科学还是幻想?
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从上世纪20年代的德国容克和美国福特三发客机到现在，客机的基本结构一直是圆筒形机体加机翼的常规布局。即便是体型硕大的A380，这个基本的常规布局依然没有改变。然而，作为航空科研的前沿阵地，美国美国航空航天局（NASA）已经开始研究未来客机的问题。未来客机的研究分3阶段，其中以2025年开始的第2阶段最引人注目：在技术上足够前卫，但又不太过科幻。波音、诺斯罗普·格鲁曼（诺格）和洛克希德·马丁（洛马）的三个方案都和人们耳熟能详的常规布局有很大的不同。当然，2025年开始的第2 阶段研究目标只是设想而已，远非铁定的商业现实。不过这些先进构想的启示意义不可低估。
根据NASA公布的数字，2008年，美国民航业消耗航空燃油约6 100万吨，美国军方则使用了约1 420万吨。节油不仅直接影响航空公司的盈利，也对国防开支紧缩的美国军方有很大的诱惑。减排也是非常重要的事情，和汽车工业相比，飞机的碳排放量并不高，但飞机尾气直接进入大气层，难以通过绿化地球加以吸收，危害程度并不小。另外，机场周边由机频繁起降，排污集中，影响更大。更难弄的是氮氧化物（NOx）。节油通常采用富氧燃烧，导致NOx排放增高。另一方面，飞机噪音早已成为公害，世界各地机场扩建阻力重重，大多来自机场周边人们对噪音的不满。降噪、减排、节油，这三点始终是民航客机研发的根本，不过传统布局继续进步的潜力不大，要想有跨越式发展，必须另起炉灶。
NASA未来民航科研计划分三个阶段：N+1（ N是Now的缩写）为近期，目标为2015年；N+2为中期，目标为2020年；N+3为远期，目标为2025年。计划结束时，要求达到技术成熟程度4-6。这是美国政府和国家科研管理中对技术成熟程度的等级评定，1-2为基础理论阶段，4-6为达到实验室规模到技术演示的阶段，8-9则为实用阶段。NASA的N+2要求比现在的最严格的第四级标准减噪42分贝，起飞着陆阶段NOx减排75%，巡航阶段NOx减排70%，油耗相当于波音777技术指标的50%。NASA正在推动“环保飞机计划”（ERA），这是N+2阶段，客机的设计基点为224座，22.5吨载重，14 800千米航程，巡航速度M数0.85；货机则为45吨载重，航程12 000千米。在1月9~12日美国航空航天协会在田纳西州纳什维尔举办的航空科学大会上，波音、洛马和诺格揭示了各自的ERA方案，都达到或者接近达到了这些十分苛刻的要求。每一个团队的设计方案都获得很高的评价，而各自的技术路线又十分不同，预示着民航技术即将到来的百花齐放时代。
波音的方案
波音方案是NASA的X-48验证机的延续。这是翼身高度融合飞机，介翼和无尾三角翼之间。无尾三角翼飞机也是常规的机体-机翼布局，只是省却了常见的水平尾翼。机体-机翼布局在设计和制造上已经很成熟，不足之处是机体不产生或者只产生很小的升力，而机翼和机体的结合部承受的应力很大，需要特别加强，从而导致重量增加。理想飞翼直接在“肥厚”的机翼内装载旅客或货物，整个飞机均产生升力，这是飞翼本质的优越性。从上世纪40年代飞翼概念提出后，就有很多人把飞翼作为未来客机的理想气动布局。
飞翼的纵长相对较短，俯仰控制力矩随之较短，大大增加了控制的难度。除了德国霍顿兄弟的开创性工作外，诺斯罗普算是飞翼的先驱了，还在上世纪40年代试飞过飞翼。但一直到电传飞控的出现，实用的飞翼才成为现实，这就是B-2。不过民航客机的安全性要求很高，本质上不容易做到自然稳定的飞翼要通过民航客机所需的严格安全认证，还有不少关口要过。另外，飞翼客机的旅客登机也是个问题。圆筒形的机体或许效率不高，但旅客上下飞机很方便，但飞翼没有明显的适合设置登机门的位置。更为致命的是，飞翼内人员疏散远比圆筒形机体复杂和困难。现有研究表明，一旦发生紧急情况，飞翼客机很难在美国联邦航空局（FAA）规定的时间内疏散乘客。
由于这些问题，波音的翼身融合体方案（简称BWB）试图结合飞翼和常规机体-机翼的优点，用近似飞翼的气动外形保持飞翼的优点，但机舱是极大加宽的肥厚扁圆，而不是像理想飞翼一样差不多延伸到整个翼展，机翼也没有飞翼那么肥厚。扁平宽大的尾部上方有一对外倾的双垂尾，双垂尾之间是两台普惠和罗罗合作的齿轮传动涡扇（GTF）发动机。所谓GTF发动机就是在双周涡扇发动机的低压涡轮及增压压气机和风扇之间加入1个齿轮减速器，以使风扇和低压涡轮和增压压气机都可以在各自最有效的转速下工作，从而达到发动机最优化的目的。相比波音777，GTF发动机可以让飞机节油52%，这一效果十分可观。但另一个发动机技术或许可以达到更高的节油效果，这就是桨扇发动机，也称开放转子发动机。不过涡桨的问题有两个：速度无法提高、噪声很大。螺旋桨的叶尖速度不能超过声速，其迎风面积也限制了飞机的飞行速度，所以不适合高亚声速巡航的远程客机。没有屏蔽的叶尖产生的噪声足以造成机体结构疲劳，所以大功率的涡桨客机很难不扰民。尽管某些技术升级——比如，螺旋桨桨叶采用后掠的弯刀形推迟激波的产生或者前后不同桨叶数的反转螺旋桨改变噪声特征，都可以降低噪声水平，但桨扇的噪声依然很高。波音BWB方案如果采用三台桨扇发动机取代两台GTF发动机的话，油耗还可以进一步降低，但噪声要高8分贝，方案被放弃了。GTF方案也没有达标，只达到降噪34分贝。波音BWB方案的发动机下方有扁平宽大的后机身屏蔽，两侧有双垂尾屏蔽，加上采用低噪音的GTF，依然没有达到NASA的N+2降噪标准，可见降噪之难。
波音和NASA合作研制的X-48在2007年7月20日首飞，已经积累了相当丰富的数据，波音也因此在竞赛中领先一步。波音的ERA技术验证机计划2017年总装，这是一架65%尺寸的验证机，翼展45.4米，机长25.3米，机高6.4米，采用两台推力为106.8千牛的GTF发动机。飞机其余部分，如起落架和座舱系统都沿用现有技术。在诸如翼型等技术上也留有一定余地，方便以后升级。
诺格的设计
面对波音的强势设计，诺格并不畏惧，对飞翼用于民航客机充满信心。诺格的ERA方案几乎是B-2轰炸机放大的民航客机版。和波音ERA相比，诺格ERA的中央部分同样明显肥厚，但机翼机体浑然一体，没有明显的机舱和向前探出的机头和驾驶舱，更接近理想飞翼。由于发动机深埋在飞翼之内，进气口和喷口有效地用机体屏蔽了噪声。降噪成为诺格ERA最显著的优点，其噪音达到74.7分贝。这应该不奇怪，其原型B-2隐身轰炸机的“看家本领”之一就是静音。诺格ERA方案采用无垂尾设计，以降低阻力。由翼尺寸紧凑，没有机体则避免了机体-机翼的不利气动交互作用，飞翼更加接近理想机翼，使升阻比有所改善。和波音的方案相比，诺格ERA的节油效果果差强人意，比目前的波音777降低41.5%，没有达到N+2要求的50%。
诺格ERA由于采用不同寻常的飞翼设计，旅客上下飞机也采用不同寻常的方式。不从两侧登机，而是像军用运输机一样，从机尾放下的斜板登机。头等舱总是在离登机门最近的地方，便于迅捷上下飞机，所以诺格ERA的头等舱一反常规，安置在商务舱和经济舱之后。由于机体特别宽，登机斜板也特别宽，便于多路客流迅速登机。不过，无垂尾设计的安全认证和深埋机背的发动机维修会是很大的挑战。另外，宽大的可收放登机斜板的重量也不可低估，而飞行员的位置相对常规的驾驶舱来说比较靠后，不利于地面滑行时观察周边情况，加上飞翼紧急疏散旅客的问题，诺格ERA离实用化可能是距离最远的。不过用作军用运输机的话，诺格飞翼具有天然的隐身特性，这倒是一个很有吸引力的优点。
洛马的构想
洛马的方案在某种意义上是先进和传统的独特组合。一方面，这是三个方案中唯一保留传统的圆筒形机体的方案。圆筒形机体不仅容易设计制造，也是最适合用于压力容器的外形。在空气稀薄的高空，舱内加压的机体是一个压力容器，圆筒形的机身意味着最轻的重量，这是不容轻视的优势。另一方面，洛马ERA采用了独特的搭接翼，也就是后掠的下单翼和前掠的上单翼在翼尖搭接，俯视看起来好像一个菱形，所以也称菱形翼；正视则看起来像一个矩形的空心盒子，所以又称盒式翼。
后掠翼可以推迟激波的产生，有利于增速减阻，前掠翼也能达到同样的目的。此外，前掠翼还有一些额外的好处。后掠翼的失速首先在翼尖发生，引起升力中心前移和机头上扬，进一步加深失速；前掠翼恰好相反，具有天然的抗失速特质。另外，后掠翼容易形成强有力的翼尖涡流，造成涡流阻力，前掠翼的翼尖涡流要弱得多。但前掠翼具有气动弹性发散的问题，翼尖局部迎角增加会导致局部升力增加，进一步加大局部迎角，直至扭曲导致结构损坏。搭接翼在翼尖把后掠翼和前掠翼搭接起来，后掠翼和前掠翼的受力互相补偿，鱼与熊掌兼得，不仅简化设计和制造，还大大改善了面积律分布，降低了跨声速阻力。
搭接翼不仅在相同翼展情况下翼面积成倍增加，还因为后掠翼和前掠翼互相卸载，降低了翼根的应力，减轻了结构强度要求，降低了结构重量。搭接翼比同样翼面积的普通上单翼或者下单翼减重可达30%——一架现代飞机的起飞重量是249.6吨，那么用搭接翼技术后，飞机的起飞重量只需166吨，重量减轻意味着造价和油耗也相应降低。
由于后掠翼和前掠翼分别有相对肥厚的翼根，翼内容量较大，便于多装燃油，或者在用作预警机时，在翼内安装共形雷达。传统的双翼机尽管翼面积加倍，但由于上下机翼之间的不利气动交互作用的影响，升力并不成倍增加。搭接翼不仅让机翼上下错开，还前后错开，导致不利的气动交互作用大大减小。由于下洗气流向下的方向，也导致了前置后掠的下单翼和后置前掠的上单翼之间的不利气动交互作用进一步减小。此外，上下错开的搭接翼还为发动机的安装位置提供了意外的便利。发动机后置有利于重心后移，降低配平阻力，所以上世纪60年代曾流行喷气发动机安置在机尾两侧的布局，至今公务飞机和支线客机依然流行这一布局。但尾吊式发动机紧贴机舱，噪声较大，位置也较高，维修不便。因此飞机越大，发动机推力越大，这些问题越明显。但搭接翼的后置前掠的上单翼解决了这个问题，后置前掠翼下吊挂的发动机兼具传统的翼吊和尾吊布局的优点，而且上单翼具有足够的翼下净空，容易吊挂超大直径的先进低油耗发动机。
洛马ERA的设计翼展为52米，机长为55.2米，具有容易放大、缩小和便于改作军用运输机的特点。洛马计划验证大角度、高下沉率的着陆概念，以求进步减小对机场周边的干扰，这样也间接达到降噪的目的。不过洛马ERA的降噪幅度是三个方案中较小的，只有35分贝，很大原因是发动机周围没有任何屏蔽。不过洛马ERA的污染物减排达到89%，这在很大程度上是罗罗“超级风扇”发动机的功劳。这可以看作是带围箍的桨扇发动机，既保留桨扇发动机的节油特点，又对开放桨叶的噪声有所屏蔽，其直径约为3.5～3.66米。
波音BWB已经在通过X-48验证机验证翼身高度融合飞机的基本气动性能，诺格的飞翼是B-2的延续，气动方面也没有悬念，反倒是洛马的搭接翼在气动性能上最有待检验。洛马ERA技术验证机是50%的缩比飞机。发动机为两台尚未确定具体型号的200千牛级涡扇发动机。座舱沿用C-130J运输机的现成设计，采用开放式结构，以支持航电升级和无人机化改造。