碳中和目標(biāo)下航空能源轉(zhuǎn)型研究

摘要：應(yīng)對(duì)氣候變化“巴黎協(xié)定”代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，是人類走向低碳社會(huì)的必然需求。碳中和下，航空能源轉(zhuǎn)型技術(shù)是新一代飛機(jī)迫切需要研究的核心技術(shù)之一。新一代飛機(jī)正向更低碳、更高效、更智能、更環(huán)保的目標(biāo)發(fā)展，飛機(jī)能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型正是滿足這些新要求的重要支撐。本文根據(jù)國(guó)外航空新能源系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合自己的分析與思考，從新一代飛機(jī)在碳中和目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型的理念出發(fā)，介紹低碳的能源技術(shù)，航空實(shí)現(xiàn)低碳能源目標(biāo)和需求，航空能源轉(zhuǎn)型路線圖、措施和技術(shù)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)低碳的思路，并指出要突破的關(guān)鍵技術(shù)，為新一代低碳航空的研究設(shè)計(jì)和未來發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：碳中和；低碳能源技術(shù)；低碳推進(jìn)技術(shù)；氫燃料；電動(dòng)航空；航空能源轉(zhuǎn)型

中圖分類號(hào)：V11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.001

應(yīng)對(duì)氣候變化的“巴黎協(xié)定”代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，是人類走向低碳社會(huì)的必然需求，我國(guó)提出了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的奮斗目標(biāo)。碳中和的目標(biāo)已經(jīng)成為我國(guó)綠色發(fā)展的堅(jiān)定方向。

航空工業(yè)和國(guó)家其他交通運(yùn)輸行業(yè)一樣，是國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的核心。為了解決航空工業(yè)污染排放嚴(yán)重、噪聲大和能源轉(zhuǎn)換效率低的問題，需要航空工業(yè)進(jìn)行持續(xù)性和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，攻克航空工業(yè)低碳發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)的低碳能源轉(zhuǎn)型。本文通過對(duì)航空未來發(fā)展的廣泛分析研究，結(jié)合國(guó)外航空能源低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)發(fā)展，提出新一代低碳條件下航空工業(yè)能源發(fā)展思路，創(chuàng)新性地梳理出了開展低碳航空工業(yè)的5項(xiàng)關(guān)鍵新技術(shù)，為航空新技術(shù)產(chǎn)生的新的航空市場(chǎng)領(lǐng)域和航空工業(yè)綠色低碳發(fā)展進(jìn)步做出自己的努力[1-3]。

1碳中和定義、地位和作用

碳排放是指人類生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)過程中向外界排放溫室氣體（二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等）的過程。其中，碳排放是目前被認(rèn)為導(dǎo)致全球變暖的主要原因之一。

碳匯是指從空氣中清除二氧化碳的過程、活動(dòng)、機(jī)制，主要是指森林吸收并儲(chǔ)存二氧化碳的多少，或者說是森林吸收并儲(chǔ)存二氧化碳的能力。碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，被自然過程和人為作用所吸收，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“凈零排放”。

2019年，全球碳排放量為401億噸二氧化碳，其中86%源于自化石燃料的利用，14%由土地利用變化產(chǎn)生。這些排放量最終被陸地碳匯吸收31%，被海洋碳匯吸收23%，剩余46%滯留于大氣中。碳中和就是要想辦法把原本將會(huì)滯留在大氣中的二氧化碳排放量減下來或吸收掉。

碳中和的過程將會(huì)引起經(jīng)濟(jì)社會(huì)的大轉(zhuǎn)型，引起能源系統(tǒng)的大變革，促使交通運(yùn)輸領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新，進(jìn)而使航空工業(yè)發(fā)生顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。碳中和的過程既是挑戰(zhàn)又是機(jī)遇，革命性的創(chuàng)新將會(huì)在此過程中得到充分體現(xiàn)，是我國(guó)在競(jìng)爭(zhēng)中取得勝利的關(guān)鍵。

2低碳能源技術(shù)

低碳能源技術(shù)是從能源轉(zhuǎn)換普遍形態(tài)熱能開始，先從熱能做功，利用和工作溫度關(guān)系，找出高效能源利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低碳方向。下面對(duì)超燃燒和超時(shí)空利用兩大方向和低碳轉(zhuǎn)換的氫能做重點(diǎn)介紹。

2.1熱能的做功利用和工作溫度的關(guān)系

化石能源一旦轉(zhuǎn)換成熱能，就能按照需求轉(zhuǎn)換成動(dòng)力或者蒸汽等各種形態(tài)的能源，以便人們使用，所有這些技術(shù)不僅對(duì)工業(yè)生產(chǎn)極為重要，而且也是支撐日常生活的基礎(chǔ)。

熱能是燃料的化學(xué)能經(jīng)過氧化燃燒反應(yīng)被釋放出來，過程遵循熱力學(xué)第一、第二定律，可通過各種方法將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥茉?。從有效能的觀點(diǎn)分析可以看出，盡可能從高溫狀態(tài)開始進(jìn)行階梯級(jí)利用，提高能源的綜合利用效率，如圖1所示。

能量的階梯級(jí)或循環(huán)利用是熱能利用的根本，為了實(shí)現(xiàn)有效能損失最小，需要繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，攻克能量有效利用核心技術(shù)的難關(guān)。

2.2能源高效利用的發(fā)展方向

超燃燒的系統(tǒng)技術(shù)和超時(shí)空能源利用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源高效、低碳利用的發(fā)展方向，也是能源高效利用、實(shí)現(xiàn)低碳的核心技術(shù)。燃料電池技術(shù)就是通過非燃燒過程從原理上控制了以往燃燒過程產(chǎn)生的有效能的損失，可以說是一種“超燃燒技術(shù)”，氫燃料電池是其最典型的代表。能源是在“需要的時(shí)候”以“必要的質(zhì)量”按“必要的數(shù)量”在“需要的場(chǎng)合”進(jìn)行利用?？梢哉f，這就是一種“超時(shí)空技術(shù)”。

由于能源利用有這樣的特點(diǎn)，電能在這點(diǎn)上就非常具有優(yōu)越性，它便于生成和傳輸，使用者只需要和插座等系統(tǒng)鏈接，就可以獲得高品質(zhì)的電能。電能是發(fā)電后需要立即消費(fèi)的能源，電能的儲(chǔ)存也就是蓄電很困難，這幾年電動(dòng)汽車、移動(dòng)設(shè)備用鋰離子電池等高性能蓄電方面取得非常大的進(jìn)展，但這些基本的應(yīng)用都是在遠(yuǎn)離基礎(chǔ)設(shè)施的離線場(chǎng)所（離開電網(wǎng)）使用。燃料在單位體積或質(zhì)量?jī)?nèi)儲(chǔ)存大量的化學(xué)能，但它在品質(zhì)和易使用方面遠(yuǎn)不如電能，經(jīng)過高溫燃燒等過程，可以作為車輛、輪船或者飛行器等移動(dòng)體的動(dòng)力來源。在燃料燃燒的過程中，完成做功或獲得熱量后，會(huì)有大量的剩余熱量作為廢熱排放到大氣中，造成對(duì)環(huán)境的空氣污染。為了進(jìn)一步減小污染，需要推進(jìn)能量階梯或者超循環(huán)利用技術(shù)。

提高能源的利用效率是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的根本，要在提高設(shè)備轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)提高廢棄能源的質(zhì)和量及產(chǎn)生場(chǎng)所的利用，來滿足用戶的需求。因此，要消除能源供需間的質(zhì)、量、時(shí)間、地點(diǎn)的不協(xié)調(diào)，就需要加大力度開發(fā)“超時(shí)空能源利用技術(shù)（能源接口技術(shù)）”。

2.3超時(shí)空的熱能利用

能源的超時(shí)空利用技術(shù)就是消除能源供需間質(zhì)、量、時(shí)間、地點(diǎn)不協(xié)調(diào)的核心關(guān)鍵技術(shù)，在能源利用過程中，電能和熱能這兩種能源形態(tài)不可或缺。如果能源能夠自由地高密度輸送、存儲(chǔ)，按照希望的品質(zhì)進(jìn)行利用，從一次能源加工轉(zhuǎn)換到能源的最終利用，所有階段都應(yīng)該提高能源的利用效率。在不同能源形態(tài)相互供給的場(chǎng)合也要注意效率的提高。

電能中實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的就是電池，電池種類繁多，存儲(chǔ)的能量密度也相差很大、不完全相同，但它實(shí)現(xiàn)了超時(shí)空電能利用。在熱能領(lǐng)域，這種開發(fā)比較緩慢，熱能的階段利用就是適合超時(shí)空利用技術(shù)，把熱能“加工”成其他形態(tài)的能源，轉(zhuǎn)變成易于儲(chǔ)存或運(yùn)輸?shù)哪茉?，進(jìn)而促進(jìn)熱能超時(shí)空利用。

蓄熱技術(shù)也是熱能超時(shí)空利用技術(shù)之一，雖然蓄熱也依賴于能源的存在形態(tài)，但廢熱的能量密度低，將廢熱變換成潛熱，形成高密度的能源形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存和輸送，消除能源在時(shí)間和空間上的不協(xié)調(diào)問題。蓄熱技術(shù)的用途和未來目標(biāo)如圖2所示。

2.4能量循環(huán)與超燃燒

上述改善熱效率的關(guān)鍵技術(shù)就是熱能的階梯級(jí)利用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，熱能大部分用來加熱，而在此過程中用以反應(yīng)、燒成等制作的被有效利用的熱能到底有多少？在加熱操作的過程中，要求溫度保持在使反應(yīng)過程等能夠發(fā)生的溫度以上，同時(shí)伴有吸熱的場(chǎng)合供給其所需的熱量。這實(shí)際上沒有消費(fèi)用以保持溫度的熱能，而是利用了系統(tǒng)外的廢熱，僅采用熱泵將其壓縮升溫后提供給系統(tǒng)。這就是能量循環(huán)和超燃燒，這項(xiàng)技術(shù)要想在高溫等條件下應(yīng)用，還需要進(jìn)行創(chuàng)新研究開發(fā)。

2.5低碳轉(zhuǎn)換的氫能

2.5.1為什么是氫能

氫能與汽油、電能一樣，都是能源的載體。使用各種一次能源，可從多種原料中采用各種方法制造得到氫能，氫能還可以與同為能源載體的電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。氫能的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

為什么是氫能，因?yàn)闅淠苡幸韵绿匦浴?/p>

（1）作為能源的載體

能源載體不需要制造場(chǎng)所與利用場(chǎng)所相同，因此制造的能源需要儲(chǔ)存和輸送。氫能是化學(xué)能，能夠以各種形態(tài)儲(chǔ)存、輸送，便于利用。

（2）實(shí)現(xiàn)了低碳

氫能作為能源利用（燃燒）的結(jié)果，只生成水，可以構(gòu)成無碳的能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排計(jì)劃。

（3）有效能利用

能源消費(fèi)時(shí)用以實(shí)際做功的能量叫作有效能，有效利用能源就是要減少有效能的損失。而轉(zhuǎn)換成氫能的能源利用，既能減少有效能損失，又能用有效能比例低的熱能經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成，可以提高有效能的比例，實(shí)現(xiàn)有效能的有效利用。

（4）能源安全供給

能源的安全供給是非常重要的，由于氫能系統(tǒng)可以不依賴于化石燃料。因此，安全性方面非常值得期待。

2.5.2氫能的用途

氫能作為能源的主要用途仍然是用作燃料電池的燃料，這也是目前氫能的最大用途。氫燃料電池可以用作汽車、飛機(jī)、輪船的動(dòng)力，也可以用作發(fā)電，提高發(fā)電效率。

2.5.3如何制造氫能

（1）生物質(zhì)能制氫

生物質(zhì)能可以固化大氣中CO2，是具有碳中立特性的可再生資源，將生物能轉(zhuǎn)換成氫能利用，是非常重要的技術(shù)。生物能轉(zhuǎn)換成氫能的代表方法是汽化的方法。

（2）水電解制氫

水制氫方法中具有代表性的方法是水電解制氫。主流的電解技術(shù)是以NaOH、KOH為電解質(zhì)，采用堿性水溶液進(jìn)行電解的堿性電解法。

（3）水的熱化學(xué)循環(huán)分解法

水的熱化學(xué)循環(huán)分解法是由多個(gè)化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成循環(huán)，將外部熱能作為一次能源供給進(jìn)行水分解的反應(yīng)過程。

（4）核能的離峰電力電解制氫

由于核能設(shè)備利用率非常高，不但在電力系統(tǒng)消費(fèi)高峰期或者中間期能夠持續(xù)提供電力，而且在非高峰期也能持續(xù)提供電力，即離峰電力。因此，用離峰電力電解制氫是一個(gè)非常好的選擇。

2.5.4氫能的未來

氫能在低碳能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中將起到非常重要的作用，是重要的能源載體。要提高能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的目標(biāo)，就必須在繼續(xù)開展節(jié)能的同時(shí)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新及引入相應(yīng)的創(chuàng)新體系。燃料的氫能化、熱能階梯級(jí)利用和循環(huán)利用，會(huì)形成一個(gè)嶄新未來[4]。

3航空能源實(shí)現(xiàn)低碳的需求和目標(biāo)

在應(yīng)對(duì)地球溫暖的對(duì)策中，航空能源實(shí)現(xiàn)低碳也是一項(xiàng)非常重要的發(fā)展目標(biāo)，也對(duì)航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳提出強(qiáng)烈迫切需求。根據(jù)日本科學(xué)家松橋和森口在交通領(lǐng)域提出的CO2排放量的因素分解模型，可以得出航空領(lǐng)域的CO2排放量因素分解模型：

從上述模型可以看出，要降低航空領(lǐng)域的CO2排放量，和這5個(gè)方面的因素密切相關(guān)，但從航空工業(yè)的角度，只對(duì)航空模型的后兩項(xiàng)進(jìn)行分析。

（1）CO2排放量/燃料消耗量指標(biāo)的改進(jìn)。要改善CO2排放量/燃料消耗量指標(biāo)，就需要大量的技術(shù)創(chuàng)新?？梢酝ㄟ^采用低碳燃料、采用新技術(shù)、電動(dòng)航空、氫燃料等實(shí)現(xiàn)此指標(biāo)的大幅度改進(jìn)。

（2）燃油消耗量/運(yùn)行架里程指標(biāo)改進(jìn)。要改善燃油消耗量/運(yùn)行架里程指標(biāo)，可以通過改變傳統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新提高效率來實(shí)現(xiàn)，如混合動(dòng)力技術(shù)、自適應(yīng)變循環(huán)技術(shù)、分布式推進(jìn)技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)。

3.1航空CO2的減排目標(biāo)

航空CO2的減排目標(biāo)如圖4所示。從圖4可以看出，國(guó)際航空業(yè)2005年的CO2排放量到2050年要減少一半。要實(shí)現(xiàn)這一的目標(biāo)，只有靠不斷的新技術(shù)創(chuàng)新，這對(duì)航空業(yè)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，會(huì)促進(jìn)整個(gè)航空工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

近年來，航空各種新技術(shù)得到了快速發(fā)展，根據(jù)美國(guó)環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，包括航空在內(nèi)的所有運(yùn)輸系統(tǒng)，占全球人類溫室氣體排放的1/4；根據(jù)國(guó)際運(yùn)輸協(xié)會(huì)的預(yù)計(jì)，到2025年乘坐客機(jī)旅行的需求量將翻一番。為了減少二氧化碳和其他污染物的排放，實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)運(yùn)行，國(guó)際社會(huì)亟須航空業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，大量使用污染少、高效率的新型能源。汽車工業(yè)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車時(shí)代，使其對(duì)環(huán)境污染排放大大降低，這為航空工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向。

3.2 4種航空能源零排放優(yōu)缺點(diǎn)比較

航空能源轉(zhuǎn)型是向著零排放的目標(biāo)前進(jìn)，4種航空零排放方案（生物/合成燃料、氫能內(nèi)燃機(jī)、氫燃料電池和電池電能）的優(yōu)缺點(diǎn)比較如圖5所示。從圖5可以看出，不同的方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)航空能源轉(zhuǎn)型采用哪一個(gè)方案，應(yīng)該根據(jù)航空的不同應(yīng)用特點(diǎn)來選擇，大飛機(jī)和小飛機(jī)的目標(biāo)、商用飛機(jī)和軍用飛機(jī)的目標(biāo)都各不不同。因此，各自選取的方案也不同，只有適合不同飛機(jī)的方案才是最好的解決方案[5-8]。

4航空能源實(shí)現(xiàn)低碳面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

航空業(yè)實(shí)現(xiàn)能源低碳的奮斗目標(biāo)已經(jīng)明確，要實(shí)現(xiàn)航空業(yè)這一非常嚴(yán)峻且具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，就需要制定具體的實(shí)現(xiàn)路徑和詳細(xì)技術(shù)創(chuàng)新措施。

4.1航空業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳的路線圖

航空業(yè)要實(shí)現(xiàn)低碳減排，就要根據(jù)現(xiàn)有的航空業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)，制定出未來發(fā)展的路線圖，以空客公司的碳中和路線圖來說明，如圖6所示。從圖6可以看出，為了實(shí)現(xiàn)大幅度的減排，確保碳中和的實(shí)現(xiàn)，采用氫能、生物燃料和低碳的動(dòng)力等技術(shù)是碳中和的有效途徑，必須加速多種低碳能源技術(shù)的解決途徑，創(chuàng)新出適合航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳和減排的解決方案。最終能否實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，取決于各種措施可用性、成熟能力和拓展性。

4.2實(shí)現(xiàn)低碳減排的措施

路線圖中氫能源的產(chǎn)生已經(jīng)在低碳能源技術(shù)中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，在此重點(diǎn)介紹一下航空低碳替代燃料需要的步驟和措施。

4.2.1航空替代燃料的特性研究

航空替代燃料也是國(guó)家實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)的重要戰(zhàn)略，航空替代燃料的流程圖如圖7所示。

應(yīng)用替代燃料是實(shí)現(xiàn)低碳減排的一個(gè)重要措施，這里還需要大量的技術(shù)創(chuàng)新，有許多需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)，還有很長(zhǎng)的路要走，才能實(shí)現(xiàn)替代燃料的實(shí)際應(yīng)用。

4.2.2航空低碳推進(jìn)技術(shù)研究

航空工業(yè)要實(shí)現(xiàn)減少排放和能源轉(zhuǎn)型的任務(wù)是非常艱巨的，把圖5減排目標(biāo)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可以得出戰(zhàn)略重點(diǎn)的減排措施，如圖8所示。推力4低碳推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已經(jīng)制定出混合電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展路線圖，采用低碳的混合動(dòng)力技術(shù)是非常有前途的創(chuàng)新性技術(shù)，可以幫助實(shí)現(xiàn)國(guó)家航空環(huán)境和能源效率目標(biāo)。超高效率的飛機(jī)和低碳推進(jìn)技術(shù)緊密相關(guān)，超高效的飛機(jī)所需要的先進(jìn)自適應(yīng)變循環(huán)推進(jìn)動(dòng)力對(duì)低碳推進(jìn)系統(tǒng)也至關(guān)重要。這里作為商用飛機(jī)只討論低碳混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)。

圖9是采用低碳混合動(dòng)力系統(tǒng)路線圖，商用飛機(jī)采用低碳混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：能源使用量減少超過60%；有害氣體排放減少超過90%；噪聲減少超過65%。

要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；高功率密度電機(jī)（發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)）技術(shù)；高能量密度能量?jī)?chǔ)存技術(shù)；電力電子及控制技術(shù)；飛行重量、動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)和模擬試驗(yàn)；飛行測(cè)試的廣闊區(qū)域等。

4.3航空能源低碳化面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

航空要實(shí)現(xiàn)低碳推進(jìn)技術(shù)，主要是混合動(dòng)力推進(jìn)和電力推進(jìn)技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)主要面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)[1，5-8]如圖10所示。

5飛機(jī)實(shí)現(xiàn)低碳推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1飛機(jī)低碳混合動(dòng)力、電力推進(jìn)的技術(shù)

飛機(jī)要實(shí)現(xiàn)低碳化和減排的目標(biāo)，低碳推進(jìn)系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的技術(shù)。針對(duì)飛機(jī)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，世界上正在開展大規(guī)模的研究，準(zhǔn)備應(yīng)用于未來大型商用飛機(jī)，這種推進(jìn)系統(tǒng)正是一種低碳的推進(jìn)系統(tǒng)。飛機(jī)的混合動(dòng)力將燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電系統(tǒng)和電能存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)合在一起，共同推進(jìn)飛機(jī)的渦輪風(fēng)扇或螺旋槳。飛機(jī)推進(jìn)完全依賴于電力推進(jìn)系統(tǒng)，而該系統(tǒng)的電力是由燃料電池、鋰離子電池和超級(jí)電容器系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電能產(chǎn)生的。這種推進(jìn)系統(tǒng)更低碳、更安靜、更環(huán)保，是未來航空推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向。飛機(jī)低碳混合動(dòng)力推進(jìn)發(fā)展路線如圖11所示。

飛機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)可分為并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)和串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)利用電池或燃料電池存儲(chǔ)的電能為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一起同時(shí)產(chǎn)生飛機(jī)推力，電動(dòng)機(jī)是輔助推力，用來補(bǔ)充或替代使用常規(guī)燃料的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的不足。飛機(jī)額外的電能可用于飛機(jī)加速或者在飛機(jī)高功率需求時(shí)的推力補(bǔ)充，它也可以在飛機(jī)的電機(jī)和電池之間實(shí)現(xiàn)雙向功率傳遞。

在串聯(lián)混合動(dòng)力推進(jìn)配置中，渦輪軸或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的能量通過驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力。這種推力可以由一個(gè)或多個(gè)分布式風(fēng)扇提供，而每個(gè)風(fēng)扇都由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電，其直接用于為傳遞推進(jìn)力的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，或者為飛機(jī)的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)（如果基于電池）充電。當(dāng)飛機(jī)需要峰值推進(jìn)功率時(shí)，或者當(dāng)不需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電能將從能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中直接輸送出來。串聯(lián)混合動(dòng)力允許在系統(tǒng)級(jí)別對(duì)飛機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，并以較低的總重量實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的高效運(yùn)行。

5.2飛機(jī)低碳混合動(dòng)力和電動(dòng)化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

從前面飛機(jī)低碳混合動(dòng)力和電動(dòng)化各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行梳理，總結(jié)出5個(gè)主要關(guān)注的核心技術(shù)領(lǐng)域和具體的關(guān)鍵技術(shù)。

5.2.1飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

這里主要是指飛機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及推進(jìn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)為了適應(yīng)低碳、高效和大功率飛機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地減少能量損耗，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的減排目標(biāo)，為飛機(jī)智能化和高水平健康管理和可靠運(yùn)行提供基礎(chǔ)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)仿真技術(shù)；飛機(jī)系統(tǒng)概念、架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)；飛機(jī)分布式推進(jìn)架構(gòu)技術(shù)；飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化技術(shù)；飛機(jī)架構(gòu)的評(píng)價(jià)技術(shù)。飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖12所示。

飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的概念和架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)低碳、減排、高效和能源綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，也是能否實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心。

5.2.2高能量密度能量存儲(chǔ)技術(shù)

飛機(jī)要飛得更遠(yuǎn)，就要在體積小、重量輕的儲(chǔ)能設(shè)備中存儲(chǔ)足夠能量，需要大幅度提高儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存能量密度。儲(chǔ)能設(shè)備本身具有成本低、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但同時(shí)還要提高儲(chǔ)能設(shè)備的充放電效率。其關(guān)鍵技術(shù)包括：能量密度儲(chǔ)存技術(shù)（見圖13）；能量的產(chǎn)生技術(shù)；能量的管理技術(shù)；電能儲(chǔ)存所需要基礎(chǔ)設(shè)施；高能量密度能量?jī)?chǔ)存的基礎(chǔ)材料技術(shù)；快速能量?jī)?chǔ)存和均勻釋放技術(shù)；能量?jī)?chǔ)存和釋放過程熱管理技術(shù)。以鋰離子電池為例，不同材料的鋰離子電池能量密度如圖14所示。

5.2.3高功率密度的電機(jī)（發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)）技術(shù)

飛機(jī)高功重比、高功率密度電機(jī)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)低碳、混動(dòng)和電動(dòng)化的關(guān)鍵，可以產(chǎn)生飛機(jī)飛行或輔助飛行所需的大功率能量，是飛機(jī)前進(jìn)提供推力或者部分推力的發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，許多小電機(jī)也是飛機(jī)飛行操縱動(dòng)力的部件，是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)超高效率飛行技術(shù)的關(guān)鍵。航空高功率密度電機(jī)如圖15所示。其關(guān)鍵技術(shù)包括：高效、高功率密度、大扭矩的電動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)；高效、高功率密度的發(fā)電機(jī)技術(shù)；各種電機(jī)的拓?fù)浼夹g(shù)；超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)；無刷電機(jī)的矢量控制技術(shù)；高效的變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)；各種高效、靈巧的電力作動(dòng)技術(shù)。

高功率密度的電機(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航空能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵，它是低碳、綠色飛行所必須要突破的技術(shù)，隨著民用大型飛機(jī)的強(qiáng)烈需求，高效、大功率超導(dǎo)電機(jī)成為首選，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前還有很多的難關(guān)要攻克。

5.2.4電力電子及控制技術(shù)

要想實(shí)現(xiàn)飛機(jī)低碳推進(jìn)技術(shù)，需要在飛機(jī)上安裝大量能量轉(zhuǎn)換和控制裝置，其電力電子和控制裝置是低碳推進(jìn)飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，電力電子變換及控制裝置是航空能源變換和控制的主要設(shè)備，需要其效率高、損耗小、重量輕、耐高溫和高的功率密度。用于飛機(jī)上的電力變換、飛機(jī)控制和電能調(diào)節(jié)等，向低碳、高效的飛機(jī)提供高質(zhì)量大功率電能源。航空起動(dòng)/發(fā)電電力電子裝置線路圖如圖16所示。其關(guān)鍵技術(shù)包括：電力電子變換技術(shù)；電力系統(tǒng)控制技術(shù)；電磁干擾和諧波抑制技術(shù)；寬禁帶電力電子技術(shù)；電力系統(tǒng)健康管理與監(jiān)控技術(shù)；電力電子裝置的熱分析和散熱技術(shù)；電力電子固態(tài)開關(guān)技術(shù)。

電力電子變換和控制是低碳推進(jìn)的電動(dòng)飛機(jī)的核心，和電動(dòng)汽車發(fā)展一樣，它就是著名的核心關(guān)鍵三電（電機(jī)、電池和電控）之一——電控，它的發(fā)展也決定著飛機(jī)的性能，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)下航空能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[1，5-8]。

5.2.5飛機(jī)和動(dòng)力的模擬與試驗(yàn)技術(shù)

飛機(jī)和動(dòng)力的模擬與試驗(yàn)技術(shù)研究是飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)，世界各國(guó)都在針對(duì)電動(dòng)飛機(jī)、混合動(dòng)力飛機(jī)的試驗(yàn)技術(shù)開展創(chuàng)新性研究。世界上有很多基于低碳推進(jìn)動(dòng)力的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)仿真環(huán)境和試驗(yàn)設(shè)施，這些低碳推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)仿真環(huán)境和試驗(yàn)設(shè)施也在不斷進(jìn)步完善中。其關(guān)鍵技術(shù)包括：低碳推進(jìn)動(dòng)力的模型仿真技術(shù)；低碳推進(jìn)動(dòng)力的試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)；低碳推進(jìn)動(dòng)力的試驗(yàn)方法技術(shù)；飛機(jī)和低碳推進(jìn)動(dòng)力地面模擬技術(shù)；飛機(jī)和低碳推進(jìn)動(dòng)力的集成試驗(yàn)技術(shù)；飛機(jī)和低碳推進(jìn)動(dòng)力飛行包線的模擬試驗(yàn)技術(shù)。

國(guó)外飛機(jī)低碳推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)施（見圖17）已經(jīng)有許多，但對(duì)于低碳電動(dòng)飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的測(cè)試試驗(yàn)設(shè)施剛剛開始研究，目前，航空前沿技術(shù)領(lǐng)域正在開展未來航空運(yùn)輸?shù)母鞣N飛機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的架構(gòu)研究，但是這些新型架構(gòu)的研究在應(yīng)用到飛機(jī)上之前，必須先在地面經(jīng)過各種大規(guī)模和大功率的嚴(yán)格試驗(yàn)和測(cè)試，以排除可能存在的安全問題。

飛機(jī)要實(shí)現(xiàn)低碳高效的綠色發(fā)展目標(biāo)，就要從上述5個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)攻關(guān)，它們是飛機(jī)和低碳推進(jìn)動(dòng)力的核心與關(guān)鍵技術(shù)[3]。

6結(jié)束語

飛機(jī)的低碳化可分為兩大技術(shù)趨勢(shì)：一是飛機(jī)系統(tǒng)逐步朝著超高效率的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低碳減排目標(biāo)，如采用自適應(yīng)變循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)，主要在防務(wù)新領(lǐng)域得到大量的攻關(guān)創(chuàng)新性研究；二是飛機(jī)能源向混合動(dòng)力、電力推進(jìn)的方向前進(jìn)，飛機(jī)也可以采用分布式的布局，最大限度地實(shí)現(xiàn)航空低碳減排目標(biāo)，主要在商用航空領(lǐng)域進(jìn)行大量創(chuàng)新。

在碳中和的目標(biāo)下飛機(jī)能源要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型，朝著低碳、高效的方向發(fā)展，將會(huì)對(duì)未來航空市場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響，也為中國(guó)航空工業(yè)參與世界航空市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)帶來了重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

飛機(jī)低碳化將使飛機(jī)供應(yīng)商體系發(fā)生重大改變，將會(huì)創(chuàng)造出新的航空市場(chǎng)。如果我國(guó)要最大程度地進(jìn)入這個(gè)新的航空市場(chǎng)，則需要在飛機(jī)低碳化技術(shù)上進(jìn)行系統(tǒng)研究，并在技術(shù)上進(jìn)行大量人力和物力投資。

根據(jù)我國(guó)制定的2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，應(yīng)明確制定我國(guó)航空工業(yè)相對(duì)應(yīng)的碳中和目標(biāo)和路線圖，并確定我國(guó)飛機(jī)低碳化技術(shù)的投資計(jì)劃，重點(diǎn)建設(shè)國(guó)家級(jí)高水平飛機(jī)能源轉(zhuǎn)型的集成和測(cè)試平臺(tái)，以支持我國(guó)航空工業(yè)低碳化的技術(shù)集成和測(cè)試，提高我國(guó)航空工業(yè)低碳減排的技術(shù)水平。

飛機(jī)低碳化技術(shù)是未來飛機(jī)的發(fā)展方向，是飛機(jī)減少污染排放、降低噪聲和滿足國(guó)際社會(huì)未來發(fā)展的必由之路，也是我國(guó)承諾2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵推動(dòng)力。相信未來，我國(guó)低碳的航空產(chǎn)業(yè)會(huì)不斷發(fā)展壯大，帶動(dòng)整個(gè)人類社會(huì)朝著綠色、清潔和安全的方向邁進(jìn)。

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Research on the Transformation of Aviation Energy Under the Goal of Carbon Neutrality

Li Kaisheng

AVIC Aerospace System Co.，Ltd.，Beijing 100028，China

Abstract： The Greater Paris Agreement on Climate Change represents the general direction of the global green and low-carbon transformation， is the inevitable demand of mankind to a low-carbon society， and the transformation technology of carbon neutral aviation energy is one of the core technologies that next generation of aircraft urgently needs to study. As the next generation of aircraft moves towards lower carbon， more efficient， smarter and less polluting goals， the transformation of aircraft energy systems is an important support for meeting these new requirements. Based on the development of new energy technology in foreign aviation， combined with their own analysis and thinking， this paper introduces low-carbon energy technology from the concept of energy transformation under the carbon neutrality goals of next generation of aircraft， aviation to achieve low-carbon energy goals and needs， aviation energy transformation road map， measures and technical challenges， and low-carbon thinking. It also points out that the key technology to break through can provide reference for the research design and future development of next generation of low-carbon aviation.

Key Words： carbon neutrality； low-carbon energy technology； low-carbon propulsion technology； hydrogen fuel； electric aviation； aviation energy transformation