舉重若“氫”：如何飛向航空業的綠色未來？

2021年03月09日

        當下，以可持續的方式實現增長已經成為整個航空業為之努力的目標。

        為了減少碳足迹，多年來，業界在提高發動機燃油效率、使用可持續航空燃料以及探索新的推進技術等方面不斷創新，以此鋪就可持續發展之路，飛向航空業的綠色未來。

        燃氣渦輪發動機潛能巨大

        盡管與減排相關的技術探索從未停下前進的腳步，但在當今由航空器産生的二氧化碳排放中，80%來自大型商用飛機執飛的航程在1500公裏以上的航班。而它們在可預見的一段時間內，可能還將繼續依靠現有的燃氣渦輪發動機推進。

        幸運的是，為包括從直升機到大型商用噴氣機在內的各種飛機提供動力的燃氣渦輪發動機，還遠未達到其研發潛力的極限。發動機制造商普惠公司的工程高級副總裁吉奧夫·亨特表示，噴氣發動機的熱效率自其問世以來已經提高了400%，但這可能僅達到了其理論極限的一半。“近年來，燃氣渦輪發動機在設計方面的進步已使最新一代商用飛機的燃油效率與其前代飛機相比提高了15%~20%。我們致力于通過全新架構與更先進的材料進一步提高發動機的效率”。

        上文所述正是普惠最新研發的全新一代齒輪傳動渦扇（GTF）發動機。普惠提供的數據顯示，自2016年1月服役以來，GTF發動機已為50家航空公司運營的900多架飛機提供動力。由GTF發動機提供動力的3種飛機的累計飛行時間超過720萬小時，節省了超過15億升燃油，減少了400萬噸二氧化碳排放。

        “我們可以順著這一研發路徑繼續推進，但是這需要發動機能夠在更高的溫度下運行，同時擁有更小的渦輪核心機。諸如陶瓷基復合材料（CMCs）等全新材料與增材制造技術或將使這些變為可能”。普惠公司商用發動機大中華區客戶業務總裁範佑勳表示，結合高效的齒輪風扇驅動系統，下一代發動機將能更充分地利用每一滴燃料所蘊含的能量。

        新技術尚待成熟

        除了繼續開發現有與未來的燃氣渦輪發動機技術，從而實現更高的燃油效率外，航空業還在研發包括生物質燃料在內的非原油提煉的可持續航空燃料（SAFs）。

        據了解，目前已有7種可持續航空燃料獲得認證，可通過“拿來即用”的方式在商用飛機上使用，這意味著它們能夠按照最高50%的比例與傳統燃氣渦輪發動機燃料混合使用，而不會對飛機的性能與運行造成任何影響。隨著技術的進一步發展，燃氣渦輪發動機最終可能接受高達100%的可持續航空燃料。

        作為飛機制造商，波音公司與航空公司、發動機制造商等合作，在2008年進行了生物燃料試飛，並在2011年獲得了針對可持續燃料的批准。2018年，波音“環保驗證機”試飛項目與聯邦快遞合作，由一架波音777貨機進行了世界上首次使用100%可持續燃料的民用飛機飛行。近日，波音公司承諾未來將交付可使用100%可持續燃料飛行的民機。

        空客公司則是首家在交付飛機時向客戶提供可持續航空燃料選項的飛機制造商。自2016年以來，從空客公司法國圖盧茲生産線交付的飛機便可使用可持續航空燃料進行交付飛行。隨後，空客公司位于美國亞拉巴馬州莫比爾的生産線也開始提供該燃料用于交付飛行。自2019年12月起，空客公司已經在從德國漢堡出發的大白鯨運輸機（Beluga）上成功應用了可持續航空燃料。

        然而，可持續航空燃料目前還存在可得性方面的瓶頸。吉奧夫·亨特表示，其生産能力僅能滿足全球燃氣渦輪發動機不到0.1%的燃料需求，同時與標準煤油相比，這些燃料溢價嚴重。不僅如此，它們還要對不同種類可持續航空燃料的生産方式和對環境的影響進行考量。範佑勳指出：“一個重要因素是我們沒有過度依賴農作物原料來生産可持續航空燃料，這樣做可能爭奪用于糧食生産的土地資源。非農作物原料則包括使用過的食用油與固態的城市垃圾等。”

        更為激進的技術——特別是應用電力驅動技術——也將幫助航空業減少在未來數年的碳排放。在範佑勳看來，全電動系統受制于須攜帶沈重的電池包，將最有可能應用于諸如城市空中出租車等低載荷、短航程的航空器制造平台上。“這一技術領域正在快速發展，匯集了來自全球各地的從初創公司到成熟企業在內的衆多資源。這些都將幫助全行業提高對更大功率的電系統與航空器一體化整合的認識”。

        混合動力則能夠用來提高燃氣渦輪發動機的性能，可應用于中長航程的商用飛機之上。“這些技術需要時間成熟，尤其是它們還需要滿足航空業在過去幾十年形成的極高的安全與可靠性標準。毫無疑問，越來越多的驗證機與小尺寸航空器制造平台將幫助我們評估這些技術在更大型飛機上的應用潛力”。

        氫燃料異軍突起

        近年來，氫燃料異軍突起。不論是作為可持續燃料供燃氣渦輪發動機使用，抑或是作為驅動電機的燃料電池組成部分，它都同樣具有潛力。

        事實上，氫燃料並不是陌生的概念。當世界上第一台內燃機投入使用時，它所採用的燃料並非汽油或柴油，而是氫氣。在過去的整個20世紀，無論是車企、院校，還是發明家甚至業餘愛好者，他們都對氫燃料內燃機的可行性進行了各種各樣的研究測試。1970年，發明家保羅·迪格斯率先申請了一項以氫燃料為動力的內燃機設計專利。普惠公司也曾在上世紀50年代設計並制造了一台使用氫燃料的燃氣渦輪發動機。

        多年後的今天，氫燃料發動機已經被證明具有向從小轎車到公共汽車等各種車輛提供動力的能力，航空業也再次將注意力轉向使用氫燃料來為民用飛機提供動力。空客ZEROe零排放概念飛機便是其中之一。

        作為ZEROe零排放飛機正在研發的幾個概念設計之一，“吊艙”構型與當下我們在跑道上所看到的任何飛機都不太一樣，其設計以一系列基于氫燃料電池技術的獨立推進系統為特色。如今，空客公司正在對這一構型進行研究，以確定其能否應用于大型民用飛機。

        在發動機層面上，範佑勳認為，在今後20年以及更遠的未來，燃氣渦輪發動機架構依然是商用航空飛行的主流動力架構。如果氫成為航空業未來的首選燃料，燃氣渦輪發動機亦將發揮關鍵作用。“實際上，燃氣渦輪發動機能夠相對容易地進行改裝來燃燒氫燃料。應用這一燃料的主要挑戰在于改變航空器設計、燃料加注所需的基礎設施以及以綠色的方式進行氫的生産”。

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        羅爾斯·羅伊斯開展低排放測試推動可持續發展

        羅爾斯·羅伊斯下一代發動機低排放技術已進入最新測試階段。

        近日，羅爾斯·羅伊斯在英國德比繼續進行ALECSys（先進低排放燃燒系統）驗證機的地面測試，ALECSys的技術在Advance3和Ultra?Fan驗證機中都有使用。

        減少燃氣渦輪機的排放是羅爾斯·羅伊斯更廣泛的可持續戰略的一部分。該戰略還支持更多地應用可持續航空燃油，以及顛覆性推進架構和技術研究。

        貧油燃燒系統改善了點火前燃料與空氣的預混過程——使燃料燃燒更加完全，減少氮氧化物和顆粒物排放。

        該系列測試于2018年啓動。最新測試階段將著重驗證排放性能、發動機控制系統軟件和使用性能。

        羅爾斯·羅伊斯UltraFan首席工程師兼項目總監AndyGeer表示：“航空業的未來只能建立在更高水平的可持續發展上，這些測試是我們努力實現該目標的要素之一。我們很高興看到目前的成果，並將再接再厲，見證ALECSys系統更進一步的成功。”

        這些測試的啓動正值羅爾斯·羅伊斯開始制造首批UltraFan驗證機的零部件，該驗證機將于明年啓動地面測試。UltraFan較第一代遄達發動機燃油效率提升25%。

        ALECSys項目由歐盟研究計劃CleanSky、英國航空技術研究院與英國創新署（Inno?vateUK）聯合支持。（《中國民航報》、中國民航網記者程婕通訊員蘇達）

 

       新聞來源 ：中國民航報