張均威
張均威
美國《航空周刊與空間技術》選出了下一任美國總統必須關注的九大航空航天技術領域，指出美國在這9個領域的技術必須領先於各個競爭者，並確保航空飛行仍是經濟上可承受且又能獲利的，工業界能繼續贏得出口並創造工作崗位。那麼，這9個航空航天技術領域分別是什麼呢？
一是高超聲速（Hypersonics）。隱身已經使美國領先於其同等對手，而速度將使美國繼續保持領先地位。美國已在高超聲速領域花費了數十億美元，但卻讓中國和俄羅斯追上來了。因此，美國將啟動作戰型吸氣式高超聲速導彈發展，並以一個穩健的後續規劃，發展可重複使用的高超聲速（速度馬赫數5＋）情監偵與打擊飛機所需的技術。
美國洛馬公司SR-72高超聲速飛機想象圖
二是自主性（Autonomy）。自主性事關人類在所有領域的能力的提升，從空域管理到空中主宰，航空會變得更加安全、經濟上更為可承受，並且支撐新的使命和市場需求。
由下圖可見，美國空軍計劃在2020年實現機器輔助的作戰行動，壓縮殺傷鏈時間，實現防禦性系統管理員自主識別威脅並給出行動建議，情報分析系統融合情報數據並向人類分析員提示威脅。2030年後，將實現對平台作戰行動的優化，確保其可在「反介入/區域拒止」環境中連續執行任務。
三是連通性（Connectivity）。無論是在商業領域還是戰爭領域，任何有關有人和無人系統一起無縫工作的願景，都需要可以與其他海量用戶安全、保密和高效分享頻譜的網路。但是頻譜是有限且寶貴的資源，而且美國的競爭對手們也可競爭並利用。因此，美國認為需要開發諸如激光通信或太赫茲等新頻譜的技術，以及能夠動態地分享空中波譜的技術。
美國空軍研究實驗室（AFRL）在2014年11月公布的自主性路線圖
美軍正在實施多個與連通性相關的科研項目，其重點是在對抗環境下實現組網通信及高速通信。以美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）的「100G」項目為例，它旨在利用對毫米波信號的高階調製和空間復用實現100吉比特每秒的傳輸速率。
「100G」項目示意圖
四是推進（Propulsion）。對渦輪發動機技術持續的投資已使美國保持對競爭對手們的領先，新的高燃料效率商用渦扇發動機正在投入使用，而軍用的通用自適應循環發動機正在發展之中。但是，民用發動機還需要更高的效率。軍用動力裝置也需要更好的經濟可承受性和更強的能力。發動機為飛機賦能，但是它的技術發展需要數十年，因此要保持投資。
美國已實施了兩個國家級推進技術計劃。第一個是1987年啟動的「綜合高性能渦輪發動機技術」（IHPTET）計劃，其目標是將推重比提升一倍，其成果支撐了F-22戰鬥機的F119和F-35戰鬥機的F135發動機。第二個是2005年啟動的「通用經濟可承受先進渦輪發動機」（VAATE）計劃，計劃將發動機的經濟可承受性提高10倍，將大型渦扇/渦噴發動機的推重比提高100%，燃料消耗降低25%，發動機的發展、採購和壽命周期維護費用降低60%，並計劃在2019年完成。
上圖為美國空軍研究實驗室對VAATE計劃的簡要說明，下圖為該實驗室準備在美國航空航天局（NASA）推進系統實驗室的高空台上，利用一台F110渦扇發動機進行強行抽取兆瓦級功率的試驗
現在，美國國防部正在制定第三個國家級推進技術計劃——「支撐經濟可承受及任務能力的先進渦輪發動機技術」（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的內容，最早將在2017年啟動。
五是高效率（Efficiency）。為了降低油耗或排放，航空運輸領域對提升效率的要求不會減少，對發動機而言將是「沒有最好，只有更好」。美國航空航天局（NASA）會繼續投入資金，與工業界一起發展可使美國保持領先的X飛機。
洛馬公司在AFRL的「高能量效率的革命性布局」（RCEE）項目中發展了「混合翼身」（HWB）布局的戰略運輸機。按照該公司的設計，該機除採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動機，可運載美國空軍當前使用C-5戰略運輸機才能運送的超大型貨物，並且耗油率比C-17戰略戰術運輸機可降低多達70%。
美國洛馬公司「混合翼身」（HWB）布局戰略運輸機想象圖（上圖）及該機採用空中加油配置、利用翼下吊艙實現雙點伸縮套管（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）。先進位造技術並不僅止於3D列印。從鋁到鈦，再到碳纖維，新材料已經點燃了航空航天領域革命的火種。美國希望領導下一場革命，不管它是源自由納米增強的複合材料、在原子尺度裝配的新合金、生物工程學材料還是生物啟發的結構。通過推進計算和建模來支撐更快的新材料認證也是關鍵。
DARPA正在實施「從原子到產品」（A2P）項目，其目標是開發裝配尺寸接近原子的納米級工件的技術和工藝，裝配形成至少毫米級尺寸的系統、零件或材料。DARPA認為，許多常見材料在納米級製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用潛能，包括量子化的電流－電壓特性、極大降低熔點並具有極高的比熱。現在面臨的挑戰是，如何在較大尺寸的產品級（一般幾厘米）器件和系統上保持這種原子級材料的特性。
A2P項目重點關注裝配，其次是納米級獨特性的開發。通過A2P項目形成的系統、零件或材料將通過納米級裝配實現獨特的材料性能、小型化、3D結構和異質（材料和幾何形狀）
七是定向能（Directed Energy）。精確制導武器曾在冷戰時期賦予美國抵消蘇聯數量優勢的能力，並使美軍能夠在反恐戰爭中實施外科手術式的打擊。但是，它們已變成了普遍事物。現在，在美國看來，其潛在對手不僅數量龐大，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，進行作戰評估和早期部署。
目前，美國的彈載高功率微波戰鬥部技術和戰術飛機機載激光武器技術正在取得突破。以下面的兩張圖為例，上圖為2012年10月，採用高功率微波戰鬥部的 AGM-86C空射巡航導彈正在被裝入B-52H轟炸機內埋彈艙中的「通用戰略武器旋轉發射裝置」。下圖為DARPA的「高能液體激光區域防禦系統」 （HELLADS）項目成果配裝轟炸機和戰鬥機，用於攔截導彈的想象圖。HELLADS發射功率為150千瓦，目標質量為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，但此後再未公布任何進展。
上圖為採用高功率微波戰鬥部的AGM-86C空射巡航導彈；下圖為DARPA的「高能液體激光區域防禦系統」（HELLADS）
八是可復用性（Reusability）。美國的經濟和安全高度依賴用於通信、導航與授時、監視、廣播、氣象預報、資源監測的衛星，但建造併發射航天器仍是漫長且昂貴的過程，並且在軌的衛星也是潛在的脆弱資產。美國必須推動相關技術的發展，實現以快速響應、完全可復用性的方式日常化地進入空間。
DARPA正在通過「實驗性太空飛機」（XS-1）項目發展可重複使用助推飛行器，目標是驗證可重複使用助推飛行器能夠在10天內完成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射3000磅左右（約1400千克左右）的軌道載荷，並將這種載荷的單次發射成本控制在500萬美元（包括可重複使用助推飛行器和一次性上面級的費用）。
參與XS-1項目的各企業提出3種方案想象圖
九是顛覆（Disruption）。在美國人看來，人類雖不能預測未來，但可以為未來做好準備。顛覆性技術和服務是一個威脅，對於現存的行業如航空是如此，對於固定的用戶們和規則制定方（如聯邦航空局和國防部）也是如此。如果美國的航空航天能力要繼續茁壯成長，就必須在企業和政府的官僚體系之間建立橋樑。
（责任编辑：文恩）
