NASA总结ERA项目6年来的研究成果

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/29 03:45:05
[据美国航空周刊和空间技术网站2016年1月18日报道]历时6年的NASA环境负责任航空项目(ERA)已于2015年底结束。NASA在2016年1月4日至8日于圣地亚哥举行的AIAA年度航宇技术大会上首次总结了ERA项目6年来获得的研究成果。
    NASA兰利研究中心负责ERA项目系统评估的克雷格•尼克尔称:“ERA项目获得的成果可以支撑实现2025年左右民用飞机在降低燃油消耗、降噪和减排方面的目标。”以下是ERA项目的一些关键数据:
历时6年,NASA投资4亿美元,工业界投资2.5亿美元;
开展了8个集成演示验证子项目,专业覆盖气动、动力、结构和系统;
预计使用ERA项目开发的技术可为2025-2050年的民用航空节省2550亿美元的成本;
采用GTF发动机的400座级混合翼身布局方案实现了49.4%的最大燃油消耗降低;
采用GTF发动机的160座级翼上安装发动机布局方案实现了41.1%的最大噪声降低;
ERA项目评估的所有13个飞机模型除1个外,均实现了氮氧化物排放降低75%的目标。
    ERA项目概述
    与许多早期的研究将目标聚焦于单独降低燃油消耗、噪声或者排放不同,ERA项目旨在开发那些能够同时实现降低油耗、减排和降噪的技术,瞄准2025年左右服役的民机,并在2009年启动时设定了明确的目标:降低轮档间油耗50%(相比2005年最好水平),减小70%巡航阶段氮氧化物排放、75%的起降阶段氮氧化物排放(相比CAEP/6),以及降低累积噪声裕度42分贝(相比第4阶段标准)。
EAR项目共对8种飞机方案、13个模型进行了性能评估。8种方案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;以及传统的筒状机身加机翼布局飞机、非传统的翼上安装发动机(OWN)混合翼身(HWB)布局飞机、中机身吊装发动机布局飞机(MFN)。除了先进的布局之外,ERA项目推动了一系列气动、结构、系统和推进技术的成熟。这些技术通过8个集成演示子项目得到了验证,研究人员利用研究结果建立了这些技术的系统级评估模型。
    ERA项目的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——该系统能够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;GE的高载荷压气机试验;普•惠的第二代GTF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;最后一个演示验证是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。
EAR项目共对8种飞机方案、13个模型进行了降噪、节油和减排效果的评估。
    降噪评估
    所有飞机构型的噪声评估采用三个点的累积噪声,分别是起飞、近场和飞越。通过分析发现,可以实现NASA设定的降噪目标的布局有三种,分别是HWB、OWN以及MFN。ERA项目评估团队声学负责人拉斯•托马斯表示:“每个座级的飞机中至少有一种噪声水平接近目标。”大型双通道级别中的HWB301模型的噪声较第4阶段标准有40.3dB的累积噪声裕度,中机身吊装发动机方案中的MFN301模型的噪声较第4阶段标准有33.9dB的噪声裕度,而两者相比筒状机身加机翼布局模型分别降噪18.2dB和11.8dB。翼上安装发动机布局中的OWN160模型的噪声较第4阶段标准有41.1dB的噪声裕度,比传统单通道飞机模型降噪9.7dB。
    托马斯表示:“HWB布局相比筒状机身加机翼展现出了显著的噪声屏蔽效果。”在HWB布局中,发动机安装在机身上、尾部前方、垂尾中间位置,机体对风扇、核心机和喷气噪声产生了很好的遮蔽作用,降噪可达7dB。“不那么极端”的MFN和OWN构型对于风扇噪声和部分侧向噪声可以产生屏蔽作用。此次噪声评估也是NASA首次对翼下安装发动机布局的辐射噪声以及机体(包括起落架和其它部分)反射噪声同时进行评估,因此进一步地突出了采用翼上安装发动机的HWB布局的降噪特性。托马斯表示:“翼吊发动机筒状机身加机翼布局的机体对噪声的反射非常明显,可高达4dB并且指向性明确。”
    节油评估
    在燃油消耗方面,尼克尔表示,虽然没有完全达成50%的目标,但是也获得了不错的结果。安装GTF发动机的HWB300模型最接近完成目标,实现油耗降低49.4%。所有的模型,除了传统的筒状机身加机翼布局(安装传统发动机)的模型T+W301,都实现了轮档间油耗降低40%。
    两个喷气支线飞机模型表现非常出色。它们采用翼上安装发动机构型,相比巴航工业的ERJ-190飞机轮档间油耗降低47.3%,这主要得益于减小的机翼面积和推力最终导致飞机空重的降低。两个单通道概念模型油耗降低都超过了40%,表现最好的是安装GTF发动机的OWN160。
    两个混合机翼概念方案表现超过了传统的小型双通道和超大型双通道设计。其中,较大的400座级的HWB400(安装GTF发动机)相比波音747-400油耗降低49.4%。尼克尔表示,HWB布局的优势主要得益于较大的巡航升阻比,并且尺寸越大优势越明显,但考虑到翼展受限,大型HWB的优势会有所折扣。另两个采用HWB布局的大型双通道飞机模型(一个采用GTF发动机,一个采用传统涡扇)相比波音777也表现出了很好的性能。HWB301(安装GTF发动机)相比波音777-200LR基本型油耗可降低47%,但是翼展增加11.6米。同样座级的MFN301模型表现更好,相比波音777-200LR油耗降低47.1%。
    减排评估
    对于排放来说,13个模型中除一个外全部实现降低75%氮氧化物排放的目标,这都得益于发动机采用了ERA项目中的先进燃烧室成果。(中国航空工业发展研究中心 王元元)
http://www.dsti.net/Information/News/98188[据美国航空周刊和空间技术网站2016年1月18日报道]历时6年的NASA环境负责任航空项目(ERA)已于2015年底结束。NASA在2016年1月4日至8日于圣地亚哥举行的AIAA年度航宇技术大会上首次总结了ERA项目6年来获得的研究成果。
    NASA兰利研究中心负责ERA项目系统评估的克雷格•尼克尔称:“ERA项目获得的成果可以支撑实现2025年左右民用飞机在降低燃油消耗、降噪和减排方面的目标。”以下是ERA项目的一些关键数据:
历时6年,NASA投资4亿美元,工业界投资2.5亿美元;
开展了8个集成演示验证子项目,专业覆盖气动、动力、结构和系统;
预计使用ERA项目开发的技术可为2025-2050年的民用航空节省2550亿美元的成本;
采用GTF发动机的400座级混合翼身布局方案实现了49.4%的最大燃油消耗降低;
采用GTF发动机的160座级翼上安装发动机布局方案实现了41.1%的最大噪声降低;
ERA项目评估的所有13个飞机模型除1个外,均实现了氮氧化物排放降低75%的目标。
    ERA项目概述
    与许多早期的研究将目标聚焦于单独降低燃油消耗、噪声或者排放不同,ERA项目旨在开发那些能够同时实现降低油耗、减排和降噪的技术,瞄准2025年左右服役的民机,并在2009年启动时设定了明确的目标:降低轮档间油耗50%(相比2005年最好水平),减小70%巡航阶段氮氧化物排放、75%的起降阶段氮氧化物排放(相比CAEP/6),以及降低累积噪声裕度42分贝(相比第4阶段标准)。
EAR项目共对8种飞机方案、13个模型进行了性能评估。8种方案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;以及传统的筒状机身加机翼布局飞机、非传统的翼上安装发动机(OWN)混合翼身(HWB)布局飞机、中机身吊装发动机布局飞机(MFN)。除了先进的布局之外,ERA项目推动了一系列气动、结构、系统和推进技术的成熟。这些技术通过8个集成演示子项目得到了验证,研究人员利用研究结果建立了这些技术的系统级评估模型。
    ERA项目的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——该系统能够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;GE的高载荷压气机试验;普•惠的第二代GTF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;最后一个演示验证是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。
EAR项目共对8种飞机方案、13个模型进行了降噪、节油和减排效果的评估。
    降噪评估
    所有飞机构型的噪声评估采用三个点的累积噪声,分别是起飞、近场和飞越。通过分析发现,可以实现NASA设定的降噪目标的布局有三种,分别是HWB、OWN以及MFN。ERA项目评估团队声学负责人拉斯•托马斯表示:“每个座级的飞机中至少有一种噪声水平接近目标。”大型双通道级别中的HWB301模型的噪声较第4阶段标准有40.3dB的累积噪声裕度,中机身吊装发动机方案中的MFN301模型的噪声较第4阶段标准有33.9dB的噪声裕度,而两者相比筒状机身加机翼布局模型分别降噪18.2dB和11.8dB。翼上安装发动机布局中的OWN160模型的噪声较第4阶段标准有41.1dB的噪声裕度,比传统单通道飞机模型降噪9.7dB。
    托马斯表示:“HWB布局相比筒状机身加机翼展现出了显著的噪声屏蔽效果。”在HWB布局中,发动机安装在机身上、尾部前方、垂尾中间位置,机体对风扇、核心机和喷气噪声产生了很好的遮蔽作用,降噪可达7dB。“不那么极端”的MFN和OWN构型对于风扇噪声和部分侧向噪声可以产生屏蔽作用。此次噪声评估也是NASA首次对翼下安装发动机布局的辐射噪声以及机体(包括起落架和其它部分)反射噪声同时进行评估,因此进一步地突出了采用翼上安装发动机的HWB布局的降噪特性。托马斯表示:“翼吊发动机筒状机身加机翼布局的机体对噪声的反射非常明显,可高达4dB并且指向性明确。”
    节油评估
    在燃油消耗方面,尼克尔表示,虽然没有完全达成50%的目标,但是也获得了不错的结果。安装GTF发动机的HWB300模型最接近完成目标,实现油耗降低49.4%。所有的模型,除了传统的筒状机身加机翼布局(安装传统发动机)的模型T+W301,都实现了轮档间油耗降低40%。
    两个喷气支线飞机模型表现非常出色。它们采用翼上安装发动机构型,相比巴航工业的ERJ-190飞机轮档间油耗降低47.3%,这主要得益于减小的机翼面积和推力最终导致飞机空重的降低。两个单通道概念模型油耗降低都超过了40%,表现最好的是安装GTF发动机的OWN160。
    两个混合机翼概念方案表现超过了传统的小型双通道和超大型双通道设计。其中,较大的400座级的HWB400(安装GTF发动机)相比波音747-400油耗降低49.4%。尼克尔表示,HWB布局的优势主要得益于较大的巡航升阻比,并且尺寸越大优势越明显,但考虑到翼展受限,大型HWB的优势会有所折扣。另两个采用HWB布局的大型双通道飞机模型(一个采用GTF发动机,一个采用传统涡扇)相比波音777也表现出了很好的性能。HWB301(安装GTF发动机)相比波音777-200LR基本型油耗可降低47%,但是翼展增加11.6米。同样座级的MFN301模型表现更好,相比波音777-200LR油耗降低47.1%。
    减排评估
    对于排放来说,13个模型中除一个外全部实现降低75%氮氧化物排放的目标,这都得益于发动机采用了ERA项目中的先进燃烧室成果。(中国航空工业发展研究中心 王元元)
http://www.dsti.net/Information/News/98188