美國(guó)下一代可持續(xù)航空技術(shù)研發(fā)計(jì)劃概述

■ 王翔宇 / 中國(guó)航發(fā)研究院

持續(xù)降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計(jì)劃是美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）為順應(yīng)全球氣候變化目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展所做出的最重要的努力。該計(jì)劃的核心在于研發(fā)能夠降低能耗、排放和噪聲的下一代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，并使其能夠盡快集成到當(dāng)前和未來的機(jī)隊(duì)上。

美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）于2021年9月公布了持續(xù)降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計(jì)劃第三階段的主要合作伙伴和初步實(shí)施方案。作為FAA應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)和降低航空業(yè)對(duì)環(huán)境負(fù)面影響總體戰(zhàn)略的關(guān)鍵部分，CLEEN計(jì)劃從2010年開始啟動(dòng)，以5年為周期分步實(shí)施，通過美國(guó)政府、飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、航空公司和燃料供應(yīng)商的緊密協(xié)作，旨在開發(fā)消耗更少燃料、產(chǎn)生更少排放和具有更低噪聲的下一代航空技術(shù)，從而支撐航空業(yè)朝著高效、清潔和安靜的方向?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，盡可能地消除環(huán)境保護(hù)對(duì)未來航空業(yè)增長(zhǎng)的限制。

CLEEN計(jì)劃第一階段和第二階段

CLEEN計(jì)劃第一階段于2010—2015年實(shí)施，根據(jù)FAA與波音公司、GE公司、霍尼韋爾公司、普惠公司、羅羅公司簽署的合作協(xié)議，這5家公司自籌的配套資金不少于FAA的撥款，使總的投資金額超過了2.5億美元。在第一階段CLEEN計(jì)劃取得理想預(yù)期的基礎(chǔ)上，2015年后FAA又新增了極光飛行科學(xué)公司（Aurora）、美國(guó)菲尼克斯公司/達(dá)美航空技術(shù)公司/MDS涂層公司和柯林斯宇航公司作為合作伙伴，并為CLEEN計(jì)劃第二階段提供了1億美元的經(jīng)費(fèi)支持，事實(shí)上10年的時(shí)間里工業(yè)界已經(jīng)為CLEEN計(jì)劃共計(jì)投入了3.88億美元的資金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了FAA 的2.25億美元的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，為了獲取更高的研發(fā)收益，CLEEN計(jì)劃下的研究項(xiàng)目普遍具有相對(duì)較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，通過與FAA分擔(dān)開發(fā)成本，航空業(yè)愿意接受這種風(fēng)險(xiǎn)并能夠更好更快地促進(jìn)這些技術(shù)的成熟應(yīng)用。

CLEEN計(jì)劃第一階段飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目

D8雙氣泡飛機(jī)總體布局概念圖

CLEEN計(jì)劃第二階段飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目

第二代雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒系統(tǒng)概念圖

經(jīng)歷了CLEEN計(jì)劃的前兩個(gè)階段，越來越多的針對(duì)能耗、排放和噪聲的先進(jìn)航空技術(shù)開始出現(xiàn)在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中。如GE公司獨(dú)特的貧油燃燒系統(tǒng)——雙環(huán)預(yù)混合旋流（TAPS）在CLEEN計(jì)劃第一階段實(shí)現(xiàn)了性能大幅升級(jí)，由此產(chǎn)生的第二代TAPS燃燒室已經(jīng)在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍應(yīng)用，受到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。CLEEN計(jì)劃第二階段GE公司進(jìn)一步開發(fā)了第三代TAPS燃燒室并應(yīng)用于GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)，氮氧化物排放量有望較航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（CAEP）的標(biāo)準(zhǔn)低30%。同期，GE公司還借助CLEEN計(jì)劃開發(fā)了飛行管理系統(tǒng)（FMS），實(shí)現(xiàn)了多種飛行任務(wù)的自動(dòng)化處理，在綜合考慮交通管制、氣候變化、飛機(jī)性能和飛行時(shí)間等因素的基礎(chǔ)上優(yōu)化飛機(jī)控制系統(tǒng)的操作指令，更好地引導(dǎo)飛機(jī)按照批準(zhǔn)的飛行計(jì)劃飛行，預(yù)期能夠降低2.5%左右的燃料消耗，未來可能會(huì)降低到3.5%以上。

航空業(yè)還以CLEEN計(jì)劃為契機(jī)開發(fā)了具有普適應(yīng)用潛力的分析工具，這些工具正在改進(jìn)提升目前生產(chǎn)制造的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和制造方法得以完善，在降低能耗、排放和噪聲方面取得的收益甚至超過了某些單獨(dú)技術(shù)的突破。普惠公司在CLEEN計(jì)劃第一階段風(fēng)扇開發(fā)工作中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已被其用來校核改進(jìn)第二代齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)；GE公司、霍尼韋爾公司和羅羅公司進(jìn)行的低排放燃燒研究，不僅減少了在該計(jì)劃支持下特定燃燒系統(tǒng)項(xiàng)目的污染排放，還大大增強(qiáng)了每個(gè)公司為低排放目標(biāo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化未來所有發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的能力；柯林斯宇航公司在突破低阻力聲學(xué)風(fēng)扇涵道技術(shù)的同時(shí)，針對(duì)全新的聲學(xué)結(jié)構(gòu)形成了低阻力噪聲表面和材料性能的數(shù)據(jù)庫，可用于后續(xù)超高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙設(shè)計(jì)。

雙層壁渦輪葉型

葉片前緣保護(hù)涂層防護(hù)效果對(duì)比圖

此外，過去的10年里，CLEEN計(jì)劃對(duì)未來可持續(xù)航空燃料（SAF）的相容性、燃燒性能和加入可持續(xù)航空燃料后發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的操作變化進(jìn)行了大量的評(píng)估和測(cè)試，在其規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與適航認(rèn)證方面發(fā)揮了重要作用。2011年，霍尼韋爾公司順利完成了加氫處理酯和脂肪酸（HEFA）燃料的測(cè)試工作，隨后該燃料被添加到ASTM國(guó)際燃料規(guī)范中，與常規(guī)航空煤油的混合比例達(dá)到了50%。兩年后，波音公司評(píng)估了HEFA對(duì)燃油系統(tǒng)密封件的影響，進(jìn)一步了解了其關(guān)鍵燃油特性，普惠公司同期也對(duì)不少于5種的替代燃料方案進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，截至2021年4月，已有7種替代燃料得以批準(zhǔn)。CLEEN計(jì)劃第二階段開始對(duì)全合成燃料的可行性進(jìn)行探索，GE公司的測(cè)試數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示2018年批準(zhǔn)使用的酒精噴射合成石蠟煤油（ATJ-SPK）可以達(dá)到更高的混合水平，同時(shí)還支持對(duì)過去的可持續(xù)航空燃料適航認(rèn)證進(jìn)行簡(jiǎn)化。羅羅公司也在進(jìn)行一系列燃燒系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試，確保合成燃料不會(huì)對(duì)目前的發(fā)動(dòng)機(jī)安全性、耐久性和使用性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

CLEEN計(jì)劃第三階段

在CLEEN計(jì)劃第三階段，F(xiàn)AA和6個(gè)行業(yè)合作伙伴仍將以過去兩個(gè)階段的成果為基礎(chǔ)，圍繞降低能耗、排放和噪聲展開下一步的工作。從公開的報(bào)道來看， GE公司將以開式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力系統(tǒng)、先進(jìn)低排放燃燒和熱管理系統(tǒng)為主要技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域；普惠公司將開發(fā)超靜音發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和先進(jìn)的燃燒系統(tǒng)以減少噪聲和排放；波音公司側(cè)重于機(jī)翼、起落架和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道降噪技術(shù)的攻關(guān)，并開發(fā)飛行控制算法使飛機(jī)能夠更安靜地飛行、自主選擇更省油的航線；霍尼韋爾公司將針對(duì)更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、燃燒系統(tǒng)、壓氣機(jī)和渦輪開展研究；柯林斯宇航公司旗下的勒爾（Rohr）公司將利用最新的聲學(xué)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管進(jìn)行設(shè)計(jì)；達(dá)美航空技術(shù)公司、吉?jiǎng)P恩（GKN）公司、MDS涂層公司以及菲尼克斯公司繼續(xù)聯(lián)合開發(fā)耐腐蝕的風(fēng)扇葉片涂層，降低發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的燃油消耗。此外，F(xiàn)AA還正在尋求與羅羅公司和賽峰集團(tuán)達(dá)成合作協(xié)議。

CLEEN計(jì)劃第三階段飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目

靜音高升力機(jī)翼系統(tǒng)

除了上述飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目外，CLEEN計(jì)劃第三階段將繼續(xù)開展新的可持續(xù)航空燃料的測(cè)試與鑒定相關(guān)工作，以期盡快使其突破50%的混合比例限制并實(shí)現(xiàn)對(duì)航空煤油的100%替代。波音公司將擴(kuò)大可持續(xù)航空燃料方案的篩選范圍，在通過燃料兼容性的地面評(píng)估和飛行演示來支撐可持續(xù)航空燃料的適航認(rèn)證，其測(cè)試數(shù)據(jù)也可為ASTM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的編制提供依據(jù)。GE公司重點(diǎn)對(duì)具有獨(dú)特化學(xué)組分的新可持續(xù)航空燃料進(jìn)行分析鑒定，特別是目前備受關(guān)注的高環(huán)烷烴類燃料，若能夠達(dá)到與常規(guī)航空煤油相近的密封膨脹性能指標(biāo)，那么困擾多時(shí)的石蠟類替代燃料50%摻混體積上限問題將迎刃而解。

CLEEN計(jì)劃不同階段的發(fā)展目標(biāo)

長(zhǎng)期以來，CLEEN計(jì)劃的目標(biāo)始終與飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證所要滿足的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)密切關(guān)聯(lián)，顯然隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，在很多標(biāo)準(zhǔn)越發(fā)嚴(yán)格的同時(shí)也有一些額外的指標(biāo)開始出現(xiàn)。雖然CLEEN計(jì)劃第一階段和第二階段減排參照的是2000年在役的飛機(jī)，不過CLEEN計(jì)劃第三階段目標(biāo)變?yōu)橄鄬?duì)CAEP于2017年通過的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)再降低20%，氮氧化物排放相當(dāng)于國(guó)際民航組織（ICAO）適航要求上限的70%，新增的顆粒物排放目標(biāo)也要低于ICAO標(biāo)準(zhǔn)，較FAA第五階段噪聲標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)累計(jì)降噪25dB的同時(shí)還要進(jìn)一步減少社區(qū)噪聲（Community Noise）暴露。FAA預(yù)期CLEEN計(jì)劃第三階段布局的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可在2031年后投入市場(chǎng)應(yīng)用，而與前兩個(gè)階段完全立足于常規(guī)亞聲速飛行不同的是，現(xiàn)在FAA似乎對(duì)民用超聲速飛行起飛/著陸階段降噪以及巡航階段降低氮氧化物排放技術(shù)的突破充滿了期待。

CLEEN計(jì)劃發(fā)展特點(diǎn)和展望

霍尼韋爾公司正在研發(fā)的高效綠色核心機(jī)

回顧過去10多年CLEEN計(jì)劃的發(fā)展歷程，延續(xù)和穩(wěn)健是其一路走來的兩個(gè)核心特點(diǎn)。無論是已有較好基礎(chǔ)的老方案、還是成熟度較低的新構(gòu)思，無論是涉及到整機(jī)架構(gòu)的巨大改動(dòng)、還是針對(duì)某個(gè)部件子系統(tǒng)的局部升級(jí)，CLEEN計(jì)劃對(duì)未來航空技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了全面廣泛的布局，而這種布局一旦確定則隨之有相對(duì)穩(wěn)定的研究團(tuán)隊(duì)和持續(xù)的資金投入，從而可以循序漸進(jìn)地開展工作，以5年為周期的各個(gè)研究階段之間存在較好的銜接性，如TAPS和抗沖擊抗腐蝕葉片涂層就是兩個(gè)非常明顯的例子。這些技術(shù)之間也存在一定的獨(dú)立性，當(dāng)某種技術(shù)達(dá)到某一階段的成熟度預(yù)期后可投入實(shí)際應(yīng)用，后續(xù)可視情對(duì)其進(jìn)一步迭代升級(jí)。

一個(gè)不得不承認(rèn)的事實(shí)是，在綠色低碳、清潔高效的發(fā)展主題下，整個(gè)航空業(yè)似乎變得越來越激進(jìn)，特別是歐洲的一些航空業(yè)遠(yuǎn)景白皮書更是敘事宏大，最快在2030年后才能得到應(yīng)用的氫動(dòng)力和電動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為規(guī)劃論述的主體，同時(shí)涉及的內(nèi)容已經(jīng)從單純的工程技術(shù)問題擴(kuò)展到政策法規(guī)和空域管理等方方面面。相比之下，以CLEEN計(jì)劃為代表的美國(guó)航空環(huán)境戰(zhàn)略依舊步步為營(yíng)，以傳統(tǒng)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)革新為基本出發(fā)點(diǎn)，在對(duì)未來30年進(jìn)行展望的同時(shí)將重心更多放在了短期目標(biāo)的達(dá)成上?？梢哉f大西洋兩岸“仰望星空”和“腳踏實(shí)地”構(gòu)成了助推未來航空技術(shù)發(fā)展的決定性力量，不過這兩股力量到底如何匯聚與融合可能還有很大的不確定性。

目前，CLEEN計(jì)劃取得的成果主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：更加先進(jìn)、更低排放的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)已經(jīng)開始投入實(shí)際應(yīng)用；用來制造機(jī)翼的材料正在變得更加堅(jiān)固、更加輕盈；全新的飛行管理系統(tǒng)算法使得飛機(jī)能夠自主選擇更省油的航線；幾種可部分替代傳統(tǒng)航空煤油的可持續(xù)航空燃料通過了適航認(rèn)證（當(dāng)然這一點(diǎn)只能部分歸功于CLEEN計(jì)劃）。據(jù)FAA預(yù)計(jì)，CLEEN計(jì)劃第一階段和第二階的工作到2030年能夠?yàn)槿烂窈綑C(jī)隊(duì)降低2%和2.5%的燃料消耗，而到2050年二者對(duì)應(yīng)的二氧化碳減排量有望達(dá)到3.7%和7.9%，合計(jì)約為4.24億t。換言之，未來30年的時(shí)間僅CLEEN計(jì)劃的前兩個(gè)階段就將為航空公司節(jié)省累計(jì)約923.64億L、價(jià)值超過728億美元的燃料，并減少了相當(dāng)于305萬輛汽車上路所產(chǎn)生的二氧化碳排放，考慮到從2031年開始CLEEN計(jì)劃第三階段的技術(shù)將引入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，由此帶來的進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)保收益值得期待。

結(jié)束語

為達(dá)成2050年實(shí)現(xiàn)航空業(yè)凈零碳排放的宏偉目標(biāo)，F(xiàn)AA正在借助CLEEN計(jì)劃的實(shí)施全面推進(jìn)能夠降低能耗、排放和噪聲的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)以及可持續(xù)航空燃料的研發(fā)。CLEEN計(jì)劃的前兩個(gè)階段顯示出了巨大的成功，一些成熟的技術(shù)已經(jīng)開始集成到當(dāng)前機(jī)隊(duì)中，工業(yè)界預(yù)計(jì)隨著下一代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)的出現(xiàn)以及CLEEN計(jì)劃第三階段任務(wù)的展開，更多的技術(shù)將在未來幾年內(nèi)投入市場(chǎng)使用，此外從這些技術(shù)研發(fā)中形成的分析和設(shè)計(jì)工具也帶來了設(shè)計(jì)規(guī)范和制造方法的升級(jí)改進(jìn)，全生命周期各個(gè)階段的航空產(chǎn)品均會(huì)因此受益。