航空业奔向“零碳”的技术创新

齐汀

近年来，绿色航空的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“目标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。

这一战略目标的发布，打响了航空业奔向净零碳排放技术创新的“第一枪”。此后，尽管疫情对行业的影响仍在发酵，但为了实现净零碳排放的目标，无论是飞机制造商、发动机制造商还是机载设备等一级供应商等都在积极合作，围绕电动飞机、混合电推进飞机和eVTOL等项目，积极推进技术创新。

“大红大紫”的垂直起降项目

2011年，意大利知名直升机制造商阿古斯塔·韦斯特兰公司发布了一款名为“零点项目”的原型机，垂直起降航空器（eVTOL）概念首次以实际产品的形式被提出。至此之后，垂直起降航空器项目在航空业受到了越来越多企业的关注。根据非营利组织国际垂直飞行协会（VFS）的统计，截至2022年1月，全球在研的eVTOL项目数量已经达到了600多种，涉及全球近350家企业。

从过去几年eVTOL项目研发的历程来看，总体可以分为3个阶段。第一阶段由美国国家航空航天局（NASA）引领，在这个阶段，行业基本实现了对eVTOL技术的可行性认同;第二阶段主要由Uber公司所主导，基本实现了航空业对eVTOL项目的商业价值认同;第三阶段是目前诸多企业正在探索的产品认同，这其中不仅涉及技术，更涉及商业应用。如何获得适航当局的认可，并实现持续的安全运营并实现盈利，对于研发企业来说是一项极具挑战性的工作。

波音近年来一直在持续投资城市空中交通（UAM）项目。2017年，公司专门成立了名为Horizon X的风险投资部门。同年，波音收购了极光飞行科学公司，并在2018年年中又成立了未来移动出行商业孵化器部门Boeing NeXt。2019年，波音又与Kitty Hawk合作组建专注于UAM领域的合资公司Wisk Aero。此后，由于受到737MAX事件和新冠肺炎疫情的影响，波音先后关闭了Boeing NeXt部门，并剥离了Horizon X及其旗下40多家不同初创公司的股权。但考虑到eVTOL项目未来的市场潜力，波音在2022年1月又向Wisk Aero追加了4.5亿美元投资，以支持其研发第六代自主电动垂直起降飞行器。波音之所以对Wisk Aero公司情有独钟，一个很重要的原因就是，与其他初创公司不同，Wisk Aero从一开始就着手研发自主驾驶飞行器。公司认为，自主驾驶技术有助于实现eVTOL飞行器的大规模运营，这将是一项具有竞争力的差异化技术，也是行业内公认的扩大服务规模和提高安全性的关键。截至目前，Wisk Aero公司研发的eVTOL项目已经完成了1500多次无人驾驶飞行试验。

支线飞机制造商巴航工业在与巴西飞机共享服务的领军企业Avantto共同探索如何在拉丁美洲建立城市空中交通生态系统。巴航工业目前正在研发一款名为Eve的eVTOL项目。根据巴航工业的规划，这款飞机将采用颠覆性技术，引领大众化飞行进入新阶段。2021年，围绕这一项目，巴航工业与巴西国家民航局正式确定了适航审定流程，这是双方在商讨该机型适航取证工作方面迈出的重要一步。

中国同样也是eVTOL项目发展的热土，其中以上海沃兰特航空技术公司为代表的高科技初创公司值得一提。尽管该公司是一家新成立不久的企业，但公司目前已经完成了1：3缩比样机的研发，并顺利完成了旋翼试飞、固定翼试飞等工作，展现了企业扎实的技术功底。更令人感到欣喜的是，与国外适航机构一样，中国民航局也已经开始指导国内相关企业围绕eVTOL项目进行适航准备工作。2022年，中国民航局在调研沃兰特公司时表示，希望企业在进行机型研发的同时，确定审定基础，结合产品的新颖设计特征，深入研究相关标准，为后续审定工作做好准备;同时明确技术路线，加强技术路线和管理路线规划，根据设计成熟度要求推进项目研制。

革命性气动布局

几十年来，商用飞机的气动布局一直未有革命性的变化，但是行业从未中断过对飞机革命性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方案设计。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提高飞机升力，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。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。這款飞机采用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。

环保验证机持续推进

波音环保验证机项目启动至今已近10年，如今该项目对于波音来说不仅是新技术的试验台，同时也是波音致力于绿色发展的象征。对此，波音相关负责人曾对媒体表示，尽管近两年来国际航空运输市场环境和波音自身都面临着巨大的压力，但环保验证机项目团队的工作从未停止。

2021年，波音与阿拉斯加航空合作的环保验证机项目是公司的第八代环保验证机项目，同时也是首个使用737MAX机型进行的验证项目。该验证机已于2021年6月完成首飞，计划进行20项技术的测试，这也是波音环保验证机项目持续时间最长的一次。根据《航空周刊》的报道，在这架验证机计划完成的20项验证测试中，有5项试验值得关注。

一是测试一种可以显著降低对臭氧层影响的新型飞机灭火剂——三氟碘甲烷（CF3I），用于替代已经停产的哈龙（Halon）1301产品。目前，全球监管机构已经禁止哈龙公司灭火剂的生产，国际民航组织明确了2024年为哈龙公司灭火剂的最后使用期限。为此，在此次的环保验证机项目中，波音正与美吉特（Meggitt）公司合作为未来飞机可应用CF3I进行相关测试。

二是与美国国家海洋和大气管理局合作测量大气中的温室气体水平，以支持该机构的气候建模和长期预测活动。环保验证机测试侧重于最佳空气采用策略，以最大限度地降低设备安装成本和对飞机运行的影响，同时最大可能地提高测量质量。

三是评估降低现有发动机噪声，并探索在新一代发动机上使用短舱降噪衬层的可能性。波音对阿拉斯加航空这架737MAX飞机的右侧发动机短舱进行了改装，在反推装置上采用了先进降噪衬层和其他处理方法，这些改进将帮助应对新一代超大涵道比发动机和紧凑型短舱的不同噪声足迹。在验证飞行中，这架飞机将在蒙大拿州比较复杂的地形上进行飞行，以测试噪声情况，评估这种新设计对降低噪声的贡献。

四是在所有新测试技术中，波音的研发人员还计划将碳纤维废料转化为客舱内饰侧板。波音计划回收777X机翼生产中的碳纤维复合材料，用于制造客舱侧壁。这种耐用、轻质的材料将可以降低油耗和客舱排放，并支持波音可持续制造的目标。在制造和测试并行的同时，飞机测试将以面板的声学特性为中心。尽管波音已将所有碳纤维回收，但这次试飞将标志着回收材料首次进入飞机供应链。

五是测试可持续燃料的使用情况。2018年波音在联邦快递的一架777F环保验证机上创造了民用飞机首次使用100%可持续燃料飞行纪录。在今年的环保验证机项目上，波音将测试掺混了可持续航空燃料的化石燃油在飞机上的使用情况。测试所使用的可持续燃料是World Energy公司通过农业垃圾和废物提炼出来的。混合燃料中的可持续燃料可以降低燃料寿命周期内超过75%的碳排放。目前波音公司还计划与监管机构和业界各方合作，提升目前50%的掺混比例限制来拓展可持续航空燃料的使用。波音承諾，其商用飞机将在2030年前获得使用100%的可持续航空燃料进行飞行的能力。

氢能飞机备受关注

由于具备储量丰富、来源广泛、能量密度高、环保且价格低廉等优势，近年来航空业对氢能飞机的研发热情高涨，包括美国、欧盟和俄罗斯、中国在内的国家和地区都启动了对氢燃料电池飞机的研究，以加快推动航空业脱碳的步伐。

2021年，德国联邦运输和数字基础设施部宣布，向氢燃料电池航空电驱动总成项目拨款，并由德国航空航天中心（DLR）牵头，研制一款40～60座、航程1000公里的支线飞机。2021年11月，DLR首次试飞了一款4座的以第六代氢燃料电池驱动的飞机，并获得了成功。目前，为了持续推动项目后续研制工作，DLR正在建设专用试验设施，其中包括储氢罐、电机系统和控制系统等。

2021年，法国国际关系研究所发布了《欧盟氢能战略展望》，其中明确指出：“一项稳健、成本效益高的欧洲氢能战略将成为欧盟经济复苏计划的支柱，并加速欧洲经济体的脱碳进程。”在此背景下，法国出台了高达150亿欧元的航空业支持计划。计划明确提到，政府在未来5年内将每年投入15亿欧元资助企业进行技术研发，而最具优先权的项目就是2035年实现零碳排放的绿色飞机计划。法国政府希望这一计划不仅能够帮助法国航空业领先其美国竞争对手，更能够带动该领域所涉及的1300多家企业的发展。这一“绿色飞机”发展计划希望空客能够在2030年左右推出A320系列飞机的继任者，技术目标是实现燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氢能飞机。

空客发布了代号为“ZEROe”的3款零排放氢能源飞机概念设计方案。尽管这3款飞机采用了不同的空气动力学构型和动力系统配置形式，但都采用氢能源作为主要能源。根据计划，空客新型氢能源飞机将于2035年投入运营，如果这一目标实现，将成为全球首款零排放商用飞机。为了实现这一既定目标，空客计划按照“三步走”的方式进行推进：2021年进行地面演示;2023年氢燃料飞机交付;将氢燃料推广应用到空客全系产品，包括直升机产品和其他商用飞机产品。2021年8月，汉莎航空表示，公司对空客这一项目十分感兴趣，如果空客能够成功研制氢能飞机，汉莎将有意成为其启动用户。由此可见，航空业围绕新能源的新一轮竞争战已悄然打响。