美国空军拟投入3亿美元于四大基础方向研究

  

  2019411日,美国空军科学研究办公室(AFOSR)面向学术界和产业界发布征询书(BAA FA9550-19-S-0003),预计将投入约3亿美元资助四大方向34个研究主题开展基础研究,每个项目每年投入20万~40万美元,资助周期为35[1]AFOSR聚焦工程与复杂系统、信息技术与网络、物理学、化学与生物学四大方向中,能极大且全面提升美国作战和维和能力的研究主题。

  此次征询书最大的变化在于新增了冲刺(Sprints机会和商业拨款。冲刺是指展示项目研发活动所产生的基础研究影响的机会,这些项目必须是在美国空军研究实验室的现有实验和计划框架或国防部其他设施开展的项目。此外,根据全国性未来技术研究项目科学与技术2030收到的反馈意见,AFOSR为此次技术征询增设了商业拨款。

  一、工程与复杂系统

  该方向的主要目标是研究影响航空航天科学未来的关键基础科学和知识,并对其加以利用。研究主题包括:

  1、动态材料及相互作用。旨在研发有助于理解复杂材料、异质材料及活性材料的动态变化所需的基础科学知识,推动弹药和推进等技术的变革。

  2、吉赫兹(GHz太赫兹(THz)电子和材料。旨在寻求材料、异质结构和设备等领域的科学突破,从而在射频传感和放大、发射/接收功能、宽带操作和新颖功能等方面实现突破性进展。项目优先考虑资助GHzTHz频率范围的相关研究。

  3、能源、燃烧和非平衡热力学。旨在解决空军航空航天系统的能源问题,满足其推进和非推进功能日益显著的能源需求。

  4、非定常空气动力学和湍流。旨在支持对气动剪切流动力学和控制的基础研究,包括剪切流在运动过程中与刚性面和柔性面的相互作用。优先资助的研究内容包括内流和外流空气动力学研究,以及雷诺数大范围变化下的流动研究。

  5、高速空气动力学。旨在发现、表征、预测和控制临界现象,加深对飞行器周围高速、高温、非平衡流动的理解,为推动变革性技术进步奠定基础。

  6、低密度材料。旨在减轻航天器的重量,增强稳健性和可靠性,降低成本和排放,提高有效载荷能力和整体性能。主要研究内容包括:新材料研发、加工和表征;纳米技术;集成计算材料科学与工程;复合材料和混合材料加工;表面科学与界面科学。

  7、多尺度结构力学与预测。旨在解决美国空军在以下应用领域的需求问题:新型与变革型飞机结构;多尺度建模和预测;非平稳条件和极端环境下的结构动力学;其他与美国空军相关的突破性和变革型的结构力学问题。

  8、空间推进与动力。重点研发跨学科、多重物理量、多尺度解决复杂问题的方法。主要包括4项研究内容:耦合材料和非平衡等离子体过程;固体推进剂燃烧中的纳米含能材料;用于火箭发动机的高压燃烧反应动力学;结构电池。

  9、测试与评估(T&E)的敏捷科学(Agile Science)。项目主要资助空军T&E相关革命性能力的基础研究发明和创新。主要包括6项研究内容:气动弹性力学和空气动力学、使能材料和加工、高超音速、信息管理和融合、传感器和电磁学、综合风险评估科学。

  二、信息技术与网络

  该方向旨在引领数学、信息和网络导向的科学的基础问题的发现和发展。信息技术方向的研究重点包括探索数学规律、基础科学原理以及新的、可靠的、稳健的算法,这些是实现智能、混合人机决策的基础。网络主题方向将解决一些关键问题,如大规模信息提供者和消费者之间的组织和交互,提高人们对复杂信息系统变化发展的理解。研究主题包括:

  1、计算认知和机器智能。旨在资助对实现智能机器行为所需基本原理和方法的基础研究,尤其是对混合主体(即人机组合)系统的原理与方法研究。

  2、计算数学。旨在研发创新型数学方法,以及快速、可靠和可扩展的算法,以推动计算科学和大规模工程和设计取得根本性进展。

  3、动力与控制。强调动态系统和控制理论的相互作用,旨在为受控系统的设计和分析研发创新型协调策略,从而从根本上加强未来空军系统的性能和运作效率等能力。

  4、动态数据和信息处理。旨在扩展动态数据驱动应用系统(DDDAS)框架,重点是数学概念的研究,这些概念把来自测量或模型的额外数据动态合并到执行的应用程序中;以及能够引导测量集合、模型改进和系统感知能力的研发。

  5、信息保障和网络安全。将资助有望为现有或未来的问题提供绝无仅有的安全解决方案的新技术,旨在探索新颖的、前景广阔的概念和方法,从而为网络安全奠定坚实的科学基础,并有潜力解决网络安全技术障碍。

  6、最优化和离散数学。旨在研发可用于优化大型和复杂模型的数学方法,以解决美国空军未来可能面临的决策问题。主要研究内容包括资源分配、规划、物流、工程设计和调度。

  7、信任和影响(行动)。信任与影响是一个跨学科的基础组合研究,包括两个总体目标:推进对人类依赖关系和团队合作的理解,阐明人们如何建立、维护和修复人类及机器代理之间的信任;在国家安全的背景下推进社会影响学的发展。

  8、复杂网络。重点开发基础数学和算法技术,以研究、理解、分析和设计复杂网络,以及与网络特征相耦合的动态过程。

  9、认知与计算神经科学。将资助高风险、高潜力的基础研究,利用系统神经科学、认知神经科学、计算/理论神经科学、认知科学和认知心理学的实验和计算建模技术,来理解负责感知、认知和行为的神经机制。还将资助类脑算法和硬件开发,这些算法与硬件应可用于测试神经科学理论,或可赋予计算、人工智能或自治系统以新的功能。

  三、物理学

  该方向的研究旨在将基础物理学的发现转化为空天和网络能力。物理学研究将能从感知、表征和管理作战环境,以及开发先进设备的角度,产生推进美国空军作战所需的基础知识。研究重点是提升对物理世界的基本认识,包括量子物质和设备,等离子体和高能密度物理学,光学、光子学和电磁学,航天材料。研究主题包括:

  1、具有极端属性的材料。旨在通过探索和表征,为实现未来技术突破提供所需基础知识。极端环境指热、压力、磁场、电场、微波和声场的组合环境。优先资助以下材料的研发:陶瓷、金属、包括无机复合材料(结构、功能和/或多功能性能等属性优异)的混合系统。

  2、原子与分子物理学。包括基础实验和理论研究,研究重点包括冷量子气体和超冷量子气体、精密测量、物质波光学和非平衡量子动力学。这些研究支持美国空军感兴趣应用领域的技术进步,包括精确导航、计时、遥感、计量以及未来美国空军需求的新材料。

  3、电磁学。支持线性/非线性电磁学基础研究(建模/仿真/实验),以及信号处理领域的研究。

  4、激光和光物理。旨在推进激光器件、激光材料、激光与物质相互作用、非线性光学现象和设备、新型光源等研究。

  5、光电子学和光子学。通过提高捕获、处理、存储、传输图像和数据的能力,推动其在监视、通信、计算、目标识别和虚拟导航等领域的应用,保证空军在信息领域占据优势地位。主要包括5项研究内容:集成光子学(包括硅光子学);纳米光子学(包括等离子体、光子晶体、超材料、原光子学和新型传感);可重构光子学(包括全光开关和逻辑,以及光电计算);用于光子学的纳米制造、三维装配、建模和仿真工具;使用光学方法的量子计算。

  6、等离子体和电能物理学。重点在于探索等离子体物理学和与电磁场、等离子体的产生和相互作用有关的基础科学之间的区别。主要包括紧凑型脉冲功率相关基本原理,以及对在广泛的时间和空间尺度上预测能量转移所需的科学知识的研究。

  7、量子信息科学。包括量子信息科学领域的基础实验和理论研究。重点是理解、控制和利用非经典现象,为空军开发新的能力,包括但不限于网络和通信、信息处理和仿真等领域。主要研究内容包括:量子通信和量子网络,量子中继器,量子信息处理和量子模拟;支持这一研究领域的基础研究,如创建、操纵和表征量子纠缠的基础研究,高度纠缠态,耗散工程,量子控制技术,不同类型量子比特之间的相干态转移。

  8、遥感。主要进行遥感的基础研究及其在空间态势感知和作战识别中的应用。研究内容包括电磁辐射传播的基础物理原理、辐射与物质的相互作用、成像、智能传感器任务、数据融合、远程监测和识别,以及大气或空间环境对传感系统的影响等。

  9、空间科学。支持对日地环境的基础研究,包括对太阳环境、地球磁层和辐射带,以及地球中间层和低温区域等的研究。基础研究的重点是提高对地球空间环境中物理过程的理解,特别是提高对太阳活动、热层中性大气密度、电离层不规则体和大气闪烁的预报精度。

  10、超短脉冲激光物质相互作用。旨在探索超短脉冲激光与物质的相互作用,探索和了解其促生的广泛物理现象,以解决提升美国空军能力,包括定向能、遥感、通信、诊断和材料加工等。重点研究超短脉冲激光的三个关键特征:高峰值功率、大光谱带宽和持续时间。

  四、化学与生物学

  该方向支持广泛的基础化学、生物学、力学和生物物理学的研究,这些研究将有助于激发革命性新技术,从根本上改变未来空军武器系统的设计和实施方式。主题包括:

  1、生物物理学。包括基础实验和生物物理学的理论研究,重点是低于衍射极限的生物分子和原子成像、生物电、电磁刺激和量子生物学。这些研究有可能支持美国空军感兴趣的应用领域的技术进步,包括生物学启发的新型材料、自主性、人类性能、定向能以及增强计算开发。

  2、人类性能和生物系统。美国空军希望通过开发先进的人机界面,采用增强人类性能的直接方法来提高人的能力。研究的主要目标是更好地了解生物物理、生物化学以及负责管理由各类扰动引起的行为、遗传、细胞、组织和系统变化的生理机制。

  3、多功能材料力学和微系统。主要目标是:将新兴材料、纳米级设备和微系统整合到多功能结构中,集成各优点;研制更安全、更具机动性的航天器和平台,为空军提供卓越性能。

  4、分子动力学和理论化学。分子动力学方面,将探寻在分子层面对与能量的有效存储和利用相关的反应机制和能量转移过程进行描述,重点支持催化反应和机制、新型高能材料概念、能量转移和传输动力学,以及极端环境中的化学研究。理论化学方面将支持研发新方法,以作为设计新材料和改进美国空军重要流程的预测性工具。这些新方法可应用于分子系统的结构和稳定性研究(应用于先进推进剂)、分子反应动力学,以及纳米结构和界面的结构与性质。

  5、天然材料、系统和极端环境微生物。以生物材料为中心,着眼于现有的生物材料和合成生物材料,但不包括模仿非生物材料中的生物材料特性,探索天然产物较人工技术的优越之处。聚焦4项研究内容:仿生学;生物材料(仅限非医学);生物界面科学;极端环境微生物。

  6、有机材料化学。旨在更好地了解聚合物、有机材料及其有机/无机杂化材料的化学、物理和工艺条件,并探索其更为新颖实用的属性和性能,以期为未来的美国空军应用开发先进的有机材料、混合材料和聚合物材料。                                             (徐婧)

 

  


 

[1] Air Force Research Laboratory seeks basic research funding proposals through new announcement. https://www.wpafb.af.mil/News/Article-Display/Article/1811947/air-force-research-laboratory-seeks-basic-research-funding-proposals-through-ne/, https://www.grants.gov/web/grants/view-opportunity.html?oppId=314753

原文始发于:美国空军拟投入3亿美元于四大基础方向研究

 

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