2014年，美国国家航空航天局（NASA）基于对未来航空发展趋势的预测和其它行业技术扩散影响等因素考虑，修改了发展战略，提出了未来民用航空发展的六大引擎，并相应调整了航空研发计划。
2015年1月，NASA按照新研发计划制定的年度预算获批。根据有关资料，NASA在2015年用于航空研究的预算为6.51亿美元，其中包括国会为NASA额外批准的主要用于增加演示验证项目的1亿美元。
从目前情况看，NASA航空研究的投资规模未来或将会保持在6亿美元左右，约为1998年的1/3。新的研究战略是否能够适应新形势，保证在投资规模缩小的情况下支撑下一个辉煌的100年，是NASA面临的主要挑战。
欧盟的挑战
在航空业发展的第一个世纪中，美国在航空基础科学、技术研究以及应用发展等方面是无可争议的领导者。
第二次世界大战以后，美国长期把持了除社会主义阵营以外的世界航空产品市场，特别是在民用飞机领域，20世纪70年代中期，美国的市场占有率高达96%。这些成就的取得都离不开NASA在航空技术方面的鼎力支撑。
此后，美国的民用航空霸主地位受到来自欧盟和世界其他国家的巨大挑战，尤其是欧盟国家在“空中客车”项目上合作的成功，使西欧制造商在世界民用飞机市场获得了很大份额，打破了美国在该领域的垄断。
面对欧洲航空航天工业日益强劲的竞争实力以及欧盟制订的雄心勃勃的航空发展规划（到2020年，欧盟制造的飞机、发动机和机载设备占据世界市场50%份额），美国政府、国会和工业界对未来是否仍能保持自己在世界航空航天领域的技术领先地位不无担忧。为此，美国各界不断呼吁政府加大对航空科研的投资力度，制订更加积极高效的航空科研政策及研发计划，以确保美国的领先地位。
六大引擎
作为美国最主要的航空航天科研机构，NASA在这场应对欧盟竞争的战斗中自然是当仁不让。
近年来，NASA由于对航空研究重视不够而受到广泛批评。例如，NASA在2004年到2007年间总预算提高了9%，而投资航空项目的费用却下降了32%（2004财年航空预算为10亿美元，2007财年航空预算仅为7.24亿美元）。
面对来自内外的压力，2006年以来，NASA不仅重新调整了管理结构，专门设立了航空研究任务事务部（ARMD），而且根据新形势出台了新的战略规划，并基于新的需求调整了其航空研究计划，制定了航空安全计划、空域系统计划、基础航空计划、航空试验计划、集成系统研究以及航空战略和管理六大研究计划。其中，基础研究计划和航空试验计划是新增的专项计划，体现了NASA对基础研究和航空试验基础设施建设的重视。这种研究结构一直持续到2014年。
近两年来，NASA逐渐认识到，随着日益增加的全球流动性需求，可持续发展的挑战，以及信息、通信和自动化技术发展等因素的推动，全球航空领域将进入技术变革期，NASA原有的“抹花生酱”式（指少量资金投入过多项目，演示验证项目少）的航空研究组织方式发挥的作用越来越有限，人们看到的似乎是缺少创新能力、害怕失败和越发保守的NASA。
航空业呼唤创新，航空业需要冒险。2014年，NASA重新制定了航空研究战略目标，即“通过推进航空研究，实现安全、可持续的美国和全球航空的革命性转变”。基于此目标，NASA提出了未来航空业发展的六大引擎——安全高效的全球空运量增长、商用超声速飞机创新、超高效亚声速商用飞机、向低碳推进的转变、实时广域安全保障和有保障的自主性。为了更好地支撑新的战略目标，NASA又针对六大引擎设定了新的航空研究任务指标。
NASA航空研究的战略目标 NASA航空研究的任务指标（对应六大引擎）
通过推进航空研究，实现安全、可持续的美国和全球航空的革命性转变 开发提高先进航空决策能力的解决方案，包括改善空中交通管理以容纳未来空运量增长、增加危险条件下的航空安全等。
验证降低音爆，创新未来超声速客机的能力。
推进机体和发动机技术创新，开发未来超高效绿色飞机。
通过研究替代喷气燃料和混合燃气-电推进系统概念，实现重大环境性能和效率提升。
极大地增强预警和解决潜在航空安全问题以及预测航空系统健康和稳健性的能力。
通过开发、应用和确认先进自主性和自动化技术，包括解决未来无人机系统进入国家空域系统的关键障碍，支持民用飞机运行和空中交通管理的变革。
四大研究计划
在新的战略下，NASA制订了更加聚焦的四大研究计划，分别是空域操作和安全计划、先进飞行器计划、集成航空系统计划和变革性航空概念计划。从2015年开始，NASA将按照新的四大研究计划进行投资。
一、先进飞行器计划（AAVP）
AAVP旨在为飞行速度更快、更清洁、更安静、更省油的新型飞行器开发知识、技术、工具和创新概念。该计划由5个项目组成：
1.先进空中运输技术项目（AATT）：开展亚声速飞行器的基础研究，以改善飞机性能并降低对环境的影响。
2.革命性垂直起降技术项目（RVLT）：开发和验证飞机垂直起降的关键技术。
3.商用超声速技术项目（CST）：针对低音爆超声速飞机潜在的先进能力和布局开展理论研究。目前，NASA已经选定了8个CST下的研究专题予以资助。具体专题包括：
平流层超声速巡航飞机的全球环境影响(120万美元)；
湍流对声震形成的影响(120万美元)；
音爆显示(69.8万美元)；
减缓音爆的引导界面(68.6万美元)；
低音爆飞机静音喷口概念研究(57.5万美元)；
未来超声速民用运输机低噪声一体化概念和推进技术评估(59.9万美元)；
波形和音爆的认知和降低风险的措施 (33.7万美元)；
减少未来社会测试低音爆飞行试验器的风险(39.3万美元)。
4.先进复合材料项目（AC）：开展降低航空复合材料结构取证周期的研究。在该项目下，又设立了复合材料结构残余强度和寿命预测的高可靠度累积损伤分析（PDA）方法、复合材料飞机的快速检测和复合材料工艺模拟工具等3个子项目。
5.航空评价和试验能力项目（AETC）：建立并维持一套关键的航空地面试验设施，以满足局方和国家航空测试需要。
二、航空运营和安全计划（AOSP）
AOSP致力于推动空域系统的革命性改善和现代化，打造效率更高的空中交通管理系统，提升飞行效率，减少飞机延误。
AOSP主要聚焦于实现下一代空运系统（NextGen）的发展愿景，包括：在保持和增强安全性的前提下，容纳预期的空中流量增长；向所有用户提供更加灵活、高效的使用机场、空域和飞机的机会；满足民用航空、国防、国土安全需求；与不断革新的科技环境保持同步。
AOSP由3个具体项目组成：空域技术演示验证（ATD）、使用现实技术的国家空域系统阴影模式评估（SMART-NAS）、安全的自动化系统操作（SASO）。设立这3个项目的初衷是希望开发一些基础概念和技术，通过这些概念、技术的分析、集成和在相关环境中的系统级验证，满足未来空中交通需求。每一个项目都需要关注与国家空域系统的关键系统集成和过渡。
三、集成航空系统计划（IASP）
IASP的主要目的在于将NextGen的技术推向成熟，并集成到主要的飞行器和运营系统、子系统中，以提升飞机的综合性能。
环境负责任航空（ERA）项目是IASP的第一个子项目，从2010财年开始执行，将在2015财年结束。该项目的主要目标是研究能够同时实现降低油耗、噪声和排放的飞行器概念和技术。
IASP的第二个项目是无人机系统集成到国家空域项目。该项目从2011财年开始执行，计划持续到2015财年。其目标是在确保安全的前提下，实现常规无人机融入国家空域系统。
IASP的第三个项目是飞行验证和能力项目（FDC）。它包括一套完整的飞行测试能力建设和验证活动，主要开展复杂和集成的小尺度飞行研究演示验证。
四、变革性航空概念计划（TACP）
TACP旨在培育一些多学科、革命性概念，以促进航空业的创新和变革。该计划将重点资助那些符合NASA新的六大发展引擎的种子研究活动，并针对那些能够转移到其它项目中进一步开发成熟的创新概念进行18?24个月的可行性演示验证。
TACP包括3个项目：一个是授予NASA内部员工的收敛航空解决方案项目（CAS）。CAS旨在资助NASA的内部员工开展快速的可行性演示验证，初始项目包括低成本、快速周转的拖曳式X系列飞行器、自动化电动垂直起降飞行器和前缘异步分布式电推进技术。
第二个项目是授予外部研究人员的项目——前沿航空研究项目（Learn）。Learn项目将成为NASA与一些大学合作的新渠道。
第三个项目是变革性工具和技术项目（TTTP）。该项目主要开发那些对航空应用至关重要的先进的计算和试验工具。TTTP将重点关注应用于结构和材料,多学科设计、分析和优化，以及燃烧、控制和测量等领域的先进工具和手段。
气动布局的革命
文/汤坚玉
一直以来，喷气式民用客机在带来巨大经济价值与社会价值的同时，也带来了噪音与污染物排放等环境困扰。数十年来，如何最大程度地降低喷气客机对环境的不利影响，驱动着大型民用客机技术的发展。
目前，全球大型客机的气动布局逐步趋于统一，其主要特征是圆筒形机身、大展弦比机翼、水平尾翼与垂直尾翼、发动机安装于机翼下或机身尾部。这种布局形式称为常规气动布局，应用时间已持续60余年。
相关研究表明，采用常规气动布局的大型客机尽管在节能降噪方面取得了显著成效，但综合性能的提升已几乎接近极限。要进一步大幅降低大型客机对环境的不利影响，必须研究具有突破性意义的新技术和新材料。其中，大型客机的新气动布局就是业界努力的重要方向之一。
运力倍增的压力
近20年来，在飞机制造商、运营商、机场、政府部门等有关方面的共同努力下，大型客机在节能降噪方面取得了显著进步，如感觉噪音降低幅度超过75%、油耗与相关CO2排放下降幅度超过70%。
尽管取得了不错的成绩，但前景依然不容乐观。根据国际航空运输协会（IATA）的预测，未来20年，全球航空客运量将增加一倍；到2050年，全球航空客运量将达到160亿人次，是2010年的7倍。
航空客运量的倍增将对环境产生巨大压力。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，2050年，航空业碳排放量在人为碳排放所占比重将从目前的2%上升到3%。
为应对航空客运量快速增长的挑战，全球多个国家与组织先后制定了降低航空污染物排放的目标和行动方案。
在美国国家航空航天局(NASA)2006年发布的“N+2”（2025）和“N+3”（2030?2035）代飞机发展目标中，对污染物排放与降噪提出了明确目标。如在“N+3”代飞机技术指标中，油耗降低60%。
欧洲航空研究咨询委员会（ACARE）在2001年发布的“愿景2020”中提出的目标是：到2020年，大型客机的油耗与感觉噪音降低50%，起飞和着陆阶段氮氧化物排放降低80%。
由于波音和空客均放弃研制全新一代窄体客机，使得“愿景2020”的目标无法实现。为此，ACARE在2011年发布“航迹2050”，取代了“愿景2020”。在新计划中，到2050年，大型客机的发展目标是：油耗降低75%，感觉噪音降低65%，氮氧化物排放降低90%。
上述雄心勃勃的发展目标，对大型客机的新技术和新材料研发提出了极高的要求。就飞机的气动布局而言，采用常规气动布局的大型客机综合性能提升已几乎接近极限，不能成为实现上述宏伟目标的解决方案，需要研究新的气动布局来应对挑战。
主要非常规气动布局技术发展现状与应用时间预测
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技术类型
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油耗降低潜力
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成熟度
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可用时间
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BWB
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10%?25%
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4
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2026年
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SBW
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10%?15%
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2
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2028年
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变体飞机
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5%?10%
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3
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2027年
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非常规气动布局
目前，国外飞机制造商和研究机构提出的非常规气动布局多达数十种，如三翼面布局、双翼飞机、斜翼机、连翼、C型翼、双气泡布局、飞翼、前掠翼、翼身融合体、斜拉翼、变体飞机等。其中，翼身融合体、斜拉翼和变体飞机是目前业界关注度最高、油耗与污染物排放降低潜力较大的非常规气动布局。
一、翼身融合体
翼身融合体（BWB）布局是指机翼平滑地融合进入平宽的、无尾翼机身。它与飞翼布局类似，但同时吸收了常规布局的特征，机翼与机身作为一个整体来设计，两者的平面形状和剖面形状完全融为一体。
BWB概念的初衷是通过将发动机、机翼以及机体集成融合为一个升力面来最大化地提升飞机的综合效率。这一想法最早由麦克唐纳?道格拉斯公司提出，并在部分军用飞机上进行实际应用，如美国著名的B-2和YB-2轰炸机。
与常规气动布局相比，BWB具有更轻的结构重量、更高的升阻比、更大的内部装载空间和更低的燃油消耗等显著优势。尤值一提的是，它的减噪优势极其突出。由于具备较大的结构空间，BWB可以提供比常规布局飞机大得多的噪音屏障。NASA研究发现，仅应用BWB就可获得10%的燃油节省，而BWB的噪音比圆筒-机翼飞机低37dB。
BWB的优势已使它在解决NASA的“N+3”目标中的一些关键挑战方面非常具有吸引力。因此，该技术得到了美国、英国、法国以及俄罗斯等航空强国的高度重视。如NASA与波音联合开展的X-48项目，空客牵头17个组织历时3年开展了VELA项目，俄罗斯中央流体研究院与波音和空客合作，共同开展对BWB的概念性设计研究等。
其中，最受业界关注的是X-48项目。X-48项目历时15年，研制了X-48B和X-48C两款无人驾驶验证机，并进行了长达6年的飞行试验。其中，X-48B在2007?2010年飞行92个架次，X-48C在2012?2013年飞行30个架次。这些飞行试验主要用于评估低噪音版本的概念型BWB的稳定性与控制性。
通过该项目，NASA不仅建立了BWB从地面到飞行的完整数据库，验证了BWB在整个飞行包线的低速控制能力，并证明BWB具有满足NASA有关未来飞机设计环境目标的潜力。波音目前仍在开展BWB技术研究，未来有望发展一种大尺寸跨声速BWB验证机。
二、斜拉翼
斜拉翼（SBW）是指在机翼下方安装支撑梁的特殊机翼结构布局。通过采用这种结构支撑，可减少机翼厚度和后掠，从而在不增加结构重量的情况下增大翼展，进而提高升力，还可以减少发动机尺寸。此外，由于支撑梁的卸载作用，能够有效地减小机翼的弯曲变形，缓和机翼的根部受载，对于机翼结构的减重具有显著作用。
SBW也不是新概念，其开创者和实践者是法国的于雷尔?迪布瓦公司。该公司在20世纪50?60年代间研制了包括HD-10、HD.31、HD.32、HD.321、HD.34等5款采用SBW技术的民用飞机。
进入21世纪后，为研制油效更高、排放更低的大型客机，SBW重新受到研究机构和主制造商的关注。在NASA的“N+3”项目支持下，波音、洛克希德?马丁、弗吉尼亚理工大学等企业和研究机构开展了长达十数年的合作研究，并从最初应用于777尺寸大小的远程宽体客机转移到应用于737尺寸大小的中短程窄体客机上。
NASA和波音对SBW的应用前景充满自信，认为可作为2030年左右服役的下一代全新客机的选择方案。有关机构的研究表明，即使采用目前的发动机，737尺寸大小的SBW飞机仍可节省5%?10%的燃油，如果结合混合动力以及其它先进技术，就可满足NASA的“N+3”计划中的油耗目标。
三、变体飞机
变体飞机是从仿生学的角度提出的，指飞机在飞行过程中根据任务和环境变化自主地改变气动外形。它在降低环境影响、减少阻力与油耗、提高运行效率、增加航程、降低噪音以及扩大飞机飞行包线等许多方面均具有较大的潜力。
早期针对变体飞机的研究主要集中在机翼变形方面，应用最多的是变后掠机翼。首款在飞行中变化后掠翼的飞机是1952年由贝尔飞机公司研制的X-5，通用动力公司研制的F-111是第一种投产的变后掠翼飞机。
目前，业界有关变体飞机研究的重点集中在实用性方面。例如，由美国空军、NASA和波音联合开展的主动气动弹性机翼项目。该研究的目的是在全尺寸有人驾驶的超音速飞机上，验证通过气动诱导机翼扭转的飞机的滚转操纵性能。
美国国防先进研究项目局（DARPA）联合多家飞机制造商开展的变体飞机结构项目重点是研究实现大尺寸飞机飞行中变体的技术可行性。
新一代航空技术公司也开发了飞行中的变体概念，并在2007年10月进行了自主变形飞行试验。该公司宣称，铰接结构和柔性蒙皮能使机翼面积改变40%，翼展改变73%，变形机翼可实现机翼面积和后掠角分别改变，以获得不同飞行时段的最优构型。
有关变体结构在民用飞机上进行实践研究走在最前沿的是NASA、美国空军实验室以及美国柔性系统公司。三家机构就变体飞机进行联合研究已近20年，并在自适应柔性后缘项目（ACTE）中研制出先进的、可变形襟翼（可形成连续的、柔性的、可扭转的操纵面），并改装在一架湾流III公务机上，于2014年11月6日进行了首次试飞。
主要技术难点
IATA曾经联合全球多家飞机制造商、航空公司、政府机构、航空技术研究机构等对BWB、SBW、变体飞机三种布局技术发展现状与应用时间进行了预测。
目前，BWB的技术成熟度最高，预计技术应用时间将最早，油耗降低潜力也可能最大，被业界广泛认为是最有发展前景的一种非常规布局。
BWB的发展路径可能是首先用于军用飞机，然后是货机，最后是大型客机。BWB目前虽然已在军用飞机上得到应用，但要应用于大型客机还面临高速气动力学、推力集成以及非圆形受压客舱等技术难题。
稳定性与飞行品质是发展BWB面临的重要挑战，需要更高级的飞行控制系统来控制飞机在各种条件下的飞行。其它方面的挑战还包括：给远离中心线位置的乘客造成的法向过载、应急撤离规章限制等。
SBW目前的技术成熟度水平相对最低，但具有较好的商业应用前景，由于除了增加一个支撑梁和机翼安装位置更高外，在外形上与常规布局的飞机几乎没有区别。
因此，与其它外形变化更为激进的非常规气动布局相比，SBW更有可能得到公众与机组人员的支持，尤其是对飞行有恐惧的人群的支持。
未来，应用SBW布局的大型客机极可能拥有超大的翼展，可能会采用类似于波音777的折叠式机翼方案，更适合在远程航线上运营。然而，制造和维护超大翼展的机翼存在大量未知数和不确定性，而机翼折叠结构所带来的额外重量将会影响到油效。
从目前的研究进展来看，变体飞机的技术难度相对最大，所涉及的专业技术领域最广泛，如空气动力学、结构、强度、材料、智能控制、电子设备等。
该技术的主要难点包括智能材料研制、总体及气动协调设计、智能机翼结构、变体控制设计等。相关结构的重量与复杂性将影响该技术在民用飞机上的应用。因此，变体结构在军用飞机上的应用程度可能要高于民用飞机。然而，一旦变体结构相关技术发展成熟，将对整个航空产业带来革命性影响。
未来发展前景
未来，民用飞机的气动布局极可能将不再是目前全球近乎统一的布局形式，而是呈现出多样化发展的局面。随着技术的发展，很有可能出现全新的布局形式。
目前，飞机制造商和研究机构对未来飞机气动布局的认识尚未达成一致，如发动机的数量与安装位置、是否需要尾翼等，尤其是变体飞机，其气动布局形式更加多样化。不同的非常规气动布局将会导致民用飞机在巡航速度、航程、噪音、经济性等方面存在较大差别。
要实现未来民用飞机综合性能的巨大提升，不能仅仅着眼于单项技术的突破。民机非常规气动布局的成熟应用更加依赖于多学科协同发展与跨学科交叉，如空气动力学、结构、强度、航电系统、飞行控制、计算机、通信、材料、制造、动力系统等。同时，需要相关基础学科的发展与突破。
