邴元春/編譯
隨著(zhù)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)數據顯示，未來(lái)20年，全球民航旅客年增長(cháng)率將達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)現二氧化碳凈零碳排放的長(cháng)期目標。為實(shí)現這一目標，航空業(yè)已采取多項措施減少碳排放，新能源飛機便是其中之一。
航空新能源是什么？
航空業(yè)的碳排放主要來(lái)自化石能源燃燒。為減少碳排放，主要可以使用3種能源替代傳統航空燃料：可持續航空燃料（SAF）、氫能和電能。
可持續航空燃料：以廢棄的動(dòng)植物油脂、油料、使用過(guò)的食用油、城市生活垃圾和農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?？沙掷m航空燃料之所以是“可持續的”，是因為其原料與糧食作物或水供應不存在競爭關(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(lái)看潛力很大。氫能可用作傳統發(fā)動(dòng)機的推進(jìn)燃料，也可用于電力燃料電池。
電能：電能儲存在電池中或通過(guò)燃料電池產(chǎn)生，為飛機提供動(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(lái)源?；旌蟿?dòng)力則結合了內燃機與電動(dòng)發(fā)動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)，可能是大型飛機應用全電動(dòng)推進(jìn)系統必要的中間步驟。
新能源飛機的類(lèi)型
目前，幾乎所有可用的可持續航空燃料都是鏈烷烴可持續航空燃料，不含芳烴等其他碳氫化合物?？蜋C不能只使用純鏈烷烴可持續航空燃料，需要與足夠的傳統航空燃料混合，使其化學(xué)成分符合飛機燃料質(zhì)量標準。多家飛機制造商宣布，到2030年，其所有民用產(chǎn)品將與100%鏈烷烴可持續航空燃料兼容。
混合可持續航空燃料的成分和性質(zhì)與傳統航空燃料完全相同，不需要對飛機進(jìn)行任何改裝。美國材料與試驗協(xié)會(huì )（ASTM）目前正在制定標準，使現有飛機能夠使用100%混合合成燃料飛行，預計這項工作將在2024年前完成。
氫可通過(guò)兩種方式為飛機提供動(dòng)力：在燃料電池中產(chǎn)生電能驅動(dòng)電動(dòng)飛機，或在燃氣輪機中燃燒，這與噴氣燃料的燃燒方式一樣。與大多數使用機翼儲存燃料的飛機不同，氫動(dòng)力飛機通常在機身內部設有氫燃料箱。
氫氣已經(jīng)開(kāi)始分階段在航空運輸系統使用，首先是在非推進(jìn)系統中的應用，如地面輔助設備，使用氫動(dòng)力公交車(chē)、火車(chē)或出租車(chē)運送旅客往返機場(chǎng)。
電動(dòng)飛機是以?xún)δ苎b置（蓄電池、燃料電池等）給電動(dòng)機供電，驅動(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。全電動(dòng)飛機在運行期間的二氧化碳排放為零。翼身融合混合動(dòng)力飛機最多可減少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)飛機可實(shí)現節能超過(guò)60%、減排超過(guò)90%、降噪超過(guò)65%。
電動(dòng)垂直起降飛機（eVTOL）依賴(lài)更簡(jiǎn)單的動(dòng)力裝置，安全性更高，采購和運營(yíng)成本大大降低。無(wú)論是全電動(dòng)飛機還是混合動(dòng)力飛機，與傳統飛機相比，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(guò)新興運輸工具開(kāi)發(fā)低空空域，在人口稠密地區建立一個(gè)安全高效的空中運輸系統，運輸旅客或貨物，其主要運輸工具就是電動(dòng)垂直起降飛機（eVTOL）。
新能源飛機的前世今生
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)航成為首家在常規商業(yè)運營(yíng)中使用可持續航空燃料的航空公司。2019年11月，全球使用可持續航空燃料的商業(yè)航班已超過(guò)25萬(wàn)架次，超過(guò)45家航空公司使用了可持續航空燃料。2023年，使用可持續航空燃料的航班已超過(guò)49萬(wàn)架次?？沙掷m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商簽署了可持續航空燃料協(xié)議，但目前可持續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(lái)自966公里以?xún)鹊亩掏撅w行。據估計，所有4025公里以?xún)鹊娘w行都可以通過(guò)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)力飛機研究已經(jīng)開(kāi)展了幾十年，但在運送旅客方面尚未獲得認證。
早期的測試包括美國在20世紀50年代進(jìn)行的B-57B氫氣試飛和20世紀80年代的TU-155飛行。此外，波音公司自本世紀前十年以來(lái)，使用氫燃料電池和內燃機進(jìn)行了6次氫技術(shù)演示，包括載人和無(wú)人駕駛飛機。
2010年，空客公司開(kāi)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（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（E-Fan）和電動(dòng)飛機示范項目（Vahana和CityAirbus NextGen）?？湛凸疽研佳邪l(fā)全新窄體氫動(dòng)力飛機ZE—ROe項目。
德國羅蘭貝格咨詢(xún)公司是歐洲最大的戰略管理咨詢(xún)公司，該公司持續對飛機電力推進(jìn)領(lǐng)域進(jìn)行研究。根據該公司的研究報告，截至2021年，全球范圍內超過(guò)一半的電動(dòng)飛機項目是自2017年以來(lái)啟動(dòng)的。
美國垂直飛行協(xié)會(huì )（VFS）也關(guān)注到了電動(dòng)飛機的發(fā)展熱潮，自2016年底起編制世界電動(dòng)垂直起降飛機（eVTOL）目錄，于2017年正式發(fā)布。
新能源飛機的未來(lái)
根據國際航空運輸協(xié)會(huì )（IATA）的預測，未來(lái)進(jìn)行長(cháng)途飛行和超長(cháng)途飛行的飛機應完全或部分由可持續航空燃料提供動(dòng)力，而氫氣在不久的將來(lái)將應用于中短途飛行中，極短距離的通勤飛行可通過(guò)電池提供動(dòng)力。
同樣，根據國際航空運輸協(xié)會(huì )的分析，到2050年，航空業(yè)65%的碳排放需要通過(guò)可持續航空燃料實(shí)現。因此，需要大幅增加可持續航空燃料產(chǎn)量。2025年，可持續航空燃料產(chǎn)量將達到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，達到生產(chǎn)和利用的轉折點(diǎn)。2030年以后，可持續航空燃料產(chǎn)能將達到最大。
空客公司正在開(kāi)發(fā)3種氫燃料零排放商用飛機，分別是渦輪螺旋槳飛機、渦扇設計飛機和翼身融合設計飛機，航程1000海里起，最高達到2000海里，最多搭載200人，預計將于2035年投入使用。到2040年，氫動(dòng)力飛機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)可能應用于長(cháng)途航班。2060年和2070年可能發(fā)生變化，很大一部分飛機將由氫氣提供動(dòng)力。但要做到這一點(diǎn)，必須應對一些技術(shù)上的挑戰，如大規?？色@得性、提供適當的供應基礎設施等。由于液氫燃料占據的空間約是煤油的4倍，對機身設計者來(lái)說(shuō)也是一項挑戰。
由混合動(dòng)力推進(jìn)的小型飛機（15座-20座）預計將在10年內投入使用，支線(xiàn)飛機將在本世紀30年代投入使用，自2040年起將推出載客量更大的飛機。2050年左右，電池技術(shù)可能成熟到足以為支線(xiàn)航班提供動(dòng)力。在未來(lái)幾十年內，電動(dòng)垂直起降飛機（eVTOL）可能成為世界各地公共服務(wù)機構在消防、公共安全、搜救、救災和執法等領(lǐng)域應用的重要工具。
（本文由中國民用航空局國際合作服務(wù)中心邴元春編譯）