引領(lǐng)航空業(yè)變革的 顛覆性技術(shù)

張嘉毅

2020年8月26日，歐盟發(fā)起“征求表達(dá)意見和潛在成員”活動(dòng)（CEI），以收集“凈潔天空”的變革性概念，并著手聯(lián)合相關(guān)國家和企業(yè)推進(jìn)研發(fā)綠色顛覆性航空技術(shù)，旨在以節(jié)能、高效、環(huán)保引領(lǐng)未來全球航空技術(shù)發(fā)展與變革，大幅提升歐洲航空業(yè)的質(zhì)量與效率。

硬指標(biāo)，硬約束

當(dāng)今世界，航空業(yè)在服務(wù)人類的生產(chǎn)生活、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但飛機(jī)的噪聲、顆粒物及二氧化碳排放也給全球帶來比較嚴(yán)重的污染。目前，航空業(yè)每年排放的二氧化碳超過9億噸，預(yù)計(jì)到2050年排放量還將增加三倍以上。除了二氧化碳，飛機(jī)排放的氮氧化物（NOx）、煙塵和水蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生的尾跡和卷云均對(duì)氣候產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。航空業(yè)污染已成為影響全球氣候變暖的直接因素之一。

為減緩消除航空業(yè)給大氣帶來的環(huán)境污染，早在2008年，歐洲就開啟了“凈潔天空”計(jì)劃，希望通過研發(fā)新技術(shù)，降低航空業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。經(jīng)過十余年的努力，歐洲已進(jìn)入開發(fā)創(chuàng)新型尖端技術(shù)階段，開始落實(shí)《航跡2050：歐洲的航空遠(yuǎn)景》中設(shè)定的環(huán)境目標(biāo)，即相較于2000年的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，2050年飛機(jī)二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放減少90%、噪聲級(jí)降低65%。這些目標(biāo)設(shè)定對(duì)航空技術(shù)發(fā)展帶來硬要求，將成為降低航空污染的必然選擇。未來航空業(yè)的技術(shù)和服務(wù)質(zhì)量注定會(huì)產(chǎn)生激烈的競爭以及劃時(shí)代的變革。

目前，全球航空業(yè)正在從基于通過提高燃油效率減少碳排放的漸進(jìn)式改革，向開發(fā)新的低碳推進(jìn)技術(shù)與新燃料的革命性變革方向轉(zhuǎn)變，主要變革目標(biāo)是從根本上解決低碳排放問題。其中，可持續(xù)航空燃料（SAF）、新型混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)、氫渦輪和氫燃料電池電動(dòng)技術(shù)，已成為最具代表性的顛覆性技術(shù)。

混合動(dòng)力支線飛機(jī)：減排50%

目前研發(fā)的混合動(dòng)力飛機(jī)定位在解決500千米范圍內(nèi)的支線航空運(yùn)輸需求，通過使用混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)來減少碳排放。這種飛機(jī)的研制將分為兩個(gè)階段，第一階段是在2025年前對(duì)混合動(dòng)力的不同部件開展研究，并確定最優(yōu)集成方式;第二階段是在2025～2030年完善和定型所選技術(shù)，進(jìn)入批量生產(chǎn)。

在減少溫室氣體排放的關(guān)鍵技術(shù)方面，目前為此種混合動(dòng)力飛機(jī)設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)有兩種架構(gòu)，即混合電力系統(tǒng)和渦輪電氣系統(tǒng)。其中，混合電力系統(tǒng)可在飛機(jī)不同飛行階段采取并行混合和系列混合兩種方式提供動(dòng)力。并行混合的推力主要由傳統(tǒng)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)提供主要推力，電動(dòng)機(jī)作為輔助系統(tǒng)提供額外動(dòng)力;系列混合則可通過插入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，并可在飛行階段將電力儲(chǔ)存在電池中或?yàn)殡妱?dòng)機(jī)和螺旋槳供電。而渦輪電氣架構(gòu)則是利用渦輪軸進(jìn)行發(fā)電，并為電動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。歐盟對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、電子推進(jìn)器及儲(chǔ)能系統(tǒng)等關(guān)鍵部件已提出至2035年的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在飛機(jī)集成使能技術(shù)方面，與傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)不同，這種混合動(dòng)力飛機(jī)需要對(duì)全新的推進(jìn)系統(tǒng)提出新的設(shè)計(jì)和方案。一是需對(duì)新系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和特性、氣動(dòng)韌性分析、飛行控制和飛行管理等系統(tǒng)進(jìn)行安全驗(yàn)證;二是需要開發(fā)一種新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和性能進(jìn)行預(yù)測，并可利用“數(shù)字孿生”等虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)飛機(jī)開展集成和驗(yàn)證工作;三是探索新的配置并擴(kuò)展其性能范圍。例如，嘗試將功率提升50～100倍、嘗試安裝多個(gè)螺旋槳、嘗試使用新的設(shè)計(jì)工具集等;四是重新設(shè)計(jì)機(jī)體，研究先進(jìn)的組裝和制造方案，以適應(yīng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的新功能，并有效控制成本;五是最大程度降低碳排放。

歐盟將組織對(duì)研制混合動(dòng)力支線飛機(jī)所需的技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和認(rèn)證需求進(jìn)行充分論證，在2030年前對(duì)具備50～70人載客能力的混合動(dòng)力飛機(jī)的有效載荷、航程、速度及操作性能進(jìn)行測試，在符合國際民航組織噪聲規(guī)定的前提下，實(shí)現(xiàn)減排50%的目標(biāo)。

超高效中短程飛機(jī)：

效率提升30%

目前，歐盟將充分利用現(xiàn)有技術(shù)為新型超高效中短程飛機(jī)研制提供支持。該型飛機(jī)將利用顛覆性機(jī)身技術(shù)和使用氫作為間接燃料的超高效推進(jìn)系統(tǒng)，將能源利用效率提升30%。該型飛機(jī)的研發(fā)將分為兩個(gè)階段：第一階段確定新型飛機(jī)概念和特征，建立數(shù)字飛機(jī)平臺(tái)對(duì)相關(guān)技術(shù)組合進(jìn)行評(píng)估;第二階段將驗(yàn)證和選定最佳候選技術(shù)，確定最終飛機(jī)設(shè)計(jì)概念，并對(duì)綜合飛機(jī)部件進(jìn)行測試，驗(yàn)證飛機(jī)在實(shí)際飛行過程中的關(guān)鍵技術(shù)性能。

為研制顛覆性超高效中短程飛機(jī)，歐盟將重點(diǎn)解決高效機(jī)身、超高效推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)與集成、綠色飛行運(yùn)行系統(tǒng)、綠色可持續(xù)生命周期技術(shù)四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在高效機(jī)身研制方面，歐盟將對(duì)新材料、系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)概念開展評(píng)估，將以X-Plane項(xiàng)目作為基礎(chǔ)，推進(jìn)高性能機(jī)翼的技術(shù)研發(fā)，并開展地面演示驗(yàn)證。

在超高效推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)與集成方面，熱推進(jìn)系統(tǒng)與零碳動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)合將成為新型中短程飛機(jī)的主要?jiǎng)恿A(chǔ)。新型動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將燃料消耗降低20%。為研制新型動(dòng)力系統(tǒng)，歐盟將研發(fā)更智能的引擎、簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用新的清潔排放技術(shù)。同時(shí)，歐盟將研究新型燃料在儲(chǔ)存、熱量管理、安全保護(hù)等方面的技術(shù)。

在綠色飛行運(yùn)行系統(tǒng)方面，歐盟將研究適用于綠色中短程飛機(jī)運(yùn)行的系統(tǒng)套件，減少飛機(jī)能耗和重量，進(jìn)一步優(yōu)化飛機(jī)能源管理系統(tǒng)，開發(fā)綠色輕巧的全集成機(jī)艙服務(wù)平臺(tái)，以降低飛行成本和能耗。

氫能飛機(jī)：實(shí)現(xiàn)之期尚遠(yuǎn)

氫燃料作為清潔燃料，可大幅降低航空飛行過程和整個(gè)生命周期中的碳排放水平，為環(huán)境持續(xù)凈化提供重要幫助。目前氫動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)尚不能滿足航空飛行的需求，還需要大量研究工作。

歐盟將從環(huán)境潛力評(píng)估、推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)、飛機(jī)整合及安全認(rèn)證四個(gè)方面推進(jìn)氫動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)探索。在環(huán)境潛力評(píng)估方面，由于氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)散發(fā)氮氧化合物，因此需要充分評(píng)估氫能飛機(jī)對(duì)環(huán)境的影響。

在推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)方面，氫燃料的儲(chǔ)存、分配和燃燒系統(tǒng)將成為開發(fā)氫能系統(tǒng)的關(guān)鍵。例如，為降低氮氧化合物的排放，需要設(shè)計(jì)開發(fā)高燃燒率的渦輪機(jī)。

在飛機(jī)整合方面，飛機(jī)的設(shè)計(jì)將向大體積方向邁進(jìn)，混合動(dòng)力布局或?qū)⒕哂幸欢▋?yōu)勢。

在安全認(rèn)證方面，氫燃料需要加壓儲(chǔ)存，以解決燃料蒸發(fā)問題，因此飛機(jī)結(jié)構(gòu)需進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證使用材料的兼容性。同時(shí)，需要重新開發(fā)安全認(rèn)證環(huán)節(jié)，以保障飛機(jī)的安全性。

技術(shù)創(chuàng)新利于經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇

毫無疑問，歐洲啟動(dòng)研發(fā)綠色航空技術(shù)將推進(jìn)航空技術(shù)進(jìn)步，引領(lǐng)全球航空業(yè)變革。當(dāng)前，民用航空技術(shù)正在向綠色、高效、低成本、智能化方向發(fā)展，而歐洲將“節(jié)能、減排”作為未來民用航空發(fā)展的主要目標(biāo)，利用“凈潔天空”計(jì)劃推進(jìn)具體技術(shù)項(xiàng)目。由此，未來民用航空領(lǐng)域大規(guī)模的資源將投入到環(huán)保飛機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)與開發(fā)，會(huì)直接帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與變革。

歐盟委員會(huì)已建議盡快部署綠色航空技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在歐洲綠色協(xié)議（EGD）中承諾的到2050年無溫室氣體排放的總目標(biāo)。同時(shí)，歐洲將在確保高度安全的基礎(chǔ)上，保持工業(yè)界的競爭力。例如，法國政府正在加速推動(dòng)綠色航空發(fā)展，已計(jì)劃研制一款2030年代初可投入使用的空客A320替代機(jī)，將采用涵道比20～25的超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)可降低30%的油耗。因此，在低碳目標(biāo)的牽引下，以電力和氫燃料為代表的綠色航空技術(shù)在一段時(shí)間內(nèi)將成為未來航空技術(shù)的發(fā)展方向，引發(fā)航空產(chǎn)業(yè)的一場變革。

其次，從歐盟已經(jīng)發(fā)布的顛覆性技術(shù)研發(fā)中，合作成為了一個(gè)關(guān)鍵詞。事實(shí)上，搶占未來航空技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，必須強(qiáng)化合作，以有效降低技術(shù)研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，加快變革進(jìn)程。航空產(chǎn)業(yè)具有投入高、風(fēng)險(xiǎn)高、周期長、技術(shù)門檻高等特點(diǎn)，單獨(dú)的國家或私營企業(yè)很難獨(dú)自承受巨額資金投入和技術(shù)研發(fā)失敗風(fēng)險(xiǎn)。因此，歐盟發(fā)起CEI活動(dòng)，以聯(lián)合多方進(jìn)行綠色顛覆性技術(shù)開發(fā)，有效降低技術(shù)創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)，大幅提升技術(shù)研發(fā)成功的可能性。

歐盟在地平線2020規(guī)劃中指出，其主導(dǎo)的凈潔天空伙伴關(guān)系不僅能幫助其擴(kuò)大在航空領(lǐng)域的影響力和競爭力，也成為其建立航空技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位、維系航空伙伴關(guān)系的重要抓手。此外，歐盟通過伙伴關(guān)系研發(fā)航空新技術(shù)，有利于推動(dòng)歐洲在電力和氫能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，搶占民航飛機(jī)新技術(shù)發(fā)展制高點(diǎn)，形成利益共同體，奪取未來制定航空領(lǐng)域規(guī)則的話語權(quán)。

第三，歐盟借推動(dòng)航空技術(shù)創(chuàng)新，加快促進(jìn)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的做法也值得學(xué)習(xí)和借鑒。2020年，新冠肺炎大流行對(duì)航空業(yè)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，極大影響了全球航空客貨運(yùn)市場，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，已威脅到航空從業(yè)者的工作和收入。地平線2020規(guī)劃、歐盟未來研究和創(chuàng)新2021～2027年框架計(jì)劃提出，歐洲未來將提供50億歐元支持民用航空研究與創(chuàng)新活動(dòng)，這可以大幅提高歐洲航空業(yè)質(zhì)量與效益，以推動(dòng)航空業(yè)加快復(fù)蘇。