張聚恩/文
近讀美國聯邦政府總統府科技政策辦公室(OSTP)於2023年3月17日發布的《國家航空科技優先事項》(以下簡稱《優先事項》),很受啟發與觸動。本文件概述了美國政府的戰略優先事項,旨在擴大美國的領先地位,實現美國各政府部門的合作,並通過支持公私合作夥伴關係來確保航空業的持續成功。本文件是對《國家航空研發政策(2006年)》的更新。
我有三點認識。第一,美國已是世界航空獨霸,仍對發展航空極為重視,值得深思;第二,為確保航空業活力,所 提出的科技優先事項具有重要啟迪;第三,為加強航空持續發展而採取的美國式舉國體制,值得我們借鑑。總之,面對美國如此態勢,我們須高度重視,並舉國應對。現分述如下。
一、美國高度重視航空產業發展
美國在世界範圍領先的航空業,長期以來對保障美國經濟繁榮和國家安全產生了重大影響。文件再次披露的數字,加深了我們對此的認識。2019年,美國航空業的經濟產出總量1.9萬億美元,占當年美國國內生產總值的4.9%(當年GDP總量為21.38萬億美元);提供就業崗位1000多萬個;出口額1480億美元,是美國第二大製造業出口行業(經查,出口第一位的為石油製品)。
據《美國航空航天工業協會報告(2019)》,當年美國航空工業產值占國防和航空航天(A&D)產業的四分之三,創造了3870億美元的增加值,占美國國民生產總值的1.4%,占美國製造業增加值(GDP的11%)的八分之一;僱傭了190萬人(含供應鏈),約占美國全部雇員的2%,年人均勞動生產率20萬美元。
另據蒂爾集團和空氣動力諮詢兩家公司2018年7月發布的聯合報告《世界航空航天製造業規模和國家排序》,美國在2017年全球航空航天製造業8380億美元的營收總額中,以4084億美元的業績,獨占49%。全球產值總額中航空占90%。
這些異源資訊與《優先事項》相互印證,足以可信。相關數據一再揭示,單就製造業而言,美國航空的強大令人驚嘆。自20世紀60年代以來,航空製造業成為美國保持製造業國際競爭力、維持大國地位的支柱產業,航空產品取代汽車、船舶、鋼鐵、家電,成為對外出口的主要產品,是美國維持經常項目貿易平衡的主要工具。
回顧歷史,美國因其在二戰中本土無戰事,承擔向同盟國提供巨量武器裝備的使命,實施前所未有的戰時工業動員,致航空工業空前發展。二戰後,借軍事航空的溢出效應,進一步推動本國航空產業大發展,一舉成為世界強國。隨著1991年蘇聯解體與國力漸衰,美國航空業更成為全球唯一超霸。
美國舉國對於航空重要性的認識一以貫之,且不斷強化。在軍事上,美國航空航天工業未來委員會最終報告(2002)《任何人、任何物、任何時間、任何地點》中的詮釋最有代表性:「航空是美國軍事能力的關鍵,是美軍全球機動、通信情報、空中防禦、制海制空、遠距精確打擊、地面部隊保護和機動的核心。」
在美國2022財年預算中,飛機及其系統和武器占美軍裝備研發和採購費的40%;近10年來美軍投入航空研發和採購裝備的資金年均500億美元;2024財年美國空軍預算申請中的研發費用高達554億美元,採購費用354億美元。這些都導致,美國對於本國軍事航空工業的極端重視。
而在民用航空領域,以波音民機為代表的美國力量長期形成絕對優勢,賺得盆滿缽滿。直到上世紀70年代歐洲空客橫空出世,經奮鬥30餘年,終與波音平分世界市場。儘管遭遇737MAX空難的影響,致波音元氣大傷,但美國民機製造業整體,目前仍是作為支柱產業的航空工業的最重要組成部分。
與美國航空產業的強盛以及國家如此重視航空產業形成對比的是,後發的我國航空產業近年來雖發展迅猛,但尚未成長為支柱產業。以2019年數據為例,全產業對國家GDP(14.28萬億美元)的貢獻僅占約1.3%,其中航空製造業不足0.5%。面對軍事航空和民用航空的巨大市場需求,我國航空產業的巨大潛能有待培育、激發和放大。我們理應對國家的現代化建設做出更大貢獻。
二、三大優先事項和七項原則
報告從維持美國航空業活力、應對減少氣候影響的挑戰和提高國家空域系統容量等目標出發,提出了3大優先事項及所應遵循的7大原則。雖然從字面看,主要談民用航空,但因數次提及國家安全,國防部參與了本項研究,大部分內容對軍事航空也具有直接意義,且國防部還領受了具體任務,因而可以認為該報告具有一定程度的軍民結合的性質。
三大優先事項是:
第一,實現可持續航空。為此,採取4種方法:(1)支持運營商採用新一代高效低排放飛機和發動機技術;(2)繼續投資改進基礎設施和空中交通管理手段與工具;(3)加快可持續航空燃料的開發、測試和認證,以及廣泛生產和採用;(4)開發和使用新的先進燃料等。
第二,改造國家空域系統。政府將優先考慮國家空域系統現代化改造,優先發展小型無人機(small drones)和先進空中交通(AAM)航空器,如電動垂直起降航空器(eVTOL)、電動短距起降航空器(eSTOL)和其他高度自動化的電動客貨運航空器等,並集成到國家空域系統之中。
第三,提升連通性和速度。著力探索新技術,加強航空運輸的全球連通性,包括可持續超聲速技術(減少起降噪聲及高空排放,並顯著提高機體和發動機效率)、高超聲速技術(含相關空氣動力學、高速推進、先進材料以及強韌制導導航控制技術)等。
七項原則是:
1.促進安全——政府將持續促進航空運輸安全,投資於提升空中交通管理效率和防撞的系統,提高定位、導航和授時新資源的商業可用性,創建更強韌的航空體系。
2.保護環境——政府將推動顛覆性的技術創新,同時倡導制定州、地方和國際政策,減少排放,實現安靜、清潔、節能的航空運輸。
3.提升經濟競爭力——政府將創建促進私營部門創新和國際合作的體系,如支持航空新技術研發和創新的標準和監管方法,支持高風險的設計和開發方法,提高技術成熟度。
4.加速創新——政府將繼續推動先進儲能技術、氫、電、替代燃料以及減少溫室氣體排放所需技術的研發,優先技術包括自主、人工智慧和機器學習、安全的硬體和軟體系統、高強度材料、輕量化電池和充電技術、先進的推進系統、實現敏捷開發的新設計工具,能降低碳排放和提高運營效率的新燃料等,並與企業合作加快技術轉化。
5.加強國家安全——超聲速和高超聲速等新技術對國防安全具有重要意義,同時政府將優先考慮安全、敏捷的航空技術系統構建,以及現代信息技術系統中硬體和軟體的設計安全,以提升航空運輸的安全性。
6.培養人才——政府將通過人力投資來培養航空人才,首先是建立航空技術學科社區來培養人才和創造力,營造強大的、技術先進的航空研發環境;其次是通過與學術機構、各社區以及各級院校合作,為青年提供與航空優先事項相關的學習、實習及就業機會,重點培養技能卓越的跨學科技術隊伍。
7.保障航空運輸公平——政府將優先考慮改善國內和國際機場,增加機場流動性,擴大通道,並改善殘疾人和行動不便者的出行暢通性,保持未來航空運輸的可負擔性和公平性,使航空運輸服務於所有社區。
三、美國發展航空的「舉國體制」
美國是一個市場經濟的國家,但在航空業的發展方面,政府的作用從來都十分強大,正如這份報告所說:美國政府將自身視為繁榮發展的航空業的長期監管者和賦能者。其責任是整合各機構的職能,消除冗餘和延滯問題,在航空可持續性發展中真正獲得領導地位。而此文的編制、出台和文件中提出的政府職責和聯邦政府各有關機構應負的責任,構成了一幅落實優先事項的「美國式舉國體制」。
這份文件是由國家科學與技術委員會(NSTC)組織的一個跨機構研究組編寫、經由OSTP同意發布的。OSTP的職責是對機構間的科技政策負協調責任,並就聯邦政府的重大政策、計劃和項目向總統提供科技分析與判斷的意見。NSTC的責任是制定研發策略,其相關工作由各個委員會組織,這些委員會負責監督側重於不同方面科學技術的小組工作。
此次編寫文件的航空機構間工作組是在OSTP的支持下進行工作的,旨在確保美國在與所有航空相關的科學研究和技術應用中保持和擴大領先地位。參與本次研究和在報告上署名的機構共10家。
本文件為公開發布,這是根據《美國法典》第17篇第105條之規定,在獲得OSTP同意的情況下,得以分發和複製的。(寫到此,想到我國的戰略性文件往往密級過高,能夠讀到的人群甚小,這在一定程度上制約了公民對於國家戰略的知曉、理解和主動執行。)
報告里明確指出在這一事項里,聯邦政府的責任是:根據國家安全政策、國內政策和外交政策的指導,支持和宣傳航空成果的湧現,促進其用於開發和商業,並提供必需的數據,以指導新標和新規的制定與採用。
報告中還為參與研究的十家中的七家有關機構,明確了各自的任務。這七家以及各自的職責是:
商務部(DoC)——將航空業視為美國經濟中的一個關鍵部門,組織各侷促進整個行業的投資、創新、安全和標準制定。其中,國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供氣象觀測、預報和天氣決策支持,幫助維持飛行安全和效率;支持優化長途航線,提高運營效率、降低碳排放、提高機場容量。國家標準與技術研究院(NIST)確保精密航空儀器的製造商和用戶實現儘可能高的測量質量和生產率。國際貿易管理局(ITA) 通過促進貿易和投資,確保供應鏈具有保障經濟和國家安全的韌性,鼓勵美國企業在國際市場上促進出口以及嚴格執行確保交易公平的美國貿易法律和協議,以保障所有部門的美國製造商的國際競爭力;在先進空中交通、可持續航空技術和高速飛行等領域,確保美國企業擁有在國外市場發展和取得成功的手段與工具。
尤令我印象深刻的是,報告里說:DoC有責任「通過與供應商的直接互動來支持航空供應鏈」。稱,霍林斯製造業拓展夥伴計劃 (MEP) 的全國網絡有 51 個中心(每個州和波多黎各各一個),並且每年與航空業的數百個項目和製造業個體戶合作。大多數客戶是小型製造商(員工人數少於 100 人)。該計劃及其中心所做的工作不僅已經創造或保留了數千個航空就業崗位,還創造了數十億美元的新銷售額和留存銷售額、新投資以及成本節省。該計劃通過幫助包括運輸公司在內的中小型製造商整合工廠內以及其他供應鏈職能的物理和數字流程來優化當前和未來的供需要求,以符合以智能製造為重點的國家航空科技優先事項的要求。
國防部(DoD)——根據國家安全戰略和國防戰略,通過研究、科學、技術、工程、創新和高級能力的部署來加強和保持技術優勢。將通過建模、仿真和設計工具、測試基礎設施和勞動力的投資、開發和應用,應對關鍵的國家安全挑戰,支持包括先進材料、可再生能源和存儲、高超聲速以及數字轉型等航空技術領域,並與高校合作培養下一代具備數字技能的專家等。
能源部(DoE)——為應對能源和環境挑戰,投資於包括航空可再生燃料、高超聲速技術、新材料和適用於航空領域的多項新製造工藝的研發。支持高產量且具有成本效益的可持續航空燃料生產,擴大應用,將溫室氣體排放減少 70% 以上。到 2050 年,可生產足夠的凈零航空燃料,以滿足航空業的需求。通過材料和工藝研發來降低成本,並提高用於長期儲存的電池的性能;在各種尺寸的飛機上進行創新型機載儲能技術的研究、測試和原型製作。投資於制氫和碳化矽納米纖維復合材料,以保障小型氫動力飛機的未來。同時,持續投資於旨在降低鋁鈰合金等高級材料成本的研究工作,以減輕飛行器結構組件的重量,並增加其強度。該部所管理的國家科學設施,包括用於表征新材料和設備的最強大光源以及百億億級超級計算機等,將被用於高級材料的開發以及人工智慧和機器學習輔助的協同設計,以推進創新的航空概念。
國家航空航天局(NASA)——通過可持續飛行國傢伙伴關係 (SFNP),開發和驗證超高效飛機所需的一系列技術,使下一代窄體機和寬體機分別有望在2035年和2040年投放市場,耗油率比當前同級最優飛機降低30%,並減少噪聲和常規污染物排放;探索最先進的空域和安全管理工具;探索飛機和推進系統,如利用非即用型能源(低溫燃料等)、混動/全電推進技術;評估可持續航空燃料和其他非傳統燃料的可行性、氣候影響以及相關技術,確保使用安全;通過X-59的超聲速飛行驗證來評估該項技術的社區可接受性,尋求降低起降噪聲、高空排放和提升飛機效率的相關方法。