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  • 来源:数字光魔
  • 发布时间:2019-11-05 09:20


       据澎湃新闻9月16日报道,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竞争者,并确保航空飞行仍是经济上可承受且又能获利的,工业界能继续赢得出口并创造工作岗位。那么,这9个航空航天技术领域分别是什么呢?

一是高超声速(Hypersonics)。隐身已经使美国领先于其同等对手,而速度将使美国继续保持领先地位。美国已在高超声速领域花费了数十亿美元,但却让中国和俄罗斯追上来了。因此,美国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。

二是自主性(Autonomy)。自主性事关人类在所有领域的能力的提升,从空域管理到空中主宰,航空会变得更加安全、经济上更为可承受,并且支撑新的使命和市场需求。

由下图可见,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年后,将实现对平台作战行动的优化,确保其可在“反介入/区域拒止”环境中连续执行任务。

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,美国认为需要开发诸如激光通信或太赫兹等新频谱的技术,以及能够动态地分享空中波谱的技术。

美军正在实施多个与连通性相关的科研项目,其重点是在对抗环境下实现组网通信及高速通信。以美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)的“100G”项目为例,它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。

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,民用发动机还需要更高的效率。军用动力装置也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,计划将发动机的经济可承受性提高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%,并计划在2019年完成。

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

现在,美国国防部正在制定第三个国家级推进技术计划——“支撑经济可承受及任务能力的先进涡轮发动机技术”(ATTAM)计划,该计划的制定工作由美国空军研究实验室(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,最早将在2017年启动。

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”。美国航空航天局(NASA)会继续投入资金,与工业界一起发展可使美国保持领先的X飞机。

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“混合翼身”(HWB)布局的战略运输机。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%。

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)

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

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,新材料已经点燃了航空航天领域革命的火种。美国希望领导下一场革命,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重要的国防应用潜能,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)器件和系统上保持这种原子级材料的特性。

A2P项目重点关注装配,其次是纳米级独特性的开发。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)

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争中实施外科手术式的打击。但是,它们已变成了普遍事物。现在,在美国看来,其潜在对手不仅数量庞大,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”,这种武器正在走出实验室,进行作战评估和早期部署。

目前,美国的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。以下面的两张图为例,上图为2012年10月,采用高功率微波战斗部的AGM-86C空射巡航导弹正在被装入B-52H轰炸机内埋弹舱中的“通用战略武器旋转发射装置”。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/千瓦的极高水平。该样机已从2015年夏季开始在新墨西哥州的白沙导弹试验场进行试验,但此后再未公布任何进展。

八是可复用性(Reusability)。美国的经济和安全高度依赖用于通信、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能够在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)。

九是颠覆(Disruption)。在美国人看来,人类虽不能预测未来,但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。如果美国的航空航天能力要继续茁壮成长,就必须在企业和政府的官僚体系之间建立桥梁


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