雙碳背景下的綠色民機發(fā)展展望

吳光輝

（中國商用飛機有限責任公司，上海 200126）

引 言

習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”。當前碳排放大量集中在基礎設施建設等領域，形勢嚴峻，這對于發(fā)展新能源和可再生能源/優(yōu)先發(fā)展數(shù)字產業(yè)、高新科技產業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)，以及工業(yè)、交通、建筑等領域轉型升級、節(jié)約能源等方面提出了巨大的挑戰(zhàn)。

1 航空業(yè)對碳排放的影響

近年，隨著居民收入水平提高，消費升級，航空運輸占比持續(xù)提升。中國民航業(yè)實現(xiàn)了歷史性跨越發(fā)展，民航運輸規(guī)模已連續(xù)15 年穩(wěn)居世界第二位，逐年縮小與第一位的差距。根據(jù)中國商飛公司預測，中國民航將于2040 年左右進入高峰期，全球機隊規(guī)模將達45397 架，其中中國機隊規(guī)模預計為9084 架，屆時中國將成為全球最大的單一航空市場。我國作為航空運輸大國，正在向航空運輸強國踏步前行，航空運輸對碳排放的影響也在逐步擴大。

航空能源消耗以航空煤油為主。2019 年，據(jù)統(tǒng)計全球商業(yè)航空運輸二氧化碳排放量約為9.18 億噸，較2013 年增長了29%，占全球交通運輸業(yè)碳排放的10%，占全球二氧化碳碳排放比重約2%。中國全民航碳排量約1.16 億噸，其中航空公司占全民航能耗的96%。

航空排放對環(huán)境污染不容忽視，因其高空排放的特殊性而受到關注。航空業(yè)對全球變暖的“全部”貢獻不僅僅在于二氧化碳排放量。飛機發(fā)動機每燃燒1 kg 燃油排放3.15 kg 的CO2，這種CO2在高層大氣中停留近百年。其次，航空器在飛行過程中會排放氮氧化物、水蒸氣和煙塵等，這也會對環(huán)境造成污染。

2 中國民機研制踐行綠色發(fā)展觀

“碳達峰碳中和”作為黨中央做出的重大戰(zhàn)略決策，對航空產業(yè)加快實現(xiàn)低碳轉型和綠色發(fā)展提出了更高要求。中國民機研制應聚焦碳達峰碳中和主賽道，覆蓋綠色全理念，力爭實現(xiàn)綠色商用飛機的建設目標。

2.1 支線飛機綠色實踐

在支線飛機研制中，應持續(xù)推進減重優(yōu)化、減阻優(yōu)化和降噪優(yōu)化等專項研究。在減重優(yōu)化中，應著重考慮EWIS 減重優(yōu)化，座椅、地板減重優(yōu)化及液壓管路減重優(yōu)化等，如圖1 所示。在減阻優(yōu)化中，可考慮在起落架艙門密封、襟翼展向間隙密封及垂尾VOR 天線安裝角調整等方面，開展專項研究。在降噪優(yōu)化中，如圖2 所示，利用在駕駛艙、貨艙后補區(qū)域及后盥洗室等加裝消聲器，實現(xiàn)飛機液壓系統(tǒng)元件EDP（發(fā)動機驅動泵）管路降噪優(yōu)化。通過以上措施，可實現(xiàn)駕駛艙區(qū)域、客艙區(qū)域平均噪聲降低3 dB（A），噪聲最大位置降低9 dB（A）。

2.2 大飛機綠色實踐

在中國民機研制歷程中，大飛機首次提出了“三減（減重、減阻、減排）”理念，將環(huán)保理念貫穿了飛機研制全過程。相比同類先進飛機，目標是實現(xiàn)減重2%，減阻5%，減排50%。在總體氣動設計方面，采取新一代超臨界機翼、新型鯊鰭小翼、雙曲面承載風擋機頭和低阻后體為標志的氣動布局設計。機翼是我國自主設計研制的首個機翼，經(jīng)試驗驗證綜合性能良好，利用加裝鯊鰭小翼，實現(xiàn)巡航馬赫數(shù)下機翼阻力系數(shù)降低2%。在機體結構材料方面，先進材料首次在國產民機大規(guī)模應用，特別第三代鋁鋰合金材料、先進復合材料用量分別達到8.8%和12%。選用先進發(fā)動機LEAP?1C，如圖3 所示，該一體化推進系統(tǒng)的發(fā)動機和短艙高度集成，有效減輕了結構重量，改善了發(fā)動機外涵道特性，降低了氣動阻力，具有更好的經(jīng)濟性能。氮氧化物排放比ICAO CEAP6 標準低50%，二氧化碳CO2排放比現(xiàn)役飛機低12%。在噪聲方面，整機外場噪聲在滿足ICAO第四階段噪聲要求基礎上，累積裕度不低于10EPNdB。

將環(huán)保理念貫穿飛機研制全過程。如圖4 所示，在飛機內飾和結構選用環(huán)保水基涂料，大大降低有機揮發(fā)物含量（VOC），縮短周期，降低成本。機身蒙皮由傳統(tǒng)的化學銑改為先進鏡像銑工藝，減少化學腐蝕劑污染，增強飛機蒙皮的疲勞性能。

2.3 遠程寬體客機綠色實踐

遠程寬體客機在設計之初就將“低油耗、低噪聲、低排放“作為設計指標，作為先進飛機的重要指標之一，復合材料使用率達到51%，如圖5 所示。

先進氣動技術方面，采用新一代超臨界機翼和變彎度機翼設計，顯著提升氣動效率，降低氣動噪聲。選取具有高可靠性、低噪音、低排放的高涵道比低噪音渦扇發(fā)動機，有層流短艙，油耗更低特點，其基本型與同類機型相比，座公里COC 節(jié)省約10%，同時考慮使用生物燃料技術，保持綠色環(huán)保。

3 未來綠色民機技術展望

綠色可持續(xù)成為民機產品發(fā)展新驅動，國外企業(yè)已經(jīng)開展相應綠色減排等技術研究，但我國尚處于探索階段，建議從民機產品全生命周期、全產業(yè)鏈協(xié)同的角度，全面構建綠色飛機技術系列研究，識別、編制相關先進技術圖譜，分階段開展探索研究、為后續(xù)產品研發(fā)技術決策提供參考。

平臺端，加快先進布局飛機（例如翼身融合布局、桁架支撐翼等新構型）研究。加快層流減阻技術、新一代超臨界機翼等新技術研究。加快先進的復合材料、金屬材料和綠色環(huán)保材料的研究。

機載系統(tǒng)端，加快先進系統(tǒng)設計研究。例如提前布局電推進系統(tǒng)，降低碳排放，提高飛機可靠性安全性。提前布局多電、全電飛機關鍵技術研究，改善飛機發(fā)動機性能、簡化飛機系統(tǒng)結構，以實現(xiàn)節(jié)能減排。

能源端，推進能源清潔低碳轉型，加快可持續(xù)航空燃料的研究和發(fā)展。飛機及發(fā)動機本身無需做任何改動的基礎上，采取可持續(xù)航空燃料SAF，能將全生命周期二氧化碳凈排放降低80%，是極為有效的減排手段。中國商飛與波音公司共同創(chuàng)建了航空節(jié)能減排技術中心，第一個研究項目就是識別溝油中的污染物，確定處理、清潔地溝油以使其轉化為航空燃油的相關流程。建議可考慮建立我國自己的航空生物燃料使用標準，加強政策引導，鼓勵飛機主制造商和各航空公司使用SAF，加快在航空業(yè)工業(yè)化的推廣。

4 相關建議

“雙碳”背景下的航空減碳民機發(fā)展，關鍵是以民機產品為核心的全生命周期考量，圍繞民機產品的研發(fā)、生產制造、運營等，需要統(tǒng)籌考慮、系統(tǒng)規(guī)劃涵蓋高效運營、先進技術、綠色研制、綠色回收等環(huán)節(jié)。

一是在頂層規(guī)劃方面，應緊扣國家頂層“雙碳”目標，結合國際航空行業(yè)的航空減排約束，評估我國航空碳減排總體需求，提出國產民機綠色發(fā)展的頂層要求，通過自上而下和自下而上的迭代，形成具體的目標和指標作牽引。

二是在運營領域方面，提升飛機運營管理水平，比如雙發(fā)飛機采取單發(fā)滑行，可以減少地面油耗、碳排，減少有害氣體排放。又比如實施四維航跡控制，實現(xiàn)飛行全過程定時、定點控制，實現(xiàn)地面空管自動化系統(tǒng)與飛機飛行管理系統(tǒng)的實時信息交互。還可以優(yōu)化空域及航線，采取新技術如高度分成、減少間隔時間、減少等待時間與飛行時間等措施，采取優(yōu)化跑道及滑行道、停機坪/登機口等配置，共同營造“民航+綠色低碳”生態(tài)圈。

三是在飛行技術方面，加快能源的多元化布局。推動鋰電池及其他先進電池的替代應用。提前布局氫能飛機基礎研發(fā)和關鍵技術的攻關，占領技術高地。據(jù)國際趨勢預判，氫能源飛機預計2050 年、電動飛機預計2035 年后可小規(guī)模在短途客運和通用航空中實現(xiàn)商用。

四是做好老機型翻新及綠色回收。飛機壽命往往是20?30 年，一旦過了前10 年飛機使用黃金期，飛機維修成本和燃油消耗等會增加，部分飛機會被提前退役。而退役后的飛機放置在室外降解，往往會對土壤、地下水等自然資源造成不可逆轉的環(huán)境污染，影響當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。