“环境责任航空”（ERA）是美国国家航空航天局（NASA）近年实施的一项旨在减少未来民机噪声、氮氧化物排放和油耗的高技术成熟度等级研究项目。该项目于2009年正式启动，2015年底结束，历时6年，耗资6.5亿美元（其中，NASA和美国工业界分别投资4亿、2.5亿美元）。在2016年1月于圣地亚哥举行的美国航空航天学会（AIAA）年度航宇技术大会上，NASA首次向外界公布了ERA项目的研究成果。
由于ERA项目一向被视为NASA航空研究从基础性向应用性转变的突破口，代表着美国对2025年左右服役的下一代民机相关技术研究已进入实质性阶段，其技术成果对美国乃至全球民机产业的发展将产生重要影响。
ERA项目研究概况
进入21世纪后，全球航空运输量的迅猛增长使得航空业碳排放对环境的影响受到越来越多的重视。如何尽可能提高民机的环保性能，正受到外界越来越多的关注。为了满足日益严格甚至苛刻的环保要求，以美国、欧盟为代表的航空强国和各大民机制造商纷纷开始制定应对策略。
美国为了维持其在世界民用飞机乃至整个航空科技领域的领先地位，NASA对于未来民机的环保性能同样高度重视并提出了相应的具体指标。根据NASA在2005年对后20?30年内民机发展所作的规划，美国未来民机发展将按时间顺序分为N+1、N+2和N+3三个阶段（即三代），分别代表近期（2015年）、中期（2020?2025年）和远期（2030?2035年）。
其中，N+1代民机的油耗与现在相比将降低33%、噪声比国际民航组织（ICAO）第4阶段限制标准降低32分贝、氮氧化物排放比国际民航组织航空环境保护委员会第2级标准（CAEP2）减少70%；N+2代民机的这三项指标分别为40%、42分贝、80%；N+3代民机则分别为70%、62分贝和80%以上。为此，NASA陆续开展了一系列与绿色环保有关的航空前沿技术研究，并于2006年发起了“亚声速固定翼”（SFW）研究项目，该项目在2009年正式升级为技术成熟度水平更高的ERA项目。
与许多早期的研究项目将目标集中于单独降低燃油消耗、排放或者噪声不同，ERA项目瞄准2025年左右服役的下一代民机，旨在开发那些能够同时实现节油、减排和降噪的技术，这无疑会给设计工作带来很多挑战，因为这些指标相互之间可能会有影响。
ERA项目在2009年刚开始启动时，就为节油、减排和降噪设定了明确的目标：降低轮挡间油耗50%（相比2005年最好水平），减少70%的巡航阶段氮氧化物排放、75%的起降阶段氮氧化物排放（相比CAEP6标准），以及降低累积噪声裕度42分贝（相比ICAO第4阶段标准）。
在EAR项目实施过程中，共对5种未来民机概念方案进行了评估。它们分别是采用直接驱动涡扇发动机的90座喷气支线飞机；采用齿轮传动涡扇（GTF）发动机的160座单通道飞机；采用GTF发动机的216座小型双通道飞机；采用直接驱动涡扇或者GTF发动机的301座大型双通道飞机；采用GTF发动机的400座超大型飞机。
为了使研究更加广泛、深入，上述这些飞机设计方案既可采用传统的圆筒状机身加机翼布局，也可考虑采用非传统的翼上安装发动机（OWN）、混合翼身（HWB）以及中机身吊装发动机（MFN）布局。最终，EAR项目共建立了13个飞机研究模型，进行了相关的降噪、节油和减排效果评估。
除了先进的构型布局之外，ERA项目还通过8个综合演示子项目对气动、结构、系统和推进等技术进行验证测试，并利用研究结果建立起相关的系统级评估模型。
这8个综合演示验证子项目包括：
利用波音757环保验证机进行的垂尾喷气扫掠系统飞行试验，该系统可帮助提高方向舵效率，达到减小垂尾尺寸、降低飞机重量的目的；利用波音757环保验证机进行的一系列机翼前缘昆虫吸积减轻技术飞行试验，该技术有助于保持机翼层流流态；波音公司为混合翼身布局（HWB）飞机中央机体开发的“拉挤棒缝合高效组合结构”试验；自适应柔性后缘变形机翼飞行试验；通用电气公司的高载荷压气机试验；普惠公司的第二代GTF发动机和低氮氧化物多燃料燃烧室试验；低噪声襟翼和起落架降噪整流罩试验；针对翼上安装超高涵道比涡扇发动机布局（未来HWB和MFN布局可能采用的形式）对气动效率和发动机使用影响的试验。
当ERA项目于2015年底结束时，其在降噪、节油和减排三个方面达到了如下目标：
对于降噪目标来说，上述每个座级的飞机方案（各座级可采用不同布局）中，都至少有一种噪声水平接近目标，而采用GTF发动机的160座级翼上安装发动机（OWN）布局方案的降噪幅度最大，达到41.1%。
对于节油目标来说，ERA项目尽管没能完全实现降低50%油耗的目标，但与此目标已经非常接近。例如，安装GTF发动机的400座级混合翼身布局（HWB）方案的油耗降低了49.4%。
对于减排目标来说，ERA项目所评估的全部13个飞机研究模型中，12个均实现了降低75%氮氧化物排放的既定目标，这主要得益于发动机采用了ERA项目中的先进燃烧室技术成果。
ERA项目所取得的上述研究成果获得了NASA和美国航空工业界的高度肯定。NASA兰利研究中心负责ERA项目系统评估的官员克雷格·尼克尔在2016年1月的AIAA年会上公开表示，通过ERA项目对相关概念和技术的一系列验证测试，充分证明2025年左右民机实现预期的节油、减排和降噪目标是完全可行的。NASA航空研究部副部长申金元则向外界透露，根据计算机模拟仿真结果，如果目前运营中的美国各航空公司机队采用ERA项目所开发的上述技术，这些公司2025?2050年间的运营成本将会节省2550亿美元。
对我国民机产业的启示
对于我国民机产业来说，随着ARJ21新支线飞机、C919窄体干线飞机项目的逐步推进，更高效、更节能、更环保的全新一代民机的开发工作必将在不久后提上议事日程，与其相关的新型民机概念方案探讨论证以及部分关键技术预研也有必要及早开展。根据发达国家在未来民机领域研究的最新动向以及美国ERA、欧洲“净洁天空”等项目的经验，今后国内民机产业技术预研方面应尤其注意以下三点：
首先，“绿色环保”是未来民机产业不断追求的目标。随着世界航空客货运周转量持续、快速增长，由其所引起的环境污染问题使航空界面临的环保压力日益加大。近年来，包括国际环境组织、世界民航组织、各国政府、航空公司、航空制造企业在内的相关各方对民机环保性能的关注度不断提高，在许多场合都将其视为一个重要议题。例如，欧盟已经将航空业纳入了碳排放交易体系，从2012年起，所有进出欧盟的航班都开始遵循其拥有的碳配额，由此导致航空公司的成本每年增加35亿美元（并且还会逐年递增），各航空公司迫切需要效率更高、排放更少的新机型。
有鉴于此，“绿色环保”在今后相当长时间内将是世界民机技术发展的主要方向，更高的燃油效率、更低的噪音以及更少的污染物排放将会成为未来民机最显著的特征，未来民机产品设计也将把提升环境效益作为主要目标。
考虑到欧美国家通过多年的探索和ERA、“净洁天空”等项目的实施，在绿色航空技术领域的前瞻性预研积累较多，无疑会极大地增强其在未来民机市场上的竞争优势，国产民机作为市场的新进入者，将会面临非常严峻的环保挑战，国内相关部门有必要及早考虑应对措施。
其次，新构型飞机对未来民机“绿色环保”目标的实现至关重要。在ERA项目实施过程中，研究人员通过一系列测试评估发现，大量新技术的综合与集成将可以显著降低未来民机产品的油耗和噪声。但是，对于传统的圆筒机身加机翼布局的飞机来说，这种提升是有限的，特别是在噪声指标方面离预期目标还有不小的差距。
相反，先进翼身融合体布局等新构型飞机在燃油消耗和噪声两项指标上都具有达到甚至超越ERA项目所提指标的潜力。这表明传统布局的民机在经过多年发展后，进一步提升性能的空间已经相当有限。以翼身融合体布局飞机、高巡航效率短距起降飞机、多电/全电飞机、电动飞机、桁架支撑机翼飞机和涡轮电力分布式推进系统飞机等为代表的采用全新布局和全新推进系统的飞机则很可能会成为未来民机的主要发展方向。这些研究方向值得国内民机工业部门高度重视，各种新构型、新布局、新能源民机概念方案的探讨论证应尽早提上议事日程，与其相关的关键领域技术攻关也有必要及早开展。
最后，我国需要尽早制订并实施与ERA类似的民机前沿技术研究计划。近年来，除了前述的ERA、“洁净天空”等旨在实现未来民机产品绿色环保要求的前沿技术研究计划外，一些航空发达国家还先后实施了诸多与未来民机发展相关的基础研究计划。相比之下，我国在民机前沿技术方面尚未形成系统的研究体系，相关领域的技术储备也十分薄弱。
因此，很有必要从国家层面加大对民机前沿技术研究的支持，围绕“绿色环保”这一世界民机未来发展的主要方向，并结合国家的民用飞机产品发展战略，瞄准今后20?30年国产民机发展目标，尽快制订出与欧美国家类似的未来民机技术重大基础研究计划，以便系统地、有针对性地开展各种新型高效的绿色航空技术研究。
希望国家加大该领域的经费投入，以中国商飞、科研院所、高等院校为主体，积极开展部分关键领域的预先研究和技术攻关，解决一批制约未来绿色环保民机发展的瓶颈或关键问题，为未来实现国产民机技术跨越式发展提供有力支撑。（文/陈黎）
