美國下一代可持續航空技術研發計劃概述

■ 王翔宇 / 中國航發研究院

持續降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計劃是美國聯邦航空局（FAA）為順應全球氣候變化目標、實現航空業可持續發展所做出的最重要的努力。該計劃的核心在于研發能夠降低能耗、排放和噪聲的下一代飛機和發動機技術，并使其能夠盡快集成到當前和未來的機隊上。

美國聯邦航空局（FAA）于2021年9月公布了持續降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計劃第三階段的主要合作伙伴和初步實施方案。作為FAA應對全球氣候變化挑戰和降低航空業對環境負面影響總體戰略的關鍵部分，CLEEN計劃從2010年開始啟動，以5年為周期分步實施，通過美國政府、飛機和發動機制造商、航空公司和燃料供應商的緊密協作，旨在開發消耗更少燃料、產生更少排放和具有更低噪聲的下一代航空技術，從而支撐航空業朝著高效、清潔和安靜的方向實現可持續發展，盡可能地消除環境保護對未來航空業增長的限制。

CLEEN計劃第一階段和第二階段

CLEEN計劃第一階段于2010—2015年實施，根據FAA與波音公司、GE公司、霍尼韋爾公司、普惠公司、羅羅公司簽署的合作協議，這5家公司自籌的配套資金不少于FAA的撥款，使總的投資金額超過了2.5億美元。在第一階段CLEEN計劃取得理想預期的基礎上，2015年后FAA又新增了極光飛行科學公司（Aurora）、美國菲尼克斯公司/達美航空技術公司/MDS涂層公司和柯林斯宇航公司作為合作伙伴，并為CLEEN計劃第二階段提供了1億美元的經費支持，事實上10年的時間里工業界已經為CLEEN計劃共計投入了3.88億美元的資金，遠遠超過了FAA 的2.25億美元的貢獻。當然，為了獲取更高的研發收益，CLEEN計劃下的研究項目普遍具有相對較大的技術風險，通過與FAA分擔開發成本，航空業愿意接受這種風險并能夠更好更快地促進這些技術的成熟應用。

CLEEN計劃第一階段飛機和發動機技術項目

D8雙氣泡飛機總體布局概念圖

CLEEN計劃第二階段飛機和發動機技術項目

第二代雙環預混旋流燃燒系統概念圖

經歷了CLEEN計劃的前兩個階段，越來越多的針對能耗、排放和噪聲的先進航空技術開始出現在飛機和發動機設計中。如GE公司獨特的貧油燃燒系統——雙環預混合旋流（TAPS）在CLEEN計劃第一階段實現了性能大幅升級，由此產生的第二代TAPS燃燒室已經在LEAP發動機中普遍應用，受到市場的廣泛認可。CLEEN計劃第二階段GE公司進一步開發了第三代TAPS燃燒室并應用于GE9X發動機，氮氧化物排放量有望較航空環境保護委員會（CAEP）的標準低30%。同期，GE公司還借助CLEEN計劃開發了飛行管理系統（FMS），實現了多種飛行任務的自動化處理，在綜合考慮交通管制、氣候變化、飛機性能和飛行時間等因素的基礎上優化飛機控制系統的操作指令，更好地引導飛機按照批準的飛行計劃飛行，預期能夠降低2.5%左右的燃料消耗，未來可能會降低到3.5%以上。

航空業還以CLEEN計劃為契機開發了具有普適應用潛力的分析工具，這些工具正在改進提升目前生產制造的飛機和發動機產品，相應的設計規范和制造方法得以完善，在降低能耗、排放和噪聲方面取得的收益甚至超過了某些單獨技術的突破。普惠公司在CLEEN計劃第一階段風扇開發工作中獲取的試驗數據已被其用來校核改進第二代齒輪傳動風扇（GTF）發動機；GE公司、霍尼韋爾公司和羅羅公司進行的低排放燃燒研究，不僅減少了在該計劃支持下特定燃燒系統項目的污染排放，還大大增強了每個公司為低排放目標設計和優化未來所有發動機燃燒系統的能力；柯林斯宇航公司在突破低阻力聲學風扇涵道技術的同時，針對全新的聲學結構形成了低阻力噪聲表面和材料性能的數據庫，可用于后續超高涵道比發動機的短艙設計。

雙層壁渦輪葉型

葉片前緣保護涂層防護效果對比圖

此外，過去的10年里，CLEEN計劃對未來可持續航空燃料（SAF）的相容性、燃燒性能和加入可持續航空燃料后發動機相應的操作變化進行了大量的評估和測試，在其規范標準與適航認證方面發揮了重要作用。2011年，霍尼韋爾公司順利完成了加氫處理酯和脂肪酸（HEFA）燃料的測試工作，隨后該燃料被添加到ASTM國際燃料規范中，與常規航空煤油的混合比例達到了50%。兩年后，波音公司評估了HEFA對燃油系統密封件的影響，進一步了解了其關鍵燃油特性，普惠公司同期也對不少于5種的替代燃料方案進行了系統測試，截至2021年4月，已有7種替代燃料得以批準。CLEEN計劃第二階段開始對全合成燃料的可行性進行探索，GE公司的測試數據已經顯示2018年批準使用的酒精噴射合成石蠟煤油（ATJ-SPK）可以達到更高的混合水平，同時還支持對過去的可持續航空燃料適航認證進行簡化。羅羅公司也在進行一系列燃燒系統試驗測試，確保合成燃料不會對目前的發動機安全性、耐久性和使用性能產生負面影響。

CLEEN計劃第三階段

在CLEEN計劃第三階段，FAA和6個行業合作伙伴仍將以過去兩個階段的成果為基礎，圍繞降低能耗、排放和噪聲展開下一步的工作。從公開的報道來看， GE公司將以開式風扇發動機、混合動力系統、先進低排放燃燒和熱管理系統為主要技術研發領域；普惠公司將開發超靜音發動機風扇和先進的燃燒系統以減少噪聲和排放；波音公司側重于機翼、起落架和發動機進氣道降噪技術的攻關，并開發飛行控制算法使飛機能夠更安靜地飛行、自主選擇更省油的航線；霍尼韋爾公司將針對更高效的發動機風扇、燃燒系統、壓氣機和渦輪開展研究；柯林斯宇航公司旗下的勒爾（Rohr）公司將利用最新的聲學技術對發動機噴管進行設計；達美航空技術公司、吉凱恩（GKN）公司、MDS涂層公司以及菲尼克斯公司繼續聯合開發耐腐蝕的風扇葉片涂層，降低發動機全生命周期的燃油消耗。此外，FAA還正在尋求與羅羅公司和賽峰集團達成合作協議。

CLEEN計劃第三階段飛機和發動機技術項目

靜音高升力機翼系統

除了上述飛機和發動機技術項目外，CLEEN計劃第三階段將繼續開展新的可持續航空燃料的測試與鑒定相關工作，以期盡快使其突破50%的混合比例限制并實現對航空煤油的100%替代。波音公司將擴大可持續航空燃料方案的篩選范圍，在通過燃料兼容性的地面評估和飛行演示來支撐可持續航空燃料的適航認證，其測試數據也可為ASTM國際標準的編制提供依據。GE公司重點對具有獨特化學組分的新可持續航空燃料進行分析鑒定，特別是目前備受關注的高環烷烴類燃料，若能夠達到與常規航空煤油相近的密封膨脹性能指標，那么困擾多時的石蠟類替代燃料50%摻混體積上限問題將迎刃而解。

CLEEN計劃不同階段的發展目標

長期以來，CLEEN計劃的目標始終與飛機和發動機適航取證所要滿足的環境標準密切關聯，顯然隨著時間的推移和技術的進步，在很多標準越發嚴格的同時也有一些額外的指標開始出現。雖然CLEEN計劃第一階段和第二階段減排參照的是2000年在役的飛機，不過CLEEN計劃第三階段目標變為相對CAEP于2017年通過的二氧化碳排放標準再降低20%，氮氧化物排放相當于國際民航組織（ICAO）適航要求上限的70%，新增的顆粒物排放目標也要低于ICAO標準，較FAA第五階段噪聲標準實現累計降噪25dB的同時還要進一步減少社區噪聲（Community Noise）暴露。FAA預期CLEEN計劃第三階段布局的飛機和發動機技術可在2031年后投入市場應用，而與前兩個階段完全立足于常規亞聲速飛行不同的是，現在FAA似乎對民用超聲速飛行起飛/著陸階段降噪以及巡航階段降低氮氧化物排放技術的突破充滿了期待。

CLEEN計劃發展特點和展望

霍尼韋爾公司正在研發的高效綠色核心機

回顧過去10多年CLEEN計劃的發展歷程，延續和穩健是其一路走來的兩個核心特點。無論是已有較好基礎的老方案、還是成熟度較低的新構思，無論是涉及到整機架構的巨大改動、還是針對某個部件子系統的局部升級，CLEEN計劃對未來航空技術的發展方向進行了全面廣泛的布局，而這種布局一旦確定則隨之有相對穩定的研究團隊和持續的資金投入，從而可以循序漸進地開展工作，以5年為周期的各個研究階段之間存在較好的銜接性，如TAPS和抗沖擊抗腐蝕葉片涂層就是兩個非常明顯的例子。這些技術之間也存在一定的獨立性，當某種技術達到某一階段的成熟度預期后可投入實際應用，后續可視情對其進一步迭代升級。

一個不得不承認的事實是，在綠色低碳、清潔高效的發展主題下，整個航空業似乎變得越來越激進，特別是歐洲的一些航空業遠景白皮書更是敘事宏大，最快在2030年后才能得到應用的氫動力和電動技術已經成為規劃論述的主體，同時涉及的內容已經從單純的工程技術問題擴展到政策法規和空域管理等方方面面。相比之下，以CLEEN計劃為代表的美國航空環境戰略依舊步步為營，以傳統飛機和發動機的技術革新為基本出發點，在對未來30年進行展望的同時將重心更多放在了短期目標的達成上。可以說大西洋兩岸“仰望星空”和“腳踏實地”構成了助推未來航空技術發展的決定性力量，不過這兩股力量到底如何匯聚與融合可能還有很大的不確定性。

目前，CLEEN計劃取得的成果主要體現在以下4點：更加先進、更低排放的發動機燃燒系統已經開始投入實際應用；用來制造機翼的材料正在變得更加堅固、更加輕盈；全新的飛行管理系統算法使得飛機能夠自主選擇更省油的航線；幾種可部分替代傳統航空煤油的可持續航空燃料通過了適航認證（當然這一點只能部分歸功于CLEEN計劃）。據FAA預計，CLEEN計劃第一階段和第二階的工作到2030年能夠為全美民航機隊降低2%和2.5%的燃料消耗，而到2050年二者對應的二氧化碳減排量有望達到3.7%和7.9%，合計約為4.24億t。換言之，未來30年的時間僅CLEEN計劃的前兩個階段就將為航空公司節省累計約923.64億L、價值超過728億美元的燃料，并減少了相當于305萬輛汽車上路所產生的二氧化碳排放，考慮到從2031年開始CLEEN計劃第三階段的技術將引入商業運營，由此帶來的進一步經濟收益和環保收益值得期待。

結束語

為達成2050年實現航空業凈零碳排放的宏偉目標，FAA正在借助CLEEN計劃的實施全面推進能夠降低能耗、排放和噪聲的飛機和發動機技術以及可持續航空燃料的研發。CLEEN計劃的前兩個階段顯示出了巨大的成功，一些成熟的技術已經開始集成到當前機隊中，工業界預計隨著下一代飛機和發動機設計機會的出現以及CLEEN計劃第三階段任務的展開，更多的技術將在未來幾年內投入市場使用，此外從這些技術研發中形成的分析和設計工具也帶來了設計規范和制造方法的升級改進，全生命周期各個階段的航空產品均會因此受益。