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美國航空航天局（NASA）

發(fā)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(lián)邦政府的一個行政性科研機構(gòu)，負責(zé)制定、實施美國的太空計劃，并開展航空科學(xué)暨太空科學(xué)的研究。NASA 是目前世界上最權(quán)威的航空航天科研機構(gòu)，與許多國內(nèi)及國際上的科研機構(gòu)分享其研究數(shù)據(jù)。其愿景是為人類利益不斷登高并揭示未知領(lǐng)域。
（2）航空研究任務(wù)理事會
航空研究一直是 NASA 的關(guān)注重點之一。NASA 航空研究數(shù)十年如一日為航空發(fā)展服務(wù)，幫助飛機更加安全有效地飛行，現(xiàn)階段幾乎每種在用機型都離不開 NASA 技術(shù)的支持，如圖 3-7 所示。今后，NASA航空研究還將繼續(xù)通過顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，對航空旅行和商業(yè)發(fā)揮重要支持作用，確保美國航空業(yè)的持續(xù)發(fā)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(wù)理事會（ Aeronautics Research Mission Directorate，簡稱為 ARMD）負責(zé)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(tǒng)。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(yè)和學(xué)術(shù)合作伙伴合作，正在幫助創(chuàng)建下一代航空運輸系統(tǒng)，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(zhàn)。 ARMD 通過分析全球發(fā)展趨勢，明確了影響未來幾年航空研究的重要驅(qū)動因素，制定了未來 25 年乃至更遠時代的美國航空戰(zhàn)略計劃。
航空戰(zhàn)略實施計劃
ARMD 提出的美國航空戰(zhàn)略實施計劃主要描繪未來 25 年乃至更遠時代的航空發(fā)展愿景，涵蓋了廣泛的新技術(shù)和新理論，以滿足美國和世界對安全、高效、靈活和環(huán)境可持續(xù)的未來航空運輸?shù)男枨?。該?span style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: FangSong_GB2312; font-size: 14.52pt; font-weight: bold; mso-spacerun: "yes";">劃的一個關(guān)鍵要素是一系列戰(zhàn)略主旨，這些戰(zhàn)略主旨是指導(dǎo) ARMD 應(yīng)對全球航空發(fā)展趨勢的研究領(lǐng)域。 ARMD 認為，未來數(shù)年，以下幾個驅(qū)動因素將會主導(dǎo)航空研究的發(fā)展：（a）全球范圍內(nèi)航空客貨業(yè)務(wù)需求的持續(xù)增長；（b）航空可持續(xù)發(fā)展和能源使用面臨的峻挑戰(zhàn)；（c）影響航空未來發(fā)展的材料、制造、能源、信息和通信等技術(shù)的進步與融合。 基于以上認識，NASA 制定了新的航空研究戰(zhàn)略愿景，將航空研究集中在六個重點戰(zhàn)略主旨，以最好地促進國家未來的社會和經(jīng)濟活力。這六個重點戰(zhàn)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(chuàng)新；（c）超高效商用飛機；（d）向低碳發(fā)動機推進過渡；（e）實時的全系統(tǒng)安全保障；（f）確保航空自治化轉(zhuǎn)型。 ARMD 戰(zhàn)略將持續(xù)致力于滿足未來發(fā)展需求的航空業(yè)轉(zhuǎn)型，充分利用傳統(tǒng)航空學(xué)科內(nèi)部以及外部的技術(shù)進步為航空業(yè)帶來效益。ARMD主要關(guān)注技術(shù)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(shù)融合，目標是開發(fā)變革性的航空解決方案，最終實現(xiàn)安全、高效、有適應(yīng)性、可擴展和環(huán)境可持續(xù)的全球航空系統(tǒng)。 2015 年，ARMD 發(fā)布了航空戰(zhàn)略實施計劃的初始版，結(jié)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(fā)布了該航空戰(zhàn)略實施計劃的更新版本。
（1）21 世紀航空展望
航空戰(zhàn)略實施計劃這樣描繪航空未來發(fā)展愿景：旅客可以靈活選擇起飛時間和地點，飛行時間大幅縮小；天空中的航空器數(shù)量將是今天的數(shù)千倍；新的有成本效益的航空應(yīng)用急劇增加；各種形式的航空旅行都將像今天的商業(yè)航空運輸一樣安全；航空將整體接近碳中和。 航空自治化轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)航空未來發(fā)展愿景的最重要途徑。其目標是通過全系統(tǒng)的運營規(guī)劃和對變化的快速響應(yīng)以及重新規(guī)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(shù)、實時
規(guī)劃、實時配置和實時控制實現(xiàn)前所未有的靈活性。相互連接的多車輛系統(tǒng)將合作實現(xiàn)新目標。不受傳統(tǒng)車輛的要求限制，機器智能將支持新型車輛和任務(wù)。自治將增強人類的能力，通過機器協(xié)助人類或人機安全協(xié)同，使人類輕松完成某些任務(wù)。通過系統(tǒng)自動配置，車輛將以最高性能和效率持續(xù)運行。
（2）戰(zhàn)略主旨 6：確保航空的自治化轉(zhuǎn)型
航空戰(zhàn)略實施計劃提出的六個重點戰(zhàn)略主旨中，與智慧機場發(fā)展最緊密相關(guān)的是戰(zhàn)略主旨 6：確保航空的自治化轉(zhuǎn)型。該主旨重點研究開發(fā)復(fù)雜環(huán)境自動運行的智能機器系統(tǒng)，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(tǒng)最大化航空效益。強調(diào)人機統(tǒng)一的連續(xù)自治和航空帶來的社會效益。在航空自治系統(tǒng)中，自治機場場面運行一方面可以實現(xiàn)最佳的機場場面運行，另一方面能為飛行中的多車輛協(xié)作自治奠定基礎(chǔ)。 自治系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展將從根本上變革航空運營業(yè)態(tài)，提高航空運營的安全性和效率，增強 NAS 的容量、穩(wěn)健性和靈活性。通過開拓空域新用途如先進無人機系統(tǒng)運行和個性化定制航空運輸?shù)?，可以產(chǎn)生額外效益。戰(zhàn)略主旨 6 的本質(zhì)就是采用高度智能機器構(gòu)建自治系統(tǒng)，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(yù)期成果：引入具有有限自治權(quán)的航空系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)功能層面的目標。這一時期將在機載和地面系統(tǒng)中引入初始自適應(yīng)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(zhàn)略控制系統(tǒng)，人類在規(guī)劃和決策時的咨詢支持以及基于預(yù)測的安全。還有一些功能是改善設(shè)計和制造過程，同時逐步提高系統(tǒng)中機器員工比。將通過引入自治系統(tǒng)實現(xiàn)新功能，特別是 UAS 相關(guān)應(yīng)用。 2025—2035 預(yù)期成果：引入可信任的靈活自治的航空系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)層面的目標。這一時期將引入先進的機器學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，實現(xiàn)先進可靠的預(yù)測。自治能力達到更高水平，通過自治增強了對技術(shù)的信任，反過來促進更廣泛的自治認證和實施。許多系統(tǒng)都是由人和機器共同構(gòu)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(tǒng)組成的自治系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大。系統(tǒng)基于大量數(shù)據(jù)不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)，構(gòu)建了包含系統(tǒng)狀態(tài)和操作環(huán)境的復(fù)雜世界模型。 2035 年預(yù)期成果：引入具有明確自主權(quán)的分布式協(xié)作航空系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)政策層面的目標。采用先進的自治技術(shù)實現(xiàn)航空應(yīng)用。社會對自治航空系統(tǒng)高度信任，在系統(tǒng)治理和可持續(xù)水平等方面都能通過大規(guī)模自治系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)定目標。這些目標將包括系統(tǒng)級維護、修復(fù)和保護。系統(tǒng)相互連接，并高度依賴于基于大規(guī)模分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的高分辨率世界模型。系統(tǒng)元素分布但協(xié)作，可實現(xiàn)前所未有的效率、靈活性、穩(wěn)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(tǒng)的重要組成部分。
a．背景及面臨挑戰(zhàn)
自治機場場面運營實施背景及面臨的挑戰(zhàn)主要包括：（a）亟需進一步提高機場地面作業(yè)的效率和可預(yù)測性；（b）目前地面作業(yè)方式所需時間和空間都制約著日益復(fù)雜的物流發(fā)展；（c）航空公司和空管部門的成本持續(xù)增長；（d）亟需通過數(shù)據(jù)驅(qū)動、安全和動態(tài)的機場場面運營提升效率；（e）需要開發(fā)和測試 ATM 自治技術(shù)，以確保安全性、可預(yù)測性和恰當(dāng)?shù)氖褂?；（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(jiān)督。
b．自治機場場面運營概念
基于現(xiàn)有機場基礎(chǔ)設(shè)施，在機場場面上，集成自主的地面服務(wù)車輛，驗證自治系統(tǒng)的可行性，并證明自治系統(tǒng)能帶來高效運營、系統(tǒng)可預(yù)測性和穩(wěn)健性等。 有監(jiān)督的自治機場場面運行，包括自主和非自主的地面服務(wù)車輛混合運行以及各類基于實時數(shù)據(jù)的智能決策算法應(yīng)用。機場場面所有車輛行為各自獨立但相互協(xié)同?；趥鞲衅骷夹g(shù)，引導(dǎo)飛機實施自動推入、自動推出和自動廊橋?qū)?；同樣基于傳感器技術(shù)，場面車輛能確保避免碰撞并連續(xù)運行；通過實時處理不斷增長的數(shù)據(jù)，并在不斷變化的條件下自動調(diào)整路線，車輛能實現(xiàn)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(xié)商優(yōu)先級；工作人員監(jiān)督、控制自動協(xié)同運行的相互連接的多車輛系統(tǒng)。如圖 3-9 所示。
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