未來航空可持續(xù)發(fā)展之路

■ 廖忠權 / 中國航發(fā)研究院

航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展已成為全球關注的重要議題，其核心和關鍵就是節(jié)省能源、減少溫室氣體排放，而碳中和與凈零排放是航空可持續(xù)發(fā)展的路標和抓手。

據(jù)預測，全球航空運輸將保持平均每15年翻一番的增長態(tài)勢。如果不采取減排措施，預計到2050年航空運輸碳排放將占全球溫室氣體排放量的10%，成為氣候變暖的重要推手。世界各國、國際組織、研究機構和企業(yè)等紛紛提出了針對碳中和、凈零排放的可持續(xù)航空發(fā)展解決方案。

碳中和與凈零排放

1992年，聯(lián)合國大會通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，提出全面控制二氧化碳等溫室氣體排放。1997年，倫敦未來森林公司提出一項商業(yè)策劃，其中提到了碳中和（carbon neutral），之后美國和歐洲將碳中和做了進一步的解釋：對那些在所有減少或避免排放的努力都窮盡之后仍然存在的排放額進行碳補償，即指企業(yè)、團體或個人測算其在一定時間內(nèi)的溫室氣體排放總量，再通過植樹造林、節(jié)能減排等形式抵消這些排放量，以保證凈碳排放量接近于零。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的定義，碳中和是指當一個組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過二氧化碳去除技術應用達到平衡，凈零排放是指當一個組織在1年內(nèi)所有的溫室氣體（以二氧化碳當量衡量）排放量與溫室氣體清除量達到平衡。碳中和目標只與二氧化碳有關，而凈零排放目標包括所有溫室氣體。如果一個組織或行業(yè)主要釋放二氧化碳，碳中和與凈零排放幾乎沒有區(qū)別。

碳中和現(xiàn)已成為國際社會的環(huán)境管理工具，其實現(xiàn)途徑分為碳排放和碳吸收兩大類。在排放端，降低二氧化碳等溫室氣體的排放量，例如，提高工業(yè)、電力的能源效率、開發(fā)利用可再生能源，減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴；在吸收端，針對受經(jīng)濟、技術等因素限制而難以完全避免的部分碳排放，通過植樹造林等方式，增強地球環(huán)境碳吸收能力。

2010年5月， 英 國 標 準 協(xié) 會（BSI）正式發(fā)布了全球第一份碳中和國際標準——PAS 2060，對溫室氣體排放的量化、還原和補償做出了具體規(guī)定。

政策與協(xié)議

2030年可持續(xù)發(fā)展議程

2015年9月， 聯(lián) 合 國 大 會 第70屆會議上，193個會員國通過了《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，提出了包括“采取緊急行動應對氣候變化及其影響”在內(nèi)的17項可持續(xù)發(fā)展目標。《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》于2016年1月1日正式啟動，明確將環(huán)境作為可持續(xù)發(fā)展目標之一，這事實上成為了之后各個國家和地區(qū)組織制定可持續(xù)航空發(fā)展政策和措施的綱領性指導文件。

巴黎協(xié)定

2015年12月12日，近200個國家在巴黎氣候變化大會上通過了《巴黎協(xié)定》，于2016年11月4日正式生效。該協(xié)定為2020年后全球應對氣候變化行動做出了安排。《巴黎協(xié)定》的長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)。全球將盡快實現(xiàn)溫室氣體排放達到峰值，21世紀下半葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放。

歐洲綠色協(xié)議

2019年12月11日，歐盟委員會在布魯塞爾公布了應對氣候變化的綱領性文件《歐洲綠色協(xié)議》，提出到2050年歐洲在全球范圍內(nèi)率先實現(xiàn)碳中和，即二氧化碳凈排放量降為零。中期目標是到2030年，溫室氣體排放量與1995年相比將降低55%。2020年3月，歐盟委會公布了《歐洲氣候法》草案，這是歐洲歷史上第一部旨在應對氣候變化、實現(xiàn)溫室氣體零排放的法律。歐盟委員會主席馮?德萊恩表示，這個草案是本屆歐盟委員會歐洲綠色協(xié)議各項政策的核心，展現(xiàn)了歐盟在應對氣候變化上的決心。

中國發(fā)布碳中和目標

2007年，中國超越美國，成為世界第一大碳排放國。截至2015年，中國人均碳排放量是世界平均水平的1.1倍。早在2007年，中國就發(fā)布了《中國應對氣候變化國家方案》，此后又多次提出降低碳排放目標。2009年，中國提出到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%，2019年11月，生態(tài)環(huán)境部宣布中國2020“減碳”目標提前1年完成。2015年，中國提出2030“減碳”目標，即單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%，二氧化碳排放量將在2030年左右達到峰值并爭取盡早達到。2020年9月22日舉行的第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，習近平主席提出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

發(fā)動機制造商可持續(xù)航空發(fā)展舉措

GE航空集團

GE航空集團將在2030年前實現(xiàn)設施及運營碳中和的目標。

GE航空集團董事長兼首席執(zhí)行官拉里?卡爾普表示，為實現(xiàn)2030碳中和目標，GE航空集團將通過包括經(jīng)營性投資、消除能源浪費以及智能供電等在內(nèi)的手段直接降低碳排放和能源消耗，涉及工業(yè)制造、風力發(fā)電、燃氣輪機、航空以及核能等眾多領域。

而在航空領域，在現(xiàn)有各型發(fā)動機的基礎上，GE航空集團認為其已獲得美國聯(lián)邦航空局（FAA）認證的GE9X渦扇發(fā)動機，集成了GE航空集團在過去10年中開發(fā)的先進技術，將有助于全球的脫碳目標。GE航空集團還在與賽峰集團合作研究開式轉子發(fā)動機，競標歐洲“清潔航空”（clean aviation）的研究項目，以促進全球可持續(xù)航空的發(fā)展。此外，GE航空集團基于其強大的技術基礎也在開展電推進系統(tǒng)和其他新概念發(fā)動機的研究。

GE航空集團降低碳排放的三大途徑

普惠公司

根據(jù)普惠公司工程高級副總裁吉奧夫?亨特的公開發(fā)言顯示，對于未來航空可持續(xù)發(fā)展，普惠公司聚焦三大關鍵領域：持續(xù)提高燃氣輪機的效率以降低燃油消耗與碳排放；探索諸如混合電推進以及氫燃料系統(tǒng)等全新技術；更廣泛地推動可持續(xù)航空燃料（SAF）的應用。吉奧夫?亨特認為：燃氣渦輪發(fā)動機、直升機發(fā)動機和固定翼飛機發(fā)動機還遠未達到其研發(fā)潛力的極限。噴氣發(fā)動機的熱效率自其問世以來已提升了400%，但這可能僅實現(xiàn)了其理論極限的一半。通過采用全新的架構與更先進的材料，燃氣渦輪發(fā)動機的效率還會進一步提升。

電推進技術可幫助減少排放。全電推進系統(tǒng)因受制于沉重的電池組，將最有可能應用于如城市空中交通等低載荷與短航程的平臺之上。混合電推進概念則能夠用于增強并優(yōu)化燃氣渦輪發(fā)動機的性能，可應用于中程甚至遠程商用飛機之上。氫能推進技術不論是作為無碳燃料供燃氣渦輪發(fā)動機使用、亦或是作為驅動電動機的燃料電池的組成部分都同樣具有潛力。但這些技術都需要時間來發(fā)展成熟。

可持續(xù)航空燃料在實現(xiàn)減排目標時可發(fā)揮核心作用，是實現(xiàn)減排目標的一個“拿來即用”的動力解決方案。雖然可持續(xù)航空燃料的供應受到限制并且成本高昂是其被廣泛采用的障礙，但目前來自政府與航空業(yè)的利益相關方正在大舉投資加大供應。因此，可持續(xù)航空燃料應成為一個更具競爭力的解決方案，不僅供給大型商用飛機使用，還應供給較小型的支線飛機、公務機與直升機使用。

霍尼韋爾UAM飛行器駕駛艙（來源：霍尼韋爾公司）

霍尼韋爾公司

對于提高航空業(yè)的可持續(xù)性，霍尼韋爾董事長兼首席執(zhí)行官（CEO）杜瑞哲于2020年表示，“公司現(xiàn)有的技術可以達到即使航空飛行增加到2019年的4倍，溫室氣體排放也只有2019年的一半”。其重點關注的可持續(xù)航空相關技術包括發(fā)展電推進、優(yōu)化飛機運營和開發(fā)替代燃料等方面。

發(fā)展電推進和混合電推進系統(tǒng)，減少燃油消耗和溫室氣體排放，特別是在飛機起飛、著陸和滑行期間，所有這些階段通常都發(fā)生在人口稠密的城市地區(qū)。霍尼韋爾公司還開發(fā)了一種混合動力任務分析工具，可以幫助設計者評估渦輪電力系統(tǒng)。2019年霍尼韋爾公司在實驗室里將一種汽車電動機和逆變器與飛行控制器進行集成，旨在為電動飛機制造更輕更省油的渦輪和具有更好功重比的發(fā)電機。

霍尼韋爾福吉（Honeywell Forge）公司的云軟件分析可以優(yōu)化飛機的運營和航線，目前每次飛行可節(jié)省5%的燃料。此外，霍尼韋爾公司于2020年9月成立了無人機系統(tǒng)（UAS）和城市空中交通（UAM）實驗室，以提升市場軟硬件技術方面的能力。該實驗室類似于概念型城市空中交通飛行器駕駛艙，配備真實硬件，是全球同類實驗室中首個可演示真實電傳飛控和飛行器航電設備的實驗室，用于開發(fā)、測試和演示UAS、UAM的領先技術，旨在簡化未來飛行器的操作。

開發(fā)替代燃料，利用地溝油、藻類和麻瘋樹等植物性原料（它們與食物資源沒有競爭關系）制造綠色燃料。例如，霍尼韋爾公司的技術使煉油廠能夠生產(chǎn)綠色航空燃料，可使溫室氣體排放量減少60%～85%；霍尼韋爾公司還利用再生油生產(chǎn)綠色柴油，從而使公路、鐵路和海運的溫室氣體排放量減少85%。2020年10月，霍尼韋爾公司又收購了燃料電池制造商巴拉德公司的無人系統(tǒng)關鍵知識產(chǎn)權、庫存和設備，包括該公司設計和生產(chǎn)的可為無人機系統(tǒng)供電的儲氫質子交換膜燃料電池系統(tǒng)，并聘用了燃料電池專家團隊，正式涉足燃料電池開發(fā)業(yè)務。

羅羅公司

羅羅公司在2020年6月宣布加入聯(lián)合國零排放行動，公司承諾將在2030年實現(xiàn)自身的凈零排放，并做到以下幾點：發(fā)展業(yè)務與《巴黎協(xié)定》目標保持一致，將全球溫度上升限制在1.5℃以下；利用其技術能力在航空、船舶、鐵路和發(fā)電等領域在2050年實現(xiàn)凈零排放方面發(fā)揮領導作用；繼續(xù)并設法加快實現(xiàn)既定的碳減排目標的進度；繼續(xù)保持在研發(fā)上的投資，以尋求更高效的產(chǎn)品和應對氣候變化挑戰(zhàn)的創(chuàng)新解決方案；發(fā)布明確的路線圖，為2050年實現(xiàn)零凈排放（包括中期里程碑）提供技術途徑。

羅羅將與泰克南公司合作開發(fā)全電動11座通勤飛機P-Volt（來源：羅羅公司）

羅羅公司構想的小型模塊化核反應堆（SMR）

為了協(xié)助整個行業(yè)在2050年實現(xiàn)凈零排放，羅羅公司將重點發(fā)展的關鍵技術包括：提高發(fā)動機效率，與燃料行業(yè)一起大幅提高低碳替代燃料的利用率；建造小型模塊化核電站，可大規(guī)模提供清潔的低碳電力；加速開發(fā)具有顛覆性的新技術和能力以開發(fā)未來的低排放產(chǎn)品，包括開拓飛行電氣化領域；繼續(xù)在鐵路和海運市場中部署混合動力系統(tǒng)，并將這些功能轉換為航空技術；利用微電網(wǎng)解決方案，提供高穩(wěn)定性和備用電源；計劃到2030年，通過使用100%可再生能源，在高價值金屬上率先采用閉環(huán)制造技術，并部署先進的微電網(wǎng)，實現(xiàn)運營和設施的溫室氣體凈零排放。

賽峰集團開式轉子發(fā)動機于2017年在法國伊斯特爾進行地面測試（來源：賽峰集團）

賽峰集團

為研發(fā)探索面向未來的新一代推進解決方案，賽峰集團正在研究超高涵道比發(fā)動機（UHBR），該發(fā)動機屬于傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機構型，但涵道比更高，達到或超過15∶1。風扇模塊的主要部件使用更輕、更堅固的復合材料。在此種類型的構型中，低壓渦輪通過使用先進的3D航空設計和陶瓷基復合材料進行了優(yōu)化。UHBR可將油耗降低5% ～10%，并且可以輕松集成到目前的飛機上，這是賽峰集團面向2025年的動力解決方案。

賽峰集團正在研究開式轉子發(fā)動機，即槳扇發(fā)動機，這是賽峰集團研究和技術工作的戰(zhàn)略重心，也是賽峰集團面向2030年的動力解決方案。賽峰集團堅持認為，開式轉子發(fā)動機是“迄今已知的唯一一種具有兩位數(shù)的燃油減少潛力，同時仍能滿足未來社區(qū)噪聲標準的發(fā)動機構型。”賽峰集團還在研究面向2040—2050年的未來航空動力概念，如分布式推進、混合動力推進和邊界層吸入。和羅羅公司一樣，賽峰集團也致力于研發(fā)可持續(xù)替代燃料，以及發(fā)動機與替代燃料的兼容。

除了在動力系統(tǒng)開展各種探索研究，在非動力系統(tǒng)領域，賽峰集團也在拓展近幾十年已經(jīng)開始的工作，用更緊湊、可靠和靈活的電動裝置取代傳統(tǒng)的液壓和氣動系統(tǒng)，既是順應航空電氣化的發(fā)展潮流，也是公司可持續(xù)航空發(fā)展的戰(zhàn)略布局。

MTU公司關注氫燃料電池技術（來源：MTU公司）

MTU公司

MTU公司對自己的定位是著眼于確保在未來天空中取得進一步進展的所有可能性。公司對航空未來可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略措施主要包括以下幾個方面：繼續(xù)發(fā)展燃氣渦輪發(fā)動機；研發(fā)下一代發(fā)動機的創(chuàng)新技術、2050年及以后的革命性技術；關注可持續(xù)航空燃料，特別是氫燃料。

MTU公司堅持認為，作為一個概念，燃氣渦輪發(fā)動機將繼續(xù)在較長時期內(nèi)占據(jù)主導地位。未來燃氣渦輪發(fā)動機在飛機上主要有兩種可能應用：一種是作為效率提升的、更綠色環(huán)保的主發(fā)動機；另一種是作為低排放混合電推進系統(tǒng)的源動機。只要它們的引入被證明是有益的，MTU公司將繼續(xù)發(fā)展燃氣渦輪發(fā)動機。

針對下一代發(fā)動機的技術創(chuàng)新，MTU公司正在研究替代傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機的概念，從混合電推進系統(tǒng)到燃料電池都加以關注并嘗試。MTU公司已經(jīng)參與了普惠公司齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機的開發(fā)，并認為第二代GTF發(fā)動機仍具有很大的發(fā)展?jié)摿?。如果進一步優(yōu)化，它將進一步減少排放，并將于21世紀30年代中期投入運營。

對2050年及以后的革命性技術，MTU公司在嘗試對比不同的發(fā)動機方案：第一種是將傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機的核心機用活塞發(fā)動機代替，構成復合循環(huán)發(fā)動機，這將顯著提高發(fā)動機效率；第二種是水增強渦扇發(fā)動機（water-enhanced turbofan），這種渦扇發(fā)動機是要將水蒸氣注入燃燒室，基本原理是將水在發(fā)動機的熱交換器中蒸發(fā)成水蒸氣，而熱交換器的熱量來自發(fā)動機余熱，這種發(fā)動機也可以顯著提高發(fā)動機效率。2020年10月，MTU公司又特別提及“正在專注發(fā)展水增強渦扇發(fā)動機，此概念可以降低15%的燃油消耗，并大大降低污染物，特別是NOx的排放。

對可持續(xù)航空燃料，MTU公司特別青睞氫燃料。MTU公司首席運營官拉爾斯?瓦格納表示：“氫對我們來說是一個極具吸引力的未來選擇，它應該馬上被用作燃料”。氫燃料有3種可能的用途：一是將氫轉化為可持續(xù)航空燃料；二是將氫氣作為燃料直接燃燒，當然發(fā)動機需要進行適應性設計，特別是燃燒室；三是氫燃料電池。針對這3種途徑，MTU公司表示“從長遠來看，MTU公司應選用第三種使用氫的方法”。

可持續(xù)航空的解決途徑和未來挑戰(zhàn)

實現(xiàn)凈零排放需要提高燃料效率和減少碳排放。從上述一些企業(yè)針對凈零排放采取的解決措施可以看到，為了實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》約定的減排目標，世界航空業(yè)正在努力追求航空技術大幅突破，甚至顛覆性突破。雖然所采取的路徑千差萬別，但就技術途徑而言，最終都可以歸結為提高燃料效率和減少碳排放兩大途徑。

航空運輸行動小組（ATAG）于2020年9月發(fā)布了全球航空業(yè)應對氣候變化的《2050路線圖》（The Waypoint 2050），分析了全球航空業(yè)應對氣候挑戰(zhàn)可能采取的技術創(chuàng)新，主要包括飛機和推進系統(tǒng)兩大方面，針對提高燃料效率和減少排放這兩大途徑，提出了5種未來技術方案，這也是目前主要研究機構和企業(yè)正在研究的技術方案：現(xiàn)役或即將服役飛機使用傳統(tǒng)燃料或可持續(xù)航空燃料；進化技術（2035年前下一代飛機最有前景的技術），沿用傳統(tǒng)的飛機結構，只在一些技術點上進行改進，例如，GTF發(fā)動機、高增壓比發(fā)動機、超高涵道比發(fā)動機、使用輕質復合材料、主動減載、結構健康監(jiān)測、機載燃料電池和先進電傳飛控系統(tǒng)等，使用傳統(tǒng)燃料或可持續(xù)航空燃料；機體革命，飛行構型配置的革命，包括翼身融合、桁架支撐機翼、盒式機翼等，使用傳統(tǒng)燃料或可持續(xù)航空燃料；推進系統(tǒng)革命，如電推進、混合電推進、氫能、開式轉子發(fā)動機等，預計2035—2040年可用于100座以下使用電池系統(tǒng)的飛機和使用混合動力系統(tǒng)的大型飛機；激進技術，實現(xiàn)100 ～200座的窄體飛機的零排放，存在巨大挑戰(zhàn)，包括認證測試困難、航空公司態(tài)度謹慎、更高的基礎設施要求、成本以及公眾信任等。此外，需重點關注電動飛機和氫能飛機的前景。

實現(xiàn)凈零排放不僅僅是技術問題，更是政府管理和全球協(xié)作問題。各國政府應在做出減排承諾的同時加大對綠色航空、清潔能源等相關領域技術發(fā)展的投資力度，制定更加廣泛的節(jié)能減排政策和措施，將重點從減少碳排放擴大到減少氣候變化影響。各國的航空研究機構應促進交流與合作，并在開發(fā)各種創(chuàng)新技術概念時，充分考慮航空公司和乘客的現(xiàn)實需求，將創(chuàng)新技術建立在能以較低成本滿足需求的基礎上。此外，航空公司、維修服務商、航空旅客也需根據(jù)各國實際情況全方位踐行低碳、零碳理念。

特別值得一提的是，即便全球航空業(yè)如此不遺余力地追求實現(xiàn)凈零排放目標，也未必一定能實現(xiàn)。根據(jù)ATAG的判斷，至少在2060年之前，如果不主要依靠碳中和措施，全球航空工業(yè)的凈零排放幾乎是不可能實現(xiàn)的。ATAG發(fā)布的《2050路線圖》中的凈零排放目標是：到2050年全球航空業(yè)二氧化碳排放量比2005年減少一半，在此基礎上，2060年左右達到全球凈零排放。

ATAG執(zhí)行董事邁克爾?吉爾表示：“世界上一些地區(qū)有可能更快地實現(xiàn)這一目標”，但就整個航空業(yè)而言，2060年是一個“務實、現(xiàn)實的愿景”，全球航空業(yè)的凈零排放可以在2060年或此后不久實現(xiàn)。要實現(xiàn)全球航空業(yè)2050年減排目標，就需要從石化燃料完全轉型；到2050年，航空運輸業(yè)將需要獲得5億t的可持續(xù)航空燃料，才能實現(xiàn)這一目標，而目前的產(chǎn)量還不到100萬t，為此需要獲得政府支持。

結束語

航空業(yè)必須可持續(xù)發(fā)展已是全球共識。為了確保全球航空業(yè)的持久健康發(fā)展，已經(jīng)并且還將持續(xù)發(fā)布一系列諸如《巴黎協(xié)定》的節(jié)能減排政策和措施，歐洲甚至已經(jīng)發(fā)布了《歐洲氣候法》草案，以確保協(xié)調平衡各國、各行業(yè)的發(fā)展步伐，中國也明確發(fā)布了碳中和目標，承擔起節(jié)能減排的責任。航空業(yè)是節(jié)能減排的關鍵領域，而航空業(yè)的節(jié)能減排目標需要各國的通力合作方能達成，特別是航空制造相關企業(yè)。目前，世界領先的航空發(fā)動機制造商在貫徹可持續(xù)航空發(fā)展理念時采取的各種應對策略和措施，可謂百花齊放、各顯神通，但都結合了自身的特點和技術背景，而不是簡單地跟風追隨，這同時也是一條重要啟示。此外，對于可持續(xù)航空發(fā)展眾望所歸的可持續(xù)航空燃料，未來將是航空業(yè)面臨的關鍵挑戰(zhàn)之一，并已經(jīng)引起各國政府的關注。例如，2020 年法國宣布計劃到2025 年用可持續(xù)航空燃料取代2%的石化燃料，到2030 年提高到5%，到2050 年提高到50%。