引领航空业变革的 颠覆性技术

张嘉毅

2020年8月26日，欧盟发起“征求表达意见和潜在成员”活动（CEI），以收集“净洁天空”的变革性概念，并着手联合相关国家和企业推进研发绿色颠覆性航空技术，旨在以节能、高效、环保引领未来全球航空技术发展与变革，大幅提升欧洲航空业的质量与效率。

硬指标，硬约束

当今世界，航空业在服务人类的生产生活、促进经济发展和社会进步方面发挥着越来越重要的作用，但飞机的噪声、颗粒物及二氧化碳排放也给全球带来比较严重的污染。目前，航空业每年排放的二氧化碳超过9亿吨，预计到2050年排放量还将增加三倍以上。除了二氧化碳，飞机排放的氮氧化物（NOx）、烟尘和水蒸气凝结产生的尾迹和卷云均对气候产生较大的负面影响。航空业污染已成为影响全球气候变暖的直接因素之一。

为减缓消除航空业给大气带来的环境污染，早在2008年，欧洲就开启了“净洁天空”计划，希望通过研发新技术，降低航空业对环境的影响。经过十余年的努力，欧洲已进入开发创新型尖端技术阶段，开始落实《航迹2050：欧洲的航空远景》中设定的环境目标，即相较于2000年的技术标准，2050年飞机二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放减少90%、噪声级降低65%。这些目标设定对航空技术发展带来硬要求，将成为降低航空污染的必然选择。未来航空业的技术和服务质量注定会产生激烈的竞争以及划时代的变革。

目前，全球航空业正在从基于通过提高燃油效率减少碳排放的渐进式改革，向开发新的低碳推进技术与新燃料的革命性变革方向转变，主要变革目标是从根本上解决低碳排放问题。其中，可持续航空燃料（SAF）、新型混合动力推进技术、氢涡轮和氢燃料电池电动技术，已成为最具代表性的颠覆性技术。

混合动力支线飞机：减排50%

目前研发的混合动力飞机定位在解决500千米范围内的支线航空运输需求，通过使用混合动力推进技术来减少碳排放。这种飞机的研制将分为两个阶段，第一阶段是在2025年前对混合动力的不同部件开展研究，并确定最优集成方式;第二阶段是在2025～2030年完善和定型所选技术，进入批量生产。

在减少温室气体排放的关键技术方面，目前为此种混合动力飞机设计的动力系统有两种架构，即混合电力系统和涡轮电气系统。其中，混合电力系统可在飞机不同飞行阶段采取并行混合和系列混合两种方式提供动力。并行混合的推力主要由传统的热力发动机提供主要推力，电动机作为辅助系统提供额外动力;系列混合则可通过插入涡轮发动机的发电机提供动力，并可在飞行阶段将电力储存在电池中或为电动机和螺旋桨供电。而涡轮电气架构则是利用涡轮轴进行发电，并为电动机的发动机提供动力。欧盟对涡轮发动机、电子推进器及储能系统等关键部件已提出至2035年的具体设计目标。

在飞机集成使能技术方面，与传统飞机设计不同，这种混合动力飞机需要对全新的推进系统提出新的设计和方案。一是需对新系统的空气动力学设计和特性、气动韧性分析、飞行控制和飞行管理等系统进行安全验证;二是需要开发一种新的设计系统，能对飞机设计参数和性能进行预测，并可利用“数字孪生”等虚拟设计技术对飞机开展集成和验证工作;三是探索新的配置并扩展其性能范围。例如，尝试将功率提升50～100倍、尝试安装多个螺旋桨、尝试使用新的设计工具集等;四是重新设计机体，研究先进的组装和制造方案，以适应混合动力系统的新功能，并有效控制成本;五是最大程度降低碳排放。

欧盟将组织对研制混合动力支线飞机所需的技术、基础设施和认证需求进行充分论证，在2030年前对具备50～70人载客能力的混合动力飞机的有效载荷、航程、速度及操作性能进行测试，在符合国际民航组织噪声规定的前提下，实现减排50%的目标。

超高效中短程飞机：

效率提升30%

目前，欧盟将充分利用现有技术为新型超高效中短程飞机研制提供支持。该型飞机将利用颠覆性机身技术和使用氢作为间接燃料的超高效推进系统，将能源利用效率提升30%。该型飞机的研发将分为两个阶段：第一阶段确定新型飞机概念和特征，建立数字飞机平台对相关技术组合进行评估;第二阶段将验证和选定最佳候选技术，确定最终飞机设计概念，并對综合飞机部件进行测试，验证飞机在实际飞行过程中的关键技术性能。

为研制颠覆性超高效中短程飞机，欧盟将重点解决高效机身、超高效推进系统开发与集成、绿色飞行运行系统、绿色可持续生命周期技术四项关键技术。

在高效机身研制方面，欧盟将对新材料、系统架构和设计概念开展评估，将以X-Plane项目作为基础，推进高性能机翼的技术研发，并开展地面演示验证。

在超高效推进系统开发与集成方面，热推进系统与零碳动力系统的结合将成为新型中短程飞机的主要动力基础。新型动力系统的设计目标是将燃料消耗降低20%。为研制新型动力系统，欧盟将研发更智能的引擎、简化系统设计及使用新的清洁排放技术。同时，欧盟将研究新型燃料在储存、热量管理、安全保护等方面的技术。

在绿色飞行运行系统方面，欧盟将研究适用于绿色中短程飞机运行的系统套件，减少飞机能耗和重量，进一步优化飞机能源管理系统，开发绿色轻巧的全集成机舱服务平台，以降低飞行成本和能耗。

氢能飞机：实现之期尚远

氢燃料作为清洁燃料，可大幅降低航空飞行过程和整个生命周期中的碳排放水平，为环境持续净化提供重要帮助。目前氢动力系统技术尚不能满足航空飞行的需求，还需要大量研究工作。

欧盟将从环境潜力评估、推进系统开发、飞机整合及安全认证四个方面推进氢动力系统应用的技术探索。在环境潜力评估方面，由于氢气燃烧产生的水蒸气会散发氮氧化合物，因此需要充分评估氢能飞机对环境的影响。

在推进系统开发方面，氢燃料的储存、分配和燃烧系统将成为开发氢能系统的关键。例如，为降低氮氧化合物的排放，需要设计开发高燃烧率的涡轮机。

在飞机整合方面，飞机的设计将向大体积方向迈进，混合动力布局或将具有一定优势。

在安全认证方面，氢燃料需要加压储存，以解决燃料蒸发问题，因此飞机结构需进行冗余设计，并验证使用材料的兼容性。同时，需要重新开发安全认证环节，以保障飞机的安全性。

技术创新利于经济复苏

毫无疑问，欧洲启动研发绿色航空技术将推进航空技术进步，引领全球航空业变革。当前，民用航空技术正在向绿色、高效、低成本、智能化方向发展，而欧洲将“节能、减排”作为未来民用航空发展的主要目标，利用“净洁天空”计划推进具体技术项目。由此，未来民用航空领域大规模的资源将投入到环保飞机的研发设计与开发，会直接带动相关技术的进步与变革。

欧盟委员会已建议尽快部署绿色航空技术，实现在欧洲绿色协议（EGD）中承诺的到2050年无温室气体排放的总目标。同时，欧洲将在确保高度安全的基础上，保持工业界的竞争力。例如，法国政府正在加速推动绿色航空发展，已计划研制一款2030年代初可投入使用的空客A320替代机，将采用涵道比20～25的超高涵道比涡扇发动机和机体-发动机一体化设计，预计可降低30%的油耗。因此，在低碳目标的牵引下，以电力和氢燃料为代表的绿色航空技术在一段时间内将成为未来航空技术的发展方向，引发航空产业的一场变革。

其次，从欧盟已经发布的颠覆性技术研发中，合作成为了一个关键词。事实上，抢占未来航空技术领先优势，必须强化合作，以有效降低技术研发风险，加快变革进程。航空产业具有投入高、风险高、周期长、技术门槛高等特点，单独的国家或私营企业很难独自承受巨额资金投入和技术研发失败风险。因此，欧盟发起CEI活动，以联合多方进行绿色颠覆性技术开发，有效降低技术创新风险，大幅提升技术研发成功的可能性。

欧盟在地平线2020规划中指出，其主导的净洁天空伙伴关系不僅能帮助其扩大在航空领域的影响力和竞争力，也成为其建立航空技术领导地位、维系航空伙伴关系的重要抓手。此外，欧盟通过伙伴关系研发航空新技术，有利于推动欧洲在电力和氢能源等产业的发展，抢占民航飞机新技术发展制高点，形成利益共同体，夺取未来制定航空领域规则的话语权。

第三，欧盟借推动航空技术创新，加快促进经济复苏的做法也值得学习和借鉴。2020年，新冠肺炎大流行对航空业带来严峻挑战，极大影响了全球航空客货运市场，造成巨大经济损失，已威胁到航空从业者的工作和收入。地平线2020规划、欧盟未来研究和创新2021～2027年框架计划提出，欧洲未来将提供50亿欧元支持民用航空研究与创新活动，这可以大幅提高欧洲航空业质量与效益，以推动航空业加快复苏。