使用助推飞行器和一次性上面级的费用）。图为参与该项目的各企业提出3种方案想象图（DARPA图片）
九是颠覆（Disruption）。我们不能预测未来，但我们可以为未来做好准备。颠覆性技术和服务是一个威胁，对于现存的行业如航空是如此，对于固定的用户们和规则制定方（如联邦航空局和国防部）也是如此。如果航空及航宇将要演进并茁壮成长，在美国的企业家们和政府的官僚体系之间建立桥梁是非常重要的。
（中航工业经济技术研究院 张洋）
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