2021年，在新冠肺炎疫情沖擊下，全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續兩年史無(wú)前例的重創(chuàng )，同時(shí)也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”，都不約而同將航空業(yè)減排目標大幅提前：明確到2050年實(shí)現凈零排放。由于航空業(yè)具有跨境屬性，必然涉及國際協(xié)商，歐美在確立新目標后隨即會(huì )著(zhù)力向全球推廣……

3月22日至23日，首屆國際清潔航空論壇將在比利時(shí)布魯塞爾舉行，論壇的主題是“清潔航空起飛”。如何能飛得更清潔，已經(jīng)成為航空業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題。

聯(lián)合國將本世紀中葉實(shí)現全球凈零排放作為當前全人類(lèi)最為緊迫的使命。2018年，一場(chǎng)名為“飛行恥辱”的運動(dòng)自瑞典發(fā)起并很快席卷歐洲，越來(lái)越多的人開(kāi)始選擇更加綠色的出行方式。大勢所趨，浩浩湯湯。航空業(yè)如果不能革新轉型，迎來(lái)的將是淘汰降級，而由此引發(fā)的新一輪技術(shù)革命和全球競爭已然拉開(kāi)序幕。

航空脫碳勢在必行

2050年前碳排放要比2005年減少50%

聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )(IPCC)報告指出，要保持全球升溫較工業(yè)化前水平控制在1.5攝氏度內，在2050年實(shí)現二氧化碳凈零排放的目標至關(guān)重要。2015年《巴黎協(xié)定》簽署以來(lái)，盡快實(shí)現碳中和正在全球范圍取得共識，主要行業(yè)在本世紀中葉實(shí)現凈零排放已是大勢所趨。作為全球經(jīng)濟活動(dòng)重要組成和支撐的航空業(yè)，必然要積極變革，主動(dòng)作為。

早有遠慮的航空業(yè)自2007年就已經(jīng)開(kāi)始探索全行業(yè)減排，很多民航相關(guān)的國際機構和組織都制定了相應規劃，其中最為重要的是國際民航組織(ICAO)在2016年通過(guò)的國際航空碳抵消和減排計劃(CORSIA)，由此形成了第一個(gè)全球性行業(yè)減排市場(chǎng)機制，航空業(yè)也由此成為世界上第一個(gè)由各國政府協(xié)定實(shí)施全球碳中和增長(cháng)措施的行業(yè)。根據該計劃，全球航空業(yè)2050年前碳排放要比2005年減少50%。

2021年，在新冠肺炎疫情沖擊下，全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續兩年史無(wú)前例的重創(chuàng )，同時(shí)也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。與此同時(shí)，歐盟和美國先后確定了2050年實(shí)現碳中和目標。歐盟委員會(huì )于7月提出“Fit for 55”法規以確保2050年實(shí)現碳中和。美國緊隨其后，在11月發(fā)布《邁向2050年凈零排放的長(cháng)期戰略》，公布了實(shí)現2050碳中和目標的時(shí)間節點(diǎn)與技術(shù)路徑。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”，都不約而同將航空業(yè)減排目標大幅提前：明確到2050年實(shí)現凈零排放。

由于航空業(yè)具有跨境屬性，必然涉及國際協(xié)商，歐美在確立新目標后隨即會(huì )著(zhù)力向全球推廣。

2021年10月，代表全球航空運輸業(yè)的航空運輸行動(dòng)小組(ATAG)敦促?lài)H民航組織成員國根據行業(yè)承諾，支持在2022年第41屆國際民航組織大會(huì )上通過(guò)一項長(cháng)期的減排目標。

在2021年11月召開(kāi)的第26屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì )(COP26)上，英、美、法等23個(gè)國家組成“國際航空氣候雄心聯(lián)盟”，簽署《國際航空氣候宣言》，旨在加強政府間合作，為國際航空排放設定具有雄心的長(cháng)期目標。特別提出支持國際民航組織通過(guò)雄心勃勃的長(cháng)期目標，敦促I(mǎi)CAO做出2050年實(shí)現凈零排放的具體承諾。與此同時(shí)，成員包括290家航空公司的國際航空運輸協(xié)會(huì )(IATA)對2050年凈零碳排放飛行計劃表示支持。

時(shí)間轉入今年2月，在歐盟輪值主席國法國主持下，42個(gè)發(fā)達國家于歐洲航空之都圖盧茲簽署《關(guān)于航空可持續發(fā)展和脫碳的圖盧茲宣言》，呼吁全球采取措施，到2050年實(shí)現航空業(yè)脫碳目標，以遏制全球變暖。歐美等國希望通過(guò)這一不具約束力的倡議引發(fā)連鎖反應，從而推動(dòng)在第41屆國際民航組織大會(huì )上通過(guò)全球航空運輸脫碳承諾。該倡議同時(shí)得到空客、法荷航、達索等146家行業(yè)公司的支持。各方強調，在ICAO框架下開(kāi)展國際合作對于保證全球公平競爭至關(guān)重要。

國際民航組織理事會(huì )主席薩爾瓦托雷·夏基塔諾出席了此次活動(dòng)，他強調，盡管疫情及其影響仍在持續，但各國政府及航空業(yè)仍做出了雄心勃勃的決定，采取了實(shí)際行動(dòng)以促進(jìn)實(shí)現國際航空脫碳。

以上種種，最終都“劍指”國際民航組織即將在9月召開(kāi)的大會(huì )。該組織正緊鑼密鼓開(kāi)展國際航空二氧化碳減排長(cháng)期全球目標(LTAG)的研究和磋商。3月底至4月初，該組織將就此召開(kāi)全球航空對話(huà)，相關(guān)協(xié)商進(jìn)展將提交LTAG高級別會(huì )議，最終將在9月大會(huì )上做出表決。2050年實(shí)現航空業(yè)脫碳無(wú)疑將是一個(gè)極具雄心的目標，無(wú)論國際民航組織最終做出何種承諾和約束，航空業(yè)開(kāi)展脫碳都已經(jīng)箭在弦上。

航空技術(shù)醞釀巨變

要實(shí)現航空脫碳，技術(shù)上能否取得突破是關(guān)鍵

雖然航空業(yè)并非碳排放的超級大戶(hù)，但絕對是碳減排的“困難戶(hù)”，主要原因在于長(cháng)途飛行還顯著(zhù)依賴(lài)于化石燃料，要實(shí)現航空脫碳，技術(shù)上能否取得突破是關(guān)鍵。

法國《回聲報》認為，當前航空業(yè)即將迎來(lái)第三次航空革命。第一次航空革命是20世紀初萊特兄弟的第一架飛機成功試飛;第二次革命是上世紀50年代，渦輪式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機的問(wèn)世宣告航空業(yè)進(jìn)入黃金時(shí)代。那么第三次航空革命究竟是什么?

德國西門(mén)子電力飛行技術(shù)負責人弗蘭克·安東博士對此毫不猶豫地給出他的答案：電。安東指出：“電力推進(jìn)技術(shù)是航空業(yè)的發(fā)展方向，否則航空業(yè)將沒(méi)有未來(lái)可言?！蔽鏖T(mén)子團隊已初步完成了油電混合推進(jìn)系統的設計、研發(fā)與試飛工作。2015年，西門(mén)子推出的電動(dòng)飛機電機，重量?jì)H為50公斤，但功率卻高達260千瓦，實(shí)現了全球首架250千瓦級電動(dòng)飛機的首飛。未來(lái)，通過(guò)電力系統的不斷優(yōu)化和電池技術(shù)的進(jìn)步，西門(mén)子希望研發(fā)出滿(mǎn)足100座的混合動(dòng)力航空裝置。

對于法國同行，該問(wèn)題的答案同樣是一個(gè)字：氫。法國民用航空研究委員會(huì )(Corac)今年1月發(fā)表了航空運輸脫碳技術(shù)路線(xiàn)研究報告。該報告認為，未來(lái)需要通過(guò)不斷提升氫能飛機所占比重來(lái)實(shí)現行業(yè)脫碳。在其規劃的路線(xiàn)圖中，法國可在2030年推出新一代中短途飛機，利用降低油耗和生物燃料實(shí)現碳中和;2035年推出短途氫能飛機;2045年推出中程氫能飛機;至2050年，氫技術(shù)可為航空業(yè)全部碳中和貢獻29%。在另外一項更為激進(jìn)的歐洲聯(lián)合研究報告則指出，用氫代替燃油可將航空運輸對氣候的影響降低50%到70%。

電和氫是目前兩個(gè)主要的推進(jìn)技術(shù)研發(fā)路線(xiàn)。

法國蒙田研究所報告對此指出，考慮到儲電池和燃料電池的能量密度，純電力推進(jìn)的應用將主要是小型飛機。對于大型飛機，混合電動(dòng)推進(jìn)可作為實(shí)現完全電氣化的過(guò)渡技術(shù)?；旌想娏ν七M(jìn)可以通過(guò)將傳統發(fā)動(dòng)機與電力推進(jìn)串聯(lián)或并聯(lián)組合。這一概念已在汽車(chē)行業(yè)長(cháng)期應用。

根據目前的技術(shù)展望，100座以上的全電動(dòng)飛機難以在2050年前投入使用。19座以下的小型飛機業(yè)務(wù)正在增長(cháng)，但目前僅占全球航空總排放量的不到1%。對于中遠程大型飛機，更為現實(shí)的技術(shù)選擇似乎只有氫氣和可持續航空燃料(SAF)。這里的氫推進(jìn)與依靠氫氣發(fā)電的燃料電池不同，氫推進(jìn)飛機是將氫氣燃燒作為發(fā)動(dòng)機燃料。

目前，歐美主要國家都將氫推進(jìn)視為飛機脫碳的最佳候選者，也是2035年可實(shí)現的主要技術(shù)解決方案之一。氫燃料的優(yōu)勢在于燃燒溫度高，可以提高發(fā)動(dòng)機的熱效率，并且是零碳排放。從發(fā)動(dòng)機制造商的角度來(lái)看，用氫代替燃油并不困難，主要是解決氫燃燒帶來(lái)的材料耐高溫問(wèn)題。即使有必要進(jìn)行調整，發(fā)動(dòng)機的90%都可能保持不變。選擇氫的主要困難在于飛機上的存儲問(wèn)題，相同的機載量下，氫燃料的重量是傳統燃油的三分之一，但所占體積是燃油的4倍，這需要對飛機結構做出調整。且液態(tài)氫需要在零下253攝氏度低溫儲存，儲罐材料對隔熱、抗振動(dòng)和沖擊、承重、密封有很高要求，需要專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)一種能夠在飛機應用要求下承受熱循環(huán)和壓力循環(huán)的液氫儲罐。

根據法國蒙田研究所的預測，為了實(shí)現2050年脫碳目標，目前占全球航空排放約3%—4%的區域航班(主要為100座以?xún)刃★w機)可以基于混合電力推進(jìn)和氫燃料電池實(shí)現脫碳;占航空排放約67%的中短途航班(主要為100至250個(gè)座位的中型客機)可以主要依靠氫推進(jìn)技術(shù);占航空排放約30%的長(cháng)途航班(主要為250座以上的大型客機)還需要依靠可持續航空燃料。

除了推進(jìn)技術(shù)外，航空脫碳還需要在改善空氣動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化引擎性能，增加數字化等漸進(jìn)性技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展。

航空巨頭紛紛入場(chǎng)

歐美航空企業(yè)加快研制氫能飛機

在歐洲，2020年9月，空客推出了ZEROe零排放商用飛機項目，公布了三款混合氫能概念飛機，分別用渦輪螺旋槳、翼身融合和渦輪風(fēng)扇三種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機，利用燃燒氫氣作為燃料，暫定于2025年原型機試飛，2035年投入使用。

今年2月，在公布氫能飛機項目20個(gè)月后，空客宣布與通用和賽峰的平股合資公司CFM國際公司強強聯(lián)合，雙方?jīng)Q定于2025年左右共同啟動(dòng)氫能飛機示范項目。該項目旨在對氫燃料發(fā)動(dòng)機進(jìn)行地面和飛行測試，為2035年推出第一款零排放飛機做好準備。該示范項目將使用A380測試飛機作為飛行測試平臺，配備由空客在法國和德國的工廠(chǎng)準備的液氫罐。從2026年開(kāi)始，空客將在A(yíng)380巡航期間對氫燃料發(fā)動(dòng)機進(jìn)行測試。

在美國，今年2月，普惠公司被美國能源部高級能源研究計劃署選中，為商業(yè)航空開(kāi)發(fā)新型、高效的氫燃料推進(jìn)技術(shù)。

普惠公司參與的“氫氣蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動(dòng)機”項目將使用液態(tài)氫燃料，通過(guò)回收水蒸氣大大減少飛機凝結尾跡，從而實(shí)現零溫室氣體排放飛行，并將氮氧化物的排放減少80%。該項目采用的半封閉系統架構將比燃料電池具有更高的熱效率，相比使用 “滴入式”的可持續航空燃料，總運營(yíng)成本可能進(jìn)一步降低。這是普惠公司和高級能源研究計劃署之間的首次直接合作，以支持航空業(yè)在2050年實(shí)現飛機二氧化碳凈零排放這一戰略目標。

根據法國《回聲報》報道，波音似乎仍然對2035年實(shí)現氫動(dòng)力飛機的可行性持保留態(tài)度，波音更傾向于優(yōu)先考慮使用替代燃料運行的傳統機型。

在俄羅斯，俄羅斯國家技術(shù)集團(Rostec)2021年7月宣布啟動(dòng)一項為航空和地面應用開(kāi)發(fā)氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機的計劃。俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機公司首席設計師尤里·什莫廷稱(chēng)：“為了減少航空業(yè)的碳足跡，氫燃料的使用是最有前途的發(fā)展領(lǐng)域之一。我們正在考慮兩種主要技術(shù)：在改進(jìn)的燃氣輪機中直接燃燒氫燃料，以及使用氫燃料電池發(fā)電?！?/p>

對中國而言機遇和挑戰并存

零碳飛機涉及新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，大家都在同一個(gè)起跑線(xiàn)上

法國《費加羅報》文章稱(chēng)，多位國際航空觀(guān)察家認為，零碳排放飛機的競賽對中國來(lái)說(shuō)是一個(gè)最終打入商用航空市場(chǎng)的歷史性機遇。全球咨詢(xún)公司AlixPartners董事總經(jīng)理尼古拉斯·博格蘭和帕斯卡·法布爾相信：“零碳飛機涉及新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，長(cháng)期投資的中國當然有牌可以打?！闭缌硪晃粚?zhuān)家總結的那樣：“大家都在同一個(gè)起跑線(xiàn)上?！?/p>

中國旅法航協(xié)會(huì )長(cháng)葉偉明博士在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示：“在氫能飛機的研發(fā)方面，各國都在同一起跑線(xiàn)上。這對中國來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的機會(huì )?！比~偉明稱(chēng)，中國航空業(yè)和能源工業(yè)必須抓住第三次航空革命的歷史機遇，盡快起步。中國在經(jīng)典航空發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域仍處于追趕階段，建議中國航空制造盡早向新能源技術(shù)方向跨越，大膽轉型。

中國旅法航協(xié)副會(huì )長(cháng)、空客研發(fā)工程師丁一對記者表示：“空客零碳大飛機已經(jīng)明確氫能技術(shù)路線(xiàn)。對于中國民機事業(yè)，氫燃料等新能源飛機架構和發(fā)動(dòng)機，可能是彎道追趕的機遇，同時(shí)仍然是需要積累沉淀的長(cháng)期挑戰。零碳飛機這一新賽道的本質(zhì)還是航空制造業(yè)，需要立足我國型號任務(wù)穩中求進(jìn)，在設計理念、制造工藝和測試手段等方面努力縮小差距?！?/p>

半個(gè)多世紀以來(lái)，空客和波音通過(guò)技術(shù)進(jìn)步不斷取得領(lǐng)先，但在變革之下，曾經(jīng)的“巨無(wú)霸”并不能保證在未來(lái)持續領(lǐng)先。對于是否選擇氫能，空客和波音已經(jīng)分道揚鑣，一個(gè)滿(mǎn)懷壯志，一個(gè)保守觀(guān)望。航空業(yè)要在不到30年內實(shí)現脫碳，必須依賴(lài)顛覆傳統的科技突破。未來(lái)航空業(yè)能否“氫”裝上陣，取決于大膽創(chuàng )新，也取決于膽識和遠見(jiàn)。