航空業“脫碳”的創新之路

陳培儒

近年來，綠色航空與環保理念越來越受到航空業的關注。2021年新年伊始，歐洲航空業就發布了一項名為“目標2050”的新戰略，其中明確闡述了到2050年歐洲航空業實現凈零排放的途徑。

“目標2050”戰略是在《巴黎協定》和《歐洲綠色協議》基礎上制定的。根據該戰略，到2050年，歐盟、英國和歐洲自由貿易聯盟境內以及從歐盟、英國和歐洲自由貿易聯盟離境的航班將全部實現二氧化碳凈零排放。為了實現這一雄心勃勃的目標，該戰略鼓勵各國繼續大量投資用于脫碳和創新的工作，并強調可以通過改進航空器氣動布局和發動機技術、使用可持續航空燃料、發展氫能源技術、改進空中交通管理和航空器運行等方法實現凈零排放的目標。為了實現這一目標，行業內的科研機構、企業和高校已經開始了航空業零排放的探索。

推進技術顛覆性創新

百年來，航空發動機技術的進步是提高飛機燃油效率最重要的手段。尤其是近年來，隨著航空公司對飛機燃油效率要求的不斷提高，發動機制造商也在用盡方法提高燃油效率。但未來，要實現凈零排放的要求，對于發動機制造商來說，可行的推進技術就需要摒棄傳統的航空燃油驅動的方式，將研發方向轉至包括全電動、渦輪電推進、氫燃料發動機等方面。

其中，電推進技術是目前業內關注度最高的不會在飛行中產生碳排放的替代方案。由電池、控制器和電機組成的驅動系統構架具有高效、零污染、結構簡單和易維護的優勢，因此也是航空業實現零排放動力系統的重要發展方向之一。從2013年至今，全球有幾十個項目在不同國家和地區進行研發，其中空客E-Fan X項目取得了不少實質性的進展。

E-Fan X項目中，空客選擇了由英國宇航公司（BAE）研制的一款曾暢銷一時的支線飛機BAE146/RJ100為飛行測試平臺，飛機上4臺LF507渦扇發動機中的一臺由功率為2兆瓦的電動機所取代。在這個項目中，羅羅對燃氣輪機、發電機、配電系統、電機和EPU混合電系統進行了系統的研發和測試。盡管2020年由于受到疫情的影響，這一項目被叫停，但羅羅公司已明確表示，將繼續在挪威特隆赫姆工廠進行相關測試和集成工作。羅羅表示，繼續完成這項工作將有助于他們更全面地掌握相關技術及相應的知識產權，公司目前為E-Fan X所研發的混合電推進系統或將適用于其他混合電推進飛機。

此外，2020年歐盟還依托“歐洲地平線2020”計劃在布魯塞爾正式啟動混合電推進技術項目（IMOTHEP）。該項目獲得了1040萬歐元資助，旨在研究商用航空混合電推進技術，研究周期為4年。IMOTHEP將結合先進的飛機構型設計和創新的推進系統架構，對混合電推進飛機的電力系統技術進行深入研究，以充分發揮推進系統與飛機構型之間的協同效應。該項目由法國航空航天研究中心牽頭開展，共有33個參與方，其中包括空客、賽峰、MTU、法國國立高等航空航天學院、鮑豪斯研究院、歐洲航行安全組織等。此外，歐洲航空安全局作為第三方也參與了項目研究。但就目前來看，無論是E-Fan X項目還是其他電動飛機項目，主要的難題還是電池技術，它制約了全電動飛機的尺寸和航程。

在氫燃料電池方面，2020年9月，由初創公司ZeroAvia研發的基于派珀M350飛機改裝的氫燃料電池飛機實現首飛。這架完全由氫燃料電池驅動的六座飛機從英國倫敦北部的克蘭菲爾德機場起飛，用零排放的氫燃料驅動完成了20分鐘的飛行，這是世界上首次氫燃料電池飛機的飛行。盡管這一飛行令人鼓舞，但與電動飛機的研制類似，目前只是將這種新燃料用在了小型通用飛機上，距離商用飛機的應用仍有很多問題需要解決。

例如，如何安全地存儲和運輸這些氫能源是一個較為棘手的難題。對此，波音曾公開表示，雖然氫能源具有獨特的應用前景，但是該技術的推廣仍面臨很多困難，主要的難題就是氫燃料的生產和儲存問題。

幾十年來，航空業已經對渦輪、渦扇發動機所使用的航空煤油有了全面的認識，對安全存儲、運輸、使用這些傳統燃料積累了豐富的經驗。但是，氫燃料與傳統燃料有著本質的區別。因此，波音認為，如何安全、有效地使用氫燃料，還需要政府監管機構、廠商等共同協作，實現管理措施、關鍵技術等方面的創新突破。

革命性的氣動布局

幾十年來，商用飛機的氣動布局一直未有革命性的變化，但是行業一直從未中斷過對革命性飛機氣動布局的預先研究。而如今，在實現凈零排放的創新之路上，革命性的氣動布局或將發揮重要的作用。這主要是因為阻力的最小化設計也是實現零排放飛機的關鍵技術之一。在飛機氣動布局形式上，主要有分布式布局以及更具顛覆性的翼身融合布局等。

空客、賽峰和Daher公司三方合作，聯合研發了一款名為EcoPulse的分布式混合動力推進飛機演示樣機。根據計劃，賽峰將為這款飛機提供分布式混合動力推進系統，空客負責分布式推進系統空氣動力的優化，Daher則利用TBM平臺進行部件和系統安裝、飛行測試和其他規范建設工作。根據計劃，EcoPulse項目的演示樣機將在2022年完成首飛。

此外，德國航空航天中心（DLR）也在進行分布式電推進支線飛機的設計方案。在設計方案中，沿機翼前緣分布的一系列小型螺旋槳將有助于飛機升力，從而減少機翼面積、減輕飛機質量、降低阻力、減少所需的推進功率。

除了分布式的布局之外，翼身融合的布局也被業內認為是一個極具潛力的可行性方案。2020年，空客發布了3款零排放的商用飛機概念方案，其中有一個方案就是采用翼身融合的布局，并用液態氫作為主要燃料。

根據空客的規劃，這款翼身融合布局的飛機最多可以搭載200名乘客，最大航程為6300公里，與現役的窄體客機相近。這款飛機采用2臺氫動力渦扇發動機，通過混合電力系統驅動機身后部上表面的8個風扇。液氫燃料箱設計在機翼下方。這種設計的優點在于，超寬的機身為氫燃料的儲存和分配、機艙布局提供了多種選擇。空客的這一設計并不是空穴來風的。2017年以來，空客一直在潛心研制Maveric驗證機，探索新構型飛機所具備的節能優勢。Maveric驗證機已于2019年完成首飛，并在2020年新加坡航展上首次公開亮相。相信這款驗證機的研制經驗將對空客零排放機型的研發提供有益借鑒。

可持續航空燃料

相比傳統的航空煤油，可持續航空燃料在其全生命周期內可以減少至少80%的二氧化碳排放。相比電推進技術和氣動布局的革新，使用可持續航空燃料時，無須改裝發動機，并且還可以與傳統航空煤油混合使用。因此，航空運輸行動小組在2020年11月舉行的全球可持續航空論壇上表示，可持續航空燃料的使用是實現航空業脫碳的重要手段。

對此，波音表示高度贊同。波音認為，包括生物燃料在內的可持續航空燃料是航空業實現國際民航組織（ICAO）碳減排目標的主要手段。為此，波音在今年1月表示，在2030年之前交付可使用100%可持續航空燃料的飛機，以實現航空業2050年的減排目標。

事實上，早在20世紀70年代，國外就開始了對航空生物燃料的研究，迄今為止已研制了兩代生物燃料。其中，第一代生物燃料以糧食作物（玉米、小麥和大豆等）為生產原料，但這種原料存在“與民奪食”的問題，且第一代生物燃料的性能無法達到航空燃油標準。

第二代生物燃料以麻瘋樹、亞麻薺、藻類和鹽生植物等作為主要原料，這些作物含油量高、對水和土壤等環境要求低，可在世界多個貧瘠地區大量種植。2010年，以國際民航組織為代表的機構開始制定指導性文件，計劃到2040年全球航空生物燃料占航空燃料總量的50%。

此外，行業內的很多企業還加大了對新能源研發的力度。例如，波音公司與UOP能源公司聯合，將含油作物或廢棄油料作為主要原料，采用“生物衍生合成石蠟烴煤油”方法生產生物燃料。空客與羅羅、道達爾能源公司合作，將海藻作為主要的生產原料，開發從木質纖維、海藻中提取生物燃料的方法。

同時，相應的試飛工作也在逐步推進。英國維珍大西洋航空公司用1架A380客機進行了世界首次使用生物燃料的飛行試驗（按2：3的比例與傳統燃料混合）。德國漢莎航空公司開通了全球首條使用生物燃料的商用航線，在漢堡—法蘭克福航線上，1架A321客機的一臺發動機使用1：1混合燃料飛行了半年。波音1架787利用由廚余廢油提煉的生物燃料，實現了首次使用生物燃料的跨太平洋飛行。

已經完成的大量試飛試驗表明，航空生物燃料可極大減少溫室氣體排放。國際民航組織通過對比加氫處理的生物燃料與傳統燃油，證實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、鹵素等污染物。

此外，為保證生物燃油不會損傷飛機的燃燒室、渦輪機和引擎燃料系統，航空公司又針對這些系統進行了專門檢查，未發現對飛機燃燒室產生影響，生物燃油質量也未發生變化，并且對比傳統的航空煤油還減少了1%的燃料消耗。

當然，可持續航空燃料的大范圍使用也有問題亟待解決。其中最為棘手的是成本問題。當前，可持續航空燃料尚不具備廣泛應用的價格競爭力。此外，產量是另一個棘手的問題。如果要大量使用可持續燃料的話，那么生產商將面臨投資基礎設施、尋找可大量生產的低成本原料等問題。

從這個角度來看，航空凈零碳排放的實現，不僅需要企業的技術研發投入，更需要政府的資金和政策支持。目前，無論是歐洲還是美國，在技術研發的資金投入方面已經出臺了不少政策。如法國政府專門劃撥了15億歐元用于氫能飛機的研制、德國政府則對國家氫能戰略投入了70億歐元。但資金支持只是一個方面，如何從政策層面引導更多相關的產業鏈企業融入航空凈零排放才是行業需要重點考慮的問題。