航空業(yè)“脫碳”的創(chuàng)新之路

陳培儒

近年來，綠色航空與環(huán)保理念越來越受到航空業(yè)的關注。2021年新年伊始，歐洲航空業(yè)就發(fā)布了一項名為“目標2050”的新戰(zhàn)略，其中明確闡述了到2050年歐洲航空業(yè)實現(xiàn)凈零排放的途徑。

“目標2050”戰(zhàn)略是在《巴黎協(xié)定》和《歐洲綠色協(xié)議》基礎上制定的。根據(jù)該戰(zhàn)略，到2050年，歐盟、英國和歐洲自由貿(mào)易聯(lián)盟境內(nèi)以及從歐盟、英國和歐洲自由貿(mào)易聯(lián)盟離境的航班將全部實現(xiàn)二氧化碳凈零排放。為了實現(xiàn)這一雄心勃勃的目標，該戰(zhàn)略鼓勵各國繼續(xù)大量投資用于脫碳和創(chuàng)新的工作，并強調(diào)可以通過改進航空器氣動布局和發(fā)動機技術、使用可持續(xù)航空燃料、發(fā)展氫能源技術、改進空中交通管理和航空器運行等方法實現(xiàn)凈零排放的目標。為了實現(xiàn)這一目標，行業(yè)內(nèi)的科研機構(gòu)、企業(yè)和高校已經(jīng)開始了航空業(yè)零排放的探索。

推進技術顛覆性創(chuàng)新

百年來，航空發(fā)動機技術的進步是提高飛機燃油效率最重要的手段。尤其是近年來，隨著航空公司對飛機燃油效率要求的不斷提高，發(fā)動機制造商也在用盡方法提高燃油效率。但未來，要實現(xiàn)凈零排放的要求，對于發(fā)動機制造商來說，可行的推進技術就需要摒棄傳統(tǒng)的航空燃油驅(qū)動的方式，將研發(fā)方向轉(zhuǎn)至包括全電動、渦輪電推進、氫燃料發(fā)動機等方面。

其中，電推進技術是目前業(yè)內(nèi)關注度最高的不會在飛行中產(chǎn)生碳排放的替代方案。由電池、控制器和電機組成的驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)架具有高效、零污染、結(jié)構(gòu)簡單和易維護的優(yōu)勢，因此也是航空業(yè)實現(xiàn)零排放動力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。從2013年至今，全球有幾十個項目在不同國家和地區(qū)進行研發(fā)，其中空客E-Fan X項目取得了不少實質(zhì)性的進展。

E-Fan X項目中，空客選擇了由英國宇航公司（BAE）研制的一款曾暢銷一時的支線飛機BAE146/RJ100為飛行測試平臺，飛機上4臺LF507渦扇發(fā)動機中的一臺由功率為2兆瓦的電動機所取代。在這個項目中，羅羅對燃氣輪機、發(fā)電機、配電系統(tǒng)、電機和EPU混合電系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的研發(fā)和測試。盡管2020年由于受到疫情的影響，這一項目被叫停，但羅羅公司已明確表示，將繼續(xù)在挪威特隆赫姆工廠進行相關測試和集成工作。羅羅表示，繼續(xù)完成這項工作將有助于他們更全面地掌握相關技術及相應的知識產(chǎn)權，公司目前為E-Fan X所研發(fā)的混合電推進系統(tǒng)或?qū)⑦m用于其他混合電推進飛機。

此外，2020年歐盟還依托“歐洲地平線2020”計劃在布魯塞爾正式啟動混合電推進技術項目（IMOTHEP）。該項目獲得了1040萬歐元資助，旨在研究商用航空混合電推進技術，研究周期為4年。IMOTHEP將結(jié)合先進的飛機構(gòu)型設計和創(chuàng)新的推進系統(tǒng)架構(gòu)，對混合電推進飛機的電力系統(tǒng)技術進行深入研究，以充分發(fā)揮推進系統(tǒng)與飛機構(gòu)型之間的協(xié)同效應。該項目由法國航空航天研究中心牽頭開展，共有33個參與方，其中包括空客、賽峰、MTU、法國國立高等航空航天學院、鮑豪斯研究院、歐洲航行安全組織等。此外，歐洲航空安全局作為第三方也參與了項目研究。但就目前來看，無論是E-Fan X項目還是其他電動飛機項目，主要的難題還是電池技術，它制約了全電動飛機的尺寸和航程。

在氫燃料電池方面，2020年9月，由初創(chuàng)公司ZeroAvia研發(fā)的基于派珀M350飛機改裝的氫燃料電池飛機實現(xiàn)首飛。這架完全由氫燃料電池驅(qū)動的六座飛機從英國倫敦北部的克蘭菲爾德機場起飛，用零排放的氫燃料驅(qū)動完成了20分鐘的飛行，這是世界上首次氫燃料電池飛機的飛行。盡管這一飛行令人鼓舞，但與電動飛機的研制類似，目前只是將這種新燃料用在了小型通用飛機上，距離商用飛機的應用仍有很多問題需要解決。

例如，如何安全地存儲和運輸這些氫能源是一個較為棘手的難題。對此，波音曾公開表示，雖然氫能源具有獨特的應用前景，但是該技術的推廣仍面臨很多困難，主要的難題就是氫燃料的生產(chǎn)和儲存問題。

幾十年來，航空業(yè)已經(jīng)對渦輪、渦扇發(fā)動機所使用的航空煤油有了全面的認識，對安全存儲、運輸、使用這些傳統(tǒng)燃料積累了豐富的經(jīng)驗。但是，氫燃料與傳統(tǒng)燃料有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，波音認為，如何安全、有效地使用氫燃料，還需要政府監(jiān)管機構(gòu)、廠商等共同協(xié)作，實現(xiàn)管理措施、關鍵技術等方面的創(chuàng)新突破。

革命性的氣動布局

幾十年來，商用飛機的氣動布局一直未有革命性的變化，但是行業(yè)一直從未中斷過對革命性飛機氣動布局的預先研究。而如今，在實現(xiàn)凈零排放的創(chuàng)新之路上，革命性的氣動布局或?qū)l(fā)揮重要的作用。這主要是因為阻力的最小化設計也是實現(xiàn)零排放飛機的關鍵技術之一。在飛機氣動布局形式上，主要有分布式布局以及更具顛覆性的翼身融合布局等。

空客、賽峰和Daher公司三方合作，聯(lián)合研發(fā)了一款名為EcoPulse的分布式混合動力推進飛機演示樣機。根據(jù)計劃，賽峰將為這款飛機提供分布式混合動力推進系統(tǒng)，空客負責分布式推進系統(tǒng)空氣動力的優(yōu)化，Daher則利用TBM平臺進行部件和系統(tǒng)安裝、飛行測試和其他規(guī)范建設工作。根據(jù)計劃，EcoPulse項目的演示樣機將在2022年完成首飛。

此外，德國航空航天中心（DLR）也在進行分布式電推進支線飛機的設計方案。在設計方案中，沿機翼前緣分布的一系列小型螺旋槳將有助于飛機升力，從而減少機翼面積、減輕飛機質(zhì)量、降低阻力、減少所需的推進功率。

除了分布式的布局之外，翼身融合的布局也被業(yè)內(nèi)認為是一個極具潛力的可行性方案。2020年，空客發(fā)布了3款零排放的商用飛機概念方案，其中有一個方案就是采用翼身融合的布局，并用液態(tài)氫作為主要燃料。

根據(jù)空客的規(guī)劃，這款翼身融合布局的飛機最多可以搭載200名乘客，最大航程為6300公里，與現(xiàn)役的窄體客機相近。這款飛機采用2臺氫動力渦扇發(fā)動機，通過混合電力系統(tǒng)驅(qū)動機身后部上表面的8個風扇。液氫燃料箱設計在機翼下方。這種設計的優(yōu)點在于，超寬的機身為氫燃料的儲存和分配、機艙布局提供了多種選擇?？湛偷倪@一設計并不是空穴來風的。2017年以來，空客一直在潛心研制Maveric驗證機，探索新構(gòu)型飛機所具備的節(jié)能優(yōu)勢。Maveric驗證機已于2019年完成首飛，并在2020年新加坡航展上首次公開亮相。相信這款驗證機的研制經(jīng)驗將對空客零排放機型的研發(fā)提供有益借鑒。

可持續(xù)航空燃料

相比傳統(tǒng)的航空煤油，可持續(xù)航空燃料在其全生命周期內(nèi)可以減少至少80%的二氧化碳排放。相比電推進技術和氣動布局的革新，使用可持續(xù)航空燃料時，無須改裝發(fā)動機，并且還可以與傳統(tǒng)航空煤油混合使用。因此，航空運輸行動小組在2020年11月舉行的全球可持續(xù)航空論壇上表示，可持續(xù)航空燃料的使用是實現(xiàn)航空業(yè)脫碳的重要手段。

對此，波音表示高度贊同。波音認為，包括生物燃料在內(nèi)的可持續(xù)航空燃料是航空業(yè)實現(xiàn)國際民航組織（ICAO）碳減排目標的主要手段。為此，波音在今年1月表示，在2030年之前交付可使用100%可持續(xù)航空燃料的飛機，以實現(xiàn)航空業(yè)2050年的減排目標。

事實上，早在20世紀70年代，國外就開始了對航空生物燃料的研究，迄今為止已研制了兩代生物燃料。其中，第一代生物燃料以糧食作物（玉米、小麥和大豆等）為生產(chǎn)原料，但這種原料存在“與民奪食”的問題，且第一代生物燃料的性能無法達到航空燃油標準。

第二代生物燃料以麻瘋樹、亞麻薺、藻類和鹽生植物等作為主要原料，這些作物含油量高、對水和土壤等環(huán)境要求低，可在世界多個貧瘠地區(qū)大量種植。2010年，以國際民航組織為代表的機構(gòu)開始制定指導性文件，計劃到2040年全球航空生物燃料占航空燃料總量的50%。

此外，行業(yè)內(nèi)的很多企業(yè)還加大了對新能源研發(fā)的力度。例如，波音公司與UOP能源公司聯(lián)合，將含油作物或廢棄油料作為主要原料，采用“生物衍生合成石蠟烴煤油”方法生產(chǎn)生物燃料?？湛团c羅羅、道達爾能源公司合作，將海藻作為主要的生產(chǎn)原料，開發(fā)從木質(zhì)纖維、海藻中提取生物燃料的方法。

同時，相應的試飛工作也在逐步推進。英國維珍大西洋航空公司用1架A380客機進行了世界首次使用生物燃料的飛行試驗（按2：3的比例與傳統(tǒng)燃料混合）。德國漢莎航空公司開通了全球首條使用生物燃料的商用航線，在漢堡—法蘭克福航線上，1架A321客機的一臺發(fā)動機使用1：1混合燃料飛行了半年。波音1架787利用由廚余廢油提煉的生物燃料，實現(xiàn)了首次使用生物燃料的跨太平洋飛行。

已經(jīng)完成的大量試飛試驗表明，航空生物燃料可極大減少溫室氣體排放。國際民航組織通過對比加氫處理的生物燃料與傳統(tǒng)燃油，證實了生物燃料二氧化碳排放量可降低60%～98%，能量密度可提高1%～2%，而且不排放氮化物、芳族化合物、鹵素等污染物。

此外，為保證生物燃油不會損傷飛機的燃燒室、渦輪機和引擎燃料系統(tǒng)，航空公司又針對這些系統(tǒng)進行了專門檢查，未發(fā)現(xiàn)對飛機燃燒室產(chǎn)生影響，生物燃油質(zhì)量也未發(fā)生變化，并且對比傳統(tǒng)的航空煤油還減少了1%的燃料消耗。

當然，可持續(xù)航空燃料的大范圍使用也有問題亟待解決。其中最為棘手的是成本問題。當前，可持續(xù)航空燃料尚不具備廣泛應用的價格競爭力。此外，產(chǎn)量是另一個棘手的問題。如果要大量使用可持續(xù)燃料的話，那么生產(chǎn)商將面臨投資基礎設施、尋找可大量生產(chǎn)的低成本原料等問題。

從這個角度來看，航空凈零碳排放的實現(xiàn)，不僅需要企業(yè)的技術研發(fā)投入，更需要政府的資金和政策支持。目前，無論是歐洲還是美國，在技術研發(fā)的資金投入方面已經(jīng)出臺了不少政策。如法國政府專門劃撥了15億歐元用于氫能飛機的研制、德國政府則對國家氫能戰(zhàn)略投入了70億歐元。但資金支持只是一個方面，如何從政策層面引導更多相關的產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)融入航空凈零排放才是行業(yè)需要重點考慮的問題。