NASA可以說是美國的航空技術研發的先驅，比起洛克希德·馬丁，諾斯羅普·格魯曼和波音這些航空工業巨頭，NASA顯得更加的“學院派”，非常重視航空航天的基礎研究。近兩年，NASA開始了下一代客機的基礎研究，提出了採用清潔能源的概念的客機模型。該項目屬於美國宇航局先進航空運輸技術項目（AATT）的一部分，旨在探索和開發適用於飛機和推進系統的改變遊戲規則的技術和概念，而這些技術和概念可以顯著提高燃料的效率並減少氮氧化物對大氣造成的汙染。

STARC-ABL

該飛機被稱為STARC-ABL。這種概念客機可以使飛機尾流阻力更小，更加省油，實現節能減排的目的，而且有望減小現有大型客機對渦扇發動機的推力需求。這主要是靠一個放置在客機尾部一個大型的風扇來實現的。該風扇由電力驅動，在風扇外面罩上一個外殼，形成外涵道。這個電力驅動的涵道風扇也被稱為邊界層吸收裝置（Boundry Layer Ingesting，簡稱BLI）。它有兩個作用，風扇在電力驅動下高速轉動，本身會產生向前的推力；其次，這種風扇可以將流經機身和發動機的邊界層抽取、加速後向後排出，改變尾部的氣流場，將低壓的湍流和渦旋吹走，從而減少尾流阻力。下面我們看看BLI是如何減少阻力的。

NASA的STARC ABL概念機，尾部有一個大大的電涵道風扇

STARC ABL的渦扇發動機和尾部電涵道風扇尺寸對比

邊界層（Boundry Layer），是附在機身表面的一個薄層，也叫附面層。空氣由於存在一定粘度的關係，在機身表面的空氣速度幾乎為0；在機身表面法向方向上，附面層的速度變化相當大，也就是說有速度很高的梯度。附面層流過機身後，會在飛機尾部發生分離，從而產生相當多的渦旋、湍流，導致機身尾部形成一個低壓區，而這個低壓區就和機身頭部的空氣形成了一個壓差，表現為向後的一個阻力，這個阻力也叫壓差阻力或者尾流阻力。壓差阻力是一個很普遍的現象，在汽車上也非常常見，這也是為什麼一些豪華跑車會配置一些空氣動力學套件的原因。

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附面層分離，圈圈狀的就是附面層分離後產生的渦旋和湍流

汽車在高速行駛時主要的阻力都是壓差阻力

流經飛機發動機的空氣，紅色為低速的邊界層

飛機的壓差阻力示意圖

既然速度相對較慢的汽車都是如此，飛機的壓差阻力自然也就更大了。而現在在飛機尾部增加的這個電力涵道風扇，起到的作用恰恰是將飛機的附面層加速，阻止附面層形成渦旋和湍流。這樣，尾部的低壓區也就不存在了，飛機的壓差阻力將大大減小。

附面層（紅色）被風扇加速後，變為高速流動的空氣（綠色），不會在尾部形成低壓區

其實這個方案早就得到了實際應用，只是最早是用在了炮彈上，而不是飛行器上。彈道學專家為了給炮彈減阻增程，在炮彈的尾部增加了一個火箭發動機，在炮彈出膛後火箭發動機工作，排出少量燃氣，使得尾部獲得了額外能量而改變了流場，從而減少了壓差阻力。底排彈比起普通彈，可增程30%，效果非常明顯。

底排彈彈結構，在炮彈尾部有一個火箭發動機

那麼NASA的這個設計，到底獲得了多大收益呢？首先我們要知道，即便是電動風扇，它的電源也是通過飛機發動機發電而得來的，飛機發動發電的過程中本身也是要消耗一定燃料的。但由於BLI減阻收益非常大，使得綜合下來還是可以減少很多的燃料消耗。經過實驗表明，比起常規的大飛機，STARC-ABL飛機可以節省10%的燃料消耗，這可是一項非常重大的革命性成果。

NASA實驗的結果，使用BLI+渦扇發動機可以減少10%燃料消耗

尾部的BLI能源來自於兩臺渦扇發動機的發電

還有一個更大的收益是，飛機對渦扇發動機的最大推力需求也降低了。STARC-ABL在起飛階段只需發動機達到最大推力的80%，而在巡航時只需要55%，而其他的推力全部由電涵道風扇提供。這意味著飛機可以選用涵道比更小的渦扇發動機，不僅減少了製造成本，而且涵道更小的發動機迎風面也更小，進一步降低飛機的阻力。在NASA的NEAT測試（NASA Electric Aircraft Testbed）中，這個方案也成功實現了在5秒內達到95%的能量輸出，以滿足緊急起飛情況的需求；此外在現有飛機的飛行包線中，這種混合動力的方案並未出現意外的失速，證明了這個系統的魯棒性。

採用BLI電涵道風扇方案後，渦扇發動機可以選用更小的（由透明綠色的尺寸變為藍色的尺寸）

電池功能的混合動力

如果說STARC ABL比較像豐田的增程式混合動力，那麼NASA的另一種方案，則更像比亞迪的插電式的混合動力，這種方案是直接在飛機內部增加一套動力系統，使用電池驅動電機，電機與渦扇發動機將動力輸出到同一個軸上，從而節省了渦扇發動機燃燒室的燃料消耗。由於電力本身來自於電池的充電，不需要渦扇發動機進行發電，所以可以實現更高的燃料節約。

混合推進方案採用電-燃複合聯合推進

混合推進方案的發動機結構

看下圖可知，渦槳發動機和渦扇發動機的實際效率只有39%和33%，而電池和氫燃料電池驅動電動機的方案，效率則可以達到73%和44%。不過由於實際可行性的關係，這種方案比較適用於小型飛機，而大型飛機則更適合使用STARC ABL這種方案。

渦槳、渦扇發動機和純電方案的效率對比

NASA在新能源飛機上已經形成了混合動力和渦扇發電兩大技術路線，覆蓋所有功率級別的飛機

NASA的願景是，在2035年前，實現30MW功率級的混合動力飛機的研製。這種方案如果能夠實用化成功，無疑將對民用航空工業產生一次巨大的產業衝擊。