邴元春/編譯
隨著全球航空業(yè)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)生的碳排放也逐漸增加。當(dāng)前，全球航空業(yè)產(chǎn)生的碳排放量約占全球碳排放總量的2.5%。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，未來20年，全球民航旅客年增長率將達(dá)3.7%，旅客量的增加將對環(huán)境產(chǎn)生更大影響。2022年10月，國際民航組織第41屆大會(huì)確定了到2050年全球航空業(yè)實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零碳排放的長期目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，航空業(yè)已采取多項(xiàng)措施減少碳排放，新能源飛機(jī)便是其中之一。
航空新能源是什么？
航空業(yè)的碳排放主要來自化石能源燃燒。為減少碳排放，主要可以使用3種能源替代傳統(tǒng)航空燃料：可持續(xù)航空燃料（SAF）、氫能和電能。
可持續(xù)航空燃料：以廢棄的動(dòng)植物油脂、油料、使用過的食用油、城市生活垃圾和農(nóng)林廢棄物為原料生產(chǎn)，也可直接從空氣中捕獲二氧化碳合成?？沙掷m(xù)航空燃料是目前已經(jīng)用于商業(yè)航空的液體燃料，最高可減少80%的二氧化碳排放。可持續(xù)航空燃料之所以是“可持續(xù)的”，是因?yàn)槠湓吓c糧食作物或水供應(yīng)不存在競爭關(guān)系，也不增加資源使用，不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生影響。
氫能：氫以液體形式存在，每千克所含能量大約是煤油的2.5倍，在燃燒時(shí)只產(chǎn)生水蒸氣，從環(huán)保和能源含量的角度來看潛力很大。氫能可用作傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)燃料，也可用于電力燃料電池。
電能：電能儲(chǔ)存在電池中或通過燃料電池產(chǎn)生，為飛機(jī)提供動(dòng)力，分為全電動(dòng)和混合動(dòng)力。電池是全電動(dòng)的唯一動(dòng)力來源。混合動(dòng)力則結(jié)合了內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可能是大型飛機(jī)應(yīng)用全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)必要的中間步驟。
新能源飛機(jī)的類型
目前，幾乎所有可用的可持續(xù)航空燃料都是鏈烷烴可持續(xù)航空燃料，不含芳烴等其他碳?xì)浠衔铩？蜋C(jī)不能只使用純鏈烷烴可持續(xù)航空燃料，需要與足夠的傳統(tǒng)航空燃料混合，使其化學(xué)成分符合飛機(jī)燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。多家飛機(jī)制造商宣布，到2030年，其所有民用產(chǎn)品將與100%鏈烷烴可持續(xù)航空燃料兼容。
混合可持續(xù)航空燃料的成分和性質(zhì)與傳統(tǒng)航空燃料完全相同，不需要對飛機(jī)進(jìn)行任何改裝。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）目前正在制定標(biāo)準(zhǔn)，使現(xiàn)有飛機(jī)能夠使用100%混合合成燃料飛行，預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作將在2024年前完成。
氫可通過兩種方式為飛機(jī)提供動(dòng)力：在燃料電池中產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)，或在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒，這與噴氣燃料的燃燒方式一樣。與大多數(shù)使用機(jī)翼儲(chǔ)存燃料的飛機(jī)不同，氫動(dòng)力飛機(jī)通常在機(jī)身內(nèi)部設(shè)有氫燃料箱。
氫氣已經(jīng)開始分階段在航空運(yùn)輸系統(tǒng)使用，首先是在非推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，如地面輔助設(shè)備，使用氫動(dòng)力公交車、火車或出租車運(yùn)送旅客往返機(jī)場。
電動(dòng)飛機(jī)是以儲(chǔ)能裝置（蓄電池、燃料電池等）給電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)螺旋槳、涵道風(fēng)扇或其他裝置產(chǎn)生飛行動(dòng)力的飛機(jī)。全電動(dòng)飛機(jī)在運(yùn)行期間的二氧化碳排放為零。翼身融合混合動(dòng)力飛機(jī)最多可減少40%的二氧化碳排放。美國航空航天局（NASA）的研究顯示，商用電動(dòng)飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能超過60%、減排超過90%、降噪超過65%。
電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）依賴更簡單的動(dòng)力裝置，安全性更高，采購和運(yùn)營成本大大降低。無論是全電動(dòng)飛機(jī)還是混合動(dòng)力飛機(jī)，與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，其噪聲更小，對空氣的污染更少，具有改變空中交通的潛力。城市空中交通（UAM）通過新興運(yùn)輸工具開發(fā)低空空域，在人口稠密地區(qū)建立一個(gè)安全高效的空中運(yùn)輸系統(tǒng)，運(yùn)輸旅客或貨物，其主要運(yùn)輸工具就是電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）。
新能源飛機(jī)的前世今生
2008年，英國維珍航空首次使用生物噴氣燃料進(jìn)行試飛。2016年3月，美聯(lián)航成為首家在常規(guī)商業(yè)運(yùn)營中使用可持續(xù)航空燃料的航空公司。2019年11月，全球使用可持續(xù)航空燃料的商業(yè)航班已超過25萬架次，超過45家航空公司使用了可持續(xù)航空燃料。2023年，使用可持續(xù)航空燃料的航班已超過49萬架次?？沙掷m(xù)航空燃料價(jià)格較高，是普通航空煤油的3倍~8倍，目前供給量較少，2022年產(chǎn)量約3億升。盡管航空公司與全球各地供應(yīng)商簽署了可持續(xù)航空燃料協(xié)議，但目前可持續(xù)航空燃料在全球航空燃料消耗量中的占比仍不足1%。
航空碳排放的17%以上來自966公里以內(nèi)的短途飛行。據(jù)估計(jì)，所有4025公里以內(nèi)的飛行都可以通過電能或由氫氣提供動(dòng)力，而這些飛行的碳排放占航空碳排放的一半以上。
盡管氫動(dòng)力飛機(jī)研究已經(jīng)開展了幾十年，但在運(yùn)送旅客方面尚未獲得認(rèn)證。
早期的測試包括美國在20世紀(jì)50年代進(jìn)行的B-57B氫氣試飛和20世紀(jì)80年代的TU-155飛行。此外，波音公司自本世紀(jì)前十年以來，使用氫燃料電池和內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了6次氫技術(shù)演示，包括載人和無人駕駛飛機(jī)。
2010年，空客公司開啟了電氣化之路，研發(fā)了全球首架全電動(dòng)、四引擎特技飛機(jī)（Cricri）。此后，空客公司在飛行電氣化方面取得了重大進(jìn)展，先后研發(fā)了全電動(dòng)雙螺旋槳飛機(jī)（E-Fan）和電動(dòng)飛機(jī)示范項(xiàng)目（Vahana和CityAirbus NextGen）?？湛凸疽研佳邪l(fā)全新窄體氫動(dòng)力飛機(jī)ZE—ROe項(xiàng)目。
德國羅蘭貝格咨詢公司是歐洲最大的戰(zhàn)略管理咨詢公司，該公司持續(xù)對飛機(jī)電力推進(jìn)領(lǐng)域進(jìn)行研究。根據(jù)該公司的研究報(bào)告，截至2021年，全球范圍內(nèi)超過一半的電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目是自2017年以來啟動(dòng)的。
美國垂直飛行協(xié)會(huì)（VFS）也關(guān)注到了電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展熱潮，自2016年底起編制世界電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）目錄，于2017年正式發(fā)布。
新能源飛機(jī)的未來
根據(jù)國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）的預(yù)測，未來進(jìn)行長途飛行和超長途飛行的飛機(jī)應(yīng)完全或部分由可持續(xù)航空燃料提供動(dòng)力，而氫氣在不久的將來將應(yīng)用于中短途飛行中，極短距離的通勤飛行可通過電池提供動(dòng)力。
同樣，根據(jù)國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)的分析，到2050年，航空業(yè)65%的碳排放需要通過可持續(xù)航空燃料實(shí)現(xiàn)。因此，需要大幅增加可持續(xù)航空燃料產(chǎn)量。2025年，可持續(xù)航空燃料產(chǎn)量將達(dá)到50億升。2030年，SAF年產(chǎn)量有望從2021年的1.25億升增加到300億升，達(dá)到生產(chǎn)和利用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2030年以后，可持續(xù)航空燃料產(chǎn)能將達(dá)到最大。
空客公司正在開發(fā)3種氫燃料零排放商用飛機(jī)，分別是渦輪螺旋槳飛機(jī)、渦扇設(shè)計(jì)飛機(jī)和翼身融合設(shè)計(jì)飛機(jī)，航程1000海里起，最高達(dá)到2000海里，最多搭載200人，預(yù)計(jì)將于2035年投入使用。到2040年，氫動(dòng)力飛機(jī)在減少全球航空碳排放方面的影響仍將非常小。2050年左右，氫技術(shù)可能應(yīng)用于長途航班。2060年和2070年可能發(fā)生變化，很大一部分飛機(jī)將由氫氣提供動(dòng)力。但要做到這一點(diǎn)，必須應(yīng)對一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如大規(guī)模可獲得性、提供適當(dāng)?shù)墓?yīng)基礎(chǔ)設(shè)施等。由于液氫燃料占據(jù)的空間約是煤油的4倍，對機(jī)身設(shè)計(jì)者來說也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
由混合動(dòng)力推進(jìn)的小型飛機(jī)（15座-20座）預(yù)計(jì)將在10年內(nèi)投入使用，支線飛機(jī)將在本世紀(jì)30年代投入使用，自2040年起將推出載客量更大的飛機(jī)。2050年左右，電池技術(shù)可能成熟到足以為支線航班提供動(dòng)力。在未來幾十年內(nèi)，電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）可能成為世界各地公共服務(wù)機(jī)構(gòu)在消防、公共安全、搜救、救災(zāi)和執(zhí)法等領(lǐng)域應(yīng)用的重要工具。
（本文由中國民用航空局國際合作服務(wù)中心邴元春編譯）