導(dǎo)語：美國航空計劃回顧與前景一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：朱大明工作單位：中國輕型燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)中心

0引言

隨著航空技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步以及全球經(jīng)濟(jì)活動的發(fā)展，航空客運和貨運活動在過去幾十年中一直保持增長態(tài)勢，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，世界航空客貨運周轉(zhuǎn)量快速上升，并將在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)保持下去。與此同時，在全球變暖趨勢以及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重的背景下，人類飛行活動對于環(huán)境的影響正在受到越來越多的關(guān)注。航空業(yè)對于環(huán)境的不良影響主要體現(xiàn)在噪聲、空氣質(zhì)量、水質(zhì)量、能源消耗以及溫室氣體排放等方面，如何減少飛行活動對于環(huán)境的影響，已經(jīng)成為目前以及未來航空技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。歐盟早在2000年就了《2020歐洲航空發(fā)展愿景》，提出了非常雄心勃勃的環(huán)境目標(biāo)：到2020年，飛機(jī)噪聲相對于2000年的水平降低一半，二氧化碳排放量（等價于燃油消耗量）降低一半，氮氧化物排放量降低80%。為了確保這一宏偉愿景的實現(xiàn)，歐盟專門成立了歐洲航空研究咨詢委員會（ACARE）。該委員會通過制訂戰(zhàn)略性研究議程（SRA），指出各種技術(shù)解決方案的戰(zhàn)略性方向以及研發(fā)工作的路線圖，以確保2020年愿景目標(biāo)的實現(xiàn)。在SRA的指導(dǎo)之下，歐盟已經(jīng)于2010年發(fā)起了一個預(yù)算投資16億歐元的龐大計劃——清潔天空（CleanSky）計劃。美國在這樣的世界性的航空發(fā)展局勢下，也開始陸續(xù)開展與環(huán)境有關(guān)的航空技術(shù)研究。美國國家航空航天局（NASA）2006年發(fā)起亞聲速固定翼（SFW）項目，并在2009年將其升級為技術(shù)成熟度水平更高的環(huán)境責(zé)任航空（ERA）計劃。

1環(huán)境責(zé)任航空計劃的來源

2006年1月，NASA的航空研究任務(wù)理事會（ARMD）提出了覆蓋從亞聲速到高超聲速的全部飛行環(huán)境下的航空核心能力研究計劃，一共是四個，包括基礎(chǔ)航空計劃、航空安全計劃、領(lǐng)空系統(tǒng)計劃和航空試驗計劃。2006年5月24日，ARMD公布了航空核心能力研究計劃的研究通告，其中基礎(chǔ)航空研究計劃包括四個子項目：亞聲速固定翼項目、亞聲速旋轉(zhuǎn)翼項目、超聲速項目和高超聲速項目。其中，亞聲速固定翼項目有兩個目標(biāo)，一是發(fā)展減少設(shè)計過程中不確定性的預(yù)測和分析工具，二是發(fā)展在噪聲、排放、性能參數(shù)方面有顯著提高的概念與技術(shù)。其發(fā)展的概念與技術(shù)均應(yīng)用于亞聲速或跨聲速飛行器，主要關(guān)注技術(shù)成熟度1級到3級的領(lǐng)域，少量技術(shù)在基礎(chǔ)研究情況較好的情況下，也可進(jìn)行實驗室環(huán)境下的部件試驗，即將技術(shù)成熟度等級推進(jìn)到4級。實際上，亞聲速固定翼項目后來成為了ERA計劃的基礎(chǔ)。隨著研究工作的開展，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得越來越多的研究結(jié)果，NASA認(rèn)為應(yīng)該將一些較為突出的技術(shù)向更高的技術(shù)成熟度等級推進(jìn)，于是在2009年開始實施綜合系統(tǒng)研究計劃（ISRP）。該計劃主要針對一些有前途的概念、技術(shù)和探索來組織系統(tǒng)級的研究，要將其發(fā)展到可以進(jìn)行飛行器整機(jī)縮比模型風(fēng)洞試驗的程度，技術(shù)成熟度至少到6級，同時評估和驗證其對環(huán)境的優(yōu)勢。ISRP包括兩個子計劃，一個是無人飛行器系統(tǒng)（UAS）計劃，另一個就是環(huán)境責(zé)任航空（ERA）計劃。

2環(huán)境責(zé)任航空計劃的技術(shù)目標(biāo)

2009年5月14日，美國國家研究委員會航空與空間工程委員會召開了專家論證會議，在會上確定并了ERA計劃的技術(shù)發(fā)展縱覽。ERA計劃的總體設(shè)想是發(fā)展一個或多個可行性和前瞻性好的飛行器設(shè)計方案，使其能同時滿足國家對噪聲、排放和性能的要求，最終能夠在減少或消除對環(huán)境不利影響的同時使航空實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。主要任務(wù)有兩項，一是通過性能研究，探索和評估飛行器設(shè)計概念以及實現(xiàn)技術(shù)在減輕航空對環(huán)境影響的潛能方面的可行性、有益性、依賴性和風(fēng)險性；二是與其他航空研究機(jī)構(gòu)形成技術(shù)交流與反饋，促進(jìn)NASA基礎(chǔ)航空項目的研究與發(fā)展。ERA計劃主要針對第二代飛行器概念以及如何實現(xiàn)這些概念的技術(shù)進(jìn)行研究，還有與環(huán)境相關(guān)的系統(tǒng)與子系統(tǒng)的研究。由于NASA與美國國防部、軍方關(guān)系密切，ERA計劃也同時具備了兩方面的特殊背景需要：一是要保證該計劃在國家安全和國土防御方面都可以使用，確保在航空運輸方面的機(jī)動性，同時必須貫徹安全性與成本效應(yīng)原則；二是必須滿足能源多樣性需要，即能夠使用代替燃料，而不是需要新制造代替燃料。ERA計劃的具體目標(biāo)如表1所示。世界各大航空研發(fā)機(jī)構(gòu)都于近十年推出了多種機(jī)身外形和飛發(fā)匹配形式較為新穎的飛行器設(shè)計，但是其對應(yīng)的技術(shù)卻不是都能滿足ERA計劃的要求。由于ERA計劃針對的技術(shù)成熟度等級已經(jīng)達(dá)到6級，進(jìn)入了模型或原型機(jī)實際環(huán)境驗證階段，對技術(shù)的可行性和可操作性提出了較高的要求，主要包括：與傳統(tǒng)飛行器特點相比，改變盡可能要少；多應(yīng)用先進(jìn)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式或可替代結(jié)構(gòu)形式；增加涵道比的同時降低噪聲；低氮氧化物燃燒技術(shù)和減少燃油消耗技術(shù)；多使用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過降低阻力和耗油率來改善燃油經(jīng)濟(jì)性。這些要求可以用公式（1）表示。其中，安裝耗油率與發(fā)動機(jī)耗油率相關(guān)，升阻比與飛行器氣動設(shè)計相關(guān)，空重與輕質(zhì)材料及結(jié)構(gòu)使用相關(guān)。=ln1++（1）針對上述研究目標(biāo)和技術(shù)要求，ERA技術(shù)縱覽認(rèn)為，有很多概念方案的設(shè)計可以滿足這些要求，但是絕大多數(shù)還停留在紙面上。其中翼身融合飛行器方案被關(guān)注較多，已經(jīng)在很多細(xì)節(jié)上進(jìn)行了研究。翼身融合飛行器方案始于1989年NASA的先進(jìn)概念工廠，1990年代就確定了概念研究和技術(shù)難點演技，一直延續(xù)至今。翼身融合飛行器比傳統(tǒng)的圓柱形機(jī)身減少了33%的流動接觸面積，由此可以帶來巨大的減小黏性流動阻力的潛能。其典型優(yōu)點包括更高的燃油效率、更小的環(huán)境影響和更好的操縱性。與此對應(yīng)的技術(shù)難點包括非圓柱體壓力艙設(shè)計、飛行包線邊緣的飛行力學(xué)設(shè)計和飛機(jī)發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計。ERA技術(shù)縱覽提出了降低燃油消耗和噪聲的指標(biāo)，并提出了可供參考的實現(xiàn)技術(shù)方法和路徑。其中，燃油消耗減少潛能的參考對象是1997年大型雙通道飛機(jī)波音777-200型所采用的技術(shù)和油耗指標(biāo)。ERA計劃從機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)短艙、進(jìn)氣道和客/貨艙體六個大型部件入手，在復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、層流控制、混合層流控制、附面層吸收等技術(shù)方面針對傳統(tǒng)機(jī)身機(jī)翼、翼身融合和先進(jìn)翼身融合式飛行器，提出了油耗降低總目標(biāo)和每個主要部件的技術(shù)進(jìn)步應(yīng)該帶來的貢獻(xiàn)，如圖1所示。ERA計劃對應(yīng)噪聲降低也同樣給出了總指標(biāo)和各項技術(shù)進(jìn)步能帶來的參考貢獻(xiàn)，如圖2所示。

3環(huán)境責(zé)任航空計劃的途徑與實施

ERA計劃聚焦于噪聲、能量效率和排放等三方面的技術(shù)研發(fā)與驗證應(yīng)用，但同時也考慮到了飛機(jī)的設(shè)計是多種因素的平衡，其中最重要的是安全，還要兼顧成本、航程、可靠性、維修性、酬載、乘客舒適度、起降所需跑道長度、巡航高度、巡航馬赫數(shù)和著陸速度等眾多因素。因此，按照技術(shù)的分類和相互影響與制約，ERA計劃分為計劃管理、機(jī)身技術(shù)、推進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)綜合技術(shù)等四個研究領(lǐng)域。每一個技術(shù)領(lǐng)域的研究內(nèi)容都較為專業(yè)，具有很強(qiáng)的針對性。對于有交互影響的技術(shù)內(nèi)容還專門設(shè)置了系統(tǒng)綜合技術(shù)這一研究領(lǐng)域。其中，計劃管理主要關(guān)注實施的步驟、路線圖與進(jìn)度等；機(jī)身技術(shù)研究主要技術(shù)成熟度4級到6級N+1代2015年N+2代2020年N+3代2025年噪聲-32dB-42dB-71dBNOx排放-60%-75%-80%飛機(jī)燃油消耗-33%-50%-60%表1ERA計劃的目標(biāo)=ln1++×包括輕重量結(jié)構(gòu)、飛行力學(xué)與控制、降低阻力和減小噪聲，主要關(guān)注升阻比、空機(jī)重量和機(jī)身噪聲，發(fā)動機(jī)的安裝位置卻不是第一考慮；推進(jìn)技術(shù)研究主要包括燃燒室、推進(jìn)器和核心機(jī)技術(shù)，主要關(guān)注耗油率、發(fā)動機(jī)噪聲和排放指標(biāo)，機(jī)身系統(tǒng)則不是第一考慮；系統(tǒng)綜合研究主要包括系統(tǒng)分析、推進(jìn)與機(jī)身綜合、推進(jìn)與機(jī)身氣動聲學(xué)和先進(jìn)的整機(jī)概念，主要關(guān)注整機(jī)升阻比、整機(jī)重量、整機(jī)耗油率、整機(jī)排放指標(biāo)和整機(jī)噪聲，首要考慮推進(jìn)系統(tǒng)與機(jī)身的相互影響。按照ERA計劃的流程，2009年NASA在一些初步研究的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)行ERA計劃的討論與建議，除NASA外，政府其他研究機(jī)構(gòu)、大型企業(yè)和高校，以及其他國家的一些先進(jìn)航空研發(fā)機(jī)構(gòu)都有參與。第一階段研究從2010年開始，計劃在2012年底結(jié)束，主要針對2009年5月NASA的研究公告所限內(nèi)容，并對計劃在2012年決定的下一階段研究內(nèi)容的關(guān)鍵研究結(jié)果與結(jié)論進(jìn)行研討。第二階段的研究工作預(yù)計從2013年開始，具體研究內(nèi)容尚未最后確定。整個ERA計劃的預(yù)算從2010年開始，最初的預(yù)算只計劃到2014年，五年的投資分別是6240萬、6440萬、6710萬、6440萬、6050萬美元，五年共計劃投入3億1880萬美元。但實際上，在2012年進(jìn)行第一階段總結(jié)時，前三年的實際投資已經(jīng)比2009年的計劃多了230萬美元。2009年5月，NASA的研究公告所限內(nèi)容主要分為三個研究主題：第一個主題是第二代先進(jìn)飛行器概念，主要包括飛行器概念的發(fā)展與可行的技術(shù)路線、為后續(xù)階段所進(jìn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)研究等；第二個主題是低氮氧化物燃燒室，主要包括相關(guān)概念的發(fā)展與可行的技術(shù)路線、一些初始的火焰筒試驗等；第三個主題是如何快速啟動系統(tǒng)研究的方法，包括第一階段研究的補(bǔ)充、一些可以為ERA目標(biāo)服務(wù)的早期技術(shù)進(jìn)步與成果的轉(zhuǎn)化等。ERA計劃第一階段的研究范圍包括：對從基礎(chǔ)研究項目成果中得到的部分概念和技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級別的試驗，系統(tǒng)綜合設(shè)計與多學(xué)科風(fēng)險分析。其中包括六個關(guān)鍵技術(shù)：1）低重量和強(qiáng)度許可范圍內(nèi)的復(fù)合材料使用；2）為降低阻力而進(jìn)行的層流控制；3）能夠?qū)π嘛w機(jī)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行控制的飛行力學(xué)技術(shù)；4）低排放燃燒室技術(shù)；5）油耗和噪聲都降低的推進(jìn)綜合技術(shù)；6）為降低噪聲而使用的屏蔽翼技術(shù)。第一階段完成以后，當(dāng)時預(yù)期的成果包括從眾多研究中挑選和確認(rèn)一些概念與技術(shù)，這些概念與技術(shù)應(yīng)該已經(jīng)經(jīng)過可行性、有利性、依賴性和風(fēng)險性研究與評估，并且能揭示一些在多學(xué)科交互影響下產(chǎn)生的難以預(yù)料的問題和現(xiàn)象；還要形成一些完全創(chuàng)新的或者提煉創(chuàng)新的想法，也可以二者兼而有之，為后續(xù)研究做準(zhǔn)備。除了這兩方面，還計劃得到一些詳細(xì)的成果報告來修正系統(tǒng)研究，以便對第二階段預(yù)計的研究工作進(jìn)行優(yōu)先排序和內(nèi)容取舍。針對技術(shù)成熟度6級的特點，技術(shù)縱覽要求ERA計劃在第一階段結(jié)束時就拿出模型驗證機(jī)，要求驗證機(jī)必須保證幾何高度逼真，并要求驗證機(jī)能完成四項任務(wù)：1）驗證空氣動力學(xué)設(shè)計，包括最小縮放比例的高雷諾數(shù)和高速可壓縮效果；2）驗證飛行氣動聲學(xué)試驗，主要是噪聲源的機(jī)理，要求縮放的比例合適，能研究清楚噪聲的衰減和屏蔽效果；3）驗證氣動彈性和飛行力學(xué)技術(shù)；4）能夠評估先進(jìn)的飛行控制概念。ERA計劃在第一階段就要求這樣的模型驗證機(jī)是有很多好處的。通過在驗證機(jī)上進(jìn)行的技術(shù)系統(tǒng)綜合研究確保滿足下兩代目標(biāo)的各種技術(shù)進(jìn)步同時進(jìn)行，增加對技術(shù)相互依賴與相互影響的理解以及硬件的系統(tǒng)綜合能力；通過全包線試驗可以增加多偏離數(shù)據(jù)點的有效性，驗證真實條件下的飛行雷諾數(shù)影響；為技術(shù)特性和設(shè)計方法的有效性提供數(shù)量更多、質(zhì)量更好的試驗數(shù)據(jù)；收集真實的飛行質(zhì)量、乘客乘坐質(zhì)量和客艙噪聲數(shù)據(jù)；作為包括推進(jìn)技術(shù)在內(nèi)的未來技術(shù)概念試驗臺架進(jìn)行預(yù)先試驗技術(shù)的貯備。

4環(huán)境責(zé)任航空計劃的最新成果

經(jīng)過2010～2011兩年的正式實施，2012年1月11日，ERA計劃借著第50屆航空宇航科學(xué)會議舉行了成果匯報會。三家著名航空企業(yè)——波音、門(諾格)公司，分別匯報了各自的飛行器研究成果，包括瞄準(zhǔn)2025年投入運營的首選系統(tǒng)概念(PSC)設(shè)計，分為傳統(tǒng)機(jī)身和翼身融合兩種飛行器，以及翼身融合式飛行器的模型驗證機(jī)。波音公司的PSC包括三種飛行器，分別是先進(jìn)的傳統(tǒng)機(jī)身、先進(jìn)的雙發(fā)中部安裝傳統(tǒng)機(jī)身以及翼身融合，如圖3所示。其中，傳統(tǒng)機(jī)身飛行器配裝的是羅-羅公司的先進(jìn)三軸渦扇發(fā)動機(jī)，而翼身融合飛行器則可以配裝普惠公司的齒輪驅(qū)動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)（GTF）或者羅-羅公司的開式轉(zhuǎn)子（OR）發(fā)動機(jī)，翼身融合模型驗證機(jī)為65%縮比，動力方案采用的是兩臺普惠公司的GTF發(fā)動機(jī)。洛馬公司的PSC由著名的臭鼬工廠設(shè)計，傳統(tǒng)機(jī)身式飛行器采用的是羅-羅公司的先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)，非傳統(tǒng)機(jī)身采用的不是翼身融合，而是盒式翼型（BoxWing），如圖4所示。洛馬公司認(rèn)為，盒式翼型可以大幅度減阻，并且與現(xiàn)有翼型相似，減少技術(shù)難度，大大提高技術(shù)可行性和可操作性。盒式翼型飛行器采用的是羅-羅公司的超高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，其驗證機(jī)為50%縮比。諾格公司的PSC都采用的是GE公司的發(fā)動機(jī)，其非傳統(tǒng)機(jī)身采用的也不是翼身融合，而是類似B2遠(yuǎn)程轟炸機(jī)的飛翼（FlyingWing），如圖5所示。諾格公司認(rèn)為飛翼飛行器穩(wěn)定裕度大、業(yè)載大，而且噪聲低，其驗證機(jī)為55%縮比，動力方案采用4臺GE公司TechX高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。

5結(jié)束語

綜上所述，美國在ERA計劃下，對如何減少航空活動對環(huán)境的影響展開了深入研究，主要集中在降低噪聲、排放和燃油消耗等三個方面。在機(jī)身、發(fā)動機(jī)和飛發(fā)一體化設(shè)計等領(lǐng)域開展了技術(shù)成熟度4級到6級的研究，并于今年完成了模型驗證機(jī)的制造。其中的層流控制、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、高效燃燒室、高效推進(jìn)器、飛發(fā)一體化等研究均大范圍采用通用技術(shù)，其技術(shù)與成果完全可以應(yīng)用于軍用航空器上。ERA計劃及其相關(guān)研究進(jìn)展是非常值得關(guān)注的。