“零排放”飛機技術

沈臻懿

近年來，我們常常會發現天氣情況反常，極端氣象災害頻發。面對異常氣候，全球較以往更為關注環保的重要性。碳排放、碳中和、碳達峰等詞匯，早已為大家所熟知。面對《巴黎協定》各國為應對全球氣候變化作出的“全球平均氣溫升幅控制在1.5℃以下”的承諾，航空業也在制定相應的減排目標。2021年10月舉行的第77屆國際航空運輸協會（IATA）年會上，IATA各成員航司一致同意，全球航空運輸業到2050年實現凈零碳排放。

據IATA預計，至2050年全球民航運輸需求將達到每年100億人次。如航空業仍像今天這般飛行，至2050年，其將排放212億噸左右的二氧化碳。要完成凈零碳排放的目標，無疑是一項極為艱巨的任務。若僅僅依賴航司配置更先進飛機、更新機隊，或者植樹抵消等方式，幾乎無法實現。根據IATA判斷，若要在未來坐上“零排放”飛機出行，就需要在凈零碳排放方面實現多種方案多管齊下。這其中，可持續燃料技術、零碳能源技術、新飛機技術等新科技手段引人關注。

不同于現代汽車業飛速向新能源靠攏的趨勢，航空業在替代能源的尋找方面顯然難度更大。就當前的電池能量密度來說，即使是在全球范圍內最大的民航客機——空客A380機艙中裝滿電池，其飛行距離依舊有限。因此，在“零排放”飛機成為航空業的絕對主力之前，全球多家飛機制造商也在積極研發各項新飛機技術來降低飛機油耗，并減少化石燃料的消耗。

飛機機翼的改進，能夠讓航空公司節省5%左右的燃料，并減少氮氧化物排放和飛機噪聲。通過主翼和小前翼等混合機翼的全新機身設計，可以大大挖掘新的推進技術的潛力。隨著混合機翼的介入，可利用整架飛機來產生升力，從而節省大量航油。與半個世紀前相比，現代客機機隊的整體燃油效率，整整提高了八成：諸如齒輪傳統渦扇發動機的設計持續優化，將在未來的20年間進一步將燃油效率提升15%至25%。

此外，有研發團隊還提出了混合電力的概念。若將其與混合機翼等新機身技術結合應用，最多可減少40%的二氧化碳排量。在此基礎上，全電動飛機也是新飛機技術研發的新方向。盡管全電動飛機在橫跨太平洋等長途飛行中可能“力不從心”，但其具備完全消除二氧化碳排放的特點，使其在短途飛行中有著明顯的技術優勢。挪威就制定了一項目標，至2040年，實現其國內和短途航班的電力驅動。

說起“地溝油”，想必大部分人立馬想到的就是其棕黑酸臭、流向餐桌的“惡名”。但“地溝油”一旦“喂入”飛機，就會變廢為寶。2021年，有超過50家航空公司和能源企業發布聯合聲明，將在2030年使用可持續航空燃油（SAF）來替代10%的航空用油。

普通的航空煤油，都是從石油中提煉出來的。但SAF的來源，主要取自于回收的食物用油和動植物廢油脂，也就是俗稱的“地溝油”。與航空煤油相比，由“地溝油”變身的生物航煤可以降低80%的碳排量，且依然能夠保證飛機在飛行過程中的充足動力。加注了生物航煤（生物航空煤油）的客機即使達到萬米以上的飛行高度，仍然可以極為平穩與良好地運行。同時，這一新型生物航煤還具有可持續性、可再生性特點，有著顯著的環保優勢。SAF的原料不會導致森林退化，亦不會與水供應或糧食作物相競爭。

面對棕黑酸臭的“地溝油”，首先需要運用專業的吸附劑將其中的食物殘渣、菜葉等雜質去除，再運用分子篩、無機硅藻土等，去掉“地溝油”中的膠質。此時，原本棕黑色的“地溝油”已較為清澈，但酸臭味仍然殘留。這就需要通過酯化反應，讓“地溝油”成為較為純凈的甘油酯后，再通過酯交換反應，使甘油酯變成甲酯。最后，經過蒸餾并加入適量穩定劑，就可得到合格的生物柴油。但這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諸多物理化學性質上還存在差異;另一方面，為了提升防冰性和抗爆性，航空燃油中需要加入各種添加劑。為此，還需要在高溫條件下，對生物柴油進行加氫、裂化等處理，形成以碳氫為主，且不含氧的生物航煤。

值得一提的是，大規模使用生物航煤的設想還為時尚早。就近階段而言，生物航煤大多和標準航空煤油混合使用。大規模推廣生物航煤的最大阻力，實為產量和成本問題。據統計，SAF的價格是傳統航空煤油的2.5至3倍。一旦大規模使用生物航煤，機票價格亦將隨之上揚。但隨著降低成本新技術的不斷研發，“地溝油”將成為航天業不可或缺的香餑餑。

為了實現從減少碳排放量，到完全“零排放”的升級，航空運輸業將其目光投向了氫能的利用。近期，全球飛機制造巨頭空中客車公布了全球首款民用“零排放”飛機（ZEROe）的三種概念機型，并計劃于2035年正式投產使用。這三種“零排放”概念飛機都依賴于氫能作為動力來源。高能量密度的特性，使得氫能夠在同等重量下，產生極高的能量，故而被譽為“為航空業而生的能源”。然而，氫氣在單位體積下密度極低，故唯有經過低溫液化后方可被搭載于飛機上使用。即便如此，儲氫罐的體積仍會大于化石燃料儲罐，且零下253℃的存儲條件，要求具備更大的燃料儲罐和對飛機燃料系統進行根本性改變的技術更新。不過，空中客車方面相信，氫能作為一種清潔的航空燃料有著理想的運用前景，有可能成為航空業實現氣候中性目標的解決方案。

空中客車目標在2035年量產的這三種“零排放”概念飛機，有兩種基于傳統外觀的飛機概念。第一種概念機為“渦輪風扇噴氣概念機”。根據設計，這一“零排放”飛機的載客人數在120—200名，最大航程超過2000海里（約合3700公里）。這就使得“渦輪風扇噴氣概念機”具有了跨越大陸間飛行的能力。相較于當前的民航客機，“渦輪風扇噴氣概念機”使用改進的燃氣渦輪風扇發動機來提供動力。該發動機“喝氫”不“喝油”，作為燃料的液氫通過位于后部壓力隔板后側的儲罐進行存儲和分配。氫在燃燒后能推動飛行，并實現凈零碳排放。

第二種概念機則為“渦輪螺旋槳概念機”。與“渦輪風扇噴氣概念機”定位不同的是，“渦輪螺旋槳概念機”主打短途飛行。其利用螺旋槳發動機來替代渦輪風扇發動機，并通過改進的飛機燃料系統技術用氫能提供動力。“渦輪螺旋槳概念機”的設計載客人數為100名，可持續飛行1000海里（約合1850公里）以上，可謂短途航行的不二選擇。

有別于“渦輪風扇噴氣概念機”和“渦輪螺旋槳概念機”，空中客車設計的第三種“零排放”概念飛機，從外觀上就更具未來玄幻色彩。該機型稱之為“混合翼體概念機”，飛機機翼與機身主體進行了合并，超寬機身不僅可以為艙室格局和氫能的存儲、分配提供更為多元化的選擇，其設計搭載乘客的人數更可達到200名，并擁有2000海里（約合3700公里）的續航飛行里程。為了應對“零排放”飛機技術問世帶來的全新挑戰，機場還需要配置和更新大量的氫能運輸和加氫設備來滿足未來運營的需要。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com