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本文授权转自：国防科技要闻（ID:CDSTIC) 来源：美国《航空周刊》/图片来自互联网 作者：冯云皓 中国国防科技信息中心
1.无人机技术 随着美国联邦航空局出台首部小型无人机管理条例，小型无人机使用权限也将逐渐从日间、视距内运行拓展到夜间、超视距运行。一旦允许超视距运行，55磅以下的小型无人机将有望满足大部分近期商业无人机需求。下一步可能将是无人机快递业的发展，但这需要能确保多架飞机（无人机和有人机）安全、高效地进入低空空域的方法。NASA“无人机交通管理”研究项目正在寻求这种方法。 2.超高涵道比发动机 商业飞机的涡扇发动机变得越来越大。更大风扇和更高涵道比意味着推进效率的提高和油耗的降低。本世纪20年代初，涡扇发动机的涵道比将达到15~20，但尺寸的增加将改变机翼和起落架设计、飞机布局和发动机位置。研究工作倾向于为未来涡扇发动机配备更大风扇，但机舱阻力和重量将限制其直径。对于降低油耗、排放和提高涵道比而言，开式转子发动机仍是一个选项，但需要减少开式转子发动机的机场噪声和飞机安全性影响。 3.层流机翼 对提高燃油效率的需求将使飞机空气动力学设计出现重大变化，包括更加修长、灵活的机翼，自然层流和主动流动控制机翼，以及非常规构型。为了大幅降低阻力，欧洲和美国研究人员正在研发方法以制造并维护层流机翼，计划2030年前投入使用。 更修长、灵活的机翼将降低阻力和重量，但需要新型结构和控制技术以避免颤振。正在研发的技术包括：被动气动弹性剪裁，用于各向异性复合材料或金属增材制造技术制造的结构；机翼活动翼面的主动控制，以缓解机动操作和阵风负载并抑制颤振。 对于空气动力学性能的改进，一个重点是高速巡航，另一个重点是在低速条件下实现高升力，这可能需要使用顺应性或变形表面，从而调整机翼形状同时降低常规缝翼和侧翼所产生的噪声和阻力。主动流动控制还可增强起飞和着陆性能，减少噪声，增强较小尾翼的舵效。 4.空间探索技术 “航天发射系统”（SLS）运载火箭和“猎户座”飞船计划在2018年执行无人飞行试验，前往月球并返回。前往月球的载人飞行任务计划在2021~2023年执行。NASA将在本世纪30年代中期使用这两个系统将人类送往火星。随着技术成熟化，NASA计划将载人航天活动逐渐从低地球轨道转移至地月空间，可能包括测试绕月或在地月间拉格朗日点运行的居住舱，航天员可在此为200天的火星之旅进行实践。此外，SpaceX公司计划于2018年执行“红龙”无人火星着陆器任务，并计划2025年登陆火星。 除美国之外，中国计划在2016年发射第二个轨道实验室，在2022年建成永久空间站，在2036年前将航天员送往月球。印度首个载人航天任务预计在2021年左右实施。 5.编队和蜂群协作技术 美国防部战略能力办公室计划近期部署3D打印的微型无人机，这些无人机可从战斗机的曳光弹撒布器发射，形成蜂群并在对抗空域中执行监视任务，或突破对手的防御系统。美海军研究办公室正在使用雷声公司建造的30多架筒射“丛林狼”无人机，测试协作的自主小型无人机蜂群，以衡量其在采集情报、吸引敌方火力或干扰敌方防御系统方面的效能。美空军研究实验室正寻求验证经济可承受且寿命有限的打击无人机和自主飞行器，作为有人驾驶战斗机的“忠诚僚机”，携带额外传感器和武器。DARPA正在研发机载发射和回收蜂群无人机的方法，以及使无人机协作的软件，尽可能减少人员操作。 下一代作战飞机将于本世纪30~40年代在美国和欧洲服役。由于这些研究项目，下一代作战飞机将是“系统之系统”——一架有人驾驶战机将控制具有不同任务能力的协作无人机编队。 6.增材制造技术 金属增材制造工艺的成熟化将为航空航天制造业带来重大影响，显著降低昂贵原材料与成品的重量比。通用电气航空集团的增材制造燃料喷嘴以及Avio航空公司为涡扇发动机制造的钛铝合金涡轮叶片已证实3D打印部件与常规方法制造的部件性能同样良好，这些部件通过使用激光或电子束熔融金属粉末制造而成。 增材制造技术已用于生产航天器部件，太空制造公司正在寻求空间3D打印技术的潜在应用，以制造航天器结构，如反射器、桁架或为地面通信制造光纤。 7.控制与显示系统 可穿戴领域研发的头戴式近眼显示器，最终可取代平视显示器（HUD），已在F-35战机上用作头盔显示器。埃尔比特系统公司和泰勒斯公司正在为商业飞机研发头戴式显示器，作为HUD的低成本替代方案。NASA和欧洲研究人员使用头戴式显示器和传感器试验增强现实技术，有效探测和规避威胁。触控屏幕已经引入商业飞机，制造商正在考虑语音识别技术，以降低驾驶舱工作负荷。霍尼韦尔公司正在试验大脑活动监测技术，以感知驾驶员超负荷或注意力分散的情况，并有潜力控制驾驶舱的功能。 电传操纵技术已在小型飞机使用，实现飞行包线保护。该技术将随着未来电动轻型飞机的出现而加速发展。联邦航空局认为即将出现的先进飞行控制技术将包括：自动起降、碰撞规避、4D飞行路线管理以及需要较少驾驶员专业技能的“平板电脑直观”显示器。 8.商业航天技术 国际空间站将运行至2024年，但很多企业正在考虑使用国际空间站作为商业空间站的起点。国际空间站正在开展初步的私营部门活动，如NanoRacks公司将其用作商业立方体卫星的发射平台。毕格罗航天公司的充气式居住舱原型已停靠在国际空间站，进行为期两年的测试。毕格罗公司正与NASA协商，向国际空间站添加全尺寸的可扩展居住舱，可为商业任务提供330平米的内部空间，并计划在2020年发射两个B330模块舱中的首个，该公司认为在轨卫星制造应用前景广阔。 新创建的Axiom空间公司计划建造小型商业空间站（类似于毕格罗公司的B330），最初作为停靠在国际空间站的模块舱。随后，配备太阳能电池阵列和推进系统的第二个模块舱将抵达，并将首个模块舱送至倾角较低、更适合商业发射的轨道。Axiom公司的铝合金居住舱以国际空间站现有的模块舱为基础，但公司的长期构想是建造自由飞行的“太空城市”。 9.自主技术 无人航空领域将研发自动飞行控制和空域管理技术，以及自主规避危险和碰撞所需要的传感器及算法。硅谷的一些创业公司已开始研发融合了电力推进、自主技术、通信和感知技术的飞行器。配备简化控制系统的空中巴士或全自主客运飞机需要克服重大的验收和认证障碍以及能源效率或城市噪声问题，仍然需要数年才能实现。 10.复合材料结构的制造 碳纤维复合材料可降低飞机重量并增强性能，但也会使飞机难以生产，因为材料与部件需要同时制造。制造商寻求以更低成本和更高速率制造未来飞机，重点是减少生产复合材料的人力和时间。 欧洲“复合材料与混合结构的低成本制造与组装” （Locomachs）等研究项目正在集成新型设计工具、制造仿真软件、程序控制、工具概念和机器人制造技术，使制造复合材料结构的成本和时间大幅降低。 11.自适应发动机
航空推进系统已经历了两次变革：从螺旋桨到喷气发动机，从涡轮发动机到涡扇发动机；目前正在经历第三次变革，向着自适应或变循环发动机发展。自适应循环发动机具有三股气流，风扇可通过发动机核心吸入更多空气以实现更高推力，或通过旁通涵道吸入更多空气以提高效率并降低油耗，同时为冷却系统提供空气。 美空军已分别授予通用电气公司和普惠公司10万美元的合同，用于研发4.5万磅推力级别的自适应发动机，作为下一代战机的发动机，并计划在2019年开始地面测试。两款发动机可能将在本世纪20年代初开展竞争，以获得为F-35“联合攻击战斗机”提供发动机的机会。三气流的涡扇发动机还可能用于未来超声速商业运输机，提供组合推力、节约燃油并降低机场噪声，以满足环境目标。 12.新型飞机构型
对于飞机构型，研究人员正在研究发动机位置的备选方案，如机翼上方和尾部，以实现更大的发动机直径，同时使机身能为风扇和喷气噪声提供一些屏蔽。在尾部安装发动机还可实现降低阻力的层流机翼。当前飞机构型的另一个变化是桁架支撑机翼，可实现更大翼展和更高展弦比，以降低阻力。 非常规的设计包括在尾部嵌入涡扇发动机或电力推进器，如劳拉飞行科学公司/麻省理工学院为NASA研究的“双泡”机身D8飞机和德国包豪斯航空集团研发的“推进机身”概念；还包括翼身融合体或混合翼身（BWB/HWB），具有增强的空气动力学特性和结构强度。 13.高超声速推进技术
用于高速巡航导弹的吸气式高超声速推进技术已接近部署，但用于高超声速飞机的吸气式发动机还需要进行大量研究。这种发动机将支持飞机执行监视或打击任务，或者用于可重复使用的火箭第一级，将有效载荷或乘员送至低地球轨道。 近期，中国和俄罗斯均开展了高超声速武器试验，进一步加剧了美军项目的紧迫性。DARPA和美空军计划在2020年前试飞“高超声速吸气式武器概念”验证机，这是X-51“乘波者”超燃冲压发动机验证机的后续项目，也是可作战应用的5马赫以上远程巡航导弹的前导项目。 作为下一步工作，DARPA已恢复了涡轮基组合循环发动机的地面测试计划，这种发动机将涡轮喷气发动机和双模态冲压发动机/超燃冲压发动机组合起来，所有发动机都共用相同的进气道和喷嘴，通过吸气式操作使飞行器从静止加速到高超声速巡航。洛克希德·马丁公司建造的SR-72无人机需要这种推进系统，该无人机计划在本世纪20年代首飞。 空间运载器也可使用高超声速吸气式发动机，如反应发动机公司的“佩刀”（SABRE）发动机，该发动机能以吸气式模式和火箭模式运行，计划在2020年进行全尺寸验证机的地面测试。 14.深空推进技术
长期以来，太阳能电推进（SEP）技术被认为是人类登陆火星的关键。火星探索战略需要在火星表面预先部署基础设施，供登陆火星的航天员使用。SEP飞行器将缓慢但高效地使大型有效载荷进入火星轨道并着陆。SEP系统使用由高功率太阳能电池阵列驱动的电推进器，推进力比化学推进器弱，但效率高10倍，可大幅降低推进剂需求和发射重量，用其向火星发送大型有效载荷将切实可行。 NASA计划于2021年在机器人小行星采样任务中演示验证SEP技术，并在2022年发射的大型火星轨道器任务中实现首次飞行。一旦进入轨道，太阳能电池阵列还将驱动可穿透地表的雷达搜寻星体表面之下的水资源。 即使使用最好的化学推进系统，往返火星的任务也将花费三年以上。核热火箭（NTR）能生成高推力，其效能是化学推进系统的两倍，可大幅缩短太空旅行时间。NTR在核反应堆中将液氢加热至极高温度，并通过火箭喷嘴排出以生成推力。NASA计划在2022~2024年对小型NTR进行地面测试，并于10年内在飞越月球的演示验证中对NTR发动机进行飞行试验。 15.驾驶舱视觉技术
合成视觉系统/增强视觉系统（SVS/EVS）可使驾驶员在低能见度的环境下着陆，已在大型商业飞机中广泛使用。组合视觉系统（CVS）将这两种系统结合起来，可提高驾驶员的态势感知能力和航班可靠性。 EVS使用前视红外传感器来扩大驾驶员的视野，外部世界会在平视显示器（HUD）上呈现。SVS使用数字数据库创建外部世界的虚拟表示形式，在下视显示器上呈现，但在HUD上SVS能与EVS结合使用。 随着低成本非制冷多光谱传感器（可使用从长波红外到光波的频谱）的研发，EVS已进一步发展。埃尔比特系统公司的“清洁视觉”系统具有6个传感器（包括短波红外和可见光），为无人机自主探测与规避其他交通工具而研发的传感器及系统还有望用于有人驾驶飞机、固定翼和旋转翼飞机的驾驶舱，帮助驾驶员在未来更加复杂和多样化的空域中运行。 16.超声速飞行技术
NASA对减少音爆的研究将消除超声速运输机的一个重要障碍，但仍需要开展降低机场噪声和提高巡航效率的工作。NASA计划在2019年试飞“X-飞机”，又称为“安静超声速飞机”（QueSST），以验证精心设计的飞机外形能实现可接受的音爆水平。QueSST飞行期间采集的数据将有利于促进监管部门消除对民用超声速飞机的禁令。对高超声速客机的研究继续进行，但需要研发具有商业可行性的安全、可靠、高效的推进系统，这种技术需要数十年才能实现。 17.航空电力推进技术
航空电力推进技术仍处于发展初期。使用锂离子电池的轻型飞机已能实现全电推进，但更大型的飞机可能需要混合推进系统。全电推进双座教练机已上市出售，混合动力电动四座飞机即将出现。NASA认为下一步发展将是在本世纪20年代初实现九人短途通勤飞机，恢复小规模空运服务。欧洲和美国研究人员认为，可搭载不到100人的混合动力电动客机可能在2030年前实现，但需要储能能力的大幅提升。 电力推进可通过使用可再生能源提供一种零排放方法，还能实现创新的飞机构型，协同发挥分布式推进系统与空气动力学特性的作用，使多轴、垂直起降空中巴士以及采用嵌入式电力推进器的大型运输机的多种机型的研制成为可能。 18.高空“伪卫星”技术
除低空小型无人机外，对于大型平台的商业需求也将逐渐浮现。其中，可在平流层停留数日或数周的高空长航时飞机将能为偏远地区提供互联网接入，在灾后恢复通信和导航，或者以比卫星更经济实惠、更能快速响应的方式执行遥感任务。 Facebook和Google公司正在研发太阳能平流层无人机。欧洲寻求通过两种方式实现这种高空“伪卫星”：空客公司的“西风”无人机能在高空停留两周以上；泰勒斯·阿莱尼亚公司的StratoBus自主飞艇能在高空停留一年。“西风”无人机将于2017年投入使用，StratoBus可能在2020年前投入使用。 |
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