“零排放”飛機(jī)技術(shù)

沈臻懿

近年來(lái)，我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)天氣情況反常，極端氣象災(zāi)害頻發(fā)。面對(duì)異常氣候，全球較以往更為關(guān)注環(huán)保的重要性。碳排放、碳中和、碳達(dá)峰等詞匯，早已為大家所熟知。面對(duì)《巴黎協(xié)定》各國(guó)為應(yīng)對(duì)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(yè)也在制定相應(yīng)的減排目標(biāo)。2021年10月舉行的第77屆國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）年會(huì)上，IATA各成員航司一致同意，全球航空運(yùn)輸業(yè)到2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。

據(jù)IATA預(yù)計(jì)，至2050年全球民航運(yùn)輸需求將達(dá)到每年100億人次。如航空業(yè)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(biāo)，無(wú)疑是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)。若僅僅依賴航司配置更先進(jìn)飛機(jī)、更新機(jī)隊(duì)，或者植樹(shù)抵消等方式，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)IATA判斷，若要在未來(lái)坐上“零排放”飛機(jī)出行，就需要在凈零碳排放方面實(shí)現(xiàn)多種方案多管齊下。這其中，可持續(xù)燃料技術(shù)、零碳能源技術(shù)、新飛機(jī)技術(shù)等新科技手段引人關(guān)注。

不同于現(xiàn)代汽車業(yè)飛速向新能源靠攏的趨勢(shì)，航空業(yè)在替代能源的尋找方面顯然難度更大。就當(dāng)前的電池能量密度來(lái)說(shuō)，即使是在全球范圍內(nèi)最大的民航客機(jī)——空客A380機(jī)艙中裝滿電池，其飛行距離依舊有限。因此，在“零排放”飛機(jī)成為航空業(yè)的絕對(duì)主力之前，全球多家飛機(jī)制造商也在積極研發(fā)各項(xiàng)新飛機(jī)技術(shù)來(lái)降低飛機(jī)油耗，并減少化石燃料的消耗。

飛機(jī)機(jī)翼的改進(jìn)，能夠讓航空公司節(jié)省5%左右的燃料，并減少氮氧化物排放和飛機(jī)噪聲。通過(guò)主翼和小前翼等混合機(jī)翼的全新機(jī)身設(shè)計(jì)，可以大大挖掘新的推進(jìn)技術(shù)的潛力。隨著混合機(jī)翼的介入，可利用整架飛機(jī)來(lái)產(chǎn)生升力，從而節(jié)省大量航油。與半個(gè)世紀(jì)前相比，現(xiàn)代客機(jī)機(jī)隊(duì)的整體燃油效率，整整提高了八成：諸如齒輪傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)持續(xù)優(yōu)化，將在未來(lái)的20年間進(jìn)一步將燃油效率提升15%至25%。

此外，有研發(fā)團(tuán)隊(duì)還提出了混合電力的概念。若將其與混合機(jī)翼等新機(jī)身技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，最多可減少40%的二氧化碳排量。在此基礎(chǔ)上，全電動(dòng)飛機(jī)也是新飛機(jī)技術(shù)研發(fā)的新方向。盡管全電動(dòng)飛機(jī)在橫跨太平洋等長(zhǎng)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(diǎn)，使其在短途飛行中有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。挪威就制定了一項(xiàng)目標(biāo)，至2040年，實(shí)現(xiàn)其國(guó)內(nèi)和短途航班的電力驅(qū)動(dòng)。

說(shuō)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(jī)，就會(huì)變廢為寶。2021年，有超過(guò)50家航空公司和能源企業(yè)發(fā)布聯(lián)合聲明，將在2030年使用可持續(xù)航空燃油（SAF）來(lái)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(lái)的。但SAF的來(lái)源，主要取自于回收的食物用油和動(dòng)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(jī)在飛行過(guò)程中的充足動(dòng)力。加注了生物航煤（生物航空煤油）的客機(jī)即使達(dá)到萬(wàn)米以上的飛行高度，仍然可以極為平穩(wěn)與良好地運(yùn)行。同時(shí)，這一新型生物航煤還具有可持續(xù)性、可再生性特點(diǎn)，有著顯著的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。SAF的原料不會(huì)導(dǎo)致森林退化，亦不會(huì)與水供應(yīng)或糧食作物相競(jìng)爭(zhēng)。

面對(duì)棕黑酸臭的“地溝油”，首先需要運(yùn)用專業(yè)的吸附劑將其中的食物殘?jiān)?、菜葉等雜質(zhì)去除，再運(yùn)用分子篩、無(wú)機(jī)硅藻土等，去掉“地溝油”中的膠質(zhì)。此時(shí)，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(guò)酯化反應(yīng)，讓“地溝油”成為較為純凈的甘油酯后，再通過(guò)酯交換反應(yīng)，使甘油酯變成甲酯。最后，經(jīng)過(guò)蒸餾并加入適量穩(wěn)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(xué)性質(zhì)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(duì)生物柴油進(jìn)行加氫、裂化等處理，形成以碳?xì)錇橹?，且不含氧的生物航煤?/p>

值得一提的是，大規(guī)模使用生物航煤的設(shè)想還為時(shí)尚早。就近階段而言，生物航煤大多和標(biāo)準(zhǔn)航空煤油混合使用。大規(guī)模推廣生物航煤的最大阻力，實(shí)為產(chǎn)量和成本問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，SAF的價(jià)格是傳統(tǒng)航空煤油的2.5至3倍。一旦大規(guī)模使用生物航煤，機(jī)票價(jià)格亦將隨之上揚(yáng)。但隨著降低成本新技術(shù)的不斷研發(fā)，“地溝油”將成為航天業(yè)不可或缺的香餑餑。

為了實(shí)現(xiàn)從減少碳排放量，到完全“零排放”的升級(jí)，航空運(yùn)輸業(yè)將其目光投向了氫能的利用。近期，全球飛機(jī)制造巨頭空中客車公布了全球首款民用“零排放”飛機(jī)（ZEROe）的三種概念機(jī)型，并計(jì)劃于2035年正式投產(chǎn)使用。這三種“零排放”概念飛機(jī)都依賴于氫能作為動(dòng)力來(lái)源。高能量密度的特性，使得氫能夠在同等重量下，產(chǎn)生極高的能量，故而被譽(yù)為“為航空業(yè)而生的能源”。然而，氫氣在單位體積下密度極低，故唯有經(jīng)過(guò)低溫液化后方可被搭載于飛機(jī)上使用。即便如此，儲(chǔ)氫罐的體積仍會(huì)大于化石燃料儲(chǔ)罐，且零下253℃的存儲(chǔ)條件，要求具備更大的燃料儲(chǔ)罐和對(duì)飛機(jī)燃料系統(tǒng)進(jìn)行根本性改變的技術(shù)更新。不過(guò)，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(yùn)用前景，有可能成為航空業(yè)實(shí)現(xiàn)氣候中性目標(biāo)的解決方案。

空中客車目標(biāo)在2035年量產(chǎn)的這三種“零排放”概念飛機(jī)，有兩種基于傳統(tǒng)外觀的飛機(jī)概念。第一種概念機(jī)為“渦輪風(fēng)扇噴氣概念機(jī)”。根據(jù)設(shè)計(jì)，這一“零排放”飛機(jī)的載客人數(shù)在120—200名，最大航程超過(guò)2000海里（約合3700公里）。這就使得“渦輪風(fēng)扇噴氣概念機(jī)”具有了跨越大陸間飛行的能力。相較于當(dāng)前的民航客機(jī)，“渦輪風(fēng)扇噴氣概念機(jī)”使用改進(jìn)的燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)“喝氫”不“喝油”，作為燃料的液氫通過(guò)位于后部壓力隔板后側(cè)的儲(chǔ)罐進(jìn)行存儲(chǔ)和分配。氫在燃燒后能推動(dòng)飛行，并實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。

第二種概念機(jī)則為“渦輪螺旋槳概念機(jī)”。與“渦輪風(fēng)扇噴氣概念機(jī)”定位不同的是，“渦輪螺旋槳概念機(jī)”主打短途飛行。其利用螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)替代渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并通過(guò)改進(jìn)的飛機(jī)燃料系統(tǒng)技術(shù)用氫能提供動(dòng)力。“渦輪螺旋槳概念機(jī)”的設(shè)計(jì)載客人數(shù)為100名，可持續(xù)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(fēng)扇噴氣概念機(jī)”和“渦輪螺旋槳概念機(jī)”，空中客車設(shè)計(jì)的第三種“零排放”概念飛機(jī)，從外觀上就更具未來(lái)玄幻色彩。該機(jī)型稱之為“混合翼體概念機(jī)”，飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身主體進(jìn)行了合并，超寬機(jī)身不僅可以為艙室格局和氫能的存儲(chǔ)、分配提供更為多元化的選擇，其設(shè)計(jì)搭載乘客的人數(shù)更可達(dá)到200名，并擁有2000海里（約合3700公里）的續(xù)航飛行里程。為了應(yīng)對(duì)“零排放”飛機(jī)技術(shù)問(wèn)世帶來(lái)的全新挑戰(zhàn)，機(jī)場(chǎng)還需要配置和更新大量的氫能運(yùn)輸和加氫設(shè)備來(lái)滿足未來(lái)運(yùn)營(yíng)的需要。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com