航空航天知識技術(shù)(2)
航空航天知識技術(shù)
現(xiàn)在，美國國防部正在制定第三個國家級推進技術(shù)計劃——“支撐經(jīng)濟可承受及任務(wù)能力的先進渦輪發(fā)動機技術(shù)”(ATTAM)計劃，該計劃的制定工作由美國空軍研究實驗室(AFRL)牽頭，已進行了一年時間，將首次包括徹底集成動力與熱管理系統(tǒng)的內(nèi)容，最早將在2017年啟動。
五是高效率(Efficiency)。為了降低油耗或排放，航空運輸領(lǐng)域?qū)μ嵘实囊蟛粫p少，對發(fā)動機而言將是“沒有最好，只有更好”。美國航空航天局(NASA)會繼續(xù)投入資金，與工業(yè)界一起發(fā)展可使美國保持領(lǐng)先的X飛機。
洛馬公司在AFRL的“高能量效率的革命性布局”(RCEE)項目中發(fā)展了“混合翼身”(HWB)布局的戰(zhàn)略運輸機。按照該公司的設(shè)計，該機除采用具有很高空氣動力效率的布局之外，還擬配裝超高涵道比渦扇發(fā)動機，可運載美國空軍當前使用C-5戰(zhàn)略運輸機才能運送的超大型貨物，并且耗油率比C-17戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)運輸機可降低多達70%。
美國洛馬公司“混合翼身”(HWB)布局戰(zhàn)略運輸機想象圖(上圖)及該機采用空中加油配置、利用翼下吊艙實現(xiàn)雙點伸縮套管(硬式)加油的想象圖(下圖)
2016年2月，該布局4%的縮比模型在美國航空航天局蘭利研究中心的國家跨聲速風洞中進行了風洞試驗。按計劃，2016年秋季，該公司將完成有人駕駛的HWB演示驗證機的研究與分析工作。RCEE項目將在2017年結(jié)束，但美國航空航天局已將HWB布局驗證機與波音公司的“翼身融合體”(BWB)布局驗證機視為其下一個X飛機的競爭方案
六是材料(Materials)。先進制造技術(shù)并不僅止于3D打印。從鋁到鈦，再到碳纖維，新材料已經(jīng)點燃了航空航天領(lǐng)域革命的火種。美國希望領(lǐng)導下一場革命，不管它是源自由納米增強的復(fù)合材料、在原子尺度裝配的新合金、生物工程學材料還是生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)。通過推進計算和建模來支撐更快的新材料認證也是關(guān)鍵。
DARPA正在實施“從原子到產(chǎn)品”(A2P)項目，其目標是開發(fā)裝配尺寸接近原子的納米級工件的技術(shù)和工藝，裝配形成至少毫米級尺寸的系統(tǒng)、零件或材料。DARPA認為，許多常見材料在納米級制造時會展示出獨特和很不尋常物理性能，這些原子級性能具有重要的國防應(yīng)用潛能，包括量子化的電流-電壓特性、極大降低熔點并具有極高的比熱?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，如何在較大尺寸的產(chǎn)品級(一般幾厘米)器件和系統(tǒng)上保持這種原子級材料的特性。
A2P項目重點關(guān)注裝配，其次是納米級獨特性的開發(fā)。通過A2P項目形成的系統(tǒng)、零件或材料將通過納米級裝配實現(xiàn)獨特的材料性能、小型化、3D結(jié)構(gòu)和異質(zhì)(材料和幾何形狀)
七是定向能(Directed Energy)。精確制導武器曾在冷戰(zhàn)時期賦予美國抵消蘇聯(lián)數(shù)量優(yōu)勢的能力，并使美軍能夠在反恐戰(zhàn)爭中實施外科手術(shù)式的打擊。但是，它們已變成了普遍事物?，F(xiàn)在，在美國看來，其潛在對手不僅數(shù)量龐大，而且裝備精良。美國需要定向能武器的精確性和近乎無限的“儲彈量”，這種武器正在走出實驗室，進行作戰(zhàn)評估和早期部署。
目前，美國的彈載高功率微波戰(zhàn)斗部技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)飛機機載激光武器技術(shù)正在取得突破。以下面的兩張圖為例，上圖為2012年10月，采用高功率微波戰(zhàn)斗部的AGM-86C空射巡航導彈正在被裝入B-52H轟炸機內(nèi)埋彈艙中的“通用戰(zhàn)略武器旋轉(zhuǎn)發(fā)射裝置”。下圖為DARPA的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”(HELLADS)項目成果配裝轟炸機和戰(zhàn)斗機，用于攔截導彈的想象圖。HELLADS發(fā)射功率為150千瓦，目標質(zhì)量為758千克，功率密度達到5千克/千瓦的極高水平。該樣機已從2015年夏季開始在新墨西哥州的白沙導彈試驗場進行試驗，但此后再未公布任何進展。
八是可復(fù)用性(Reusability)。美國的經(jīng)濟和安全高度依賴用于通信、導航與授時、監(jiān)視、廣播、氣象預(yù)報、資源監(jiān)測的衛(wèi)星，但建造并發(fā)射航天器仍是漫長且昂貴的過程，并且在軌的衛(wèi)星也是潛在的脆弱資產(chǎn)。美國必須推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)以快速響應(yīng)、完全可復(fù)用性的方式日?；剡M入空間。
DARPA正在通過“實驗性太空飛機”(XS-1)項目發(fā)展可重復(fù)使用助推飛行器，目標是驗證可重復(fù)使用助推飛行器能夠在10天內(nèi)完成10次飛行，同時將一個重900磅(約400千克)的試驗載荷送入軌道。DARPA還期望未來可以通過換裝更大型的一次性上面級來發(fā)射3000磅左右(約1400千克左右)的軌道載荷，并將這種載荷的單次發(fā)射成本控制在500萬美元(包括可重復(fù)使用助推飛行器和一次性上面級的費用)。
九是顛覆(Disruption)。在美國人看來，人類雖不能預(yù)測未來，但可以為未來做好準備。顛覆性技術(shù)和服務(wù)是一個威脅，對于現(xiàn)存的行業(yè)如航空是如此，對于固定的用戶們和規(guī)則制定方(如聯(lián)邦航空局和國防部)也是如此。如果美國的航空航天能力要繼續(xù)茁壯成長，就必須在企業(yè)和政府的官僚體系之間建立橋梁。
國內(nèi)的航空航天技術(shù)
在8月28日舉辦的中國航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大會上，中航工業(yè)經(jīng)濟技術(shù)研究院科技情報專業(yè)特級專家、系統(tǒng)工程研究所總師、研究院趙群力談到了目前航空領(lǐng)域幾項顛覆性技術(shù)，這些技術(shù)能夠給航空業(yè)帶來飛躍性的進步。
“顛覆性技術(shù)”的概念最早于1995年在《哈弗商業(yè)評論》中提出，指能夠建立新技術(shù)和新市場的突變式技術(shù)。2016年國務(wù)院發(fā)布的“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃中也提到要“構(gòu)造先發(fā)優(yōu)勢”，重視顛覆性技術(shù)的作用。趙群力表示，顛覆性技術(shù)風險高，研發(fā)周期長，但卻是航空裝備升級換代的決定性力量。
一、高超音速技術(shù)
高超音速指物體的速度超過5倍音速。高超音速飛行器采用的超音速沖壓發(fā)動機被認為是繼螺旋槳和噴氣推進之后的“第三次動力革命”。美國、俄羅斯、法國、日本、印度等國正不斷開展實驗。
2013年，美國軍方最新研發(fā)的實驗型高超音速飛機X-51A以5倍多音速的速度飛行了3分多鐘;2014年，美國國防部先進研究項目局(DARPA)啟動了“高超音速吸氣式武器概念(HAWC)”和“戰(zhàn)術(shù)助推滑翔系統(tǒng)(TBG)”這兩個項目，將于2018年或2019年進行測試。
高超音速技術(shù)將主要用于運輸、攻擊、ISR、進入空間等。預(yù)計2020年，美軍可掌握高超聲速導彈的技術(shù);2030年掌握有限用途和使用次數(shù)的高超聲速飛機技術(shù);2040年掌握可多次、長時間使用高超聲速飛機技術(shù)。
二、無人機技術(shù)
這個無人機絕不是僅僅指目前網(wǎng)上有出售的那些遙感小型無人機，這項技術(shù)在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。
2016年6月，美國辛辛那提大學開發(fā)的“阿爾法”(ALPHA)智能超視距空戰(zhàn)系統(tǒng)通過了專家評估，并在空戰(zhàn)模擬器環(huán)境下，擊敗了有著豐富經(jīng)驗的退役美國空軍上校吉恩·李。
三、變體飛機技術(shù)
變體飛機，既變形飛機，指飛行器在飛行過程中可以改變形狀，有效地實現(xiàn)外形的分布式連續(xù)式變形，以適應(yīng)寬廣變化的飛行環(huán)境，完成各種任務(wù)使命。
2015年5月，美國柔性系統(tǒng)公司(FlexSys)的分布式柔性變形機翼技術(shù)取得重大進展，使用這種技術(shù)的變形襟翼在“灣流”III飛機上的偏轉(zhuǎn)角(固定設(shè)置)達到預(yù)期的30度，并成功驗證了飛行性能。
四、高速直升機技術(shù)
高速直升機是指保留直升機的飛行特征，且巡航速度達到400至500千米每小時的直升機，運輸效率和機動性優(yōu)越。目前直升機的巡航速度一般為每小時200至300千米。美國從20世紀五六十年代開始探索高速直升機，歐洲、俄羅斯也在積極推進。
最新進展中，值得關(guān)注的有西科斯基、貝爾直升機公司以及極光公司的三個方案。
上圖第一幅顯示的是西科斯基/波音的SB-1方案。該直升機最大起飛重量約為13.6噸，可在高溫、高原環(huán)境下搭載4名機組成員和12名全副武裝的士兵，最大飛行速度能夠達到250節(jié)(463千米/時)。預(yù)計將在2016年晚些時候開始總裝，2017年下半年完成首飛。
第二大方案是貝爾直升機公司V-280方案(上圖)，采用傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計，設(shè)計速度達280節(jié)，航程800海里，可乘坐4名機組人員及14名武裝人員，有效載荷為12000磅，計劃2017年首飛。
極光公司的“雷擊”方案(上圖)，設(shè)計的持續(xù)飛行速度達到556-741千米/小時，懸停效率不低于75%;巡航狀態(tài)升阻比不低于10，有用載重(燃油和有效載荷)不低于總重的40%，有效載荷不低于總重的12.5%。
五、偽衛(wèi)星技術(shù)
偽衛(wèi)星技術(shù)可以使對位置測算的精確度更高，負責實時接收GPS信號并測出偽距誤差，把誤差數(shù)據(jù)提供給本地用戶，用戶則以此更正自己測得的偽距，使計算出的位置精度更高。
目前的方案包括英國“西風”太陽能無人機，巡航高度為7萬英尺(21336米)，續(xù)航時間可達3月，可攜帶有效載荷5公斤。據(jù)說英國國防部已經(jīng)訂購了兩架，計劃2016年首飛。
美國的“禿鷹”太陽能無人機概念方案中，無人機能攜帶1000磅、5千瓦的載荷，最長可以在空中連續(xù)工作5年，但由于技術(shù)難度太大，項目已經(jīng)終止。
六、空基發(fā)射航天器技術(shù)
1990年代，軌道科學公司就改裝了洛克希德公司(現(xiàn)洛克希德·馬丁公司)研制的三發(fā)動機寬體噴氣式客機L-1011，來發(fā)射“飛馬座”火箭，其近地軌道運載能力443kg，成功發(fā)射過幾十次。
2002年，DARPA啟動“空中發(fā)射輔助太空進入(ALASA)”項目，目標是在24小時內(nèi)將100磅衛(wèi)星發(fā)射進入地球低衛(wèi)星軌道，而且每次發(fā)射成本不超過100萬美元。
七、分布式電推進技術(shù)
分布式混合電推進系統(tǒng)，是指通過傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機為分布在機翼和機身的多個電機/風扇提供電力，并由電機驅(qū)動風扇提供絕大多數(shù)或全部的推力的新型推進系統(tǒng)。
這項技術(shù)的最大優(yōu)勢是能極大地降低推進系統(tǒng)燃油消耗量和各種排放，并且減少噪聲，對商用或軍用飛機都有應(yīng)用價值。歐洲、美國政府都將分布式混合電推進系統(tǒng)視為潛力技術(shù)，在2030年后投入使用。
NASA的X-57分布式電推進技術(shù)驗證機將在2017年首飛。空客已經(jīng)開始研究基于分布式混合電推進系統(tǒng)的翼身融合飛機方案。
八、機載激光武器技術(shù)
1990年代，美國空軍啟動了基于氧碘激光器的ABL和ATL機載激光武器研究計劃，用于戰(zhàn)區(qū)彈道導彈助推段防御及其他戰(zhàn)術(shù)目標防御，具有反衛(wèi)星能力。2010年，由于試驗未達到預(yù)期目標，以及使用維護上的諸多困難，空軍停止了這項計劃。盡管如此，美國在目標搜索與跟蹤、激光大氣傳輸補償、抖動控制和高能激光束管理等方面取得了重要進展。
九、計算材料技術(shù)
材料對航空設(shè)備的更新與完善至關(guān)重要。計算材料技術(shù)的主要用途是，可以通過理論模型和計算，預(yù)測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能，從而大幅提高新材料的研發(fā)效率，并且可以按照特定的要求設(shè)計出滿足工程需要的特種材料和超材料。
其關(guān)鍵技術(shù)是材料建模技術(shù)、材料仿真技術(shù)、材料數(shù)據(jù)庫。2011年，奧巴馬政府曾正式?jīng)Q定進行材料基因組計劃，目標是將新材料的研發(fā)周期縮短一半。
美國奎斯泰克(Questek)公司已經(jīng)使用計算材料技術(shù)開發(fā)新型材料。2014年，該公司開發(fā)出多種高性能結(jié)構(gòu)鋼且在飛機上得到應(yīng)用。
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