導(dǎo)語(yǔ)：美國(guó)航空計(jì)劃回顧與前景一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(guó)輕型燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)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(dòng)的發(fā)展，航空客運(yùn)和貨運(yùn)活動(dòng)在過(guò)去幾十年中一直保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，世界航空客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量快速上升，并將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持下去。與此同時(shí)，在全球變暖趨勢(shì)以及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重的背景下，人類飛行活動(dòng)對(duì)于環(huán)境的影響正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。航空業(yè)對(duì)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(dòng)對(duì)于環(huán)境的影響，已經(jīng)成為目前以及未來(lái)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(duì)于2000年的水平降低一半，二氧化碳排放量（等價(jià)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(shí)現(xiàn)，歐盟專門(mén)成立了歐洲航空研究咨詢委員會(huì)（ACARE）。該委員會(huì)通過(guò)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(shí)現(xiàn)。在SRA的指導(dǎo)之下，歐盟已經(jīng)于2010年發(fā)起了一個(gè)預(yù)算投資16億歐元的龐大計(jì)劃——清潔天空（CleanSky）計(jì)劃。美國(guó)在這樣的世界性的航空發(fā)展局勢(shì)下，也開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)展與環(huán)境有關(guān)的航空技術(shù)研究。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2006年發(fā)起亞聲速固定翼（SFW）項(xiàng)目，并在2009年將其升級(jí)為技術(shù)成熟度水平更高的環(huán)境責(zé)任航空（ERA）計(jì)劃。

1環(huán)境責(zé)任航空計(jì)劃的來(lái)源

2006年1月，NASA的航空研究任務(wù)理事會(huì)（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(jì)劃，一共是四個(gè)，包括基礎(chǔ)航空計(jì)劃、航空安全計(jì)劃、領(lǐng)空系統(tǒng)計(jì)劃和航空試驗(yàn)計(jì)劃。2006年5月24日，ARMD公布了航空核心能力研究計(jì)劃的研究通告，其中基礎(chǔ)航空研究計(jì)劃包括四個(gè)子項(xiàng)目：亞聲速固定翼項(xiàng)目、亞聲速旋轉(zhuǎn)翼項(xiàng)目、超聲速項(xiàng)目和高超聲速項(xiàng)目。其中，亞聲速固定翼項(xiàng)目有兩個(gè)目標(biāo)，一是發(fā)展減少設(shè)計(jì)過(guò)程中不確定性的預(yù)測(cè)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(jí)到3級(jí)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的部件試驗(yàn)，即將技術(shù)成熟度等級(jí)推進(jìn)到4級(jí)。實(shí)際上，亞聲速固定翼項(xiàng)目后來(lái)成為了ERA計(jì)劃的基礎(chǔ)。隨著研究工作的開(kāi)展，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得越來(lái)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(jí)推進(jìn)，于是在2009年開(kāi)始實(shí)施綜合系統(tǒng)研究計(jì)劃（ISRP）。該計(jì)劃主要針對(duì)一些有前途的概念、技術(shù)和探索來(lái)組織系統(tǒng)級(jí)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(yàn)的程度，技術(shù)成熟度至少到6級(jí)，同時(shí)評(píng)估和驗(yàn)證其對(duì)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。ISRP包括兩個(gè)子計(jì)劃，一個(gè)是無(wú)人飛行器系統(tǒng)（UAS）計(jì)劃，另一個(gè)就是環(huán)境責(zé)任航空（ERA）計(jì)劃。

2環(huán)境責(zé)任航空計(jì)劃的技術(shù)目標(biāo)

2009年5月14日，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)航空與空間工程委員會(huì)召開(kāi)了專家論證會(huì)議，在會(huì)上確定并了ERA計(jì)劃的技術(shù)發(fā)展縱覽。ERA計(jì)劃的總體設(shè)想是發(fā)展一個(gè)或多個(gè)可行性和前瞻性好的飛行器設(shè)計(jì)方案，使其能同時(shí)滿足國(guó)家對(duì)噪聲、排放和性能的要求，最終能夠在減少或消除對(duì)環(huán)境不利影響的同時(shí)使航空實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。主要任務(wù)有兩項(xiàng)，一是通過(guò)性能研究，探索和評(píng)估飛行器設(shè)計(jì)概念以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)在減輕航空對(duì)環(huán)境影響的潛能方面的可行性、有益性、依賴性和風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)目的研究與發(fā)展。ERA計(jì)劃主要針對(duì)第二代飛行器概念以及如何實(shí)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(guó)國(guó)防部、軍方關(guān)系密切，ERA計(jì)劃也同時(shí)具備了兩方面的特殊背景需要：一是要保證該計(jì)劃在國(guó)家安全和國(guó)土防御方面都可以使用，確保在航空運(yùn)輸方面的機(jī)動(dòng)性，同時(shí)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(jì)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(jì)，但是其對(duì)應(yīng)的技術(shù)卻不是都能滿足ERA計(jì)劃的要求。由于ERA計(jì)劃針對(duì)的技術(shù)成熟度等級(jí)已經(jīng)達(dá)到6級(jí)，進(jìn)入了模型或原型機(jī)實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證階段，對(duì)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(diǎn)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(shí)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(guò)降低阻力和耗油率來(lái)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(dòng)機(jī)耗油率相關(guān)，升阻比與飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(diǎn)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(dòng)接觸面積，由此可以帶來(lái)巨大的減小黏性流動(dòng)阻力的潛能。其典型優(yōu)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)包括非圓柱體壓力艙設(shè)計(jì)、飛行包線邊緣的飛行力學(xué)設(shè)計(jì)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)技術(shù)方法和路徑。其中，燃油消耗減少潛能的參考對(duì)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(jì)劃從機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、進(jìn)氣道和客/貨艙體六個(gè)大型部件入手，在復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、層流控制、混合層流控制、附面層吸收等技術(shù)方面針對(duì)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(gè)主要部件的技術(shù)進(jìn)步應(yīng)該帶來(lái)的貢獻(xiàn)，如圖1所示。ERA計(jì)劃對(duì)應(yīng)噪聲降低也同樣給出了總指標(biāo)和各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步能帶來(lái)的參考貢獻(xiàn)，如圖2所示。

3環(huán)境責(zé)任航空計(jì)劃的途徑與實(shí)施

ERA計(jì)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(yàn)證應(yīng)用，但同時(shí)也考慮到了飛機(jī)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jì)劃分為計(jì)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(gè)研究領(lǐng)域。每一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容都較為專業(yè)，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。對(duì)于有交互影響的技術(shù)內(nèi)容還專門(mén)設(shè)置了系統(tǒng)綜合技術(shù)這一研究領(lǐng)域。其中，計(jì)劃管理主要關(guān)注實(shí)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(jí)到6級(jí)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)劃的流程，2009年NASA在一些初步研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)始進(jìn)行ERA計(jì)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(guó)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(kāi)始，計(jì)劃在2012年底結(jié)束，主要針對(duì)2009年5月NASA的研究公告所限內(nèi)容，并對(duì)計(jì)劃在2012年決定的下一階段研究?jī)?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(jì)從2013年開(kāi)始，具體研究?jī)?nèi)容尚未最后確定。整個(gè)ERA計(jì)劃的預(yù)算從2010年開(kāi)始，最初的預(yù)算只計(jì)劃到2014年，五年的投資分別是6240萬(wàn)、6440萬(wàn)、6710萬(wàn)、6440萬(wàn)、6050萬(wàn)美元，五年共計(jì)劃投入3億1880萬(wàn)美元。但實(shí)際上，在2012年進(jìn)行第一階段總結(jié)時(shí)，前三年的實(shí)際投資已經(jīng)比2009年的計(jì)劃多了230萬(wàn)美元。2009年5月，NASA的研究公告所限內(nèi)容主要分為三個(gè)研究主題：第一個(gè)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(gè)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(yàn)等；第三個(gè)主題是如何快速啟動(dòng)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(jì)劃第一階段的研究范圍包括：對(duì)從基礎(chǔ)研究項(xiàng)目成果中得到的部分概念和技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)別的試驗(yàn)，系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與多學(xué)科風(fēng)險(xiǎn)分析。其中包括六個(gè)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(shí)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(guò)可行性、有利性、依賴性和風(fēng)險(xiǎn)性研究與評(píng)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(wèn)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(jì)劃得到一些詳細(xì)的成果報(bào)告來(lái)修正系統(tǒng)研究，以便對(duì)第二階段預(yù)計(jì)的研究工作進(jìn)行優(yōu)先排序和內(nèi)容取舍。針對(duì)技術(shù)成熟度6級(jí)的特點(diǎn)，技術(shù)縱覽要求ERA計(jì)劃在第一階段結(jié)束時(shí)就拿出模型驗(yàn)證機(jī)，要求驗(yàn)證機(jī)必須保證幾何高度逼真，并要求驗(yàn)證機(jī)能完成四項(xiàng)任務(wù)：1）驗(yàn)證空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，包括最小縮放比例的高雷諾數(shù)和高速可壓縮效果；2）驗(yàn)證飛行氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)，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(yàn)證氣動(dòng)彈性和飛行力學(xué)技術(shù)；4）能夠評(píng)估先進(jìn)的飛行控制概念。ERA計(jì)劃在第一階段就要求這樣的模型驗(yàn)證機(jī)是有很多好處的。通過(guò)在驗(yàn)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(shí)進(jìn)行，增加對(duì)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(guò)全包線試驗(yàn)可以增加多偏離數(shù)據(jù)點(diǎn)的有效性，驗(yàn)證真實(shí)條件下的飛行雷諾數(shù)影響；為技術(shù)特性和設(shè)計(jì)方法的有效性提供數(shù)量更多、質(zhì)量更好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；收集真實(shí)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(lái)技術(shù)概念試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行預(yù)先試驗(yàn)技術(shù)的貯備。

4環(huán)境責(zé)任航空計(jì)劃的最新成果

經(jīng)過(guò)2010～2011兩年的正式實(shí)施，2012年1月11日，ERA計(jì)劃借著第50屆航空宇航科學(xué)會(huì)議舉行了成果匯報(bào)會(huì)。三家著名航空企業(yè)——波音、門(mén)(諾格)公司，分別匯報(bào)了各自的飛行器研究成果，包括瞄準(zhǔn)2025年投入運(yùn)營(yíng)的首選系統(tǒng)概念(PSC)設(shè)計(jì)，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(yàn)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(dòng)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(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF）或者羅-羅公司的開(kāi)式轉(zhuǎn)子（OR）發(fā)動(dòng)機(jī)，翼身融合模型驗(yàn)證機(jī)為65%縮比，動(dòng)力方案采用的是兩臺(tái)普惠公司的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)。洛馬公司的PSC由著名的臭鼬工廠設(shè)計(jì)，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(dòng)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(dòng)機(jī)，其驗(yàn)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(dòng)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(yàn)證機(jī)為55%縮比，動(dòng)力方案采用4臺(tái)GE公司TechX高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，美國(guó)在ERA計(jì)劃下，對(duì)如何減少航空活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響展開(kāi)了深入研究，主要集中在降低噪聲、排放和燃油消耗等三個(gè)方面。在機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)和飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域開(kāi)展了技術(shù)成熟度4級(jí)到6級(jí)的研究，并于今年完成了模型驗(yàn)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(jì)劃及其相關(guān)研究進(jìn)展是非常值得關(guān)注的。