航空業奔向“零碳”的技術創新

齊汀

近年來，綠色航空的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。

這一戰略目標的發布，打響了航空業奔向凈零碳排放技術創新的“第一槍”。此后，盡管疫情對行業的影響仍在發酵，但為了實現凈零碳排放的目標，無論是飛機制造商、發動機制造商還是機載設備等一級供應商等都在積極合作，圍繞電動飛機、混合電推進飛機和eVTOL等項目，積極推進技術創新。

“大紅大紫”的垂直起降項目

2011年，意大利知名直升機制造商阿古斯塔·韋斯特蘭公司發布了一款名為“零點項目”的原型機，垂直起降航空器（eVTOL）概念首次以實際產品的形式被提出。至此之后，垂直起降航空器項目在航空業受到了越來越多企業的關注。根據非營利組織國際垂直飛行協會（VFS）的統計，截至2022年1月，全球在研的eVTOL項目數量已經達到了600多種，涉及全球近350家企業。

從過去幾年eVTOL項目研發的歷程來看，總體可以分為3個階段。第一階段由美國國家航空航天局（NASA）引領，在這個階段，行業基本實現了對eVTOL技術的可行性認同;第二階段主要由Uber公司所主導，基本實現了航空業對eVTOL項目的商業價值認同;第三階段是目前諸多企業正在探索的產品認同，這其中不僅涉及技術，更涉及商業應用。如何獲得適航當局的認可，并實現持續的安全運營并實現盈利，對于研發企業來說是一項極具挑戰性的工作。

波音近年來一直在持續投資城市空中交通（UAM）項目。2017年，公司專門成立了名為Horizon X的風險投資部門。同年，波音收購了極光飛行科學公司，并在2018年年中又成立了未來移動出行商業孵化器部門Boeing NeXt。2019年，波音又與Kitty Hawk合作組建專注于UAM領域的合資公司Wisk Aero。此后，由于受到737MAX事件和新冠肺炎疫情的影響，波音先后關閉了Boeing NeXt部門，并剝離了Horizon X及其旗下40多家不同初創公司的股權。但考慮到eVTOL項目未來的市場潛力，波音在2022年1月又向Wisk Aero追加了4.5億美元投資，以支持其研發第六代自主電動垂直起降飛行器。波音之所以對Wisk Aero公司情有獨鐘，一個很重要的原因就是，與其他初創公司不同，Wisk Aero從一開始就著手研發自主駕駛飛行器。公司認為，自主駕駛技術有助于實現eVTOL飛行器的大規模運營，這將是一項具有競爭力的差異化技術，也是行業內公認的擴大服務規模和提高安全性的關鍵。截至目前，Wisk Aero公司研發的eVTOL項目已經完成了1500多次無人駕駛飛行試驗。

支線飛機制造商巴航工業在與巴西飛機共享服務的領軍企業Avantto共同探索如何在拉丁美洲建立城市空中交通生態系統。巴航工業目前正在研發一款名為Eve的eVTOL項目。根據巴航工業的規劃，這款飛機將采用顛覆性技術，引領大眾化飛行進入新階段。2021年，圍繞這一項目，巴航工業與巴西國家民航局正式確定了適航審定流程，這是雙方在商討該機型適航取證工作方面邁出的重要一步。

中國同樣也是eVTOL項目發展的熱土，其中以上海沃蘭特航空技術公司為代表的高科技初創公司值得一提。盡管該公司是一家新成立不久的企業，但公司目前已經完成了1：3縮比樣機的研發，并順利完成了旋翼試飛、固定翼試飛等工作，展現了企業扎實的技術功底。更令人感到欣喜的是，與國外適航機構一樣，中國民航局也已經開始指導國內相關企業圍繞eVTOL項目進行適航準備工作。2022年，中國民航局在調研沃蘭特公司時表示，希望企業在進行機型研發的同時，確定審定基礎，結合產品的新穎設計特征，深入研究相關標準，為后續審定工作做好準備;同時明確技術路線，加強技術路線和管理路線規劃，根據設計成熟度要求推進項目研制。

革命性氣動布局

幾十年來，商用飛機的氣動布局一直未有革命性的變化，但是行業從未中斷過對飛機革命性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方案設計。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提高飛機升力，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。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。

環保驗證機持續推進

波音環保驗證機項目啟動至今已近10年，如今該項目對于波音來說不僅是新技術的試驗臺，同時也是波音致力于綠色發展的象征。對此，波音相關負責人曾對媒體表示，盡管近兩年來國際航空運輸市場環境和波音自身都面臨著巨大的壓力，但環保驗證機項目團隊的工作從未停止。

2021年，波音與阿拉斯加航空合作的環保驗證機項目是公司的第八代環保驗證機項目，同時也是首個使用737MAX機型進行的驗證項目。該驗證機已于2021年6月完成首飛，計劃進行20項技術的測試，這也是波音環保驗證機項目持續時間最長的一次。根據《航空周刊》的報道，在這架驗證機計劃完成的20項驗證測試中，有5項試驗值得關注。

一是測試一種可以顯著降低對臭氧層影響的新型飛機滅火劑——三氟碘甲烷（CF3I），用于替代已經停產的哈龍（Halon）1301產品。目前，全球監管機構已經禁止哈龍公司滅火劑的生產，國際民航組織明確了2024年為哈龍公司滅火劑的最后使用期限。為此，在此次的環保驗證機項目中，波音正與美吉特（Meggitt）公司合作為未來飛機可應用CF3I進行相關測試。

二是與美國國家海洋和大氣管理局合作測量大氣中的溫室氣體水平，以支持該機構的氣候建模和長期預測活動。環保驗證機測試側重于最佳空氣采用策略，以最大限度地降低設備安裝成本和對飛機運行的影響，同時最大可能地提高測量質量。

三是評估降低現有發動機噪聲，并探索在新一代發動機上使用短艙降噪襯層的可能性。波音對阿拉斯加航空這架737MAX飛機的右側發動機短艙進行了改裝，在反推裝置上采用了先進降噪襯層和其他處理方法，這些改進將幫助應對新一代超大涵道比發動機和緊湊型短艙的不同噪聲足跡。在驗證飛行中，這架飛機將在蒙大拿州比較復雜的地形上進行飛行，以測試噪聲情況，評估這種新設計對降低噪聲的貢獻。

四是在所有新測試技術中，波音的研發人員還計劃將碳纖維廢料轉化為客艙內飾側板。波音計劃回收777X機翼生產中的碳纖維復合材料，用于制造客艙側壁。這種耐用、輕質的材料將可以降低油耗和客艙排放，并支持波音可持續制造的目標。在制造和測試并行的同時，飛機測試將以面板的聲學特性為中心。盡管波音已將所有碳纖維回收，但這次試飛將標志著回收材料首次進入飛機供應鏈。

五是測試可持續燃料的使用情況。2018年波音在聯邦快遞的一架777F環保驗證機上創造了民用飛機首次使用100%可持續燃料飛行紀錄。在今年的環保驗證機項目上，波音將測試摻混了可持續航空燃料的化石燃油在飛機上的使用情況。測試所使用的可持續燃料是World Energy公司通過農業垃圾和廢物提煉出來的。混合燃料中的可持續燃料可以降低燃料壽命周期內超過75%的碳排放。目前波音公司還計劃與監管機構和業界各方合作，提升目前50%的摻混比例限制來拓展可持續航空燃料的使用。波音承諾，其商用飛機將在2030年前獲得使用100%的可持續航空燃料進行飛行的能力。

氫能飛機備受關注

由于具備儲量豐富、來源廣泛、能量密度高、環保且價格低廉等優勢，近年來航空業對氫能飛機的研發熱情高漲，包括美國、歐盟和俄羅斯、中國在內的國家和地區都啟動了對氫燃料電池飛機的研究，以加快推動航空業脫碳的步伐。

2021年，德國聯邦運輸和數字基礎設施部宣布，向氫燃料電池航空電驅動總成項目撥款，并由德國航空航天中心（DLR）牽頭，研制一款40～60座、航程1000公里的支線飛機。2021年11月，DLR首次試飛了一款4座的以第六代氫燃料電池驅動的飛機，并獲得了成功。目前，為了持續推動項目后續研制工作，DLR正在建設專用試驗設施，其中包括儲氫罐、電機系統和控制系統等。

2021年，法國國際關系研究所發布了《歐盟氫能戰略展望》，其中明確指出：“一項穩健、成本效益高的歐洲氫能戰略將成為歐盟經濟復蘇計劃的支柱，并加速歐洲經濟體的脫碳進程。”在此背景下，法國出臺了高達150億歐元的航空業支持計劃。計劃明確提到，政府在未來5年內將每年投入15億歐元資助企業進行技術研發，而最具優先權的項目就是2035年實現零碳排放的綠色飛機計劃。法國政府希望這一計劃不僅能夠幫助法國航空業領先其美國競爭對手，更能夠帶動該領域所涉及的1300多家企業的發展。這一“綠色飛機”發展計劃希望空客能夠在2030年左右推出A320系列飛機的繼任者，技術目標是實現燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氫能飛機。

空客發布了代號為“ZEROe”的3款零排放氫能源飛機概念設計方案。盡管這3款飛機采用了不同的空氣動力學構型和動力系統配置形式，但都采用氫能源作為主要能源。根據計劃，空客新型氫能源飛機將于2035年投入運營，如果這一目標實現，將成為全球首款零排放商用飛機。為了實現這一既定目標，空客計劃按照“三步走”的方式進行推進：2021年進行地面演示;2023年氫燃料飛機交付;將氫燃料推廣應用到空客全系產品，包括直升機產品和其他商用飛機產品。2021年8月，漢莎航空表示，公司對空客這一項目十分感興趣，如果空客能夠成功研制氫能飛機，漢莎將有意成為其啟動用戶。由此可見，航空業圍繞新能源的新一輪競爭戰已悄然打響。