零排放航空的技術途徑淺析

■ 王妙香 / 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心

在2020 年11 月召開的國際航空研究理事會（IFAR）第11 屆全球峰會上，中國航空研究院（CAE）、德國航空航天中心（DLR）、法國航空航天實驗室（ONERA）、俄羅斯中央空氣流體動力學研究院（TsAGI）等13 個國家航空研究機構聯(lián)合發(fā)布了《零排放航空（ZEMA）宣言》，承諾將針對綠色航空的關鍵領域（如電動飛機、城市空運、飛行路徑優(yōu)化等）開展研究，為減少航空碳排放、達成聯(lián)合國《巴黎協(xié)定》目標做出貢獻。

為了使航空業(yè)真正實現(xiàn)“脫碳”(decarbonization)，對 飛機進行常規(guī)的技術改進已不能滿足要求，目前業(yè)界正致力于發(fā)展顛覆性的技術和方法以大幅降低飛機的排放?？沙掷m(xù)航空燃料（SAF）、革命性推進技術和新型飛機氣動布局及推進方案對航空脫碳的潛力巨大，此外，飛行航線、地面流程和基礎設施等的改進也會起到一定作用。

可持續(xù)航空燃料

相比傳統(tǒng)石化燃料，可持續(xù)航空燃料在其全生命周期內，可減少高達80%的二氧化碳排放量。航空運輸行動小組（ATAG）在2020年11月舉行的全球可持續(xù)航空論壇上表示，有必要擴大和加速SAF的生產，這是實現(xiàn)脫碳目標（到2050年將航空業(yè)的碳排放量減少到2005年的50%）的唯一的中短期選擇。SAF使用便捷靈活，無須改裝發(fā)動機，且可與傳統(tǒng)的航空煤油混合使用。

波音公司認為，包括生物燃料在內的可持續(xù)航空燃料，是航空業(yè)實現(xiàn)國際民航組織（ICAO）的碳減排目標的主要手段，波音公司于2021年1月22日宣布，在2030年之前交付可使用100%可持續(xù)航空燃料的飛機，以實現(xiàn)航空業(yè)2050年的減排目標。波音公司同時也宣稱將繼續(xù)研究其他的減少碳排放技術，如混合電推進和氫能動力系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)航空燃料相比，SAF生產成本高，當前尚不具備廣泛應用的競爭力，而且其原料和產量有限，現(xiàn)有的任何一種原料都無法生產出足夠數(shù)量的SAF。全球燃料生產商面臨艱巨的任務，除了投資基礎設施，還需尋找更多的原材料。各國政府也需要在多方面發(fā)揮作用，縮小SAF和航空煤油之間的價格差距，提供財政支持開展基礎設施建設。

波音公司為飛機加注生物燃料

革命性推進技術

就當前的研究成果來看，除了SAF外，電能、氫能在零排放航空中的潛力巨大。

從動力系統(tǒng)方面考慮，實現(xiàn)零排放的可行的推進技術包括全電動、渦輪電推進、氫燃料發(fā)動機和燃料電池等。

電推進技術是目前確認的不會在飛行中產生排放的替代方案。由電池、控制器和電機組成的驅動系統(tǒng)架構具有高效率、零污染、結構簡單和易維護等優(yōu)點，是航空業(yè)實現(xiàn)零排放的動力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。但由于電池的能量密度低，限制了當前全電動飛機的尺寸和航程，僅適用于短距離飛行和垂直起降，如城市空中交通運輸。

渦輪電推進系統(tǒng)可以通過內燃機來補償電池能量密度較低的缺陷，增加飛機航程，為飛機和推進系統(tǒng)設計帶來了新的自由度。將渦輪混合動力推進系統(tǒng)與替代燃料相結合，在地面機場可通過電池電力運行實現(xiàn)零排放，在巡航時至少可以實現(xiàn)碳中和運行。對整個飛機而言，由于電纜、電力電子設備和電池的額外質量以及系統(tǒng)冷卻的需求，混合電推進飛機比傳統(tǒng)渦輪飛機更復雜且質量更大，需要采用模塊化、多功能和集成化的結構，實現(xiàn)飛機整體效率的提高。

對于采用氫能實現(xiàn)航空零排放的推進技術而言，氫燃料電池是實現(xiàn)航空零排放的可行途徑，也是短期內實現(xiàn)氫能在航空領域應用的最有效途徑。例如，美國初創(chuàng)公司ZeroAvia基于派珀M350飛機改裝的氫燃料電池飛機于2020年9月首飛成功。另外，在燃氣渦輪發(fā)動機中直接燃燒氫，或者氫與二氧化碳結合生產合成燃料也是氫能在航空中可采用的方式。歐盟發(fā)布的《氫動力航空》報告稱，對于通勤和支線飛機來說，氫燃料電池是最節(jié)能、最環(huán)保和最經濟的選擇；對于短途飛機，混合推進方式（采用氫燃料發(fā)動機和氫燃料電池）可能最合適；中遠程飛機采用氫燃料發(fā)動機技術上可行，但成本會更高。氫具有較高的能量密度，相較于傳統(tǒng)鋰電池可維持更遠的航程，并可以配合高效率、低噪聲、低維護成本的電傳動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)零排放飛行，但會造成系統(tǒng)總質量的增加；此外，氫燃料電池還會產生大量的熱，必須對其進行冷卻，因此氫燃料電池應用于航空領域還需進一步提高其功率密度、減輕系統(tǒng)質量、優(yōu)化氫燃料電池與輔助設備的集成等。

雷神技術公司于2021年1月11日宣布，擬研發(fā)以液態(tài)氨作為燃料和冷卻劑的渦輪電推進系統(tǒng)。一方面，液態(tài)氨易于吸熱、不留殘渣，可作為航空發(fā)動機冷卻劑使用。另一方面，液態(tài)氨可在-33℃以下儲存，在催化劑的作用下可分解為氮氣和氫氣，為飛機提供動力，且不產生任何碳排放，用氨作為燃料可以解決飛機攜帶氫燃料所面臨的挑戰(zhàn)。

氨動力飛行原理示意

新型氣動布局技術

新的推進技術為飛機設計帶來了優(yōu)勢，但同時也帶來了額外的質量、系統(tǒng)復雜性和成本高等缺點，因此需要進行飛機機體及推進系統(tǒng)的有效集成，特別是阻力的最小化設計，這也是實現(xiàn)零排放飛行的關鍵技術之一，具體表現(xiàn)在飛機氣動布局型式上，主要有分布式布局、邊界層抽吸布局以及更具顛覆性的翼身融合布局等。

分布式布局體現(xiàn)了飛機設計從單一動力研究到飛機總體、動力、機電等技術集成研究的變化，很有可能成為航空業(yè)革命性的轉折，為科技發(fā)展提供新的方向。例如，德國航空航天中心（DLR）研究的分布式電推進支線飛機方案：沿機翼前緣分布的一系列小型螺旋槳有助于增加飛機升力，從而減小機翼面積、減輕飛機質量、降低阻力、減小所需的推進功率。此外，多個推進器可通過冗余設計提高推進系統(tǒng)可靠性和安全性，減少控制面。

邊界層抽吸布局在常規(guī)飛機的尾部安裝嵌入式風扇，為機身尾跡注入能量，延緩機身的氣流分離，降低飛機阻力。例如，DLR設計的一款尾部帶有電推進裝置的中程飛機，機翼下方的發(fā)動機產生推力，同時還向飛機尾部的風扇提供電力，尾部風扇對飛機進行邊界層抽吸，從而提高飛機的氣動效率。美國國家航空航天局（NASA）提出的單通道渦輪電推進飛機(STARC)概念方案，也采用尾部邊界層抽吸技術。

為了推進航空業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，減少飛機飛行阻力進而降低飛機油耗是最直接的方式之一，翼身融合布局不失為一款極具潛力及可行性的選擇?？湛凸居?020年9月公布的3型零排放商用客機概念方案，其中之一采用了翼身融合布局，并以液態(tài)氫作為主要燃料。該方案集成了翼身融合與分布式推進系統(tǒng)的優(yōu)點，其超寬的機體為氫燃料的儲存、配送以及客艙布局提供了多種選擇。

DLR研究的分布式電推進支線飛機

NASA采用尾部邊界層抽吸的渦輪電推進飛機

空客公司公布的翼身融合客機概念

其他措施

為了使航空生態(tài)足跡降至最低，不僅僅需要改進動力裝置，在飛行航線、地面流程和基礎設施等方面也必須適應新的挑戰(zhàn)。

一是選擇氣候友好型飛行路線，通過避開排放影響最大的氣候敏感區(qū)域來減少航空運輸對氣候的影響。大氣中臭氧和甲烷濃度的變化以及尾跡云的形成是導致全球變暖的原因之一，很大程度上取決于飛行高度以及排放的地理位置和時間，通?？梢酝ㄟ^降低飛行高度來減少氮氧化物對臭氧層的破壞，這在空中交通管制層面仍面臨一定技術挑戰(zhàn)，同時還需要對飛機進行適當?shù)脑O計改進。

二是采取新的地面流程支持新型飛機推進系統(tǒng)，減少航空運輸對環(huán)境的影響。例如，在盡量短的時間內加注氫燃料或為電池充電，使飛機的停場時間盡可能短，或者為電動飛機更換電池，面臨的挑戰(zhàn)之一是如何確保這些過程的安全性和經濟性。

此外，為了運行新型飛機，必須在早期確定并考慮到基礎設施的建設。同時，機場的地面交通也可以通過實現(xiàn)電氣化減少排放。

政策支持

實現(xiàn)航空零排放，不但需要技術研發(fā)的支持，也離不開政策的支持。

2020年6月9日，法國政府宣布將為民用航空制造業(yè)提供80億歐元的救助計劃，從中專門劃撥15億歐元（部分來自歐盟委員會經濟刺激計劃）用于為期3年的氫動力客機研發(fā)項目，要求主制造商開發(fā)一款氫動力窄體客機，實現(xiàn)二氧化碳零排放，并計劃在2033—2035年投入商業(yè)運營。

德國政府也為 “國家氫能戰(zhàn)略”投入70億歐元，該戰(zhàn)略將支持在飛機推進和混合動力飛行中使用氫能。

2020 年6 月30 日，英國首相約翰遜提出了“零排放噴氣機”（Jet Zero）的口號，號召英國航空業(yè)研制世界首架“零排放”遠程客機，并承諾英國政府將支持諸如此類的高風險、高回報創(chuàng)新項目。2020年7月，英國政府負責商業(yè)能源和工業(yè)戰(zhàn)略（BEIS）的內閣大臣夏爾馬宣布啟動為期12個月的零排放航空技術及市場可行性研究，項目名稱為“零排放飛行”（FlyZero），英國政府為此將投資1500萬英鎊。

啟示與建議

綜合各大研究機構、企業(yè)對零排放航空的研究及對相關發(fā)展趨勢的判斷，筆者認為上述內容對我國實現(xiàn)航空零排放的技術發(fā)展有如下幾點啟示。

一是制定零排放航空路線圖。面對航空業(yè)脫碳的挑戰(zhàn)和緊迫性，制定系統(tǒng)性的戰(zhàn)略和清晰的綠色航空路線圖非常必要?？湛凸窘涍^研究，認為氫能是實現(xiàn)航空運輸零排放的最快途徑，將研究重心轉向氫動力飛機，并制定了發(fā)展路線圖；波音公司也對氫能航空進行研究，認為氫能還存在技術不確定性和監(jiān)管障礙，短期內氫動力客機難以投入使用，并面臨巨大挑戰(zhàn)。我國在2020年9月30日的聯(lián)合國生物多樣性峰會上宣布碳中和目標。從目前發(fā)展看，航空業(yè)在實現(xiàn)碳中和方面非常關鍵且大有可為，大力發(fā)展綠色航空技術不僅非常有利于實現(xiàn)減排目標，促進零排放航空的早日實現(xiàn)，還能帶動航空技術系統(tǒng)性創(chuàng)新和改進。為盡快實現(xiàn)我國的綠色航空目標，建議盡快制定相應路線圖，加速相關技術研究。

二是加快氫動力航空技術的探索和研究。氫能推進技術的應用潛力令人鼓舞，研究和創(chuàng)新對于實現(xiàn)氫技術在航空脫碳中的潛力至關重要，歐美等國已對氫能飛機技術開展多方面的研究。國內也開展了相關研究，并在部分領域處于領先地位，為繼續(xù)發(fā)揮我們的優(yōu)勢，建議政府部門加強組織，系統(tǒng)性地規(guī)劃研究氫能推進飛機的設計技術、燃料供應鏈技術、基礎設施開發(fā)等，科學規(guī)劃氫能在航空業(yè)的應用并突破各項關鍵技術。一方面加強氫能和飛機機體的集成技術研究，另一方面加強輕質安全的液氫容器、機載液氫配送組件和系統(tǒng)、氫燃料發(fā)動機、氫燃料電池系統(tǒng)等技術的開發(fā)和審定，開展氫能源飛機原型概念驗證，形成核心自主創(chuàng)新成果，夯實技術基礎。

三是加快新型飛機氣動布局的探索和研究。為充分發(fā)揮新能源推進技術的優(yōu)勢，針對機體和推進系統(tǒng)的有效集成，開展創(chuàng)新性氣動布局研究，提高飛機的整體效率。目前，我國所開展的相關研究，在廣度、深度和系統(tǒng)性方面，距離工程應用還有一定差距。建議政府部門加強組織，并由國家研究機構牽頭，針對新型氣動布局等前沿技術開展系統(tǒng)性規(guī)劃研究，并注重研究成果的可持續(xù)性和繼承性。

四是加強飛機全生命周期評估基礎技術研究。隨著新能源及推進系統(tǒng)與飛機機體的集成設計，飛機在綜合優(yōu)化、氣動、結構、電氣特性、能量管理等方面需要新的計算、分析、建模與仿真等工具支撐，也需要諸如全機能量管理綜合試驗、變體結構試驗、電推進系統(tǒng)試驗等全新的試驗能力，先期或同步建成民機研制工具體系，支撐關鍵技術更快更好突破，形成創(chuàng)新且自主可控的民機發(fā)展能力。建議加大基礎技術及工具體系的論證、研究和建設力度，逐漸建成獨立自主的科研生產能力。