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美國航空航天局(NASA)

發布時間:2021.06.09
(1)NASA 簡介
美國國家航空航天局( National Aeronautics and Space Administration,簡稱 NASA),又稱美國宇航局、美國太空總署,是美國聯邦政府的一個行政性科研機構,負責制定、實施美國的太空計劃,并開展航空科學暨太空科學的研究。NASA 是目前世界上最權威的航空航天科研機構,與許多國內及國際上的科研機構分享其研究數據。其愿景是為人類利益不斷登高并揭示未知領域。
(2)航空研究任務理事會
航空研究一直是 NASA 的關注重點之一。NASA 航空研究數十年如一日為航空發展服務,幫助飛機更加安全有效地飛行,現階段幾乎每種在用機型都離不開 NASA 技術的支持,如圖 3-7 所示。今后,NASA航空研究還將繼續通過顛覆性的技術創新,對航空旅行和商業發揮重要支持作用,確保美國航空業的持續發展并保持其在全球航空市場的強大競爭力。NASA 航空研究主要由航空研究任務理事會( Aeronautics Research Mission Directorate,簡稱為 ARMD)負責組織。ARMD 的主要研究計劃都致力于改善美國國家航空運輸系統。ARMD 的使命是通過研究和制定飛行問題的解決案來滿足民用航空的未來需求。 ARMD 與 FAA、行業和學術合作伙伴合作,正在幫助創建下一代航空運輸系統,即 NextGen,以提高國家空域的容量、效率和靈活性,并解決大量的噪音、排放、效率、性能和安全挑戰。 ARMD 通過分析全球發展趨勢,明確了影響未來幾年航空研究的重要驅動因素,制定了未來 25 年乃至更遠時代的美國航空戰略計劃。
航空戰略實施計劃
ARMD 提出的美國航空戰略實施計劃主要描繪未來 25 年乃至更遠時代的航空發展愿景,涵蓋了廣泛的新技術和新理論,以滿足美國和世界對安全、高效、靈活和環境可持續的未來航空運輸的需求。該計劃的一個關鍵要素是一系列戰略主旨,這些戰略主旨是指導 ARMD 應對全球航空發展趨勢的研究領域。 ARMD 認為,未來數年,以下幾個驅動因素將會主導航空研究的發展:(a)全球范圍內航空客貨業務需求的持續增長;(b)航空可持續發展和能源使用面臨的峻挑戰;(c)影響航空未來發展的材料、制造、能源、信息和通信等技術的進步與融合。 基于以上認識,NASA 制定了新的航空研究戰略愿景,將航空研究集中在六個重點戰略主旨,以最好地促進國家未來的社會和經濟活力。這六個重點戰略主旨是:(a)全球運營的安全高效增長;(b)商用超音速飛機的創新;(c)超高效商用飛機;(d)向低碳發動機推進過渡;(e)實時的全系統安全保障;(f)確保航空自治化轉型。 ARMD 戰略將持續致力于滿足未來發展需求的航空業轉型,充分利用傳統航空學科內部以及外部的技術進步為航空業帶來效益。ARMD主要關注技術焦點包括替代燃料和電動或混合動力推進,低聲速超音速飛行,自動化和自治以及技術融合,目標是開發變革性的航空解決方案,最終實現安全、高效、有適應性、可擴展和環境可持續的全球航空系統。 2015 年,ARMD 發布了航空戰略實施計劃的初始版,結合 NASA對航空界、對未來的看法,提出了面向未來 25 年及之后更遠時代的航空研究愿景。2017 年ARMD 發布了該航空戰略實施計劃的更新版本。
(1)21 世紀航空展望
航空戰略實施計劃這樣描繪航空未來發展愿景:旅客可以靈活選擇起飛時間和地點,飛行時間大幅縮??;天空中的航空器數量將是今天的數千倍;新的有成本效益的航空應用急劇增加;各種形式的航空旅行都將像今天的商業航空運輸一樣安全;航空將整體接近碳中和。 航空自治化轉型是實現航空未來發展愿景的最重要途徑。其目標是通過全系統的運營規劃和對變化的快速響應以及重新規劃,大幅提升航空效率和可靠性。自主機器將通過高帶寬傳感裝置及技術、實時
規劃、實時配置和實時控制實現前所未有的靈活性。相互連接的多車輛系統將合作實現新目標。不受傳統車輛的要求限制,機器智能將支持新型車輛和任務。自治將增強人類的能力,通過機器協助人類或人機安全協同,使人類輕松完成某些任務。通過系統自動配置,車輛將以最高性能和效率持續運行。
(2)戰略主旨 6:確保航空的自治化轉型
航空戰略實施計劃提出的六個重點戰略主旨中,與智慧機場發展最緊密相關的是戰略主旨 6:確保航空的自治化轉型。該主旨重點研究開發復雜環境自動運行的智能機器系統,包括 UAS 在 NAS 中的安全集成。目標是采用高度智能、自動的機器系統最大化航空效益。強調人機統一的連續自治和航空帶來的社會效益。在航空自治系統中,自治機場場面運行一方面可以實現最佳的機場場面運行,另一方面能為飛行中的多車輛協作自治奠定基礎。 自治系統的持續發展將從根本上變革航空運營業態,提高航空運營的安全性和效率,增強 NAS 的容量、穩健性和靈活性。通過開拓空域新用途如先進無人機系統運行和個性化定制航空運輸等,可以產生額外效益。戰略主旨 6 的本質就是采用高度智能機器構建自治系統,從而最大限度地提高航空帶來的社會效益。其階段性計劃如下: 2015—2025 年預期成果:引入具有有限自治權的航空系統,能夠實現功能層面的目標。這一時期將在機載和地面系統中引入初始自適應自動化功能,同時限制其使用范圍。主要功能包括基于機器的戰略控制系統,人類在規劃和決策時的咨詢支持以及基于預測的安全。還有一些功能是改善設計和制造過程,同時逐步提高系統中機器員工比。將通過引入自治系統實現新功能,特別是 UAS 相關應用。 2025—2035 預期成果:引入可信任的靈活自治的航空系統,能夠實現任務層面的目標。這一時期將引入先進的機器學習和自適應能力,實現先進可靠的預測。自治能力達到更高水平,通過自治增強了對技術的信任,反過來促進更廣泛的自治認證和實施。許多系統都是由人和機器共同構成的團隊合作完成目標。相互連接的有自主功能的若干子系統組成的自治系統的規模不斷擴大。系統基于大量數據不斷學習和適應,構建了包含系統狀態和操作環境的復雜世界模型。 2035 年預期成果:引入具有明確自主權的分布式協作航空系統,能夠實現政策層面的目標。采用先進的自治技術實現航空應用。社會對自治航空系統高度信任,在系統治理和可持續水平等方面都能通過大規模自治系統實現預定目標。這些目標將包括系統級維護、修復和保護。系統相互連接,并高度依賴于基于大規模分布式傳感器網絡產生的高分辨率世界模型。系統元素分布但協作,可實現前所未有的效率、靈活性、穩健性和彈性。
(3)自治機場場面運營
自治機場場面運營是自治航空系統的重要組成部分。
a.背景及面臨挑戰
自治機場場面運營實施背景及面臨的挑戰主要包括:(a)亟需進一步提高機場地面作業的效率和可預測性;(b)目前地面作業方式所需時間和空間都制約著日益復雜的物流發展;(c)航空公司和空管部門的成本持續增長;(d)亟需通過數據驅動、安全和動態的機場場面運營提升效率;(e)需要開發和測試 ATM 自治技術,以確保安全性、可預測性和恰當的使用;(f)認證以及空管部門的批準等都要求對機場場面自治運行進行監督。
b.自治機場場面運營概念
基于現有機場基礎設施,在機場場面上,集成自主的地面服務車輛,驗證自治系統的可行性,并證明自治系統能帶來高效運營、系統可預測性和穩健性等。 有監督的自治機場場面運行,包括自主和非自主的地面服務車輛混合運行以及各類基于實時數據的智能決策算法應用。機場場面所有車輛行為各自獨立但相互協同?;趥鞲衅骷夹g,引導飛機實施自動推入、自動推出和自動廊橋對接;同樣基于傳感器技術,場面車輛能確保避免碰撞并連續運行;通過實時處理不斷增長的數據,并在不斷變化的條件下自動調整路線,車輛能實現最佳地面軌跡;車輛之間綜合考慮到港和離港航班計劃,自動協商優先級;工作人員監督、控制自動協同運行的相互連接的多車輛系統。如圖 3-9 所示。
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