王元元

NASA 被廣泛認(rèn)為是世界范圍內(nèi)航空航天機(jī)構(gòu)的領(lǐng)頭羊。在航空研究方面，NASA有著光榮的歷史和優(yōu)良的傳統(tǒng)，它的前身NACA（國(guó)家航空咨詢委員會(huì)）就是為了避免美國(guó)航空技術(shù)落后于歐洲而于1915年3月由國(guó)會(huì)批準(zhǔn)成立的。此后，NASA專門成立了以“建成更安全、更高效、更環(huán)保的航空運(yùn)輸系統(tǒng)”為目標(biāo)的航空研究任務(wù)事務(wù)部，在基礎(chǔ)航空、航空安全、空域系統(tǒng)和航空試驗(yàn)4大方面開展研究工作。

隨著NASA百年誕辰紀(jì)念日的臨近，我們也借此機(jī)會(huì)回憶一下2014年NASA在航空研究領(lǐng)域取得的成就。而這些成就都是建立在NASA長(zhǎng)期以來對(duì)未來航空技術(shù)的不斷探索所獲得的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)基礎(chǔ)之上的。

可將天氣延誤最小化的軟件工具獲得進(jìn)展

2014年，NASA的科學(xué)家在應(yīng)對(duì)航班延誤方面取得了一項(xiàng)重要進(jìn)展。他們開發(fā)了一款新的軟件工具，能夠幫助航空公司的簽派員在惡劣天氣環(huán)境下，比如雷暴（影響國(guó)家空域系統(tǒng)航班延誤的主要原因）等，識(shí)別和安排更加有效的航線。

這款軟件工具被稱為動(dòng)態(tài)天氣路徑（DWR），它被用來不間斷分析整個(gè)國(guó)家空域系統(tǒng)的交通情況，以及足以需要航空公司做出改變航線決定的天氣變化情況。當(dāng)DWR工具發(fā)現(xiàn)能夠有更佳的飛行路徑，也就是在同風(fēng)暴保持一定的安全距離的同時(shí)能夠節(jié)省時(shí)間和成本的機(jī)會(huì)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)向航空公司調(diào)度人員發(fā)出提醒警報(bào)。2014年9月，NASA局長(zhǎng)查理·博爾登和其他管理人員，以及來自FAA、美國(guó)航空公司和達(dá)拉斯/沃斯堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)的代表參觀了位于德克薩斯州的一些DWR應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，DWR正在這里進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

飛行測(cè)試驗(yàn)證噴氣生物燃料的環(huán)保性

2014年夏天，NASA的科研人員采用DC-8飛機(jī)進(jìn)行了噴氣生物燃料的污染物排放和尾跡云形成測(cè)試，在DC-8后還有一架跟蹤飛行負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)取樣的飛機(jī)，這已經(jīng)是NASA第二年開展類似的工作。這個(gè)試驗(yàn)是NASA“替代燃油對(duì)尾跡和排放影響研究”項(xiàng)目（ACCESS II）的一部分。2013年，NASA已經(jīng)開展了ACCESS I的飛行測(cè)試，而2014年ACCESS II的試驗(yàn)結(jié)果完全驗(yàn)證了ACCESS I所得的結(jié)論——在ACCESS I試驗(yàn)中，采用混合燃料的DC-8飛機(jī)相比采用單獨(dú)航空煤油的DC-8，煙塵排放至少降低了50%。希望這項(xiàng)研究能夠有助于設(shè)計(jì)更加環(huán)境友好的飛機(jī)，這在如今全球航空運(yùn)輸量迅速增長(zhǎng)的大背景下顯得尤為重要。

向FAA交付新型空中間隔工具

2014年7月，NASA向FAA交付了用于下一代空中交通運(yùn)輸系統(tǒng)的“終端排序和間距（TSS）”工具。TSS是用來幫助機(jī)場(chǎng)調(diào)度人員確定飛機(jī)在進(jìn)近時(shí)在何處開始排序、保持多大的飛行速度并以連續(xù)的軌跡下降以保持較高的效率。TSS是對(duì)NASA 20多年來為FAA研發(fā)的多種空管工具的重要補(bǔ)充，將為更好地管理國(guó)家空中交通控制系統(tǒng)服務(wù)。

在試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試空中交通管理軟件

2014年12月，NASA的工程師在波音公司的787生態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)上完成了“機(jī)載終端到達(dá)航線間隔（ASTAR）”軟件的飛行測(cè)試。這種軟件設(shè)計(jì)用來向飛行員提供特定速度信息和引導(dǎo)以使飛機(jī)能夠更加精確的保持間隔，使飛行員能夠按照“跟隨領(lǐng)隊(duì)”進(jìn)近方式到達(dá)目標(biāo)機(jī)場(chǎng)。這種進(jìn)近方式將最小化飛行路徑偏離、允許更高效地利用現(xiàn)有空域，并可能降低機(jī)場(chǎng)附近的噪聲，所有的這些優(yōu)勢(shì)都將減少商用航班飛行的延誤。

開展主動(dòng)柔性后緣襟翼（ACTE）飛行測(cè)試

2014年夏天，NASA的研究人員在一架灣流Ⅲ試驗(yàn)機(jī)上將傳統(tǒng)的鋁合金后緣襟翼替換為先進(jìn)材料制成的能夠彎曲和扭轉(zhuǎn)的無縫變形襟翼，這是自適應(yīng)柔性后緣（ACTE）項(xiàng)目的一部分。2014年11月，ACTE飛行試驗(yàn)在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心開始。研究人員認(rèn)為，能夠在飛行中改變形狀的機(jī)翼將使得未來的飛機(jī)更加安靜、更加省油。ACTE項(xiàng)目是NASA和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展的一個(gè)研究項(xiàng)目，采用的無縫后緣襟翼由密歇根州安阿伯市的FlexSys公司設(shè)計(jì)和制造。

可將天氣延誤最小化的軟件工具獲得進(jìn)展

2014年，NASA的科學(xué)家在應(yīng)對(duì)航班延誤方面取得了一項(xiàng)重要進(jìn)展。他們開發(fā)了一款新的軟件工具，能夠幫助航空公司的簽派員在惡劣天氣環(huán)境下，比如雷暴（影響國(guó)家空域系統(tǒng)航班延誤的主要原因）等，識(shí)別和安排更加有效的航線。

這款軟件工具被稱為動(dòng)態(tài)天氣路徑（DWR），它被用來不間斷分析整個(gè)國(guó)家空域系統(tǒng)的交通情況，以及足以需要航空公司做出改變航線決定的天氣變化情況。當(dāng)DWR工具發(fā)現(xiàn)能夠有更佳的飛行路徑，也就是在同風(fēng)暴保持一定的安全距離的同時(shí)能夠節(jié)省時(shí)間和成本的機(jī)會(huì)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)向航空公司調(diào)度人員發(fā)出提醒警報(bào)。2014年9月，NASA局長(zhǎng)查理·博爾登和其他管理人員，以及來自FAA、美國(guó)航空公司和達(dá)拉斯/沃斯堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)的代表參觀了位于德克薩斯州的一些DWR應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施，DWR正在這里進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

飛行測(cè)試驗(yàn)證噴氣生物燃料的環(huán)保性

2014年夏天，NASA的科研人員采用DC-8飛機(jī)進(jìn)行了噴氣生物燃料的污染物排放和尾跡云形成測(cè)試，在DC-8后還有一架跟蹤飛行負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)取樣的飛機(jī)，這已經(jīng)是NASA第二年開展類似的工作。這個(gè)試驗(yàn)是NASA“替代燃油對(duì)尾跡和排放影響研究”項(xiàng)目（ACCESS II）的一部分。2013年，NASA已經(jīng)開展了ACCESS I的飛行測(cè)試，而2014年ACCESS II的試驗(yàn)結(jié)果完全驗(yàn)證了ACCESS I所得的結(jié)論——在ACCESS I試驗(yàn)中，采用混合燃料的DC-8飛機(jī)相比采用單獨(dú)航空煤油的DC-8，煙塵排放至少降低了50%。希望這項(xiàng)研究能夠有助于設(shè)計(jì)更加環(huán)境友好的飛機(jī)，這在如今全球航空運(yùn)輸量迅速增長(zhǎng)的大背景下顯得尤為重要。

直升機(jī)抗墜毀技術(shù)取得重大進(jìn)展

2014年10月，NASA的研究人員在弗吉尼亞州蘭利研究中心采用退役的 CH-46E “海騎士”直升機(jī)（長(zhǎng)13.7米，重4763千克）進(jìn)行了9.1米的高空墜撞測(cè)試。試驗(yàn)中，“海騎士”機(jī)身內(nèi)外安裝了近40個(gè)攝像機(jī)，連同具有350個(gè)數(shù)據(jù)通道的機(jī)載計(jì)算機(jī)記錄了該機(jī)墜撞過程中的每個(gè)動(dòng)作。此外，為了更好地了解乘客在墜撞過程中的反應(yīng)，機(jī)艙內(nèi)還布置了15個(gè)假人模型，其中的13個(gè)配備了測(cè)量?jī)x器。

NASA將使用測(cè)試結(jié)果來改善旋翼機(jī)的飛行性能和效率。此外，研究人員還想通過此舉增加行業(yè)知識(shí)，并建立更加完整的用于設(shè)計(jì)更好和更安全直升機(jī)的計(jì)算模型。

成功發(fā)射“獵戶座”飛船

2014年12月5日，NASA 成功利用德爾塔 IV 重型火箭發(fā)射了“獵戶座”太空飛船。這是“獵戶座”的首次試飛，飛船的發(fā)射時(shí)間因?yàn)榧夹g(shù)故障而一度推遲。“獵戶座”是 NASA 未來載人太空探索任務(wù)的核心部分，NASA 計(jì)劃使用“獵戶座”重返月球甚至是將人類送上小行星和火星。

而往返于太空的飛行始于大氣層內(nèi)也終于大氣層內(nèi)，這一點(diǎn)對(duì)于“獵戶座”飛船也不例外，因此NASA航空研究任務(wù)事務(wù)部也積極開展太空飛船的相關(guān)研究。從頂部的發(fā)射中止系統(tǒng)到下部的隔熱罩，“獵戶座”的成功飛行部分要?dú)w功于NASA的航空研究部門之前所做的大量的風(fēng)洞和試驗(yàn)室測(cè)試，也包括在1958年NASA成立前所掌握的專業(yè)知識(shí)。

特別值得一提的是，“獵戶座”飛船返回后的落海過程視頻報(bào)道是由NASA阿姆斯特朗研究中心的一名飛行員遠(yuǎn)程操控一架無人機(jī)完成的。

發(fā)布航空數(shù)值模擬現(xiàn)狀研究報(bào)告

2014年，NASA發(fā)布了《CFD愿景2030：革命性計(jì)算科學(xué)之路》研究報(bào)告，這份研究報(bào)告出自NASA資助的一個(gè)為期1年的調(diào)研項(xiàng)目，該項(xiàng)目參與者包括波音公司、普惠公司、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、懷俄明州立大學(xué)和國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心。這份報(bào)告指出：曾經(jīng)幫助我們實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代飛行的設(shè)計(jì)工具如果不進(jìn)行一些重大的升級(jí)將不再勝任未來的挑戰(zhàn)。這份報(bào)告不僅強(qiáng)調(diào)了升級(jí)CFD算法的必要性，同時(shí)還指出要充分利用未來超級(jí)計(jì)算機(jī)不斷提高的速度和復(fù)雜性，考慮將這些算法和硬件進(jìn)行很好地融合。

研制巨型復(fù)合材料研究機(jī)器人

就像電影“變形金剛”中的某些場(chǎng)景一樣，NASA引進(jìn)了一個(gè)巨大的機(jī)器臂，該機(jī)器臂能夠移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)安裝有碳纖維卷的大量鋪放頭，然后按照預(yù)編程序?qū)⑦@些纖維鋪放在一個(gè)12米長(zhǎng)的平臺(tái)上。

2014年11月，NASA蘭利研究中心接收了這個(gè)機(jī)器臂，那里的工程師們正在它的基礎(chǔ)上構(gòu)建“先進(jìn)復(fù)合材料集成結(jié)構(gòu)裝配（ISAAC）”研究設(shè)施。這個(gè)巨型機(jī)器臂將幫助NASA實(shí)現(xiàn)降低飛機(jī)用新型復(fù)合材料和設(shè)計(jì)方法的開發(fā)、驗(yàn)證和適航取證時(shí)間的目標(biāo)。

“超級(jí)虹彩魚”運(yùn)送大型復(fù)合材料部件

2014年12月，NASA“超級(jí)虹彩魚”貨運(yùn)飛機(jī)安全地將一個(gè)寬9.14米，重4536千克的復(fù)合材料、雙層多艙盒式結(jié)構(gòu)樣件從加州長(zhǎng)灘運(yùn)送至弗吉尼亞州蘭利研究中心，為研究人員后續(xù)進(jìn)行彎曲、加壓試驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。這個(gè)多艙盒式結(jié)構(gòu)是未來飛機(jī)設(shè)計(jì)中所謂的混合翼身的中央段典型代表結(jié)構(gòu)。這個(gè)試驗(yàn)樣件采用輕質(zhì)、損傷容限設(shè)計(jì)、縫紉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)概念制造，該結(jié)構(gòu)被稱為“拉擠棒縫合高效組合結(jié)構(gòu)（PRSEUS）”。PRSEUS使用干法織物、加強(qiáng)棒、樹脂注射、熱壓罐固化等材料和工藝生產(chǎn)大型組合壁板，具有所需模具少、載荷傳遞路徑連續(xù)和縫合止裂強(qiáng)化等特點(diǎn)。2015年春，蘭利研究中心將使用組合加載測(cè)試設(shè)施對(duì)該試驗(yàn)樣件進(jìn)行測(cè)試。