GOTChA方法在美國空天動力發(fā)展的應(yīng)用研究

■ 王巍巍 李茜 /中國航發(fā)渦輪院

空天動力是實現(xiàn)空天一體、攻防兼?zhèn)?、全域打擊、雷霆出擊作?zhàn)戰(zhàn)略的驅(qū)動力，能夠使飛行器具備全球到達、全球打擊和全球機動的能力，是軍事強國競相研發(fā)的重點，是占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點的殺手锏。美國高度重視空天動力的發(fā)展，從20世紀60年代開始，先后開展了40多個科研發(fā)展計劃。這些計劃是基于什么目標開展的、這些計劃彼此之間是如何續(xù)接的？

美國在空天動力領(lǐng)域的研究工作普遍采用了被稱作GOTChA的方法，GOTChA是由頂層目標（goals）、分目標（objectives）、技術(shù)挑戰(zhàn)（technical challenges）和技術(shù)途徑（approaches）的首字母縮寫構(gòu)成。該方法最早應(yīng)用在美國航空航天領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃中，由于應(yīng)用效果顯著，后來被美國國防部（DoD）、能源部（DoE）和國家航空航天局（NASA）等廣泛推廣應(yīng)用于各種發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和技術(shù)開發(fā)計劃的管理上。

圖1 GOTChA方法架構(gòu)圖

GOTChA方法基本架構(gòu)

GOTChA方法的核心是頂層目標至上，所有科技活動的開展都是為了實現(xiàn)頂層目標，所有管理步驟都以它為中心, 其架構(gòu)如圖1所示。分目標是從頂層目標分解下來的子目標，是實現(xiàn)頂層目標不可分割的組成部分。技術(shù)挑戰(zhàn)是實現(xiàn)頂層目標可能遇到的困難和瓶頸問題。而實施途徑則是針對這些問題，有的放矢地提出解決方法。GOTChA方法在頂層目標分解過程中是自上而下，層層分解，但在具體實施過程中是自下而上，逐級實現(xiàn)。通過采用GOTChA方法可以把底層的科技活動與最頂層的目標緊密相連，做到目標牽引，聚焦核心。

頂層目標牽引

美國從20世紀80年代至今的典型空天計劃如圖2所示。這些計劃按照近期、中期和遠期應(yīng)用目標逐步推進，層層突破，滾動式發(fā)展。 通過采用GOTChA方法的梳理，可以發(fā)現(xiàn)這些計劃的發(fā)展脈絡(luò)和實現(xiàn)途徑，了解到長遠的戰(zhàn)略目標與當下的科研活動的關(guān)系，進一步確認頂層目標和底層科研活動的關(guān)聯(lián)性。通過采用這個方法還能夠追根溯源，找到科技活動的終極目標。

美國國家綜合科技發(fā)展和驗證（NAI）計劃是GOTChA方法應(yīng)用的典型案例，如圖3所示。NAI計劃是由DoD和NASA聯(lián)合推出的國家級大型科技發(fā)展計劃，其頂層目標是“高速飛行、全球打擊和空天一體”，旨在通過該計劃的實施產(chǎn)生對美國國防安全發(fā)揮重大作用的尖端技術(shù)。為實現(xiàn)頂層目標，分解出3大關(guān)鍵領(lǐng)域，分別是高速高超聲速（high-speed/hypersonics）[1]、進入太空（space access）和空間技術(shù)（space technology），通過實現(xiàn)這3個分目標來支撐頂層目標的實現(xiàn)。每一個分目標的實現(xiàn)，又牽引出一系列子規(guī)劃和關(guān)鍵技術(shù)項，每一個子規(guī)劃都是圍繞實現(xiàn)頂層目標需要的關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)。

高速高超聲速飛行是在NAI計劃頂層目標牽引出的子目標，在具體實施過程中，按照GOTChA方法把高速高超聲速飛行作為頂層目標來牽引關(guān)鍵技術(shù)和梳理面臨的挑戰(zhàn)與問題。在高速飛行這個目標的牽引下，確定出高速渦輪發(fā)動機、渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動機、碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機等推進技術(shù)是實現(xiàn)高速飛行的關(guān)鍵技術(shù)。而高速渦輪發(fā)動機作為高超聲速飛行頂層目標分解出的子目標，其目標的實現(xiàn)又通過綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)（IHPTET）計劃、通用經(jīng)濟可承受先進渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃和高速渦輪發(fā)動機驗證機（HiSTED）計劃等的開展來持續(xù)推動（見圖4）。

圖2 美國在空天動力領(lǐng)域開展的研發(fā)計劃

圖3 GOTChA方法在NAI計劃中的應(yīng)用

通過GOTChA方法對NAI計劃的梳理可以看出，在頂層目標的牽引下，分解出若干個分目標，每一個分目標的實現(xiàn)都面臨技術(shù)挑戰(zhàn)和難點，為突破這些難點需要若干技術(shù)來實現(xiàn)。而每一個關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的同時又可以按照GOTChA方法來梳理出自己的分目標，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決問題的途徑。從這種環(huán)環(huán)相扣的技術(shù)路線梳理不難看出，采用GOTChA方法管理頂層規(guī)劃思路清晰、邏輯縝密，每一個分目標都是為頂層目標做貢獻，每一個分目標還可以作為下一級的頂層目標來實施，層層分解落實，牽引出的每一個項目或者技術(shù)都是在為最頂層目標做貢獻，都是為實現(xiàn)頂層目標服務(wù)。由此不難發(fā)現(xiàn)，美國在空天動力領(lǐng)域?qū)嵤┑谋姸嘤媱澏际菄@最頂層戰(zhàn)略目標而開展的，所有的科研計劃都是在頂層目標的牽引下推出的，而大型計劃的頂層戰(zhàn)略目標則是從DoD的戰(zhàn)略需求提取的，由軍方、科研機構(gòu)和企業(yè)聯(lián)合制訂的。

圖4 GOTChA管理方法中頂層目標的牽引性示例

圖5 GOTChA方法梳理的NASP計劃

技術(shù)途徑的選擇

長期以來，美國在空天動力領(lǐng)域的頂層規(guī)劃都是圍繞著高速飛行、全球打擊和空天一體這個頂層目標來開展的，為此推出了一系列的計劃，這些計劃通過滾動推進、交叉開展，不斷修正技術(shù)途徑，最終達到頂層目標。通過采用GOTChA方法對美國空天動力領(lǐng)域開展的美國國家空天飛機（NASP）計劃、高超聲速技術(shù)（HyTech）計劃和超級飛行（Hyper-X）計劃等的梳理，闡釋在頂層目標牽引下，技術(shù)途徑是如何不斷更改、修正或者補充完善的。綜上所述，美國在空天領(lǐng)域的計劃都是在頂層目標牽引下開展的，但具體實施需要自上而下分解。在分解子目標時，如果由于認知不足、基礎(chǔ)科研技術(shù)成熟度不高、技術(shù)途徑走不通，無法實現(xiàn)頂層目標時就需要實時地重新選擇子目標，重新梳理問題，重新選擇技術(shù)途徑，重新確定關(guān)鍵技術(shù)。例如，NASP是1985年由DoD與NASA共同制訂的，是在高速飛行、全球打擊和空天一體的戰(zhàn)略目標牽引下開展的，目標是研發(fā)馬赫數(shù)（Ma）15的氫燃料超燃沖壓發(fā)動機，使X-30飛機實現(xiàn)單級入軌，如圖5所示。

NASP計劃在執(zhí)行了大約10年的時間后被迫終止了，其中最主要的原因之一是技術(shù)途徑的選擇不合理。當時選擇的是Ma15的碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機，基于當時的科技基礎(chǔ)很難達到這么高的飛行速度。DoD很快糾正了錯誤的技術(shù)路線，在1995年啟動了HyTech計劃。該計劃作為頂層目標的分目標，吸取了NASP計劃失敗的教訓，把速度范圍降低到Ma4 ～8，動力形式也調(diào)整為碳氫燃料雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機，如圖6所示。

圖6 GOTChA方法梳理的HyTech計劃

圖7 GOTChA方法梳理的Hyper-X計劃

HyTech計劃成功驗證了馬赫數(shù)降低后的超燃沖壓發(fā)動機的可行性，積累了豐富的地面試驗數(shù)據(jù)。在該計劃執(zhí)行過程中，通過開展大量地面試驗認識到，超燃沖壓發(fā)動機的全面技術(shù)驗證僅靠地面試驗是不行的，需要更多飛行驗證，因此在1996年啟動了Hyper-X。該計劃推出了X-43A、X-43B、X-43C和X-43D等4型飛行器，用于對空天動力技術(shù)進行飛行驗證，如圖7所示。在Hyper-X計劃下， X-43A飛行器飛行試驗的成功，標志著超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)從實驗室研究階段走向工程研制階段。同時在該計劃框架下還探索了其他動力形式，如TBCC發(fā)動機和火箭基組合循環(huán)（RBCC）發(fā)動機，拓寬了實現(xiàn)高超聲速飛行的技術(shù)途徑。

通過這幾個案例的梳理，可以看出每一個子計劃是如何圍繞頂層目標來確定技術(shù)途徑的。技術(shù)途徑的選擇是為實現(xiàn)頂層目標服務(wù)的，如果這個技術(shù)途徑選擇得不合理，頂層目標就不容易實現(xiàn)，因此需要不斷對技術(shù)途徑進行調(diào)整。但每一次的調(diào)整也不是對之前完成工作的全面否定，而是批判性繼承。像NASP計劃雖然失敗了，但該計劃在超燃沖壓發(fā)動機地面試驗上做了一些工作，尤其是試驗設(shè)備的建設(shè)上，為后續(xù)的HyTech計劃開展地面試驗提供了條件。Hyper-X是在HyTech計劃執(zhí)行過程中推出的，是前者在推進過程中對實現(xiàn)頂層目標的技術(shù)途徑有了更進一步的認識，對技術(shù)途徑進行了補充與完善。

通過采用GOTChA方法對這些計劃的梳理可以看出，美國在空天動力領(lǐng)域技術(shù)途徑的確定不是一蹴而就的，是不斷地調(diào)整和修正的。采用GOTChA方法對這些計劃的發(fā)展進行研究，進一步了解到美國在空天領(lǐng)域開展的所有計劃都是在頂層目標牽引下開展的，都是為了推進頂層目標的實現(xiàn)。不論技術(shù)途徑如何更迭替換，頂層的目標卻巋然不動。也就是說，國家從戰(zhàn)略高度確定的頂層目標不會輕易更改，而實現(xiàn)的技術(shù)途徑要隨著基礎(chǔ)研究和科技發(fā)展的速度不斷優(yōu)化選擇。

圖8 關(guān)鍵技術(shù)識別路線圖

關(guān)鍵技術(shù)的識別

通常在開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)時，很難直接把該技術(shù)與頂層目標的關(guān)系梳理清晰，而GOTChA方法則能夠建立起關(guān)鍵技術(shù)與頂層目標的直接關(guān)系，通過該方法遞進式的梳理，識別出哪些關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)頂層目標所必需的。識別關(guān)鍵技術(shù)需要有目標來牽引，而GOTChA方法的核心正是目標牽引，在頂層目標牽引下，分解出各個層級的目標，而每一個層級目標的實現(xiàn)都面臨很多挑戰(zhàn)和具體問題，這樣一來，就牽引出一系列關(guān)鍵技術(shù)群來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)和問題。

以TBCC發(fā)動機為例，進一步說明關(guān)鍵技術(shù)的識別思路。TBCC發(fā)動機作為能夠?qū)崿F(xiàn)高超聲速飛行的關(guān)鍵動力系統(tǒng)之一，支撐其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)主要有低速段動力技術(shù)、高速段動力技術(shù)和模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)等。低速段動力發(fā)展需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)有超級燃燒室技術(shù)、超級冷卻技術(shù)、射流預(yù)冷技術(shù)和推力提升技術(shù)等。通過采用GOTChA架構(gòu)，可以看出TBCC不是作為單一的技術(shù)在發(fā)展，它是頂層規(guī)劃下牽引出的關(guān)鍵技術(shù)群之一。TBCC技術(shù)一方面是美國國家級頂層規(guī)劃核心目標牽引出的關(guān)鍵技術(shù)，另一方面自身的發(fā)展又牽引出一系列關(guān)鍵技術(shù)群。采用GOTChA這種架構(gòu)能夠有針對性地識別出關(guān)鍵技術(shù)，不攻克這些關(guān)鍵技術(shù)，TBCC的研制就不能向前推進，頂層目標就不能實現(xiàn)。圖8用TBCC發(fā)動機的發(fā)展來演示關(guān)鍵技術(shù)的識別和技術(shù)攻關(guān)的支撐計劃。

在科研實踐中，關(guān)鍵技術(shù)的識別往往缺少牽引，也很難把關(guān)鍵技術(shù)的突破與頂層目標的實現(xiàn)建立聯(lián)系，在缺少牽引的情況下確定出的關(guān)鍵技術(shù)可能并不是實現(xiàn)頂層目標所需要的，而為實現(xiàn)頂層目標所需要的關(guān)鍵技術(shù)又沒有識別出來，而采用GOTChA方法來管理發(fā)展規(guī)劃，通過頂層目標的牽引、分目標的梳理，技術(shù)挑戰(zhàn)的推斷，有助于識別出關(guān)鍵技術(shù)。

啟示

通過GOTChA方法在美國空天動力技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的案例，清晰地看出所有的科研活動都應(yīng)聚焦到核心目標上，所有的科研活動都是在頂層目標的牽引下開展，所有的研究方向都是為頂層目標服務(wù)，所有的關(guān)鍵技術(shù)都是圍繞頂層目標梳理。而分目標的確定、技術(shù)途徑的選擇和關(guān)鍵技術(shù)的識別都與頂層目標緊密相關(guān)；由此也可以看出GOTChA方法強調(diào)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，強調(diào)繼承性發(fā)展，注重上下聯(lián)動；每一個技術(shù)途徑的選擇都是基于對前序技術(shù)途徑失敗教訓的借鑒和成功經(jīng)驗的繼承，每一個關(guān)鍵技術(shù)的識別都是有的放矢，都是實現(xiàn)目標所必需的。目前，我國正處于“十四五”規(guī)劃論證與編制的關(guān)鍵階段，建議參考GOTChA方法來梳理發(fā)展思路，選擇發(fā)展途徑和識別關(guān)鍵技術(shù)。