航空业绿色发展新举措_刘振敏.pdf

大飞机关注航空 见证时代JETLINER35航空业绿色发展新举措文|刘振敏航空制造近年来，绿色与可持续发展是航空业发展的关键词。一方面各国纷纷出台战略规划，展开新技术预研，另一方面制造商、科研机构、机场等各方也在携手向绿色航空的目标迈进。图|ATR氢能部署加速近年来，全球应对气候变化的压力日益突出，氢能作为一种有望在多领域有效替代化石燃料的清洁能源受到了欧洲的高度关注。欧盟围绕未来氢能在各行业的应用制定了详细的发展规划，并将氢能定位为战略能源之后，欧洲航空业也快速跟进，从氢能的生产、存储和应用到飞机设计、技术整合、机场运营开始了全产业链研究。空客一直十分看好氢能的使用前景，率先在 2020 年就发布了一组氢能源飞机概念图，之后空客又以 A380 为平台，联手 CFM 国际公司开展相关研发工作，再一次让业界看到了空客发展氢能源飞机的决心。根据空客和 CFM 国际公司签署的协议，该项目旨在对氢燃料发动机进行地面和飞行测试，为 2035 年前将一款零排放飞机投入使用做好准备。该示范项目将使用一架 A380 测试飞机作为飞行测试平台，配备由空客在法国和德国的工厂准备的液氢罐。空客还将负责制定对氢推进系统的要求，监督飞行测试，并提供 A380 平台在巡航阶段对氢燃料发动机进行测试。为了能够采用氢燃料运行，CFM 国际公司将对 GE Passport 发动机的燃烧室、燃料系统和控制系统进行改造。该发动机在美国组装，因其物理尺寸、先进的涡轮机械和燃油流动能力而被该项目选用。它将被安装在飞行测试平台的后机身段上，以便对发动机的排放（包括尾迹）与为飞机提供动力的发动机的排放进行独立监测。CFM 国际公司将在 A380 飞行测试之前完成大量的地面测试。根据空客公开信息可以得知，这架A380 机身内将安装 4 个液氢罐，共携带400 千克液氢，并配备可将氢燃料输送到发动机的燃料分配系统。飞机驾驶舱中，将安装额外的推力控制系统和用于监控性能的专用显示器，以管理氢发动机的推力。机上还将安装收集数据的传感器，相关数据可传回地面。根据规划，这架 A380 飞机将在 2026 年开始试飞。除了氢能飞机之外，空客还在积极探索机场氢能枢纽概念。空客在 2021 年就提出了“机场氢能枢纽”的概念，并希望机场生态系统的成员能够参与到项目中来，共同探索未来氢能飞机在机场运行的可行性。2021 年，空客与巴黎机场集团以及法国液化空气集团签署谅解备忘录，合作研究在巴黎戴高乐机场和奥利机场实现氢能使用的可行性。之后，空客又与意大利米兰机场集团、韩国仁川机场等签署了相关的合作谅解备忘录。在 2022 年的新加坡航展上，空客与新加坡民航局、樟宜机场以及工业气体与工程公司林德集团签署合作协议，将共同开展一个为期 2 年的项目，研究在樟宜机场开发氢能飞机运行所需的基础设施和提供氢能供应解决方案，探索新加坡建设氢能枢纽的潜能。根据协议，空客将提供飞机构型特性、机队能源使用特性、氢能飞机地面运行研究成果，以及对机场氢能飞机数量增长的预测；林德集团将提供氢能生产、加工、航空业绿色发展新举措航空制造图|空客大飞机关注航空 见证时代JETLINER37存储和配送等方面的专业知识；樟宜机场集团将参与评估在机场运行中使用氢能的可行性，并制定相关规定和标准。支线飞机的绿色探索在航空业的绿色发展之路上，制造商围绕支线飞机进行了一系列探索，其中既有小型创新型企业，也有传统的老牌制造商。巴西飞机制造商巴航工业已经对其未来绿色可持续发展作了新的部署。巴航工业的总体目标是到 2050 年实现碳中和，2030 年巴航工业生产的机型都可以使用可持续航空燃油（SAF），总体降低 25%的碳排放，从而助力全球航空运输业实现 2050 年全面碳净零排放的目标。为了实现这一目标，巴航工业计划采取两步走的技术发展路径：第一步是中短期内可持续航空燃油为主要发展目标，以尽量使用现有基础设施和机型及航空发动机技术。第二步则是以氢能为发展目标的中长期发展规划。根据这两步走的发展规划，巴航工业制定了相应的机型研发计划。2019年5月，巴航工业宣布启动电动验证机项目，该项目基于巴航工业 EMB-203“伊帕内玛”农用飞机改装。这架电动飞机的电机由巴西电气企业 WEG 公司研制，电池包由巴西能源公司 EDP 研制，美国派克宇航公司负责冷却系统的设计。2022 年 8 月，这架全电动飞机在巴西完成首飞。根据规划，2025 年巴航工业将试飞氢燃料电池验证机，2026 年试飞 eVTOL。2030 年所有巴航工业生产的机型都可以兼容使用可持续燃油并计划推出完全兼容可持续燃油的涡桨飞机，2045 年试飞氢能涡桨飞机，2050 年推出氢能支线飞机。由此可见，可持续燃油的应用在巴航工业的规划中占据很重要的地位。为此，巴航工业目前已经与美国奥兰多机场合作建设 SAF 供应保障设施，与多家 SAF 公司合作研制并产业化 SAF，与发动机供应商普惠公司合作进行相关的研发和应用工作。可持续航空燃料在实现航空业减排目标方面发挥着关键作用。2022 年 6 月，支线飞机制造商 ATR 公司与瑞典布拉森支线航空、可持续航空燃料供应商芬兰耐思特油业合作，首次在民航支线飞机上成功完成了以 100%SAF 燃料为动力的试飞。这次历史性的试飞在瑞典进行，是 ATR 飞机100%SAF认证工作的一部分。2022年年初，ATR 在 ATR72-600 原型机上成功进行了一系列地面和飞行测试，包括在一个发动机上使用了 100%SAF 飞行。2023 年 2 月，ATR 又宣布与新西兰航空合作，加速航空业脱碳的进程。此次双方的合作，通过一项名为“下一代飞机使命”的倡议进行，新西兰航空与几家行业和学术利益相关方合作，从 2030 年开始使用更环保的飞机替代现有的 Q300 机队。ATR公司则将通过对绿色氢燃料、SAF 等的使用，力争满足新西兰航空的需求。根据航空周刊的报道，目前通用图|sustainableskies.org氢公司正在为应用于 ATR72 飞机的氢动力系统获取补充型号认证，并计划在 Dash8-300 飞机上开展飞行测试。Dash8-300 将使用 1 兆瓦的系统，最终获取补充型号认证的版本将使用 2 兆瓦的燃料电池动力系统。通用氢公司氢动力推进系统的核心是采用了可更换的液氢存储罐。根据计划，这一计划将在 2024 年年中在 ATR72 上开展飞行测试，如果进展顺利将在 2025 年下半年投入使用。ZeroAvia 公 司 正 在 使 用 19 座 的 多尼尔 228 作为其 600 千瓦氢电动力系统ZA600 的试验平台，同时已经开始为 70座的支线涡桨飞机和喷气式飞机开发 25兆瓦的系统。2022 年 7 月，这架多尼尔228 安装了一台 ZA600 系统，9 月在英国进行了最后一次高速滑跑测试后进入耐久性测试。除此之外，ZeroAvia 公司还与德哈维兰公司合作改装 Dash8，与三菱飞机公司合作改装 CRJ700。未来，ZeroAvia公司的表现值得关注。传统改进仍有作为除了上述采用新能源的方式加速航空业绿色发展之外，新材料、新工艺等依然是推动技术进步的重要推手。对于航空器来说，除了需要轻量化之外，航空器上的材料还要具备足够的刚度和强度，以承受极高的机械应力。以航空发动机为例，一台商用飞机发动机上至少有 25000 个零部件必须具有非常高的抗压力极高的温度、超强的受力（在发动机运行时，一些零件必须能够承受 1000 倍于自身重量的力量）和巨大的摩擦力。为了确保发动机及其短舱（整个集成推进系统）的持久和高效，制造商需要更具耐受力的材料，而复合材料就是其中的一种重要新材料。赛峰集团为 LEAP 系列发动机专门研发了一种碳纤维编织复合材料，这是一种革命性的新材料。它并不是业内常见的二维材料，而是一种三维材料。目前，这种材料已经被用于制造 LEAP 发动机的叶片和风扇罩。每一片这种较轻的叶片都有长达 7 公里的碳纤维，从而使发动机整体减重约 250 千克，约为其总重量的 10%，这可以帮助使用这款发动机的单通道飞机的重量减轻近 450 千克。除此之外，赛峰还利用新型合金材料来降低飞机其他主要部件的重量。例如，与钢制部件相比，使用钛合金材料制造的波音 787 和空客 A350XWB 飞机的起落架可将重量降低 8%。除了为在役发动机产品研发绿色技术之外，赛峰还通过参与“净洁天空”计划等，进一步探索研发面向未来的新一代绿色航空发动机解决方案。在传统构型发动机中，赛峰正在进行超高涵道比发动机（UHBR）的研发，发动机涵道比为 15:1 或更高。风扇模块的主要部件使用更轻、更坚固的复合材料。在此类构型中，低压涡轮通过使用先进的 3D 打印技术和陶瓷基复合材料完成了优化。超高涵道比发动机可将油耗降低5%10%，并且可以轻松集成到在役飞机上，最快有望在 2025 年应用于现役飞机。此外，赛峰近年来在开式转子发动机的研发上也屡有突破。目前该项目已经取得了多项重大阶段性进展，其中包括在法国航空航天研究机构 ONERA 完成风洞试验和发动机露天试验台的地面试验等。对于航空发动机产业来说，如果开式转子发动机能够在 2030 年左右投入市场的话，那意味着同时解决了降低油耗和提高环保性这两个行业难题。航空业绿色发展新举措航空制造