航空业“脱碳”的创新之路

陈培儒

近年来，绿色航空与环保理念越来越受到航空业的关注。2021年新年伊始，欧洲航空业就发布了一项名为“目標2050”的新战略，其中明确阐述了到2050年欧洲航空业实现净零排放的途径。

“目标2050”战略是在《巴黎协定》和《欧洲绿色协议》基础上制定的。根据该战略，到2050年，欧盟、英国和欧洲自由贸易联盟境内以及从欧盟、英国和欧洲自由贸易联盟离境的航班将全部实现二氧化碳净零排放。为了实现这一雄心勃勃的目标，该战略鼓励各国继续大量投资用于脱碳和创新的工作，并强调可以通过改进航空器气动布局和发动机技术、使用可持续航空燃料、发展氢能源技术、改进空中交通管理和航空器运行等方法实现净零排放的目标。为了实现这一目标，行业内的科研机构、企业和高校已经开始了航空业零排放的探索。

推进技术颠覆性创新

百年来，航空发动机技术的进步是提高飞机燃油效率最重要的手段。尤其是近年来，随着航空公司对飞机燃油效率要求的不断提高，发动机制造商也在用尽方法提高燃油效率。但未来，要实现净零排放的要求，对于发动机制造商来说，可行的推进技术就需要摒弃传统的航空燃油驱动的方式，将研发方向转至包括全电动、涡轮电推进、氢燃料发动机等方面。

其中，电推进技术是目前业内关注度最高的不会在飞行中产生碳排放的替代方案。由电池、控制器和电机组成的驱动系统构架具有高效、零污染、结构简单和易维护的优势，因此也是航空业实现零排放动力系统的重要发展方向之一。从2013年至今，全球有几十个项目在不同国家和地区进行研发，其中空客E-Fan X项目取得了不少实质性的进展。

E-Fan X项目中，空客选择了由英国宇航公司（BAE）研制的一款曾畅销一时的支线飞机BAE146/RJ100为飞行测试平台，飞机上4台LF507涡扇发动机中的一台由功率为2兆瓦的电动机所取代。在这个项目中，罗罗对燃气轮机、发电机、配电系统、电机和EPU混合电系统进行了系统的研发和测试。尽管2020年由于受到疫情的影响，这一项目被叫停，但罗罗公司已明确表示，将继续在挪威特隆赫姆工厂进行相关测试和集成工作。罗罗表示，继续完成这项工作将有助于他们更全面地掌握相关技术及相应的知识产权，公司目前为E-Fan X所研发的混合电推进系统或将适用于其他混合电推进飞机。

此外，2020年欧盟还依托“欧洲地平线2020”计划在布鲁塞尔正式启动混合电推进技术项目（IMOTHEP）。该项目获得了1040万欧元资助，旨在研究商用航空混合电推进技术，研究周期为4年。IMOTHEP将结合先进的飞机构型设计和创新的推进系统架构，对混合电推进飞机的电力系统技术进行深入研究，以充分发挥推进系统与飞机构型之间的协同效应。该项目由法国航空航天研究中心牵头开展，共有33个参与方，其中包括空客、赛峰、MTU、法国国立高等航空航天学院、鲍豪斯研究院、欧洲航行安全组织等。此外，欧洲航空安全局作为第三方也参与了项目研究。但就目前来看，无论是E-Fan X项目还是其他电动飞机项目，主要的难题还是电池技术，它制约了全电动飞机的尺寸和航程。

在氢燃料电池方面，2020年9月，由初创公司ZeroAvia研发的基于派珀M350飞机改装的氢燃料电池飞机实现首飞。这架完全由氢燃料电池驱动的六座飞机从英国伦敦北部的克兰菲尔德机场起飞，用零排放的氢燃料驱动完成了20分钟的飞行，这是世界上首次氢燃料电池飞机的飞行。尽管这一飞行令人鼓舞，但与电动飞机的研制类似，目前只是将这种新燃料用在了小型通用飞机上，距离商用飞机的应用仍有很多问题需要解决。

例如，如何安全地存储和运输这些氢能源是一个较为棘手的难题。对此，波音曾公开表示，虽然氢能源具有独特的应用前景，但是该技术的推广仍面临很多困难，主要的难题就是氢燃料的生产和储存问题。

几十年来，航空业已经对涡轮、涡扇发动机所使用的航空煤油有了全面的认识，对安全存储、运输、使用这些传统燃料积累了丰富的经验。但是，氢燃料与传统燃料有着本质的区别。因此，波音认为，如何安全、有效地使用氢燃料，还需要政府监管机构、厂商等共同协作，实现管理措施、关键技术等方面的创新突破。

革命性的气动布局

几十年来，商用飞机的气动布局一直未有革命性的变化，但是行业一直从未中断过对革命性飞机气动布局的预先研究。而如今，在实现净零排放的创新之路上，革命性的气动布局或将发挥重要的作用。这主要是因为阻力的最小化设计也是实现零排放飞机的关键技术之一。在飞机气动布局形式上，主要有分布式布局以及更具颠覆性的翼身融合布局等。

空客、赛峰和Daher公司三方合作，联合研发了一款名为EcoPulse的分布式混合动力推进飞机演示样机。根据计划，赛峰将为这款飞机提供分布式混合动力推进系统，空客负责分布式推进系统空气动力的优化，Daher则利用TBM平台进行部件和系统安装、飞行测试和其他规范建设工作。根据计划，EcoPulse项目的演示样机将在2022年完成首飞。

此外，德国航空航天中心（DLR）也在进行分布式电推进支线飞机的设计方案。在设计方案中，沿机翼前缘分布的一系列小型螺旋桨将有助于飞机升力，从而减少机翼面积、减轻飞机质量、降低阻力、减少所需的推进功率。

除了分布式的布局之外，翼身融合的布局也被业内认为是一个极具潜力的可行性方案。2020年，空客发布了3款零排放的商用飞机概念方案，其中有一个方案就是采用翼身融合的布局，并用液态氢作为主要燃料。

根据空客的规划，这款翼身融合布局的飞机最多可以搭载200名乘客，最大航程为6300公里，与现役的窄体客机相近。这款飞机采用2台氢动力涡扇发动机，通过混合电力系统驱动机身后部上表面的8个风扇。液氢燃料箱设计在机翼下方。这种设计的优点在于，超宽的机身为氢燃料的储存和分配、机舱布局提供了多种选择。空客的这一设计并不是空穴来风的。2017年以来，空客一直在潜心研制Maveric验证机，探索新构型飞机所具备的节能优势。Maveric验证机已于2019年完成首飞，并在2020年新加坡航展上首次公开亮相。相信这款验证机的研制经验将对空客零排放机型的研发提供有益借鉴。

可持续航空燃料

相比传统的航空煤油，可持续航空燃料在其全生命周期内可以减少至少80%的二氧化碳排放。相比电推进技术和气动布局的革新，使用可持续航空燃料时，无须改装发动机，并且还可以与传统航空煤油混合使用。因此，航空运输行动小组在2020年11月举行的全球可持续航空论坛上表示，可持续航空燃料的使用是实现航空业脱碳的重要手段。

对此，波音表示高度赞同。波音认为，包括生物燃料在内的可持续航空燃料是航空业实现国际民航组织（ICAO）碳减排目标的主要手段。为此，波音在今年1月表示，在2030年之前交付可使用100%可持续航空燃料的飞机，以实现航空业2050年的减排目标。

事实上，早在20世纪70年代，国外就开始了对航空生物燃料的研究，迄今为止已研制了两代生物燃料。其中，第一代生物燃料以粮食作物（玉米、小麦和大豆等）为生产原料，但这种原料存在“与民夺食”的问题，且第一代生物燃料的性能无法达到航空燃油标准。

第二代生物燃料以麻疯树、亚麻荠、藻类和盐生植物等作为主要原料，这些作物含油量高、对水和土壤等环境要求低，可在世界多个贫瘠地区大量种植。2010年，以国际民航组织为代表的机构开始制定指导性文件，计划到2040年全球航空生物燃料占航空燃料总量的50%。

此外，行业内的很多企业还加大了对新能源研发的力度。例如，波音公司与UOP能源公司联合，将含油作物或废弃油料作为主要原料，采用“生物衍生合成石蜡烃煤油”方法生产生物燃料。空客与罗罗、道达尔能源公司合作，将海藻作为主要的生产原料，开发从木质纤维、海藻中提取生物燃料的方法。

同时，相应的试飞工作也在逐步推进。英国维珍大西洋航空公司用1架A380客机进行了世界首次使用生物燃料的飞行试验（按2：3的比例与传统燃料混合）。德国汉莎航空公司开通了全球首条使用生物燃料的商用航线，在汉堡—法兰克福航线上，1架A321客机的一台发动机使用1：1混合燃料飞行了半年。波音1架787利用由厨余废油提炼的生物燃料，实现了首次使用生物燃料的跨太平洋飞行。

已经完成的大量试飞试验表明，航空生物燃料可极大减少温室气体排放。国际民航组织通过对比加氢处理的生物燃料与传统燃油，证实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、卤素等污染物。

此外，为保证生物燃油不会损伤飞机的燃烧室、涡轮机和引擎燃料系统，航空公司又针对这些系统进行了专门检查，未发现对飞机燃烧室产生影响，生物燃油质量也未发生变化，并且对比传统的航空煤油还减少了1%的燃料消耗。

当然，可持续航空燃料的大范围使用也有问题亟待解决。其中最为棘手的是成本问题。当前，可持续航空燃料尚不具备广泛应用的价格竞争力。此外，產量是另一个棘手的问题。如果要大量使用可持续燃料的话，那么生产商将面临投资基础设施、寻找可大量生产的低成本原料等问题。

从这个角度来看，航空净零碳排放的实现，不仅需要企业的技术研发投入，更需要政府的资金和政策支持。目前，无论是欧洲还是美国，在技术研发的资金投入方面已经出台了不少政策。如法国政府专门划拨了15亿欧元用于氢能飞机的研制、德国政府则对国家氢能战略投入了70亿欧元。但资金支持只是一个方面，如何从政策层面引导更多相关的产业链企业融入航空净零排放才是行业需要重点考虑的问题。