航空霸業(yè)的幕后英雄

王元元

從1915年3月成立NACA（NASA的前身）算起，NASA的航空研究已經(jīng)走過(guò)了100個(gè)年頭。100年來(lái)，美國(guó)乃至世界航空技術(shù)進(jìn)步的背后幾乎都有NASA的影子，NASA對(duì)現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，為美國(guó)確立在航空領(lǐng)域的領(lǐng)先地位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

NASA航空研究的定位

NASA（美國(guó)航空航天局）是美國(guó)政府研發(fā)機(jī)構(gòu)中最主要的航空航天科研機(jī)構(gòu)，它的三大戰(zhàn)略目的是：

1）擴(kuò)大空間知識(shí)、能力和機(jī)會(huì)的邊界；

2）提高對(duì)地球的認(rèn)識(shí)，開(kāi)發(fā)技術(shù)改善生活質(zhì)量；

3）為美國(guó)民眾服務(wù)，通過(guò)有效管理美國(guó)公民、技術(shù)能力和基礎(chǔ)設(shè)施完成使命。

NASA以民用航空航天科研為主，負(fù)責(zé)計(jì)劃、執(zhí)行和管理民用航空航天的研究與發(fā)展活動(dòng)。除了民用航空航天的研究與發(fā)展外，該局通常與國(guó)防部一起，對(duì)軍用航空航天研究與發(fā)展計(jì)劃提供資金和技術(shù)成果，與陸、海、空軍有共同的合作計(jì)劃。

在航空研究方面，NASA有著悠久的歷史。NASA的前身就是1915年3月由國(guó)會(huì)批準(zhǔn)成立的NACA（國(guó)家航空咨詢(xún)委員會(huì)），在1958年以前，NACA主要開(kāi)展航空技術(shù)的研究，為美國(guó)乃至全世界航空技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮了重要的作用。直到1958年，美國(guó)人為加速實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星方面趕上前蘇聯(lián)的計(jì)劃，才將NACA改組為NASA，開(kāi)始將航空航天技術(shù)一起上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面上部署研究計(jì)劃。2006年，NASA根據(jù)形勢(shì)變化又專(zhuān)門(mén)設(shè)立了航空研究任務(wù)事務(wù)部（ARMD），提高了對(duì)航空基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的重視程度。

ARMD的研究直接支撐美國(guó)國(guó)家航空研究與發(fā)展政策以及相應(yīng)的總統(tǒng)在2006年12月20日簽署的13419號(hào)行政命令，還有2007年12月發(fā)布的國(guó)家航空研究與發(fā)展規(guī)劃以及相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，以及2010年2月進(jìn)行的規(guī)劃更新。

ARMD主要開(kāi)展高質(zhì)量、前沿的研究，包括跨越大范圍的航空核心競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)研究，這些基礎(chǔ)研究支持了航空和空間探索活動(dòng)；還包括涉及先進(jìn)飛機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域研究，這些關(guān)鍵領(lǐng)域包括飛機(jī)安全、環(huán)境適應(yīng)性和燃油效率等；NASA還開(kāi)展相關(guān)環(huán)境中的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)評(píng)估以及同F(xiàn)AA合作開(kāi)展下一代空中運(yùn)輸系統(tǒng)（NextGen）的研究；此外，ARMD正在尋找一種同其他機(jī)構(gòu)，尤其是國(guó)防部一起管理國(guó)家研究、開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)和評(píng)估（RDT&E）基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)作方法。

NASA航空研究的歷史貢獻(xiàn)

自從NASA成立以來(lái)，開(kāi)展了大范圍的航空技術(shù)研究，研究對(duì)象涵蓋軍民用領(lǐng)域的各類(lèi)飛行器，研究類(lèi)型包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和演示驗(yàn)證（包括一批X系列飛行驗(yàn)證機(jī)）。這些領(lǐng)域的研究成果已經(jīng)大量在商用飛機(jī)、通用飛機(jī)、旋翼機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用，成為當(dāng)今先進(jìn)飛行器的技術(shù)特征。

以商用飛機(jī)為例，NASA研究成果的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.計(jì)算流體力學(xué)（CFD）

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，NASA開(kāi)始開(kāi)發(fā)能夠用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜的計(jì)算程序，比如氣流流過(guò)飛機(jī)機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)或者燃油流過(guò)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)。

那些想法和程序最終成了CFD，而CFD目前已經(jīng)發(fā)展成為研究流體動(dòng)力學(xué)和開(kāi)發(fā)新飛機(jī)的至關(guān)重要的工具。CFD能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)和測(cè)試幾乎任何類(lèi)型的飛機(jī)大大節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

2.機(jī)載風(fēng)切變探測(cè)

在20世紀(jì)80到90年代，NASA領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)大范圍的關(guān)于風(fēng)切變的特點(diǎn)、危害性以及在飛行中的進(jìn)行探測(cè)的研究工作。今天，民航飛機(jī)上都安裝了前視傳感器以提醒飛行員避免進(jìn)入風(fēng)切變區(qū)域。

3.數(shù)字電傳

在20世紀(jì)60到70年代，NASA進(jìn)行了數(shù)字電傳系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。數(shù)字電傳系統(tǒng)采用數(shù)字計(jì)算機(jī)和電纜將飛控信號(hào)從飛行員處傳遞到舵面處從而進(jìn)行飛機(jī)的控制，它取代了更重的、可靠性更低的液壓系統(tǒng)。電傳飛控系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于軍民用飛機(jī)和航天飛機(jī)上。

4.渦輪—?dú)鈴棾绦?/p>

在20世紀(jì)90年代，NASA開(kāi)發(fā)了一個(gè)模擬噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣動(dòng)彈性問(wèn)題的二維計(jì)算程序。這些氣動(dòng)彈性問(wèn)題包括可能導(dǎo)致葉片失速或者破壞的顫振以及疲勞等現(xiàn)象。

工程師們可以利用這個(gè)渦輪—?dú)鈴棾绦驗(yàn)榻裉斓膰姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)更輕、更薄、速度更快的渦輪葉片，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效率、低排放、低噪聲的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5.空中交通管理

在過(guò)去幾十年，NASA已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多空中交通管理模擬工具，包括：

·中心塔康自動(dòng)化系統(tǒng)（CTAS）——1990s

CTAS是NASA開(kāi)發(fā)的為空中交通管制員提供信息的一套軟件工具。

·交通管理顧問(wèn)（TMA）——1990s

TMA是NASA開(kāi)發(fā)的幫助空中管制員在高峰時(shí)期合理安排航班安全降落的軟件。

·機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面管理系統(tǒng)（SMS）——2000s

SMS是NASA開(kāi)發(fā)的為管制員提供飛機(jī)著陸或者到達(dá)機(jī)庫(kù)門(mén)口時(shí)間信息的軟件。

·未來(lái)空中交通管理概念評(píng)估工具（FACET）-2000s

FACET繪制了成千上萬(wàn)條航線以改善美國(guó)國(guó)內(nèi)的空中交通流量。

6.閃電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

在20世紀(jì)70到80年代，NASA針對(duì)飛機(jī)的雷擊發(fā)生條件和雷擊的危害進(jìn)行了大量的研究和飛行試驗(yàn)。NASA對(duì)閃電、雷擊的知識(shí)積累成為改善飛機(jī)電子和航電系統(tǒng)閃電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

7.NASA結(jié)構(gòu)分析程序（NASTRAN）

在20世紀(jì)60年代，NASA同工業(yè)界合作開(kāi)發(fā)了一款通用結(jié)構(gòu)分析軟件，航空航天工程師們可以使用該軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析，包括所有類(lèi)型的航空飛行器和航天飛機(jī)。今天，NASTRAN已成為一款計(jì)算機(jī)輔助工程結(jié)構(gòu)分析的“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”軟件工具。

8.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)70年代，NASA首先同工業(yè)界合作進(jìn)行高強(qiáng)度、非金屬材料研究，以探討替代飛機(jī)上較重的金屬材料的可能性。逐漸地，復(fù)合材料開(kāi)始在飛機(jī)尾翼、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、整流罩和機(jī)身上有所應(yīng)用，它能夠降低空機(jī)重量和改善總體性能。

9.玻璃化座艙

在20世紀(jì)70到80年代，NASA開(kāi)創(chuàng)并測(cè)試了先進(jìn)駕駛艙布局概念，這種概念采用平板數(shù)字顯示替代了傳統(tǒng)的機(jī)械化儀表刻度盤(pán)顯示模式。平板數(shù)字化顯示更加有效，能夠?yàn)轱w行機(jī)組人員提供更加綜合、更容易理解的圖像等飛機(jī)狀態(tài)信息。

玻璃化座艙在今天的民用飛機(jī)、軍用飛機(jī)和通用飛機(jī)上廣泛使用，同時(shí)也應(yīng)用于NASA的航天飛機(jī)機(jī)隊(duì)中。

10.面積律

在20世紀(jì)50年代，NASA的科學(xué)家理查德·惠特科姆發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于氣動(dòng)問(wèn)題挑戰(zhàn)的關(guān)鍵解決方案。其中，最具革命性的解決方案之一就是“面積律”。采用面積律設(shè)計(jì)的飛機(jī)避免了氣流流經(jīng)機(jī)體過(guò)程中產(chǎn)生了突變和翼身結(jié)合部引起的阻力增加。

面積律的成功應(yīng)用使得幾十年來(lái)高速飛行變得更加高效。

11.損傷容限風(fēng)扇機(jī)匣

21世紀(jì)初，NASA開(kāi)始進(jìn)行低成本渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的前沿研究，希望能夠研制出更輕、同時(shí)能夠抵御葉片包容性失效的風(fēng)扇機(jī)匣。

最終的解決方案是采用編制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)風(fēng)扇機(jī)匣，它能夠減低發(fā)動(dòng)機(jī)重量、增加安全性和提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性。

12.噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，NASA改善了與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒有關(guān)的清潔燃燒技術(shù)，降低了有害燃燒物的排放。

13.發(fā)動(dòng)機(jī)V型噴口

從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，NASA利用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)了最新的發(fā)動(dòng)機(jī)V型噴口，該型噴口呈非對(duì)稱(chēng)的扇形形狀，應(yīng)用在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

NASA和工業(yè)界共同開(kāi)展的地面和飛行測(cè)試表明，新型V型噴口可以降低客艙和地面的噪聲等級(jí)。V型噴口在今天許多飛機(jī)上都有應(yīng)用，包括新的波音787飛機(jī)。

14.超臨界翼型

在20世紀(jì)60到70年代，NASA科學(xué)家理查德·惠特科姆領(lǐng)導(dǎo)了一批研究人員開(kāi)發(fā)和測(cè)試了一系列具有獨(dú)特形狀的翼型，這些翼型應(yīng)用在亞聲速飛機(jī)上可以改善飛機(jī)的升阻特性。

這些獨(dú)特形狀的翼型最終發(fā)展成為“超臨界翼型”，它們應(yīng)用在機(jī)翼上后大大改善了飛機(jī)的巡航效率。

15.結(jié)冰探測(cè)

從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，F(xiàn)AA要求NASA對(duì)危險(xiǎn)的、當(dāng)時(shí)尚未理解的被稱(chēng)為“大尺寸超冷水滴（SLD）”的結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)行研究。

NASA的飛行試驗(yàn)結(jié)果被整理錄入大型數(shù)據(jù)庫(kù)以改善天氣預(yù)測(cè)模型和SLD探測(cè)儀器的研制。

16.翼梢小翼

在20世紀(jì)70到80年代，NASA的研究推動(dòng)了翼梢結(jié)構(gòu)向垂直方向延伸（翼梢小翼）以降低氣動(dòng)阻力而取代了一味增加翼展的傳統(tǒng)做法。翼梢小翼有助于增加飛機(jī)航程和降低燃油消耗。

首先應(yīng)用翼梢小翼的是通用飛機(jī)。在20世紀(jì)80年代，波音生產(chǎn)的747-400商用噴氣飛機(jī)采用了翼梢小翼，增加了飛機(jī)航程。

17.跑道刻槽

在20世紀(jì)60年代，NASA設(shè)想并開(kāi)發(fā)了一種方法，在跑道刻上橫向溝槽以排出跑道積水。在20世紀(jì)80年代，NASA進(jìn)行了上千次的飛機(jī)和地面車(chē)輛的滑跑測(cè)試，結(jié)果證明刻槽跑道表面具有更好的摩擦特性。

因此，刻槽跑道幫助飛機(jī)在雨、雪或冰覆蓋跑道上安全著陸。今天，NASA的跑道刻槽方法已經(jīng)在美國(guó)軍事基地的飛機(jī)跑道、高速公路，甚至是游泳池露天平臺(tái)、操場(chǎng)和煉油廠地板上有所應(yīng)用。

18.風(fēng)洞

早在20世紀(jì)30年代，NASA的前身——NACA（國(guó)家航空咨詢(xún)委員會(huì)）建造并運(yùn)行了一批風(fēng)洞設(shè)施，這些風(fēng)洞在美國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)歷史中起到了舉足輕重的作用。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，NASA擴(kuò)大了風(fēng)洞的規(guī)模，建成了成套的基礎(chǔ)設(shè)施，它將繼續(xù)開(kāi)展基礎(chǔ)性的試驗(yàn)測(cè)試工作，包括穩(wěn)定性與控制、空中結(jié)冰、失速避免、推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)體開(kāi)發(fā)、顫振避免和降噪等。

正如前文所述，NASA對(duì)美國(guó)航空科技的推動(dòng)無(wú)處不在，某種程度上說(shuō)是它成就了美國(guó)第一個(gè)航空百年的輝煌歷史。如今，隨著全球范圍內(nèi)日益增加的流動(dòng)性需求，可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)以及信息、通信和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)等因素的影響，航空業(yè)將面臨新一輪的技術(shù)變革。在這個(gè)關(guān)鍵的歷史轉(zhuǎn)折期，NASA及時(shí)根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整了它的航空研究戰(zhàn)略，聚焦于解決民用航空未來(lái)20-40年可能面臨的全球性挑戰(zhàn)，并且正在考慮將曾經(jīng)的“從實(shí)踐中學(xué)習(xí)”的X系列驗(yàn)證機(jī)文化重新帶回航空領(lǐng)域，未來(lái)NASA將如何繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)保持航空科技的霸主地位我們將拭目以待。