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)走過了100個年頭。100年來，美國乃至世界航空技術(shù)進步的背后幾乎都有NASA的影子，NASA對現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻，為美國確立在航空領(lǐng)域的領(lǐng)先地位打下了堅實的基礎(chǔ)。

NASA航空研究的定位

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

1）擴大空間知識、能力和機會的邊界；

2）提高對地球的認識，開發(fā)技術(shù)改善生活質(zhì)量；

3）為美國民眾服務(wù)，通過有效管理美國公民、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，負責(zé)計劃、執(zhí)行和管理民用航空航天的研究與發(fā)展活動。除了民用航空航天的研究與發(fā)展外，該局通常與國防部一起，對軍用航空航天研究與發(fā)展計劃提供資金和技術(shù)成果，與陸、海、空軍有共同的合作計劃。

在航空研究方面，NASA有著悠久的歷史。NASA的前身就是1915年3月由國會批準成立的NACA（國家航空咨詢委員會），在1958年以前，NACA主要開展航空技術(shù)的研究，為美國乃至全世界航空技術(shù)的進步發(fā)揮了重要的作用。直到1958年，美國人為加速實現(xiàn)在衛(wèi)星方面趕上前蘇聯(lián)的計劃，才將NACA改組為NASA，開始將航空航天技術(shù)一起上升到國家戰(zhàn)略層面上部署研究計劃。2006年，NASA根據(jù)形勢變化又專門設(shè)立了航空研究任務(wù)事務(wù)部（ARMD），提高了對航空基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的重視程度。

ARMD的研究直接支撐美國國家航空研究與發(fā)展政策以及相應(yīng)的總統(tǒng)在2006年12月20日簽署的13419號行政命令，還有2007年12月發(fā)布的國家航空研究與發(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月進行的規(guī)劃更新。

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

NASA航空研究的歷史貢獻

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

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

1.計算流體力學(xué)（CFD）

從20世紀70年代開始，NASA開始開發(fā)能夠用于準確預(yù)測流體運動的復(fù)雜的計算程序，比如氣流流過飛機機翼的運動或者燃油流過航天飛機主發(fā)動機的流動。

那些想法和程序最終成了CFD，而CFD目前已經(jīng)發(fā)展成為研究流體動力學(xué)和開發(fā)新飛機的至關(guān)重要的工具。CFD能夠為設(shè)計和測試幾乎任何類型的飛機大大節(jié)省開發(fā)時間和成本。

2.機載風(fēng)切變探測

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

3.數(shù)字電傳

在20世紀60到70年代，NASA進行了數(shù)字電傳系統(tǒng)的開發(fā)和測試。數(shù)字電傳系統(tǒng)采用數(shù)字計算機和電纜將飛控信號從飛行員處傳遞到舵面處從而進行飛機的控制，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)用于軍民用飛機和航天飛機上。

4.渦輪—氣彈程序

在20世紀90年代，NASA開發(fā)了一個模擬噴氣發(fā)動機渦輪葉片氣動彈性問題的二維計算程序。這些氣動彈性問題包括可能導(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渦輪—氣彈程序為今天的噴氣發(fā)動機設(shè)計更輕、更薄、速度更快的渦輪葉片，實現(xiàn)發(fā)動機高效率、低排放、低噪聲的設(shè)計目標。

5.空中交通管理

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

·中心塔康自動化系統(tǒng)（CTAS）——1990s

CTAS是NASA開發(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（TMA）——1990s

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

·機場場面管理系統(tǒng)（SMS）——2000s

SMS是NASA開發(fā)的為管制員提供飛機著陸或者到達機庫門口時間信息的軟件。

·未來空中交通管理概念評估工具（FACET）-2000s

FACET繪制了成千上萬條航線以改善美國國內(nèi)的空中交通流量。

6.閃電防護標準

在20世紀70到80年代，NASA針對飛機的雷擊發(fā)生條件和雷擊的危害進行了大量的研究和飛行試驗。NASA對閃電、雷擊的知識積累成為改善飛機電子和航電系統(tǒng)閃電防護標準的基礎(chǔ)。

7.NASA結(jié)構(gòu)分析程序（NASTRAN）

在20世紀60年代，NASA同工業(yè)界合作開發(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不同結(jié)構(gòu)進行建模和分析，包括所有類型的航空飛行器和航天飛機。今天，NASTRAN已成為一款計算機輔助工程結(jié)構(gòu)分析的“工業(yè)標準”軟件工具。

8.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

20世紀70年代，NASA首先同工業(yè)界合作進行高強度、非金屬材料研究，以探討替代飛機上較重的金屬材料的可能性。逐漸地，復(fù)合材料開始在飛機尾翼、機翼、發(fā)動機、整流罩和機身上有所應(yīng)用，它能夠降低空機重量和改善總體性能。

9.玻璃化座艙

在20世紀70到80年代，NASA開創(chuàng)并測試了先進駕駛艙布局概念，這種概念采用平板數(shù)字顯示替代了傳統(tǒng)的機械化儀表刻度盤顯示模式。平板數(shù)字化顯示更加有效，能夠為飛行機組人員提供更加綜合、更容易理解的圖像等飛機狀態(tài)信息。

玻璃化座艙在今天的民用飛機、軍用飛機和通用飛機上廣泛使用，同時也應(yīng)用于NASA的航天飛機機隊中。

10.面積律

在20世紀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)于氣動問題挑戰(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)計的飛機避免了氣流流經(jīng)機體過程中產(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)用使得幾十年來高速飛行變得更加高效。

11.損傷容限風(fēng)扇機匣

21世紀初，NASA開始進行低成本渦扇發(fā)動機機匣的前沿研究，希望能夠研制出更輕、同時能夠抵御葉片包容性失效的風(fēng)扇機匣。

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

12.噴氣發(fā)動機燃燒室

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

13.發(fā)動機V型噴口

從20世紀90年代到21世紀初，NASA利用計算機模擬設(shè)計了最新的發(fā)動機V型噴口，該型噴口呈非對稱的扇形形狀，應(yīng)用在噴氣發(fā)動機和短艙上可以降低發(fā)動機噪聲。

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

14.超臨界翼型

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

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

15.結(jié)冰探測

從20世紀90年代到21世紀初，F(xiàn)AA要求NASA對危險的、當時尚未理解的被稱為“大尺寸超冷水滴（SLD）”的結(jié)冰現(xiàn)象進行研究。

NASA的飛行試驗結(jié)果被整理錄入大型數(shù)據(jù)庫以改善天氣預(yù)測模型和SLD探測儀器的研制。

16.翼梢小翼

在20世紀70到80年代，NASA的研究推動了翼梢結(jié)構(gòu)向垂直方向延伸（翼梢小翼）以降低氣動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航程和降低燃油消耗。

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

17.跑道刻槽

在20世紀60年代，NASA設(shè)想并開發(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80年代，NASA進行了上千次的飛機和地面車輛的滑跑測試，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)在美國軍事基地的飛機跑道、高速公路，甚至是游泳池露天平臺、操場和煉油廠地板上有所應(yīng)用。

18.風(fēng)洞

早在20世紀30年代，NASA的前身——NACA（國家航空咨詢委員會）建造并運行了一批風(fēng)洞設(shè)施，這些風(fēng)洞在美國飛機設(shè)計和改進歷史中起到了舉足輕重的作用。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，NASA擴大了風(fēng)洞的規(guī)模，建成了成套的基礎(chǔ)設(shè)施，它將繼續(xù)開展基礎(chǔ)性的試驗測試工作，包括穩(wěn)定性與控制、空中結(jié)冰、失速避免、推進系統(tǒng)、機體開發(fā)、顫振避免和降噪等。

正如前文所述，NASA對美國航空科技的推動無處不在，某種程度上說是它成就了美國第一個航空百年的輝煌歷史。如今，隨著全球范圍內(nèi)日益增加的流動性需求，可持續(xù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)以及信息、通信和自動化技術(shù)發(fā)展的推動等因素的影響，航空業(yè)將面臨新一輪的技術(shù)變革。在這個關(guān)鍵的歷史轉(zhuǎn)折期，NASA及時根據(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“從實踐中學(xué)習(xí)”的X系列驗證機文化重新帶回航空領(lǐng)域，未來NASA將如何繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)美國保持航空科技的霸主地位我們將拭目以待。