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本文作者：朱大明工作單位：中國輕型燃氣輪機開發(fā)中心

0引言

隨著航空技術的持續(xù)進步以及全球經(jīng)濟活動的發(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，尤其是進入21世紀以后，世界航空客貨運周轉量快速上升，并將在未來相當長的時間內(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、空氣質量、水質量、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：到2020年，飛機噪聲相對于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年愿景目標的實現(xiàn)。在SRA的指導之下，歐盟已經(jīng)于2010年發(fā)起了一個預算投資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)境有關的航空技術研究。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年將其升級為技術成熟度水平更高的環(huán)境責任航空（ERA）計劃。

1環(huán)境責任航空計劃的來源

2006年1月，NASA的航空研究任務理事會（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，包括基礎航空計劃、航空安全計劃、領空系統(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，一是發(fā)展減少設計過程中不確定性的預測和分析工具，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。其發(fā)展的概念與技術均應用于亞聲速或跨聲速飛行器，主要關注技術成熟度1級到3級的領域，少量技術在基礎研究情況較好的情況下，也可進行實驗室環(huán)境下的部件試驗，即將技術成熟度等級推進到4級。實際上，亞聲速固定翼項目后來成為了ERA計劃的基礎。隨著研究工作的開展，基礎研究領域取得越來越多的研究結果，NASA認為應該將一些較為突出的技術向更高的技術成熟度等級推進，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、技術和探索來組織系統(tǒng)級的研究，要將其發(fā)展到可以進行飛行器整機縮比模型風洞試驗的程度，技術成熟度至少到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)境責任航空（ERA）計劃。

2環(huán)境責任航空計劃的技術目標

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計劃的技術發(fā)展縱覽。ERA計劃的總體設想是發(fā)展一個或多個可行性和前瞻性好的飛行器設計方案，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。主要任務有兩項，一是通過性能研究，探索和評估飛行器設計概念以及實現(xiàn)技術在減輕航空對環(huán)境影響的潛能方面的可行性、有益性、依賴性和風險性；二是與其他航空研究機構形成技術交流與反饋，促進NASA基礎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)這些概念的技術進行研究，還有與環(huán)境相關的系統(tǒng)與子系統(tǒng)的研究。由于NASA與美國國防部、軍方關系密切，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動性，同時必須貫徹安全性與成本效應原則；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計劃的具體目標如表1所示。世界各大航空研發(fā)機構都于近十年推出了多種機身外形和飛發(fā)匹配形式較為新穎的飛行器設計，但是其對應的技術卻不是都能滿足ERA計劃的要求。由于ERA計劃針對的技術成熟度等級已經(jīng)達到6級，進入了模型或原型機實際環(huán)境驗證階段，對技術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；多應用先進的傳統(tǒng)結構形式或可替代結構形式；增加涵道比的同時降低噪聲；低氮氧化物燃燒技術和減少燃油消耗技術；多使用輕質結構，通過降低阻力和耗油率來改善燃油經(jīng)濟性。這些要求可以用公式（1）表示。其中，安裝耗油率與發(fā)動機耗油率相關，升阻比與飛行器氣動設計相關，空重與輕質材料及結構使用相關。=ln1++（1）針對上述研究目標和技術要求，ERA技術縱覽認為，有很多概念方案的設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注較多，已經(jīng)在很多細節(jié)上進行了研究。翼身融合飛行器方案始于1989年NASA的先進概念工廠，1990年代就確定了概念研究和技術難點演技，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。與此對應的技術難點包括非圓柱體壓力艙設計、飛行包線邊緣的飛行力學設計和飛機發(fā)動機一體化設計。ERA技術縱覽提出了降低燃油消耗和噪聲的指標，并提出了可供參考的實現(xiàn)技術方法和路徑。其中，燃油消耗減少潛能的參考對象是1997年大型雙通道飛機波音777-200型所采用的技術和油耗指標。ERA計劃從機身、機翼、發(fā)動機、發(fā)動機短艙、進氣道和客/貨艙體六個大型部件入手，在復合材料、結構設計、層流控制、混合層流控制、附面層吸收等技術方面針對傳統(tǒng)機身機翼、翼身融合和先進翼身融合式飛行器，提出了油耗降低總目標和每個主要部件的技術進步應該帶來的貢獻，如圖1所示。ERA計劃對應噪聲降低也同樣給出了總指標和各項技術進步能帶來的參考貢獻，如圖2所示。

3環(huán)境責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研發(fā)與驗證應用，但同時也考慮到了飛機的設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，按照技術的分類和相互影響與制約，ERA計劃分為計劃管理、機身技術、推進技術和系統(tǒng)綜合技術等四個研究領域。每一個技術領域的研究內(nèi)容都較為專業(yè)，具有很強的針對性。對于有交互影響的技術內(nèi)容還專門設置了系統(tǒng)綜合技術這一研究領域。其中，計劃管理主要關注實施的步驟、路線圖與進度等；機身技術研究主要技術成熟度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%飛機燃油消耗-33%-50%-60%表1ERA計劃的目標=ln1++×包括輕重量結構、飛行力學與控制、降低阻力和減小噪聲，主要關注升阻比、空機重量和機身噪聲，發(fā)動機的安裝位置卻不是第一考慮；推進技術研究主要包括燃燒室、推進器和核心機技術，主要關注耗油率、發(fā)動機噪聲和排放指標，機身系統(tǒng)則不是第一考慮；系統(tǒng)綜合研究主要包括系統(tǒng)分析、推進與機身綜合、推進與機身氣動聲學和先進的整機概念，主要關注整機升阻比、整機重量、整機耗油率、整機排放指標和整機噪聲，首要考慮推進系統(tǒng)與機身的相互影響。按照ERA計劃的流程，2009年NASA在一些初步研究的基礎上，開始進行ERA計劃的討論與建議，除NASA外，政府其他研究機構、大型企業(yè)和高校，以及其他國家的一些先進航空研發(fā)機構都有參與。第一階段研究從2010年開始，計劃在2012年底結束，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)容的關鍵研究結果與結論進行研討。第二階段的研究工作預計從2013年開始，具體研究內(nèi)容尚未最后確定。整個ERA計劃的預算從2010年開始，最初的預算只計劃到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年進行第一階段總結時，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飛行器概念，主要包括飛行器概念的發(fā)展與可行的技術路線、為后續(xù)階段所進行的關鍵系統(tǒng)研究等；第二個主題是低氮氧化物燃燒室，主要包括相關概念的發(fā)展與可行的技術路線、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充、一些可以為ERA目標服務的早期技術進步與成果的轉化等。ERA計劃第一階段的研究范圍包括：對從基礎研究項目成果中得到的部分概念和技術進行系統(tǒng)級別的試驗，系統(tǒng)綜合設計與多學科風險分析。其中包括六個關鍵技術：1）低重量和強度許可范圍內(nèi)的復合材料使用；2）為降低阻力而進行的層流控制；3）能夠對新飛機結構形式進行控制的飛行力學技術；4）低排放燃燒室技術；5）油耗和噪聲都降低的推進綜合技術；6）為降低噪聲而使用的屏蔽翼技術。第一階段完成以后，當時預期的成果包括從眾多研究中挑選和確認一些概念與技術，這些概念與技術應該已經(jīng)經(jīng)過可行性、有利性、依賴性和風險性研究與評估，并且能揭示一些在多學科交互影響下產(chǎn)生的難以預料的問題和現(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)研究做準備。除了這兩方面，還計劃得到一些詳細的成果報告來修正系統(tǒng)研究，以便對第二階段預計的研究工作進行優(yōu)先排序和內(nèi)容取舍。針對技術成熟度6級的特點，技術縱覽要求ERA計劃在第一階段結束時就拿出模型驗證機，要求驗證機必須保證幾何高度逼真，并要求驗證機能完成四項任務：1）驗證空氣動力學設計，包括最小縮放比例的高雷諾數(shù)和高速可壓縮效果；2）驗證飛行氣動聲學試驗，主要是噪聲源的機理，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技術；4）能夠評估先進的飛行控制概念。ERA計劃在第一階段就要求這樣的模型驗證機是有很多好處的。通過在驗證機上進行的技術系統(tǒng)綜合研究確保滿足下兩代目標的各種技術進步同時進行，增加對技術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；為技術特性和設計方法的有效性提供數(shù)量更多、質量更好的試驗數(shù)據(jù)；收集真實的飛行質量、乘客乘坐質量和客艙噪聲數(shù)據(jù)；作為包括推進技術在內(nèi)的未來技術概念試驗臺架進行預先試驗技術的貯備。

4環(huán)境責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2025年投入運營的首選系統(tǒng)概念(PSC)設計，分為傳統(tǒng)機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。波音公司的PSC包括三種飛行器，分別是先進的傳統(tǒng)機身、先進的雙發(fā)中部安裝傳統(tǒng)機身以及翼身融合，如圖3所示。其中，傳統(tǒng)機身飛行器配裝的是羅-羅公司的先進三軸渦扇發(fā)動機，而翼身融合飛行器則可以配裝普惠公司的齒輪驅動風扇發(fā)動機（GTF）或者羅-羅公司的開式轉子（OR）發(fā)動機，翼身融合模型驗證機為65%縮比，動力方案采用的是兩臺普惠公司的GTF發(fā)動機。洛馬公司的PSC由著名的臭鼬工廠設計，傳統(tǒng)機身式飛行器采用的是羅-羅公司的先進渦扇發(fā)動機，非傳統(tǒng)機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，減少技術難度，大大提高技術可行性和可操作性。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，其驗證機為50%縮比。諾格公司的PSC都采用的是GE公司的發(fā)動機，其非傳統(tǒng)機身采用的也不是翼身融合，而是類似B2遠程轟炸機的飛翼（FlyingWing），如圖5所示。諾格公司認為飛翼飛行器穩(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。

5結束語

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。在機身、發(fā)動機和飛發(fā)一體化設計等領域開展了技術成熟度4級到6級的研究，并于今年完成了模型驗證機的制造。其中的層流控制、輕質結構、高效燃燒室、高效推進器、飛發(fā)一體化等研究均大范圍采用通用技術，其技術與成果完全可以應用于軍用航空器上。ERA計劃及其相關研究進展是非常值得關注的。