如何減少航空業(yè)的碳排放

我熱愛航空業(yè)。它可以安全有效地運(yùn)送人和貨物，也是全球貿(mào)易的強(qiáng)大動力。航空業(yè)一直處于技術(shù)創(chuàng)新的前沿和領(lǐng)先地位。現(xiàn)在，全世界都在期待我們能找到碳排放和影響環(huán)境的持久解決方案。

航空業(yè)深知面臨著越來越大的挑戰(zhàn)——需要更有效的方式減少碳排放。多年來，航空航天在飛機(jī)效率、運(yùn)營和生產(chǎn)環(huán)境方面取得了巨大進(jìn)步，但仍有大量工作需要去做。這些數(shù)據(jù)是不容置疑的。航空業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳占全球人為二氧化碳排放量的2%-3%，以及所有運(yùn)輸方式所產(chǎn)生的二氧化碳排放量的12%。作為航空業(yè)認(rèn)真對待這一問題的例證，今年2月，達(dá)美航空宣布將投資10億美元用于碳排放治理，它也成為全球首家實(shí)現(xiàn)碳中和的航空公司。

因此，一些重要的問題成為這一挑戰(zhàn)的癥結(jié)所在。

航空業(yè)如何保證在發(fā)展技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的同時(shí)減少其碳排放？航空業(yè)怎樣才能保證可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，繼續(xù)成為經(jīng)濟(jì)活力的“源泉”？

航空業(yè)界的許多人相信，航空業(yè)的發(fā)展在于電推進(jìn)。最大的困難是儲能(電池技術(shù))需要進(jìn)步。今天，我們在電推進(jìn)方面面臨兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

能量和功率密度

重量大并不利于飛機(jī)的飛行。如果我們的商業(yè)航空飛機(jī)需要安裝電池來提供動力，那么，飛機(jī)將會非常重，無論從空氣動力學(xué)、運(yùn)營還是經(jīng)濟(jì)角度來說均不可行。甚至如果是更為小巧的電動支線飛機(jī)，其航程也將無法超過500海里，這在經(jīng)濟(jì)上也是不可持續(xù)的。

原因是能量儲存的能力(以能量密度表示，單位是千瓦時(shí)/千克)和將該能量轉(zhuǎn)換為動力的能力(以功率密度表示，單位是千瓦/千克)。當(dāng)你意識到噴氣式飛機(jī)燃料的能量密度是現(xiàn)今電池的50倍、而一臺典型的噴氣式發(fā)動機(jī)的功率密度是當(dāng)今電動發(fā)動機(jī)的3倍時(shí)——我們眼前亟待解決的任務(wù)便顯而易見了。此外，由于傳統(tǒng)飛機(jī)燃料燃燒，飛機(jī)變得更輕。

值得注意的是，航空燃料比前幾代燃料更清潔、更高效，創(chuàng)新應(yīng)該確保將來的污染更少,但是燃料仍然會產(chǎn)生污染。

總之，全電動洲際飛機(jī)需要在能量和功率密度方面實(shí)現(xiàn)巨大的改進(jìn)，而這不會很快實(shí)現(xiàn)。

動力管理

除了產(chǎn)生更大的動力，我們還需要加強(qiáng)對動力和熱環(huán)境的控制、保護(hù)和管理。而且，在高空進(jìn)行大規(guī)模的電力管理絕非易事，這需要更加完善的專業(yè)技術(shù)。

高效的電力分配和轉(zhuǎn)換技術(shù)需要最大限度地利用可用電力，并將熱管理系統(tǒng)最小化。我們需要高電壓系統(tǒng)來幫助商用飛機(jī)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。然而，在高空實(shí)現(xiàn)超高電壓絕緣十分困難。我們需要額外的間距和絕緣系統(tǒng)，而這將影響飛機(jī)的重量。同時(shí)，在飛機(jī)上安全地使用和管理電力，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這構(gòu)成了另一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

由于交付具有電推進(jìn)的商用航空運(yùn)輸飛機(jī)面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)，因此，我們認(rèn)為，降低航空業(yè)碳排放的最佳方式是從混合電推進(jìn)開始。

這在技術(shù)上是可行的，如果有效加以規(guī)劃，將確保企業(yè)的生存能力和增加就業(yè)機(jī)會。小型飛機(jī)的混合電推進(jìn)就是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

我們認(rèn)為，要為一架載客量不足50人的混合電動支線飛機(jī)提供動力，電池的能量和功率密度需要在當(dāng)前的基礎(chǔ)上翻倍。我們相信，這一目標(biāo)將在未來數(shù)年內(nèi)達(dá)成，并且載客量不超過50人、航程不超500英里的混合電動客機(jī)將在未來10到15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)適航。

要知道，我們花了30年的時(shí)間才把上世紀(jì)80年代的大型商業(yè)航空運(yùn)輸飛機(jī)的功率密度提高了50%，由此可將這一新的挑戰(zhàn)將有多么艱巨。

在商用混合電推進(jìn)方面，航空業(yè)走在了技術(shù)的前沿，這也是波音、空客、柯林斯宇航等公司現(xiàn)在加大投資研發(fā)力度的一個(gè)重要原因，旨在推動商用飛機(jī)電動和混合電推進(jìn)早日成為現(xiàn)實(shí)。如果你在航空航天和國防這樣的高科技行業(yè)落后于人后，就很難迎頭趕上了。作為一個(gè)航空業(yè)的公司，保持領(lǐng)先是至關(guān)重要的。

但是，這些挑戰(zhàn)不應(yīng)被視為推遲商用電動和混合電推進(jìn)技術(shù)研發(fā)的理由。事實(shí)上，我認(rèn)為我們應(yīng)當(dāng)加速推進(jìn)這項(xiàng)工作最強(qiáng)有力的理由是：這一技術(shù)能為原始設(shè)備制造商、航空公司、乘客和我們的環(huán)境所帶來的巨大裨益，值得我們付出努力。

聯(lián)合技術(shù)公司的內(nèi)部研究表明，商用電動和混合電推進(jìn)技術(shù)能夠：

1.降低多達(dá)85%的飛機(jī)噪音?

2.提升高至40%的燃油消耗率?

3.減少20%的二氧化碳排放

4.降低多達(dá)20%的航空公司運(yùn)營和維護(hù)成本

電動推進(jìn)技術(shù) 混合電推進(jìn)技術(shù) 電動和混合電推進(jìn)技術(shù)

在2019年4月，柯林斯宇航宣布建立“電網(wǎng)”(The Grid)彰顯了其對開發(fā)電動和混合電推進(jìn)技術(shù)的決心：在伊利諾斯州羅克福德建造一個(gè)占地25,000平方英尺的下一代電力系統(tǒng)集成設(shè)施。“電網(wǎng)”將成為航空業(yè)最先進(jìn)的電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，并將成為電動飛機(jī)新產(chǎn)品和系統(tǒng)開發(fā)的測試平臺。

柯林斯將利用“電網(wǎng)”測試大功率發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)和電機(jī)，以及安裝和測試連接系統(tǒng)，如驅(qū)動、空氣管理和渦輪機(jī)械?！半娋W(wǎng)”將飛機(jī)架構(gòu)集成測試提升到一個(gè)新的水平。

柯林斯宇航預(yù)計(jì)于未來三年內(nèi)投入1.5億美元在電源系統(tǒng)領(lǐng)域，其中包括投資于該實(shí)驗(yàn)室的5000萬美元；過去10年里，柯林斯宇航已在推進(jìn)多電架構(gòu)方面投資了30億美元。

柯林斯宇航在建立“電網(wǎng)”時(shí)，可持續(xù)地實(shí)施建設(shè)也是關(guān)注重點(diǎn)。到目前為止，我們已經(jīng)使用了：

1.400萬磅再生混凝土

2.50萬磅再生鋼

3.全電動拖拉機(jī)挖掘和移動土壤

“電網(wǎng)”實(shí)驗(yàn)室還將作為聯(lián)合技術(shù)公司“804”項(xiàng)目關(guān)鍵部件的研發(fā)基地，該項(xiàng)目是是一架支線飛機(jī)大小的混合動力驗(yàn)證飛機(jī)，我們與普惠公司一起支持該項(xiàng)目。該驗(yàn)證機(jī)將包括一個(gè)優(yōu)化巡航效率的發(fā)動機(jī)和一個(gè)電池供電的電動機(jī)。“804”項(xiàng)目的混合電推進(jìn)系統(tǒng)預(yù)計(jì)將平均節(jié)省30%的燃料。

除了主要關(guān)注于混合電推進(jìn)，“804”項(xiàng)目預(yù)計(jì)還將推進(jìn)其他技術(shù)的發(fā)展，如功率密度更高的電子設(shè)備、輕度混合動力的大型發(fā)動機(jī)和混合輔助動力裝置。

當(dāng)我們考慮應(yīng)用于更廣泛的航空業(yè)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)一無二的機(jī)會，可以繼續(xù)與世界連接，在減少排放量和整體環(huán)境足跡的同時(shí)促進(jìn)全球貿(mào)易，對下一代混合動力和電動平臺的戰(zhàn)略投資是非常值得的，這對我們的行業(yè)來說也是一個(gè)激動人心的時(shí)刻。