引領航空業(yè)變革的 顛覆性技術

張嘉毅

2020年8月26日，歐盟發(fā)起“征求表達意見和潛在成員”活動（CEI），以收集“凈潔天空”的變革性概念，并著手聯(lián)合相關國家和企業(yè)推進研發(fā)綠色顛覆性航空技術，旨在以節(jié)能、高效、環(huán)保引領未來全球航空技術發(fā)展與變革，大幅提升歐洲航空業(yè)的質(zhì)量與效率。

硬指標，硬約束

當今世界，航空業(yè)在服務人類的生產(chǎn)生活、促進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但飛機的噪聲、顆粒物及二氧化碳排放也給全球帶來比較嚴重的污染。目前，航空業(yè)每年排放的二氧化碳超過9億噸，預計到2050年排放量還將增加三倍以上。除了二氧化碳，飛機排放的氮氧化物（NOx）、煙塵和水蒸氣凝結(jié)產(chǎn)生的尾跡和卷云均對氣候產(chǎn)生較大的負面影響。航空業(yè)污染已成為影響全球氣候變暖的直接因素之一。

為減緩消除航空業(yè)給大氣帶來的環(huán)境污染，早在2008年，歐洲就開啟了“凈潔天空”計劃，希望通過研發(fā)新技術，降低航空業(yè)對環(huán)境的影響。經(jīng)過十余年的努力，歐洲已進入開發(fā)創(chuàng)新型尖端技術階段，開始落實《航跡2050：歐洲的航空遠景》中設定的環(huán)境目標，即相較于2000年的技術標準，2050年飛機二氧化碳排放降低75%、氮氧化物排放減少90%、噪聲級降低65%。這些目標設定對航空技術發(fā)展帶來硬要求，將成為降低航空污染的必然選擇。未來航空業(yè)的技術和服務質(zhì)量注定會產(chǎn)生激烈的競爭以及劃時代的變革。

目前，全球航空業(yè)正在從基于通過提高燃油效率減少碳排放的漸進式改革，向開發(fā)新的低碳推進技術與新燃料的革命性變革方向轉(zhuǎn)變，主要變革目標是從根本上解決低碳排放問題。其中，可持續(xù)航空燃料（SAF）、新型混合動力推進技術、氫渦輪和氫燃料電池電動技術，已成為最具代表性的顛覆性技術。

混合動力支線飛機：減排50%

目前研發(fā)的混合動力飛機定位在解決500千米范圍內(nèi)的支線航空運輸需求，通過使用混合動力推進技術來減少碳排放。這種飛機的研制將分為兩個階段，第一階段是在2025年前對混合動力的不同部件開展研究，并確定最優(yōu)集成方式;第二階段是在2025～2030年完善和定型所選技術，進入批量生產(chǎn)。

在減少溫室氣體排放的關鍵技術方面，目前為此種混合動力飛機設計的動力系統(tǒng)有兩種架構，即混合電力系統(tǒng)和渦輪電氣系統(tǒng)。其中，混合電力系統(tǒng)可在飛機不同飛行階段采取并行混合和系列混合兩種方式提供動力。并行混合的推力主要由傳統(tǒng)的熱力發(fā)動機提供主要推力，電動機作為輔助系統(tǒng)提供額外動力;系列混合則可通過插入渦輪發(fā)動機的發(fā)電機提供動力，并可在飛行階段將電力儲存在電池中或為電動機和螺旋槳供電。而渦輪電氣架構則是利用渦輪軸進行發(fā)電，并為電動機的發(fā)動機提供動力。歐盟對渦輪發(fā)動機、電子推進器及儲能系統(tǒng)等關鍵部件已提出至2035年的具體設計目標。

在飛機集成使能技術方面，與傳統(tǒng)飛機設計不同，這種混合動力飛機需要對全新的推進系統(tǒng)提出新的設計和方案。一是需對新系統(tǒng)的空氣動力學設計和特性、氣動韌性分析、飛行控制和飛行管理等系統(tǒng)進行安全驗證;二是需要開發(fā)一種新的設計系統(tǒng)，能對飛機設計參數(shù)和性能進行預測，并可利用“數(shù)字孿生”等虛擬設計技術對飛機開展集成和驗證工作;三是探索新的配置并擴展其性能范圍。例如，嘗試將功率提升50～100倍、嘗試安裝多個螺旋槳、嘗試使用新的設計工具集等;四是重新設計機體，研究先進的組裝和制造方案，以適應混合動力系統(tǒng)的新功能，并有效控制成本;五是最大程度降低碳排放。

歐盟將組織對研制混合動力支線飛機所需的技術、基礎設施和認證需求進行充分論證，在2030年前對具備50～70人載客能力的混合動力飛機的有效載荷、航程、速度及操作性能進行測試，在符合國際民航組織噪聲規(guī)定的前提下，實現(xiàn)減排50%的目標。

超高效中短程飛機：

效率提升30%

目前，歐盟將充分利用現(xiàn)有技術為新型超高效中短程飛機研制提供支持。該型飛機將利用顛覆性機身技術和使用氫作為間接燃料的超高效推進系統(tǒng)，將能源利用效率提升30%。該型飛機的研發(fā)將分為兩個階段：第一階段確定新型飛機概念和特征，建立數(shù)字飛機平臺對相關技術組合進行評估;第二階段將驗證和選定最佳候選技術，確定最終飛機設計概念，并對綜合飛機部件進行測試，驗證飛機在實際飛行過程中的關鍵技術性能。

為研制顛覆性超高效中短程飛機，歐盟將重點解決高效機身、超高效推進系統(tǒng)開發(fā)與集成、綠色飛行運行系統(tǒng)、綠色可持續(xù)生命周期技術四項關鍵技術。

在高效機身研制方面，歐盟將對新材料、系統(tǒng)架構和設計概念開展評估，將以X-Plane項目作為基礎，推進高性能機翼的技術研發(fā)，并開展地面演示驗證。

在超高效推進系統(tǒng)開發(fā)與集成方面，熱推進系統(tǒng)與零碳動力系統(tǒng)的結(jié)合將成為新型中短程飛機的主要動力基礎。新型動力系統(tǒng)的設計目標是將燃料消耗降低20%。為研制新型動力系統(tǒng)，歐盟將研發(fā)更智能的引擎、簡化系統(tǒng)設計及使用新的清潔排放技術。同時，歐盟將研究新型燃料在儲存、熱量管理、安全保護等方面的技術。

在綠色飛行運行系統(tǒng)方面，歐盟將研究適用于綠色中短程飛機運行的系統(tǒng)套件，減少飛機能耗和重量，進一步優(yōu)化飛機能源管理系統(tǒng)，開發(fā)綠色輕巧的全集成機艙服務平臺，以降低飛行成本和能耗。

氫能飛機：實現(xiàn)之期尚遠

氫燃料作為清潔燃料，可大幅降低航空飛行過程和整個生命周期中的碳排放水平，為環(huán)境持續(xù)凈化提供重要幫助。目前氫動力系統(tǒng)技術尚不能滿足航空飛行的需求，還需要大量研究工作。

歐盟將從環(huán)境潛力評估、推進系統(tǒng)開發(fā)、飛機整合及安全認證四個方面推進氫動力系統(tǒng)應用的技術探索。在環(huán)境潛力評估方面，由于氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣會散發(fā)氮氧化合物，因此需要充分評估氫能飛機對環(huán)境的影響。

在推進系統(tǒng)開發(fā)方面，氫燃料的儲存、分配和燃燒系統(tǒng)將成為開發(fā)氫能系統(tǒng)的關鍵。例如，為降低氮氧化合物的排放，需要設計開發(fā)高燃燒率的渦輪機。

在飛機整合方面，飛機的設計將向大體積方向邁進，混合動力布局或?qū)⒕哂幸欢▋?yōu)勢。

在安全認證方面，氫燃料需要加壓儲存，以解決燃料蒸發(fā)問題，因此飛機結(jié)構需進行冗余設計，并驗證使用材料的兼容性。同時，需要重新開發(fā)安全認證環(huán)節(jié)，以保障飛機的安全性。

技術創(chuàng)新利于經(jīng)濟復蘇

毫無疑問，歐洲啟動研發(fā)綠色航空技術將推進航空技術進步，引領全球航空業(yè)變革。當前，民用航空技術正在向綠色、高效、低成本、智能化方向發(fā)展，而歐洲將“節(jié)能、減排”作為未來民用航空發(fā)展的主要目標，利用“凈潔天空”計劃推進具體技術項目。由此，未來民用航空領域大規(guī)模的資源將投入到環(huán)保飛機的研發(fā)設計與開發(fā)，會直接帶動相關技術的進步與變革。

歐盟委員會已建議盡快部署綠色航空技術，實現(xiàn)在歐洲綠色協(xié)議（EGD）中承諾的到2050年無溫室氣體排放的總目標。同時，歐洲將在確保高度安全的基礎上，保持工業(yè)界的競爭力。例如，法國政府正在加速推動綠色航空發(fā)展，已計劃研制一款2030年代初可投入使用的空客A320替代機，將采用涵道比20～25的超高涵道比渦扇發(fā)動機和機體-發(fā)動機一體化設計，預計可降低30%的油耗。因此，在低碳目標的牽引下，以電力和氫燃料為代表的綠色航空技術在一段時間內(nèi)將成為未來航空技術的發(fā)展方向，引發(fā)航空產(chǎn)業(yè)的一場變革。

其次，從歐盟已經(jīng)發(fā)布的顛覆性技術研發(fā)中，合作成為了一個關鍵詞。事實上，搶占未來航空技術領先優(yōu)勢，必須強化合作，以有效降低技術研發(fā)風險，加快變革進程。航空產(chǎn)業(yè)具有投入高、風險高、周期長、技術門檻高等特點，單獨的國家或私營企業(yè)很難獨自承受巨額資金投入和技術研發(fā)失敗風險。因此，歐盟發(fā)起CEI活動，以聯(lián)合多方進行綠色顛覆性技術開發(fā)，有效降低技術創(chuàng)新風險，大幅提升技術研發(fā)成功的可能性。

歐盟在地平線2020規(guī)劃中指出，其主導的凈潔天空伙伴關系不僅能幫助其擴大在航空領域的影響力和競爭力，也成為其建立航空技術領導地位、維系航空伙伴關系的重要抓手。此外，歐盟通過伙伴關系研發(fā)航空新技術，有利于推動歐洲在電力和氫能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，搶占民航飛機新技術發(fā)展制高點，形成利益共同體，奪取未來制定航空領域規(guī)則的話語權。

第三，歐盟借推動航空技術創(chuàng)新，加快促進經(jīng)濟復蘇的做法也值得學習和借鑒。2020年，新冠肺炎大流行對航空業(yè)帶來嚴峻挑戰(zhàn)，極大影響了全球航空客貨運市場，造成巨大經(jīng)濟損失，已威脅到航空從業(yè)者的工作和收入。地平線2020規(guī)劃、歐盟未來研究和創(chuàng)新2021～2027年框架計劃提出，歐洲未來將提供50億歐元支持民用航空研究與創(chuàng)新活動，這可以大幅提高歐洲航空業(yè)質(zhì)量與效益，以推動航空業(yè)加快復蘇。