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举重若“氢”:如何飞向航空业的绿色未来?

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  当下,以可持续的方式实现增长已经成为整个航空业为之努力的目标。

  为了减少碳足迹,多年来,业界在提高发动机燃油效率、使用可持续航空燃料以及探索新的推进技术等方面不断创新,以此铺就可持续发展之路,飞向航空业的绿色未来。

  

  空客ZEROe氢动力概念飞机

  燃气涡轮发动机潜能巨大

  尽管与减排相关的技术探索从未停下前进的脚步,但在当今由航空器产生的二氧化碳排放中,80%来自大型商用飞机执飞的航程在1500公里以上的航班。而它们在可预见的一段时间内,可能还将继续依靠现有的燃气涡轮发动机推进。

  幸运的是,为包括从直升机到大型商用喷气机在内的各种飞机提供动力的燃气涡轮发动机,还远未达到其研发潜力的极限。发动机制造商普惠公司的工程高级副总裁吉奥夫·亨特表示,喷气发动机的热效率自其问世以来已经提高了400%,但这可能仅达到了其理论极限的一半。“近年来,燃气涡轮发动机在设计方面的进步已使最新一代商用飞机的燃油效率与其前代飞机相比提高了15%~20%。我们致力于通过全新架构与更先进的材料进一步提高发动机的效率”。

  上文所述正是普惠最新研发的全新一代齿轮传动涡扇(GTF)发动机。普惠提供的数据显示,自2016年1月服役以来,GTF发动机已为50家航空公司运营的900多架飞机提供动力。由GTF发动机提供动力的3种飞机的累计飞行时间超过720万小时,节省了超过15亿升燃油,减少了400万吨二氧化碳排放。

  

  普惠GTF发动机生产线(本文图片均来源于互联网)

  “我们可以顺着这一研发路径继续推进,但是这需要发动机能够在更高的温度下运行,同时拥有更小的涡轮核心机。诸如陶瓷基复合材料(CMCs)等全新材料与增材制造技术或将使这些变为可能”。普惠公司商用发动机大中华区客户业务总裁范佑勋表示,结合高效的齿轮风扇驱动系统,下一代发动机将能更充分地利用每一滴燃料所蕴含的能量。

  新技术尚待成熟

  除了继续开发现有与未来的燃气涡轮发动机技术,从而实现更高的燃油效率外,航空业还在研发包括生物质燃料在内的非原油提炼的可持续航空燃料(SAFs)。

  据了解,目前已有7种可持续航空燃料获得认证,可通过“拿来即用”的方式在商用飞机上使用,这意味着它们能够按照最高50%的比例与传统燃气涡轮发动机燃料混合使用,而不会对飞机的性能与运行造成任何影响。随着技术的进一步发展,燃气涡轮发动机最终可能接受高达100%的可持续航空燃料。

  作为飞机制造商,波音公司与航空公司、发动机制造商等合作,在2008年进行了生物燃料试飞,并在2011年获得了针对可持续燃料的批准。2018年,波音“环保验证机”试飞项目与联邦快递合作,由一架波音777货机进行了世界上首次使用100%可持续燃料的民用飞机飞行。近日,波音公司承诺未来将交付可使用100%可持续燃料飞行的民机。

  空客公司则是首家在交付飞机时向客户提供可持续航空燃料选项的飞机制造商。自2016年以来,从空客公司法国图卢兹生产线交付的飞机便可使用可持续航空燃料进行交付飞行。随后,空客公司位于美国亚拉巴马州莫比尔的生产线也开始提供该燃料用于交付飞行。自2019年12月起,空客公司已经在从德国汉堡出发的大白鲸运输机(Beluga)上成功应用了可持续航空燃料。

  然而,可持续航空燃料目前还存在可得性方面的瓶颈。吉奥夫·亨特表示,其生产能力仅能满足全球燃气涡轮发动机不到0.1%的燃料需求,同时与标准煤油相比,这些燃料溢价严重。不仅如此,它们还要对不同种类可持续航空燃料的生产方式和对环境的影响进行考量。范佑勋指出:“一个重要因素是我们没有过度依赖农作物原料来生产可持续航空燃料,这样做可能争夺用于粮食生产的土地资源。非农作物原料则包括使用过的食用油与固态的城市垃圾等。”

  更为激进的技术——特别是应用电力驱动技术——也将帮助航空业减少在未来数年的碳排放。在范佑勋看来,全电动系统受制于须携带沉重的电池包,将最有可能应用于诸如城市空中出租车等低载荷、短航程的航空器制造平台上。“这一技术领域正在快速发展,汇集了来自全球各地的从初创公司到成熟企业在内的众多资源。这些都将帮助全行业提高对更大功率的电系统与航空器一体化整合的认识”。

  混合动力则能够用来提高燃气涡轮发动机的性能,可应用于中长航程的商用飞机之上。“这些技术需要时间成熟,尤其是它们还需要满足航空业在过去几十年形成的极高的安全与可靠性标准。毫无疑问,越来越多的验证机与小尺寸航空器制造平台将帮助我们评估这些技术在更大型飞机上的应用潜力”。

  氢燃料异军突起

  近年来,氢燃料异军突起。不论是作为可持续燃料供燃气涡轮发动机使用,抑或是作为驱动电机的燃料电池组成部分,它都同样具有潜力。

  事实上,氢燃料并不是陌生的概念。当世界上第一台内燃机投入使用时,它所采用的燃料并非汽油或柴油,而是氢气。在过去的整个20世纪,无论是车企、院校,还是发明家甚至业余爱好者,他们都对氢燃料内燃机的可行性进行了各种各样的研究测试。1970年,发明家保罗·迪格斯率先申请了一项以氢燃料为动力的内燃机设计专利。普惠公司也曾在上世纪50年代设计并制造了一台使用氢燃料的燃气涡轮发动机。

  多年后的今天,氢燃料发动机已经被证明具有向从小轿车到公共汽车等各种车辆提供动力的能力,航空业也再次将注意力转向使用氢燃料来为民用飞机提供动力。空客ZEROe零排放概念飞机便是其中之一。

  作为ZEROe零排放飞机正在研发的几个概念设计之一,“吊舱”构型与当下我们在跑道上所看到的任何飞机都不太一样,其设计以一系列基于氢燃料电池技术的独立推进系统为特色。如今,空客公司正在对这一构型进行研究,以确定其能否应用于大型民用飞机。

  在发动机层面上,范佑勋认为,在今后20年以及更远的未来,燃气涡轮发动机架构依然是商用航空飞行的主流动力架构。如果氢成为航空业未来的首选燃料,燃气涡轮发动机亦将发挥关键作用。“实际上,燃气涡轮发动机能够相对容易地进行改装来燃烧氢燃料。应用这一燃料的主要挑战在于改变航空器设计、燃料加注所需的基础设施以及以绿色的方式进行氢的生产”。(中国民航报 记者程婕)

  编辑|张 薇

  校对|邢 路

  审核|程 凌

  

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