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2015年航空航天前沿展望

来源:中国航空新闻网 时间:2015-01-29 00:00:00

对于全球航空航天业以及防务业来讲,未来的技术前沿究竟在哪里,是当前各国积极探索的重点问题,并且在一些领域已经露出了端倪。可自动飞行的飞机,速度更快的直升机,航天器快速发射技术,类人脑计算机等等,这些技术不但已经有了成果,并且有的已经完成了原型机的制造。它们无疑是航空航天与防务领域的技术前沿,是2015年值得关注的焦点。而除了前沿领域的技术探索,一些大型研制项目的进展情况也颇值得关注,他们都将对各自领域或所在的地区产生影响。

亚洲进入隐身时代战斗机隐身技术在亚洲地区的快速扩散,将是2015年世界军用航空技术的一大特征。中国在2014年公开了其研制的下一代隐身战斗机FC-31,而日本防卫省技术研究与开发研究院(TRDI)将于2015年对本国制造的ATD-X隐身战斗机先进技术验证机进行飞行测试,这种与瑞典萨伯公司“鹰狮”战斗机同级别的验证机领全球之先采用了光纤飞控技术,并装备石川岛播磨重工(IHI)研制的XF5-1涡扇发动机。ATD-X验证机所取得的技术将未来用于日本F-3战斗机研制项目,后者预计2030年服役。除了中国和日本,韩国也将于2015年启动KF-X隐身战斗机研制项目;此外土耳其也开始启动本国隐身战斗机研制项目TF-X,未来主要用于取代F-16以及弥补F-35采购数量的不足。空射牵引型运载火箭空中发射运载火箭将卫星送上天,并不是一项新技术,但是2015年波音将进行一次与以往不同的尝试。基于美国国防预先研究计划局(DARPA)“空射辅助进入太空”项目(Alasa)的支持,波音公司将在2015年使用一架改进的F-15E战斗机将一枚轻型运载火箭送上太空,与传统分级式运载火箭不同,这枚7.2米长的火箭全部的4台发动机都安装在火箭顶部,借以减轻发射重量,简化控制系统。Alasa项目旨在经济快速地将50千克以下的卫星送上太空,并且可以在全球任何地方任何时间进行发射,而发射费用只相当于传统发射方式的三分之一,不超过100万美元。

高速直升机

如果一种直升机的速度能够达到现役直升机机型的2倍,并且具备后者的全部机动性能,那它必然引发全球直升机市场的革命,这也是西科斯基公司希望看到的。依靠公司自己投资的2亿美元研发资金,西科斯基将于2015年完成2架S-97“侵袭者”直升机原型机的制造和试飞。作为X2技术验证的继承者,S-97原型机的巡航速度可以达到220节,并具备高过载机动性能,以及出色的低速灵活性和盘旋性能。S-97并不是西科斯基高速直升机计划的最终产品,它主要用来为西科斯基/波音联合研制的SB-1“挑衅者”中型通用直升机验证机项目铺平道路,后者预计2017年首飞,是为美国陆军研制的。

芯片上的大脑

计算机技术飞速发展的当下,计算机能耗的不断增大已经成为一个无法忽视的问题。特别是在国防领域,那些运行着复杂的软件系统以及具备高性能图形、视频等处理能力的计算机系统,其能耗要更大。2015年,美国空军实验室将联合军方其他几个部门对一种新的高性能、低能耗的电脑处理器进行测试,该处理器采用IBM公司研制的TureNorth芯片,每个TrueNorth芯片使用了54亿个晶体管,工作能力相当于100万个神经元和2.56亿个突触。它们被分成了4096个名为“神经突触内核”(neurosynapticcores)的结构。每一个这种结构都能使用一种名为crossbar(交叉)的通讯模式来存储、处理并向其它结构传输数据。

更为重要的是,这种芯片能耗非常低,目前一款标准微处理器每平方厘米的功耗是50瓦到100瓦,而TrueNorth只有不足70毫瓦。用TrueNorth芯片构建一个与人脑工作能力相当的处理器,外形尺寸只有12.5厘米,功率不超过1千瓦。

功率优先

尽管预算紧缩,但是美国陆军仍然将研制新型涡轴发动机列为优先项目,该项目主用用于替换AH-64系列直升机和UH-60系列直升机的现役发动机。通用电气/霍尼韦尔团队以及普惠公司都将开始新型发动机的地面验证,与现役的T700系列相比,新发动机的功率提升了50%,而油耗则下降了25%。2015年,陆军发动机升级项目将开始竞标,预计2023年投入批量生产,并率先用于UH-60M直升机。此外,五角大楼还在持续推进采用自适应风扇的可变旁通比涡扇发动机项目,其最大特点仍然是大功率低油耗,将用于F-35系列战斗机的升级改进,以及下一代主力战斗机。

2015年航空航天前沿展望

对于全球航空航天业以及防务业来讲,未来的技术前沿究竟在哪里,是当前各国积极探索的重点问题,并且在一些领域已经露出了端倪。可自动飞行的飞机,速度更快的直升机,航天器快速发射技术,类人脑计算机等等,这些技术不但已经有了成果,并且有的已经完成了原型机的制造。它们无疑是航空航天与防务领域的技术前沿,是2015年值得关注的焦点。

而除了前沿领域的技术探索,一些大型研制项目的进展情况也颇值得关注,他们都将对各自领域或所在的地区产生影响。

可插拔自动驾驶包用可移除式的机器人充当飞机的副驾驶会是什么样的效果?在作战任务中,需要的飞行员数量将会大大减少,同一任务中一些飞机会像无人机那样完成起飞和降落。DARPA主导的Alias项目,旨在开发一种可插拔式的座舱自动驾驶包,从而达到上面所说的目标。目前,美国海军实验室正联合Aurora飞行科研中心进行攻关,他们开发的座舱自动驾驶包适用于现役所有货运直升机,能够自主选择着陆点,并且可以规避风险和躲避地面威胁,并完成自动着陆。而其下一步目标,则是实现直升机的完全无人驾驶。

甲板上的中型无人机

由于具有长航时、大载荷等突出优势,美国“捕食者”级别的无人机已经不再仅仅充当侦察角色,而是转变为战场上的作战利器。但是,将如此大尺寸的非折叠翼无人机部署在军舰(航母除外)的甲板上几乎是不可能的事,而这也在一定程度上限制了该级别无人机的使用灵活性。而DARPA主导的TERN项目,即由诺斯罗普·格鲁门和AeroVironment公司联合研制的中高空长航时(MALE)无人机,未来将可以解决这一问题,部署在中小型军舰上。在TERN项目中,无人机将采用垂直起飞模式,不过DARPA还向Aurora飞行科研中心提供了资金,支持其对可以安装在甲板上的吊车式侧臂无人机发射/回收系统进行验证,该系统能够发射和回收1000磅级别的多任务无人机。除了前沿领域的技术探索之外,一些在研的大型项目也颇为值得关注,他们都将对各自领域和地区产生重要影响。

窄体客机竞争加剧

尽管按照既定的时间表,C系列窄体客机将于今年下半年交付用户,但是很显然庞巴迪公司已经落后于其竞争对手太多。在新型窄体客机领域,空客公司的换发型A320neo将于2015年10月交付客户,速度远超2017年才能交付的波音737MAX。而在提升产能之后,空客A320neo的交付速度将会大大提升,C系列的市场会遭到进一步的挤压。

来自中国的竞争

虽然一直被视为空客与波音的威胁,但是中国的商用飞机制造能力实际上大而不强。中国商用飞机公司研制的ARJ21支线客机计划2015投入服役,这比最初计划的时间表晚了8年,并且还面临着减重与航电升级的压力。而C919项目预计2015年完成首飞,即使在2018年能够投入服役,它的开发周期也超过了10年。

F-35的不确定性

走过14年漫长的研发路程,洛克希德·马丁公司的F-35战斗机项目预计在2015年具备作战能力,首个达到此目标的是美国海军陆战队装备的F-35B型。然而,由于一些机载系统需要改进,以及机载软件系统的测试仍在进行,这一切有可能将F-35B形成作战能力的时间推迟到2015年12月,悲观一点也可能是2016年夏天。同样的问题也困扰着美国空军,F-35A原定于2016年8月形成作战能力,但是软件系统的开发和测试以及地面保障能力尚未形成,将使这一目标难以实现。

印度的抱负

2014年5月上任的印度新总理莫迪希望在未来的10年里,印度的国防工业能够满足印度军队一半以上的武器需求,这意味着2500亿美元的收入。那么问题来了,印度国防工业具备这样的能力吗?以印度斯坦航空公司担纲研制的“光辉”Tejas MK.1轻型战斗机为例,该机预计在2015年完成所有的测试并具备作战能力,而这距离其开始研制已经过去了20多年。据印度斯坦航空公司表示,在“光辉”Tejas战斗机研制过程中,政府给予的总投入仅仅只有12亿美元。

采购困境

2015年,美国国防部将完成新一轮主力机型采购计划的制定,该计划涵盖了未来数年内空军、海军的新的主战机型以及战场支援飞机的研制计划和采购。然而,资金不足仍是困扰美国国防部制定计划的主要因素,所以不得不对一些项目进行取舍。作为优先项目,美国空军的远程打击轰炸机项目,以及美国海军的舰载无人空中监视与打击系统(UCLASS)将于2015年定标,然而美国空军用于替换T-38C的教练机采购项目以及替换E-8联合监视目标雷达攻击系统的采购项目则有可能被叫停或者取消。

钛材供应之忧

2014年底,美国和欧洲几乎所有的飞机和发动机制造商都开始大量储备钛合金材料,以防止俄罗斯方面突然停止供货。由于俄罗斯和乌克兰之间的冲突,美国和欧洲不断加大对俄罗斯的制裁,使得欧美公司的上述担忧大大增加。进入2015年,如果制裁没有缓和的迹象,俄罗斯很可能会突然祭出此招,中断对欧美的钛合金材料供应。以2014年为例,空客公司超过60%的钛金属材料,以及波音公司近40%的钛金属材料都来自俄罗斯VSMPO-AVISMA公司。如果俄罗斯突然停止供应,其后果显而易见。

飞艇复兴

飞艇计划进入了周期性复兴时期。由英国混合航空器有限公司(HAV)研制的HAV304飞艇原型机计划于2015年初首飞。该重型飞艇长约98米,设计有效载荷达50吨。早在2012年,由HAV公司为美军“长航时侦察平台”项目所研制的HAV304已经完成试飞。然而该项目于2013年被取消,HAV公司开始重新组装这架飞艇。混合飞艇集合浮力、空气动力和矢量推力为一体,能有效提升效率、便于操作。HAV公司希望以首架HAV304原型机的客户反馈为基础,研发更为先进的AirLande 50 飞行器,并于2018-2019年实现首飞。

太阳能动力

瑞士制造的阳光动力飞机计划于2015年3月从阿联酋阿布扎比起飞,用5个月的时间实现环球飞行。根据项目安排,“阳光动力2号”飞机由一名飞行员驾驶,依次经过阿拉伯海、印度、缅甸、中国、太平洋、美国、大西洋、南欧,途中包括5天5夜的不间断飞行。“阳光动力2号”于2014年6月首飞,这架全球最大的太阳能飞机翼展达72米,而满载重量仅为2.3吨。“阳光动力2号”装有17250块太阳能电池,最大功率达到55千瓦,可以为635千克电池充电,为连续几日的昼夜飞行提供动力。

开式转子项目复苏

尽管斯奈克玛公司的开式转子齿轮发动机地面试验被延迟到2016年,但是只要过程顺利,斯奈克玛公司有望在2022年将节能动力装置应用在空客的飞行试验平台中。在欧洲“清洁天空”计划的背景下,斯奈克玛公司着手研究反向旋转开式转子项目,该项目预算为2.3亿美元。这台开式转子齿轮发动机将在后续的“清洁天空2”计划中完成试飞。斯奈克玛公司评估,相比于CFM LEAP-1发动机,开式转子发动机能够节约26%的燃料。飞行试验将验证新型发动机的效率和噪音水平,以及变速箱、消音装置和叶片技术的可靠性。

挑战更长航时

美国Facebook和Google公司计划研发太阳能驱动长航程无人机,以实现互联网货运服务。这两家互联网企业进驻无人机行业,无疑对目前处于无人机行业领导地位的空客公司造成一定冲击。根据现有规划,空客防务与空间公司将于2015年实现改进型“西风”8号高空无人机的试飞。“西风”无人机被称为“高空伪卫星”,可执行通信中继等任务,未来可作为持续监控装备。

2013年,空客公司从Qinetiq公司收购了“西风”7号无人机,希望利用通信卫星制造经验,提升航空器的感知能力。“西风”7号翼展为23米,重量为55千克,现已经取得14天飞行航时的纪录,并且于2014年在澳大利亚的低光照冬季环境下实现了连续飞行超过11天的良好纪录。它的改进型“西风”8号无人机翼展达到28米,重量为60千克,其性能将比现有的“西风”7号提升将近60%。非凡的“愿景”十年前,有许多新的概念冲击着人们的视野,其中单发私人飞机便是最热门的新鲜事物。如今,只有西锐的“愿景”SF50飞机仍然在不断发展。该机型现已进入认证状态,并且将于2015年底实现首批交付。SF50的发展前景曾一度遭受质疑。2013年,中航工业通飞收购美国西锐公司并为SF50的研发投资金,助力SF50项目的完成。截至目前,SF50一架概念机和两架认证机实现了首飞,后续的生产交付工作将接踵而至。SF50飞机装有WilliamsFJ33-5A涡扇发动机,最多可乘坐5名成人与2名儿童。

及时缝合

一种能够使碳纤维复合材料机身的重量减轻10%以上、有效降低制造成本的新结构概念将在2015年正式进入试验。NASA将构建一个9米长的翼盒以模拟双层混合翼身客机的中心部分,结合增压和弯曲试验,评估波音的拉挤棒缝合有效组合结构(Preseus)的性能。该结构使用干布、增强筋、树脂浸料、非热压罐处理的大型组合板, 具备不间断加载路径,通过缝合能有效避免裂缝的产生。

绿色直升机

在欧洲“清洁天空”项目的背景下,空客直升机公司计划于2015年将装有柴油循环发动机的EC120轻型直升机送上天空。据技术人员介绍,柴油循环发动机比涡轮发动机的燃料消耗降低30%-40%。阿古斯·特韦斯特兰公司也将于2015年底完成加装主动扰流板旋翼的AW139的飞行试验。这些技术能够增加直升机升力、减小所需功率、节省燃料以及降低排放。明年,“清洁天空”项目将对电驱动尾桨进行台架试验,验证其是否能减轻重量、降低噪音和振动。

无人机空域管理

随着科技的发展,无人机的应用范围逐渐增加:在繁忙的机场附近、核电厂周围以及体育赛事的上空都能看到小型无人机飞行的身影。问题也随之而来:如何在开放低空空域的同时确保隐私与安全?NASA计划五年内推行无人机交通管理系统(UTM)。该系统将为无人机用户提供门户网站,帮助他们规划飞行轨迹、了解实时天气、躲避障碍及获晓其他交通情况。空域管理者能够进行区域划定,对无人机用户进行身份验证并在紧急情况时为其开出“通行证”。目前该网站的前期工作正在阿拉斯加进行。

变形襟翼

如果在新机型和改造机型中,襟翼能够像翼梢小翼一样实现无缝变形,是否能够有效减少噪音和阻力?由FlexSys公司研发的无缝弯扭结构已在湾流III型公务机改进型上进行了测试。该试验属于自适应后缘飞行实验项目,由NASA和美国空军研究实验室共同发起。相同的晶格结构使得襟翼在受到驱动后能够平滑地改变曲面形状,这种可变过渡面用于连接襟翼与主翼。采用新的结构后,巡航阻力预计最高减少3%,燃料将节省12%。

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