“零排放”飞机技术

沈臻懿

近年来，我们常常会发现天气情况反常，极端气象灾害频发。面对异常气候，全球较以往更为关注环保的重要性。碳排放、碳中和、碳达峰等词汇，早已为大家所熟知。面对《巴黎协定》各国为应对全球气候变化作出的“全球平均气温升幅控制在1.5℃以下”的承诺，航空业也在制定相应的减排目标。2021年10月举行的第77届国际航空运输协会（IATA）年会上，IATA各成员航司一致同意，全球航空运输业到2050年实现净零碳排放。

据IATA预计，至2050年全球民航运输需求将达到每年100亿人次。如航空业仍像今天这般飞行，至2050年，其将排放212亿吨左右的二氧化碳。要完成净零碳排放的目标，无疑是一项极为艰巨的任务。若仅仅依赖航司配置更先进飞机、更新机队，或者植树抵消等方式，几乎无法实现。根据IATA判断，若要在未来坐上“零排放”飞机出行，就需要在净零碳排放方面实现多种方案多管齐下。这其中，可持续燃料技术、零碳能源技术、新飞机技术等新科技手段引人关注。

不同于现代汽车业飞速向新能源靠攏的趋势，航空业在替代能源的寻找方面显然难度更大。就当前的电池能量密度来说，即使是在全球范围内最大的民航客机——空客A380机舱中装满电池，其飞行距离依旧有限。因此，在“零排放”飞机成为航空业的绝对主力之前，全球多家飞机制造商也在积极研发各项新飞机技术来降低飞机油耗，并减少化石燃料的消耗。

飞机机翼的改进，能够让航空公司节省5%左右的燃料，并减少氮氧化物排放和飞机噪声。通过主翼和小前翼等混合机翼的全新机身设计，可以大大挖掘新的推进技术的潜力。随着混合机翼的介入，可利用整架飞机来产生升力，从而节省大量航油。与半个世纪前相比，现代客机机队的整体燃油效率，整整提高了八成：诸如齿轮传统涡扇发动机的设计持续优化，将在未来的20年间进一步将燃油效率提升15%至25%。

此外，有研发团队还提出了混合电力的概念。若将其与混合机翼等新机身技术结合应用，最多可减少40%的二氧化碳排量。在此基础上，全电动飞机也是新飞机技术研发的新方向。尽管全电动飞机在横跨太平洋等长途飞行中可能“力不从心”，但其具备完全消除二氧化碳排放的特点，使其在短途飞行中有着明显的技术优势。挪威就制定了一项目标，至2040年，实现其国内和短途航班的电力驱动。

说起“地沟油”，想必大部分人立马想到的就是其棕黑酸臭、流向餐桌的“恶名”。但“地沟油”一旦“喂入”飞机，就会变废为宝。2021年，有超过50家航空公司和能源企业发布联合声明，将在2030年使用可持续航空燃油（SAF）来替代10%的航空用油。

普通的航空煤油，都是从石油中提炼出来的。但SAF的来源，主要取自于回收的食物用油和动植物废油脂，也就是俗称的“地沟油”。与航空煤油相比，由“地沟油”变身的生物航煤可以降低80%的碳排量，且依然能够保证飞机在飞行过程中的充足动力。加注了生物航煤（生物航空煤油）的客机即使达到万米以上的飞行高度，仍然可以极为平稳与良好地运行。同时，这一新型生物航煤还具有可持续性、可再生性特点，有着显著的环保优势。SAF的原料不会导致森林退化，亦不会与水供应或粮食作物相竞争。

面对棕黑酸臭的“地沟油”，首先需要运用专业的吸附剂将其中的食物残渣、菜叶等杂质去除，再运用分子筛、无机硅藻土等，去掉“地沟油”中的胶质。此时，原本棕黑色的“地沟油”已较为清澈，但酸臭味仍然残留。这就需要通过酯化反应，让“地沟油”成为较为纯净的甘油酯后，再通过酯交换反应，使甘油酯变成甲酯。最后，经过蒸馏并加入适量稳定剂，就可得到合格的生物柴油。但这一生物柴油并不能直接用作航空燃油。一方面，生物柴油和航空燃油在诸多物理化学性质上还存在差异;另一方面，为了提升防冰性和抗爆性，航空燃油中需要加入各种添加剂。为此，还需要在高温条件下，对生物柴油进行加氢、裂化等处理，形成以碳氢为主，且不含氧的生物航煤。

值得一提的是，大规模使用生物航煤的设想还为时尚早。就近阶段而言，生物航煤大多和标准航空煤油混合使用。大规模推广生物航煤的最大阻力，实为产量和成本问题。据统计，SAF的价格是传统航空煤油的2.5至3倍。一旦大规模使用生物航煤，机票价格亦将随之上扬。但随着降低成本新技术的不断研发，“地沟油”将成为航天业不可或缺的香饽饽。

为了实现从减少碳排放量，到完全“零排放”的升级，航空运输业将其目光投向了氢能的利用。近期，全球飞机制造巨头空中客车公布了全球首款民用“零排放”飞机（ZEROe）的三种概念机型，并计划于2035年正式投产使用。这三种“零排放”概念飞机都依赖于氢能作为动力来源。高能量密度的特性，使得氢能够在同等重量下，产生极高的能量，故而被誉为“为航空业而生的能源”。然而，氢气在单位体积下密度极低，故唯有经过低温液化后方可被搭载于飞机上使用。即便如此，储氢罐的体积仍会大于化石燃料储罐，且零下253℃的存储条件，要求具备更大的燃料储罐和对飞机燃料系统进行根本性改变的技术更新。不过，空中客车方面相信，氢能作为一种清洁的航空燃料有着理想的运用前景，有可能成为航空业实现气候中性目标的解决方案。

空中客车目标在2035年量产的这三种“零排放”概念飞机，有两种基于传统外观的飞机概念。第一种概念机为“涡轮风扇喷气概念机”。根据设计，这一“零排放”飞机的载客人数在120—200名，最大航程超过2000海里（约合3700公里）。这就使得“涡轮风扇喷气概念机”具有了跨越大陆间飞行的能力。相较于当前的民航客机，“涡轮风扇喷气概念机”使用改进的燃气涡轮风扇发动机来提供动力。该发动机“喝氢”不“喝油”，作为燃料的液氢通过位于后部压力隔板后侧的储罐进行存储和分配。氢在燃烧后能推动飞行，并实现净零碳排放。

第二种概念机则为“涡轮螺旋桨概念机”。与“涡轮风扇喷气概念机”定位不同的是，“涡轮螺旋桨概念机”主打短途飞行。其利用螺旋桨发动机来替代涡轮风扇发动机，并通过改进的飞机燃料系统技术用氢能提供动力。“涡轮螺旋桨概念机”的设计载客人数为100名，可持续飞行1000海里（约合1850公里）以上，可谓短途航行的不二选择。

有别于“涡轮风扇喷气概念机”和“涡轮螺旋桨概念机”，空中客车设计的第三种“零排放”概念飞机，从外观上就更具未来玄幻色彩。该机型称之为“混合翼体概念机”，飞机机翼与机身主体进行了合并，超宽机身不仅可以为舱室格局和氢能的存储、分配提供更为多元化的选择，其设计搭载乘客的人数更可达到200名，并拥有2000海里（约合3700公里）的续航飞行里程。为了应对“零排放”飞机技术问世带来的全新挑战，机场还需要配置和更新大量的氢能运输和加氢设备来满足未来运营的需要。

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com