歐盟清潔航空計(jì)劃分析

清潔航空（Clean Aviation）是歐盟重要的研究和創(chuàng)新計(jì)劃，旨在推進(jìn)航空業(yè)脫碳技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)歐洲的可持續(xù)發(fā)展并最終于2050年實(shí)現(xiàn)航空業(yè)的氣候中和。

為應(yīng)對(duì)氣候變化，2019年12月歐盟發(fā)布了《歐洲綠色 協(xié) 議》（European Green Deal），提出了歐洲到2050年實(shí)現(xiàn)氣候中和的目標(biāo)。2021年6月，歐洲理事會(huì)又發(fā)布了《歐洲氣候法》（European Climate Law），使其成為具有約束力的政治義務(wù)。歐洲航空業(yè)積極響應(yīng)歐盟的倡議，致力于建立一個(gè)氣候中和的航空系統(tǒng)，清潔航空（Clean Aviation）計(jì)劃在此背景下得以提出。

清潔航空計(jì)劃概述

清潔航空是歐盟清潔天空2（Clean Sky 2）的后續(xù)計(jì)劃，于2021年啟動(dòng)至2031年12月31日結(jié)束，重點(diǎn)研發(fā)混合電推進(jìn)支線飛機(jī)、超高效中短程飛機(jī)、氫動(dòng)力飛機(jī)。該計(jì)劃中不同類別的演示驗(yàn)證飛機(jī)的目標(biāo)性能水平見(jiàn)表1。

表1 清潔航空計(jì)劃演示驗(yàn)證飛機(jī)的目標(biāo)性能水平

清潔航空計(jì)劃在公私合作伙伴關(guān)系（PPP）下運(yùn)行，總投資額達(dá)41億歐元，其中歐盟通過(guò)“歐洲地平線”計(jì)劃撥款17億歐元，歐洲航空行業(yè)提供24億歐元。同時(shí)，若計(jì)入英國(guó)及其他相關(guān)國(guó)家的撥款，總投資額將達(dá)45億歐元。考慮到建立氣候中和的航空系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了私營(yíng)企業(yè)的技術(shù)和投資能力，同時(shí)歐洲也沒(méi)有一個(gè)國(guó)家具備單獨(dú)實(shí)施轉(zhuǎn)型的財(cái)政、技術(shù)和工業(yè)能力，因此清潔航空計(jì)劃整合了歐洲航空業(yè)利益相關(guān)方和所需資源，并充分降低轉(zhuǎn)型研究和創(chuàng)新的行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，在符合歐盟政策優(yōu)先事項(xiàng)的前提下開(kāi)展創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)。

清潔航空計(jì)劃項(xiàng)目設(shè)置

2023年1月，第一批項(xiàng)目撥款協(xié)議已簽署并正式啟動(dòng)實(shí)施，歐盟資助總額為6.54億歐元，共計(jì)20個(gè)項(xiàng)目，由來(lái)自24國(guó)的244家單位聯(lián)合承擔(dān)研究工作，詳見(jiàn)表2。其中，圍繞混合動(dòng)力支線飛機(jī)、超高效中短程飛機(jī)和氫動(dòng)力飛機(jī)3個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的16個(gè)項(xiàng)目中有8個(gè)為動(dòng)力項(xiàng)目，凸顯了動(dòng)力技術(shù)創(chuàng)新對(duì)于碳減排目標(biāo)的重要性?；旌蟿?dòng)力支線飛機(jī)領(lǐng)域涉及兆瓦級(jí)混合電推進(jìn)、熱管理、電力配送、機(jī)翼設(shè)計(jì)等主題，超高效中短程飛機(jī)領(lǐng)域涉及動(dòng)力、機(jī)翼、飛機(jī)集成等主題，氫動(dòng)力飛機(jī)領(lǐng)域涉及氫渦輪動(dòng)力、兆瓦級(jí)氫燃料電池、機(jī)載儲(chǔ)氫等主題。

表2 清潔航空計(jì)劃第一批項(xiàng)目

第二輪提案征集于2023年2月10日發(fā)布，將于5月11日結(jié)束，仍主要圍繞混合動(dòng)力支線飛機(jī)、超高效中短程飛機(jī)和氫動(dòng)力飛機(jī)3個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，資金總額將超過(guò)3.5億歐元。在歐盟資助的1.37億歐元中，3200萬(wàn)歐元用于混合動(dòng)力支線飛機(jī)領(lǐng)域，將解決機(jī)身和尾翼設(shè)計(jì)以及開(kāi)放數(shù)字平臺(tái)等問(wèn)題；4000萬(wàn)歐元用于中短程飛機(jī)領(lǐng)域，研究超高效推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)翼技術(shù)和飛行演示，機(jī)翼設(shè)計(jì)工作將聚焦空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，包括槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)集成解決方案；6500萬(wàn)歐元將用于氫動(dòng)力飛機(jī)領(lǐng)域，包括氫燃料電池動(dòng)力、直接燃燒的燃料分配和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，目標(biāo)包括燃料系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和飛行試驗(yàn)演示組件的最終確定；75萬(wàn)歐元用于對(duì)歐盟航空研究及創(chuàng)新的影響監(jiān)測(cè)。

清潔航空的主要研發(fā)領(lǐng)域及內(nèi)容

混合動(dòng)力支線飛機(jī)

清潔航空計(jì)劃將推動(dòng)對(duì)混合動(dòng)力架構(gòu)及其集成的研究和創(chuàng)新，提升演示驗(yàn)證支線飛機(jī)構(gòu)型、機(jī)載能源概念和飛行控制相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的成熟度。

1000km以內(nèi)的支線航空在空中交通領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，支線飛機(jī)目前為世界上38%的城市對(duì)提供服務(wù)，約占起降總數(shù)的40%，飛行時(shí)間總數(shù)的36%。盡管目前支線飛機(jī)業(yè)務(wù)在整個(gè)航空業(yè)的碳排放占比較小，但支線和通勤飛機(jī)可以作為新的低排放或零排放技術(shù)的應(yīng)用起點(diǎn)，亦可作為其他領(lǐng)域的試驗(yàn)臺(tái)。

為了確定最有效的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，清潔航空計(jì)劃將在權(quán)衡中評(píng)估不同的動(dòng)力飛機(jī)構(gòu)型（即渦輪電力推進(jìn)、并聯(lián)/串聯(lián)混合電推進(jìn)），探索不同功率水平的混合動(dòng)力和不同的一次能源，包括作為混合動(dòng)力（或純電）配置一部分的熱機(jī)或氫燃料電池的選項(xiàng)。同時(shí)，還將尋求能夠縮短上市時(shí)間和降低成本的技術(shù)和解決方案。為了實(shí)現(xiàn)潛在的市場(chǎng)應(yīng)用，需要解決的關(guān)鍵補(bǔ)充問(wèn)題是制定法規(guī)和新的基礎(chǔ)設(shè)施，以支持此類顛覆性飛機(jī)構(gòu)型。

清潔航空計(jì)劃混合動(dòng)力支線飛機(jī)概念

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，評(píng)估全生命周期產(chǎn)品性能的指標(biāo)可能會(huì)發(fā)生根本性變化，引入以前從未考慮過(guò)的新參數(shù)?；旌蟿?dòng)力支線平臺(tái)的集成活動(dòng)將涉及幾個(gè)相互依賴的研究領(lǐng)域：在第一階段，將梯次研究構(gòu)建模塊和不同的集成選項(xiàng)，以了解它們的潛力和集成前景，從而確定最有前景的架構(gòu)；第二階段，將前一階段的技術(shù)進(jìn)一步成熟為能供演示驗(yàn)證機(jī)選擇的技術(shù)，并提供適合集成的最終解決方案，同時(shí)還將成熟一些尚未為演示驗(yàn)證機(jī)做好準(zhǔn)備但對(duì)2030年的實(shí)際飛機(jī)集成很有價(jià)值的技術(shù)。最終的演示驗(yàn)證機(jī)是一架集成了2035年可用技術(shù)的支線飛機(jī)，包括技術(shù)、集成、基礎(chǔ)設(shè)施和認(rèn)證方面的產(chǎn)品可行解決方案，該飛機(jī)將包括混合動(dòng)力系統(tǒng)，使用100%可持續(xù)航空燃料（SAF）或氫燃料，以降低90%排放，同時(shí)完全符合國(guó)際民航組織（ICAO）的噪聲規(guī)則。

超高效中短程飛機(jī)

清潔航空計(jì)劃將創(chuàng)新飛機(jī)架構(gòu)、利用高度飛發(fā)集成、研發(fā)超高效推進(jìn)系統(tǒng)并大幅提升燃油效率，以滿足中短程（4000km 以內(nèi)）飛機(jī)的需求。

飛機(jī)概念的研究和技術(shù)路線圖以演示驗(yàn)證機(jī)為基礎(chǔ)，涉及設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)下一代氣候中和型飛機(jī)的所有關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)的綠色、生態(tài)高效、經(jīng)濟(jì)可行和具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品提供一個(gè)全面的飛機(jī)套件解決方案。路線圖還包括一個(gè)用于演示和驗(yàn)證氫燃料的選項(xiàng)，前提是清潔航空計(jì)劃中氫能相關(guān)技術(shù)取得足夠的技術(shù)成熟度。

開(kāi)發(fā)、成熟和演示驗(yàn)證超高效中短程飛機(jī)的路線圖由兩個(gè)階段組成。第一階段旨在選擇、成熟并鑒定最優(yōu)技術(shù)，以充分發(fā)揮潛力并集成到超低排放單通道、中短程飛機(jī)中。以頂層飛機(jī)需求的明確規(guī)范為基礎(chǔ)，這些需求為候選技術(shù)和概念界定了“技術(shù)工作空間”的邊界。該階段將通過(guò)選擇最佳構(gòu)型，最終確定目標(biāo)演示驗(yàn)證飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)特征。上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將基于整體多學(xué)科數(shù)值模擬、關(guān)鍵部件、材料和工藝、技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，以及相關(guān)的綜合地面試驗(yàn)，如高雷諾數(shù)（飛行條件）風(fēng)洞試驗(yàn)、功能臺(tái)架試驗(yàn)（包括虛擬試驗(yàn)），以及全尺寸子部件集成試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。第一階段將建立一個(gè)數(shù)字飛機(jī)平臺(tái)，并通過(guò)一個(gè)補(bǔ)充的技術(shù)驗(yàn)證飛機(jī)平臺(tái)，來(lái)評(píng)估任務(wù)和機(jī)隊(duì)級(jí)別目標(biāo)概念飛機(jī)的最佳組合。第二階段將側(cè)重于驗(yàn)證和整合選定的最佳候選技術(shù)，以形成單一飛機(jī)概念，關(guān)鍵要素將是大規(guī)模集成飛機(jī)部件試驗(yàn)，以及大型飛行演示驗(yàn)證平臺(tái)，以驗(yàn)證目標(biāo)飛機(jī)在實(shí)際運(yùn)行條件下的關(guān)鍵技術(shù)性能。

氫動(dòng)力飛機(jī)

氫燃料用于航空動(dòng)力有兩種基本途徑：一是通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)，包括燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，使用氫燃料替代現(xiàn)用的航空煤油來(lái)形成新的動(dòng)力系統(tǒng)；二是通過(guò)氫燃料電池發(fā)電，由電機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)器產(chǎn)生動(dòng)力。

在該領(lǐng)域中，有些要素仍然處于非常低的技術(shù)成熟度水平，需要進(jìn)行大量的開(kāi)發(fā)、成熟和演示，以便為集成到未來(lái)的飛機(jī)做好準(zhǔn)備。氣態(tài)氫的體積能量密度過(guò)低，因此對(duì)于大型商業(yè)航空運(yùn)輸，必須采用液氫，但其液化和儲(chǔ)存（需保持-253℃以下的溫度）帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，由此產(chǎn)生的對(duì)儲(chǔ)罐、燃料/分配系統(tǒng)、加氫以及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可靠性和安全性的影響是主要的研發(fā)困難。除了開(kāi)發(fā)必要的機(jī)載技術(shù)之外，氫的可用性、分配和必要的基礎(chǔ)設(shè)施以及可再生能源生產(chǎn)，將是這一方法取得全面成功的關(guān)鍵。

清潔航空計(jì)劃將成熟并展示所有相關(guān)系統(tǒng)：機(jī)載液氫儲(chǔ)存、燃料分配系統(tǒng)、氫燃料電池動(dòng)力、氫渦輪動(dòng)力，以便集成到未來(lái)的飛機(jī)中，包括選擇和驗(yàn)證最合適的概念、材料和設(shè)計(jì)，以提供所需的性能、壽命、成本和安全性。除此之外，將這些系統(tǒng)集成到飛機(jī)平臺(tái)中還需要深入在操作、維修和認(rèn)證等方面開(kāi)展研究。該領(lǐng)域成果在新飛機(jī)上的應(yīng)用將取決于不同飛機(jī)類別的性能要求、技術(shù)能力和成熟度以及可實(shí)現(xiàn)的性能增益。

在未來(lái)10年內(nèi)，通過(guò)將氫燃料電池應(yīng)用于混合電推進(jìn)通勤或小型支線飛機(jī)，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)早期部署。在此基礎(chǔ)上，中短程飛機(jī)將受益于儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)架構(gòu)，以開(kāi)發(fā)氫渦輪動(dòng)力，并為遠(yuǎn)期更大型飛機(jī)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。清潔航空計(jì)劃將為氫能飛機(jī)的動(dòng)力架構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

結(jié)束語(yǔ)

航空業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，清潔航空計(jì)劃展現(xiàn)了歐洲航空業(yè)在面向2035年投入使用的支線飛機(jī)和中短程飛機(jī)的技術(shù)發(fā)展思路：一方面積極探索電能、氫能、SAF等低碳/零碳能源的應(yīng)用，該方面的重大突破有望塑造歐洲航空業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位；另一方面將持續(xù)提升傳統(tǒng)燃料的燃油效率（提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和飛發(fā)集成度等）以降低排放。