吳光輝
(中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司,上海 200126)
習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出:“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭2030 年前達(dá)到峰值,努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。當(dāng)前碳排放大量集中在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域,形勢嚴(yán)峻,這對于發(fā)展新能源和可再生能源/優(yōu)先發(fā)展數(shù)字產(chǎn)業(yè)、高新科技產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè),以及工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級、節(jié)約能源等方面提出了巨大的挑戰(zhàn)。
近年,隨著居民收入水平提高,消費(fèi)升級,航空運(yùn)輸占比持續(xù)提升。中國民航業(yè)實(shí)現(xiàn)了歷史性跨越發(fā)展,民航運(yùn)輸規(guī)模已連續(xù)15 年穩(wěn)居世界第二位,逐年縮小與第一位的差距。根據(jù)中國商飛公司預(yù)測,中國民航將于2040 年左右進(jìn)入高峰期,全球機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)45397 架,其中中國機(jī)隊(duì)規(guī)模預(yù)計(jì)為9084 架,屆時中國將成為全球最大的單一航空市場。我國作為航空運(yùn)輸大國,正在向航空運(yùn)輸強(qiáng)國踏步前行,航空運(yùn)輸對碳排放的影響也在逐步擴(kuò)大。
航空能源消耗以航空煤油為主。2019 年,據(jù)統(tǒng)計(jì)全球商業(yè)航空運(yùn)輸二氧化碳排放量約為9.18 億噸,較2013 年增長了29%,占全球交通運(yùn)輸業(yè)碳排放的10%,占全球二氧化碳碳排放比重約2%。中國全民航碳排量約1.16 億噸,其中航空公司占全民航能耗的96%。
航空排放對環(huán)境污染不容忽視,因其高空排放的特殊性而受到關(guān)注。航空業(yè)對全球變暖的“全部”貢獻(xiàn)不僅僅在于二氧化碳排放量。飛機(jī)發(fā)動機(jī)每燃燒1 kg 燃油排放3.15 kg 的CO2,這種CO2在高層大氣中停留近百年。其次,航空器在飛行過程中會排放氮氧化物、水蒸氣和煙塵等,這也會對環(huán)境造成污染。
“碳達(dá)峰碳中和”作為黨中央做出的重大戰(zhàn)略決策,對航空產(chǎn)業(yè)加快實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展提出了更高要求。中國民機(jī)研制應(yīng)聚焦碳達(dá)峰碳中和主賽道,覆蓋綠色全理念,力爭實(shí)現(xiàn)綠色商用飛機(jī)的建設(shè)目標(biāo)。
在支線飛機(jī)研制中,應(yīng)持續(xù)推進(jìn)減重優(yōu)化、減阻優(yōu)化和降噪優(yōu)化等專項(xiàng)研究。在減重優(yōu)化中,應(yīng)著重考慮EWIS 減重優(yōu)化,座椅、地板減重優(yōu)化及液壓管路減重優(yōu)化等,如圖1 所示。在減阻優(yōu)化中,可考慮在起落架艙門密封、襟翼展向間隙密封及垂尾VOR 天線安裝角調(diào)整等方面,開展專項(xiàng)研究。在降噪優(yōu)化中,如圖2 所示,利用在駕駛艙、貨艙后補(bǔ)區(qū)域及后盥洗室等加裝消聲器,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)液壓系統(tǒng)元件EDP(發(fā)動機(jī)驅(qū)動泵)管路降噪優(yōu)化。通過以上措施,可實(shí)現(xiàn)駕駛艙區(qū)域、客艙區(qū)域平均噪聲降低3 dB(A),噪聲最大位置降低9 dB(A)。
在中國民機(jī)研制歷程中,大飛機(jī)首次提出了“三減(減重、減阻、減排)”理念,將環(huán)保理念貫穿了飛機(jī)研制全過程。相比同類先進(jìn)飛機(jī),目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)減重2%,減阻5%,減排50%。在總體氣動設(shè)計(jì)方面,采取新一代超臨界機(jī)翼、新型鯊鰭小翼、雙曲面承載風(fēng)擋機(jī)頭和低阻后體為標(biāo)志的氣動布局設(shè)計(jì)。機(jī)翼是我國自主設(shè)計(jì)研制的首個機(jī)翼,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證綜合性能良好,利用加裝鯊鰭小翼,實(shí)現(xiàn)巡航馬赫數(shù)下機(jī)翼阻力系數(shù)降低2%。在機(jī)體結(jié)構(gòu)材料方面,先進(jìn)材料首次在國產(chǎn)民機(jī)大規(guī)模應(yīng)用,特別第三代鋁鋰合金材料、先進(jìn)復(fù)合材料用量分別達(dá)到8.8%和12%。選用先進(jìn)發(fā)動機(jī)LEAP?1C,如圖3 所示,該一體化推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和短艙高度集成,有效減輕了結(jié)構(gòu)重量,改善了發(fā)動機(jī)外涵道特性,降低了氣動阻力,具有更好的經(jīng)濟(jì)性能。氮氧化物排放比ICAO CEAP6 標(biāo)準(zhǔn)低50%,二氧化碳CO2排放比現(xiàn)役飛機(jī)低12%。在噪聲方面,整機(jī)外場噪聲在滿足ICAO第四階段噪聲要求基礎(chǔ)上,累積裕度不低于10EPNdB。
將環(huán)保理念貫穿飛機(jī)研制全過程。如圖4 所示,在飛機(jī)內(nèi)飾和結(jié)構(gòu)選用環(huán)保水基涂料,大大降低有機(jī)揮發(fā)物含量(VOC),縮短周期,降低成本。機(jī)身蒙皮由傳統(tǒng)的化學(xué)銑改為先進(jìn)鏡像銑工藝,減少化學(xué)腐蝕劑污染,增強(qiáng)飛機(jī)蒙皮的疲勞性能。
遠(yuǎn)程寬體客機(jī)在設(shè)計(jì)之初就將“低油耗、低噪聲、低排放“作為設(shè)計(jì)指標(biāo),作為先進(jìn)飛機(jī)的重要指標(biāo)之一,復(fù)合材料使用率達(dá)到51%,如圖5 所示。
先進(jìn)氣動技術(shù)方面,采用新一代超臨界機(jī)翼和變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì),顯著提升氣動效率,降低氣動噪聲。選取具有高可靠性、低噪音、低排放的高涵道比低噪音渦扇發(fā)動機(jī),有層流短艙,油耗更低特點(diǎn),其基本型與同類機(jī)型相比,座公里COC 節(jié)省約10%,同時考慮使用生物燃料技術(shù),保持綠色環(huán)保。
綠色可持續(xù)成為民機(jī)產(chǎn)品發(fā)展新驅(qū)動,國外企業(yè)已經(jīng)開展相應(yīng)綠色減排等技術(shù)研究,但我國尚處于探索階段,建議從民機(jī)產(chǎn)品全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的角度,全面構(gòu)建綠色飛機(jī)技術(shù)系列研究,識別、編制相關(guān)先進(jìn)技術(shù)圖譜,分階段開展探索研究、為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)決策提供參考。
平臺端,加快先進(jìn)布局飛機(jī)(例如翼身融合布局、桁架支撐翼等新構(gòu)型)研究。加快層流減阻技術(shù)、新一代超臨界機(jī)翼等新技術(shù)研究。加快先進(jìn)的復(fù)合材料、金屬材料和綠色環(huán)保材料的研究。
機(jī)載系統(tǒng)端,加快先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。例如提前布局電推進(jìn)系統(tǒng),降低碳排放,提高飛機(jī)可靠性安全性。提前布局多電、全電飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究,改善飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能、簡化飛機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
能源端,推進(jìn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型,加快可持續(xù)航空燃料的研究和發(fā)展。飛機(jī)及發(fā)動機(jī)本身無需做任何改動的基礎(chǔ)上,采取可持續(xù)航空燃料SAF,能將全生命周期二氧化碳凈排放降低80%,是極為有效的減排手段。中國商飛與波音公司共同創(chuàng)建了航空節(jié)能減排技術(shù)中心,第一個研究項(xiàng)目就是識別溝油中的污染物,確定處理、清潔地溝油以使其轉(zhuǎn)化為航空燃油的相關(guān)流程。建議可考慮建立我國自己的航空生物燃料使用標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)政策引導(dǎo),鼓勵飛機(jī)主制造商和各航空公司使用SAF,加快在航空業(yè)工業(yè)化的推廣。
“雙碳”背景下的航空減碳民機(jī)發(fā)展,關(guān)鍵是以民機(jī)產(chǎn)品為核心的全生命周期考量,圍繞民機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營等,需要統(tǒng)籌考慮、系統(tǒng)規(guī)劃涵蓋高效運(yùn)營、先進(jìn)技術(shù)、綠色研制、綠色回收等環(huán)節(jié)。
一是在頂層規(guī)劃方面,應(yīng)緊扣國家頂層“雙碳”目標(biāo),結(jié)合國際航空行業(yè)的航空減排約束,評估我國航空碳減排總體需求,提出國產(chǎn)民機(jī)綠色發(fā)展的頂層要求,通過自上而下和自下而上的迭代,形成具體的目標(biāo)和指標(biāo)作牽引。
二是在運(yùn)營領(lǐng)域方面,提升飛機(jī)運(yùn)營管理水平,比如雙發(fā)飛機(jī)采取單發(fā)滑行,可以減少地面油耗、碳排,減少有害氣體排放。又比如實(shí)施四維航跡控制,實(shí)現(xiàn)飛行全過程定時、定點(diǎn)控制,實(shí)現(xiàn)地面空管自動化系統(tǒng)與飛機(jī)飛行管理系統(tǒng)的實(shí)時信息交互。還可以優(yōu)化空域及航線,采取新技術(shù)如高度分成、減少間隔時間、減少等待時間與飛行時間等措施,采取優(yōu)化跑道及滑行道、停機(jī)坪/登機(jī)口等配置,共同營造“民航+綠色低碳”生態(tài)圈。
三是在飛行技術(shù)方面,加快能源的多元化布局。推動鋰電池及其他先進(jìn)電池的替代應(yīng)用。提前布局氫能飛機(jī)基礎(chǔ)研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān),占領(lǐng)技術(shù)高地。據(jù)國際趨勢預(yù)判,氫能源飛機(jī)預(yù)計(jì)2050 年、電動飛機(jī)預(yù)計(jì)2035 年后可小規(guī)模在短途客運(yùn)和通用航空中實(shí)現(xiàn)商用。
四是做好老機(jī)型翻新及綠色回收。飛機(jī)壽命往往是20?30 年,一旦過了前10 年飛機(jī)使用黃金期,飛機(jī)維修成本和燃油消耗等會增加,部分飛機(jī)會被提前退役。而退役后的飛機(jī)放置在室外降解,往往會對土壤、地下水等自然資源造成不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)境污染,影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。