航空航天知識技術(shù)(2)
航空航天知識技術(shù)
現(xiàn)在，美國國防部正在制定第三個(gè)國家級推進(jìn)技術(shù)計(jì)劃——“支撐經(jīng)濟(jì)可承受及任務(wù)能力的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)”(ATTAM)計(jì)劃，該計(jì)劃的制定工作由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)牽頭，已進(jìn)行了一年時(shí)間，將首次包括徹底集成動力與熱管理系統(tǒng)的內(nèi)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(yùn)輸領(lǐng)域?qū)μ嵘实囊蟛粫p少，對發(fā)動機(jī)而言將是“沒有最好，只有更好”。美國航空航天局(NASA)會繼續(xù)投入資金，與工業(yè)界一起發(fā)展可使美國保持領(lǐng)先的X飛機(jī)。
洛馬公司在AFRL的“高能量效率的革命性布局”(RCEE)項(xiàng)目中發(fā)展了“混合翼身”(HWB)布局的戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)。按照該公司的設(shè)計(jì)，該機(jī)除采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(fā)動機(jī)，可運(yùn)載美國空軍當(dāng)前使用C-5戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)才能運(yùn)送的超大型貨物，并且耗油率比C-17戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)可降低多達(dá)70%。
美國洛馬公司“混合翼身”(HWB)布局戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)想象圖(上圖)及該機(jī)采用空中加油配置、利用翼下吊艙實(shí)現(xiàn)雙點(diǎn)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(fēng)洞中進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。按計(jì)劃，2016年秋季，該公司將完成有人駕駛的HWB演示驗(yàn)證機(jī)的研究與分析工作。RCEE項(xiàng)目將在2017年結(jié)束，但美國航空航天局已將HWB布局驗(yàn)證機(jī)與波音公司的“翼身融合體”(BWB)布局驗(yàn)證機(jī)視為其下一個(gè)X飛機(jī)的競爭方案
六是材料(Materials)。先進(jìn)制造技術(shù)并不僅止于3D打印。從鋁到鈦，再到碳纖維，新材料已經(jīng)點(diǎn)燃了航空航天領(lǐng)域革命的火種。美國希望領(lǐng)導(dǎo)下一場革命，不管它是源自由納米增強(qiáng)的復(fù)合材料、在原子尺度裝配的新合金、生物工程學(xué)材料還是生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)。通過推進(jìn)計(jì)算和建模來支撐更快的新材料認(rèn)證也是關(guān)鍵。
DARPA正在實(shí)施“從原子到產(chǎn)品”(A2P)項(xiàng)目，其目標(biāo)是開發(fā)裝配尺寸接近原子的納米級工件的技術(shù)和工藝，裝配形成至少毫米級尺寸的系統(tǒng)、零件或材料。DARPA認(rèn)為，許多常見材料在納米級制造時(shí)會展示出獨(dú)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(yīng)用潛能，包括量子化的電流-電壓特性、極大降低熔點(diǎn)并具有極高的比熱?，F(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)是，如何在較大尺寸的產(chǎn)品級(一般幾厘米)器件和系統(tǒng)上保持這種原子級材料的特性。
A2P項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注裝配，其次是納米級獨(dú)特性的開發(fā)。通過A2P項(xiàng)目形成的系統(tǒng)、零件或材料將通過納米級裝配實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的材料性能、小型化、3D結(jié)構(gòu)和異質(zhì)(材料和幾何形狀)
七是定向能(Directed Energy)。精確制導(dǎo)武器曾在冷戰(zhàn)時(shí)期賦予美國抵消蘇聯(lián)數(shù)量優(yōu)勢的能力，并使美軍能夠在反恐戰(zhàn)爭中實(shí)施外科手術(shù)式的打擊。但是，它們已變成了普遍事物?，F(xiàn)在，在美國看來，其潛在對手不僅數(shù)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(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行作戰(zhàn)評估和早期部署。
目前，美國的彈載高功率微波戰(zhàn)斗部技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)機(jī)載激光武器技術(shù)正在取得突破。以下面的兩張圖為例，上圖為2012年10月，采用高功率微波戰(zhàn)斗部的AGM-86C空射巡航導(dǎo)彈正在被裝入B-52H轟炸機(jī)內(nèi)埋彈艙中的“通用戰(zhàn)略武器旋轉(zhuǎn)發(fā)射裝置”。下圖為DARPA的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)”(HELLADS)項(xiàng)目成果配裝轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)，用于攔截導(dǎo)彈的想象圖。HELLADS發(fā)射功率為150千瓦，目標(biāo)質(zhì)量為758千克，功率密度達(dá)到5千克/千瓦的極高水平。該樣機(jī)已從2015年夏季開始在新墨西哥州的白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，但此后再未公布任何進(jìn)展。
八是可復(fù)用性(Reusability)。美國的經(jīng)濟(jì)和安全高度依賴用于通信、導(dǎo)航與授時(shí)、監(jiān)視、廣播、氣象預(yù)報(bào)、資源監(jiān)測的衛(wèi)星，但建造并發(fā)射航天器仍是漫長且昂貴的過程，并且在軌的衛(wèi)星也是潛在的脆弱資產(chǎn)。美國必須推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)以快速響應(yīng)、完全可復(fù)用性的方式日常化地進(jìn)入空間。
DARPA正在通過“實(shí)驗(yàn)性太空飛機(jī)”(XS-1)項(xiàng)目發(fā)展可重復(fù)使用助推飛行器，目標(biāo)是驗(yàn)證可重復(fù)使用助推飛行器能夠在10天內(nèi)完成10次飛行，同時(shí)將一個(gè)重900磅(約400千克)的試驗(yàn)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(fā)射3000磅左右(約1400千克左右)的軌道載荷，并將這種載荷的單次發(fā)射成本控制在500萬美元(包括可重復(fù)使用助推飛行器和一次性上面級的費(fèi)用)。
九是顛覆(Disruption)。在美國人看來，人類雖不能預(yù)測未來，但可以為未來做好準(zhǔn)備。顛覆性技術(shù)和服務(wù)是一個(gè)威脅，對于現(xiàn)存的行業(yè)如航空是如此，對于固定的用戶們和規(guī)則制定方(如聯(lián)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(xù)茁壯成長，就必須在企業(yè)和政府的官僚體系之間建立橋梁。
國內(nèi)的航空航天技術(shù)
在8月28日舉辦的中國航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大會上，中航工業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院科技情報(bào)專業(yè)特級專家、系統(tǒng)工程研究所總師、研究院趙群力談到了目前航空領(lǐng)域幾項(xiàng)顛覆性技術(shù)，這些技術(shù)能夠給航空業(yè)帶來飛躍性的進(jìn)步。
“顛覆性技術(shù)”的概念最早于1995年在《哈弗商業(yè)評論》中提出，指能夠建立新技術(shù)和新市場的突變式技術(shù)。2016年國務(wù)院發(fā)布的“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃中也提到要“構(gòu)造先發(fā)優(yōu)勢”，重視顛覆性技術(shù)的作用。趙群力表示，顛覆性技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高，研發(fā)周期長，但卻是航空裝備升級換代的決定性力量。
一、高超音速技術(shù)
高超音速指物體的速度超過5倍音速。高超音速飛行器采用的超音速沖壓發(fā)動機(jī)被認(rèn)為是繼螺旋槳和噴氣推進(jìn)之后的“第三次動力革命”。美國、俄羅斯、法國、日本、印度等國正不斷開展實(shí)驗(yàn)。
2013年，美國軍方最新研發(fā)的實(shí)驗(yàn)型高超音速飛機(jī)X-51A以5倍多音速的速度飛行了3分多鐘;2014年，美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DARPA)啟動了“高超音速吸氣式武器概念(HAWC)”和“戰(zhàn)術(shù)助推滑翔系統(tǒng)(TBG)”這兩個(gè)項(xiàng)目，將于2018年或2019年進(jìn)行測試。
高超音速技術(shù)將主要用于運(yùn)輸、攻擊、ISR、進(jìn)入空間等。預(yù)計(jì)2020年，美軍可掌握高超聲速導(dǎo)彈的技術(shù);2030年掌握有限用途和使用次數(shù)的高超聲速飛機(jī)技術(shù);2040年掌握可多次、長時(shí)間使用高超聲速飛機(jī)技術(shù)。
二、無人機(jī)技術(shù)
這個(gè)無人機(jī)絕不是僅僅指目前網(wǎng)上有出售的那些遙感小型無人機(jī)，這項(xiàng)技術(shù)在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。
2016年6月，美國辛辛那提大學(xué)開發(fā)的“阿爾法”(ALPHA)智能超視距空戰(zhàn)系統(tǒng)通過了專家評估，并在空戰(zhàn)模擬器環(huán)境下，擊敗了有著豐富經(jīng)驗(yàn)的退役美國空軍上校吉恩·李。
三、變體飛機(jī)技術(shù)
變體飛機(jī)，既變形飛機(jī)，指飛行器在飛行過程中可以改變形狀，有效地實(shí)現(xiàn)外形的分布式連續(xù)式變形，以適應(yīng)寬廣變化的飛行環(huán)境，完成各種任務(wù)使命。
2015年5月，美國柔性系統(tǒng)公司(FlexSys)的分布式柔性變形機(jī)翼技術(shù)取得重大進(jìn)展，使用這種技術(shù)的變形襟翼在“灣流”III飛機(jī)上的偏轉(zhuǎn)角(固定設(shè)置)達(dá)到預(yù)期的30度，并成功驗(yàn)證了飛行性能。
四、高速直升機(jī)技術(shù)
高速直升機(jī)是指保留直升機(jī)的飛行特征，且巡航速度達(dá)到400至500千米每小時(shí)的直升機(jī)，運(yùn)輸效率和機(jī)動性優(yōu)越。目前直升機(jī)的巡航速度一般為每小時(shí)200至300千米。美國從20世紀(jì)五六十年代開始探索高速直升機(jī)，歐洲、俄羅斯也在積極推進(jìn)。
最新進(jìn)展中，值得關(guān)注的有西科斯基、貝爾直升機(jī)公司以及極光公司的三個(gè)方案。
上圖第一幅顯示的是西科斯基/波音的SB-1方案。該直升機(jī)最大起飛重量約為13.6噸，可在高溫、高原環(huán)境下搭載4名機(jī)組成員和12名全副武裝的士兵，最大飛行速度能夠達(dá)到250節(jié)(463千米/時(shí))。預(yù)計(jì)將在2016年晚些時(shí)候開始總裝，2017年下半年完成首飛。
第二大方案是貝爾直升機(jī)公司V-280方案(上圖)，采用傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度達(dá)280節(jié)，航程800海里，可乘坐4名機(jī)組人員及14名武裝人員，有效載荷為12000磅，計(jì)劃2017年首飛。
極光公司的“雷擊”方案(上圖)，設(shè)計(jì)的持續(xù)飛行速度達(dá)到556-741千米/小時(shí)，懸停效率不低于75%;巡航狀態(tài)升阻比不低于10，有用載重(燃油和有效載荷)不低于總重的40%，有效載荷不低于總重的12.5%。
五、偽衛(wèi)星技術(shù)
偽衛(wèi)星技術(shù)可以使對位置測算的精確度更高，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收GPS信號并測出偽距誤差，把誤差數(shù)據(jù)提供給本地用戶，用戶則以此更正自己測得的偽距，使計(jì)算出的位置精度更高。
目前的方案包括英國“西風(fēng)”太陽能無人機(jī)，巡航高度為7萬英尺(21336米)，續(xù)航時(shí)間可達(dá)3月，可攜帶有效載荷5公斤。據(jù)說英國國防部已經(jīng)訂購了兩架，計(jì)劃2016年首飛。
美國的“禿鷹”太陽能無人機(jī)概念方案中，無人機(jī)能攜帶1000磅、5千瓦的載荷，最長可以在空中連續(xù)工作5年，但由于技術(shù)難度太大，項(xiàng)目已經(jīng)終止。
六、空基發(fā)射航天器技術(shù)
1990年代，軌道科學(xué)公司就改裝了洛克希德公司(現(xiàn)洛克希德·馬丁公司)研制的三發(fā)動機(jī)寬體噴氣式客機(jī)L-1011，來發(fā)射“飛馬座”火箭，其近地軌道運(yùn)載能力443kg，成功發(fā)射過幾十次。
2002年，DARPA啟動“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入(ALASA)”項(xiàng)目，目標(biāo)是在24小時(shí)內(nèi)將100磅衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入地球低衛(wèi)星軌道，而且每次發(fā)射成本不超過100萬美元。
七、分布式電推進(jìn)技術(shù)
分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，是指通過傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為分布在機(jī)翼和機(jī)身的多個(gè)電機(jī)/風(fēng)扇提供電力，并由電機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇提供絕大多數(shù)或全部的推力的新型推進(jìn)系統(tǒng)。
這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢是能極大地降低推進(jìn)系統(tǒng)燃油消耗量和各種排放，并且減少噪聲，對商用或軍用飛機(jī)都有應(yīng)用價(jià)值。歐洲、美國政府都將分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)視為潛力技術(shù)，在2030年后投入使用。
NASA的X-57分布式電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)將在2017年首飛。空客已經(jīng)開始研究基于分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)的翼身融合飛機(jī)方案。
八、機(jī)載激光武器技術(shù)
1990年代，美國空軍啟動了基于氧碘激光器的ABL和ATL機(jī)載激光武器研究計(jì)劃，用于戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈助推段防御及其他戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)防御，具有反衛(wèi)星能力。2010年，由于試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，以及使用維護(hù)上的諸多困難，空軍停止了這項(xiàng)計(jì)劃。盡管如此，美國在目標(biāo)搜索與跟蹤、激光大氣傳輸補(bǔ)償、抖動控制和高能激光束管理等方面取得了重要進(jìn)展。
九、計(jì)算材料技術(shù)
材料對航空設(shè)備的更新與完善至關(guān)重要。計(jì)算材料技術(shù)的主要用途是，可以通過理論模型和計(jì)算，預(yù)測或設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)與性能，從而大幅提高新材料的研發(fā)效率，并且可以按照特定的要求設(shè)計(jì)出滿足工程需要的特種材料和超材料。
其關(guān)鍵技術(shù)是材料建模技術(shù)、材料仿真技術(shù)、材料數(shù)據(jù)庫。2011年，奧巴馬政府曾正式?jīng)Q定進(jìn)行材料基因組計(jì)劃，目標(biāo)是將新材料的研發(fā)周期縮短一半。
美國奎斯泰克(Questek)公司已經(jīng)使用計(jì)算材料技術(shù)開發(fā)新型材料。2014年，該公司開發(fā)出多種高性能結(jié)構(gòu)鋼且在飛機(jī)上得到應(yīng)用。
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