站内检索

吴光辉院士:“双碳”背景下的民机绿色发展
作者:黄思维 发表时间:2022年06月08日

  在“创新与新兴产业发展国际会议”的现代交通工程技术与产业专题会上,中国工程院院士、中国商用飞机有限公司首席科学家(以下简称商飞)吴光辉指出,民航领域的碳排放不可小觑。未来绿色民机要从节能、减排、降噪、循环、健康等方面着手,中国民航已经提出智慧民航建设,要营造“民航+绿色低碳的生态圈。以下为报告整理。 

    

吴光辉 

    

  「航空业与“双碳”目标息息相关」 

  实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。其中,民航领域的碳排放不可小觑。2019年全球航班二氧化碳总排放量为9.18亿吨,占全球交通运输行业碳排放的10%。中国全民航的碳排放量约为1.16亿吨, 航空公司占全民航能耗的96%,其中飞机燃油贡献94%。飞机发动机每燃烧1公斤的燃油,会排放3.15公斤的二氧化碳。这种二氧化碳会在高层大气中停留50~100年,飞行过程中也会排放大量的氮氧化合物、水蒸气和烟尘。高空烟尘的排放不同于地面,对气候的影响更大。因此,航空业对全球变暖的全部贡献不仅仅是二氧化碳,还包括氮氧化物、水气排放等。 

    

  201610, 国际民用航空组织(ICAO)第39届大会通过了国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA, 形成了第一个全球性行业减排市场机制。CORSIA通过飞机技术标准的改进、改善空中交通管理运行、可持续航空燃油(SAF)的开发、国际航空碳抵消和减排制定了路线图。我对此并不完全赞成,因为它是以2020年作为中性增长为目标,第一阶段虽然属于自愿,但后面都是强制执行。以2020年碳达峰为中心,之后再增长的可能要多交碳排放费。对于航空的发展尤其是发展中国家有一定的抑制,这是好事。但另一方面包括欧洲的碳排放收费在内,我们并不是很赞成。但总的来看,要往绿色方面发展是毫无疑问的。 

    

  ICAO从三个方面提出环保目标:第一,限制和减少航空温室气体排放对全球气候影响;第二,限制和减少受显著航空器噪声影响的人的数量;第三,限制和减少航空排放对当地空气质量的影响。 

    

  国际上比如欧洲也制定了“洁净天空”计划,目标为和2000年相比,油耗和二氧化碳排放要减少50%、氮氧化物要减少80%、感知噪声要降低50%。美国国家航空航天局(NASA)也制定了目标,到2025~2035年间飞机在噪声和能源效率方面要取得革命性提升,实现与2005年相比,机队水平的碳排放和增长要减少50% 

    

  航空面临绿色发展的压力很大,但所有的指标都只制定了50%,为什么航空不能做到零碳?实际上,要用电取代涡轮发动机很困难。未来要是不计成本做也能实现,但其中也会有权衡。 

    

  「商飞在节能减排方面的努力」 

  在民机的发展里会面临几个问题:一是自然环境生态的压力,碳排放、碳达峰是我们共同追求的目标,降低全球温室效应也要通过航空业做出贡献。第二,国际间的协议比如《巴黎协定》等,这是制约民机的发展,同样我国宣布的碳达峰、碳中和的“双碳”目标,也必须得执行。第三,国际民航组织ICAO关于碳排放减排的要求。 

    

  我们自身的发展也要考虑,将来没有大的排放量,整个行业不可能生存。欧洲现在也在推进碳交易、碳排放等,国际航班还没有对我国完全执行。未来面临着竞争的压力,国际著名制造商都在面临着如何做SAF以及新能源的取代、应用等。 

    

  在商飞旗下的ARJ21支线飞机、C919单通道窄体客机以及中俄联合研制的CR929宽体客机中,ARJ21在绿色实践方面持续减重,从交付后到现在已经减了600公斤,重量越低消耗的能量就越少,累计减阻相当于可多载20人,而且阻力越小消耗的能量就越小。此外还在进行持续的噪声优化,二氧化碳的排放降低了5.9% 

    

  从设计理念开始,C919就考虑了减排的因素。我们应该是世界上第一个以三减即减重、减阻、减排为设计理论目标的飞机。C919氮氧化合物的排放降低了50%,二氧化碳的排放能够降低12%~15%,噪声比第四阶段的现役飞机能够降低10个分贝。 

    

  C919既带动了中国的航空动力领域发展,也对全球的航空发展起了带动作用。比如C919GE LEAP-1C发动机的第一个先锋用户,这种发动机采用陶瓷材料,增加了涡轮的温度,使得这一先进的发动机技术至少提前10年启动。它的先进性在于能减少氮氧化合物,燃油消耗降低15%,氮氧化合物减少50%,噪声也能够减少5~10分贝。我们还在C919里选用了第三代铝锂合金,此外还有很多新的技术, 可降低维修成本与维修时间等。 

    

  CR929的设计中我们更提出了低油耗、低噪声与低排放,比如按照ICAO提出的8个排放要求,氧化物要降低50%,二氧化碳排放量降低60%,噪声降低20分贝。在设计上我们采用了先进的气动力技术,复合材料技术的大量应用可以降低环保压力,减轻飞机的重量。此外,高涵道比低噪声的涡扇发动机,模块化的航电系统和多电飞机都是CR929贯彻的绿色发展理念。 

    

  「未来绿色发展的展望」 

  过去的观念认为,飞机是一种商业和安全的驱动,注重安全和商业利益。现在强调的是可持续驱动,要求环保、舒适并重视成本,当然安全是重中之重与基础。随着技术的发展和时代的进步,人均飞行每公里的油耗和运行成本急剧下降,但是它降到一定程度后,要付出很大的成本才能做出新的贡献。 

    

  着眼于未来,绿色民机要从节能、减排、降噪、循环、健康等方面着手,为绿色发展做贡献。首先应从运行方面考虑,目前中国民航正在推进智慧民航建设。到2035年我国将成为民航大国,但并不是强国。大国就是运输总量排名世界第二,但是并不强,缺少制造力,运营与很多的空域管理急需改革。因此在不久前,中国民用航空局印发《智慧民航建设路线图》,明确了智慧民航建设各阶段性目标和具体任务,要营造民航+绿色低碳的生态圈。 

    

  比如管理方面,能否在技术上推行单发滑行?在地面滑行时可不可以开两台或者一台发动机,这样可减少20%~40% 的地面油耗和排放,并能降低10%~30%的氮氧化合物的排放。同时,我们还有一些新的技术,比如能否用燃料电池取代APU等。 

    

  第二个绿色发展领域是四维航迹控制,可以实现飞机飞行全过程的定时、定点控制,实现地面与空中管理自动化系统、飞机飞行管理系统的实时信息交互。 

    

  比如从北京到上海虹桥预计是两点半着陆,结果变成两点四十五分着陆,为什么呢?因为有时候飞机早到了没有跑道降落,会在空中转几圈等待。这种情况下,我们会在整个飞行过程中的四维航迹把时间加进来,除了XYZ之外加一个T,这样能准时准点到达虹桥机场。目前民航局正在推广智慧民航建设里的四维航迹管理,可以预想能够减少多少的出行时间。此外,还可以通过优化空域及航线实现这一目标,另外还可以开放更多的空域,以及新技术如高度分成、减少间隔时间、减少等待时间与飞行时间等,通过这些技术术,可以提高智慧民航建设。 

    

  减少地面时间也值得关注。比如京沪航线发展得好所需的时间不到2个小时,高铁则需要三至四个小时,相比之下飞机还是有优势的。不过,其中滑行道、停机坪、登机口和地面滑行时间等要优化好。 

    

  在飞行技术方面,能源的多元化布局也很重要。各国都在发展可持续航空生物燃油,我们正与波音公司开展合作制造生物燃油。现在全球各地、很多组织都在进行氢能的尝试,包括压缩氢与储氢,甚至核能的应用。比如通过小的气冷式反应堆用加热的气直接推动涡轮,这种可能性也存在。此外,还有电推进系统、电滑行、多电以及其他智慧系统等新技术。 

    

  总体而言,商飞正围绕着大飞机主业践行绿色民机设计理念,设计绿色低碳的民机产品,助力“双碳”目标的实现。绿色民机型号设计要与技术预研相结合,仰望星空的同时要脚踏实地。既有高的目标,还要注重坚实,我们不是一蹴而就的。要通过渐进性变革向颠覆性技术过渡,使得未来在“双碳”目标下大飞机、民用运输业能得到很好发展。 

首页投稿广告关于我们联系我们

版权:《高科技与产业化》编辑部版权所有 京ICP备12041800号

地址:北京市海淀区中关村北四环西路33号 邮编:100080

联系电话:(010)82626611-6618 传真:(010)82627674 联系邮箱:hitech@mail.las.ac.cn