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英国航空技术研究院发布英国绿色航空战略规划

2022-11-18 15:39 中国航空报 王泽溪

图1 超高效平台和零碳排放平台发展趋势预测。

图2 零排放飞机技术路线图。

图3 ATI提出的跨域使能技术路线图。

中国航空报讯:2022年4月26日,英国航空技术研究院(ATI)发布了《零排放目标:通向2050的技术旅程》文件,又称《2022技术战略》。该战略以2050年实现航空净零排放为目标,制定了英国航空工业的中长期技术发展战略,将为航空工业应对零碳排放挑战提供指导。

发布背景

可持续航空正在成为未来英国航空工业发展的重要推动力。航空运输为全球带来了巨大经济和社会效益,随着航空运输量持续增长,其对环境的影响成为全球密切关注的议题。2019年航空业通过二氧化碳、氮氧化物和烟尘对全球变暖的“贡献”约为3.5%。如果不采用低碳技术,到2050年,航空业将产生380亿吨的二氧化碳排放,占将全球变暖限制在1.5℃的全球碳预算总额的9.5%。航空业是全球最早提出2050零碳排放目标的行业,英国是第一个签署法案提出到2050年实现净零排放目标的主要经济体,欧洲各国也提出了净零排放的目标和举措。新冠肺炎疫情对航空运输业的需求带来波动和冲击的同时,也使全球意识到人类活动对环境的影响和降低碳排放的迫切要求。

主要目标与未来市场预测

《2022技术战略》为确定零碳排放飞机技术、超高效飞机技术、跨领域使能技术与基础设施这三个ATI技术领域的投资重点提供指导,为航空业确定实现2050净零排放所需的技术开发和潜在应用时间提供指导。通过明确未来研究重点,战略将服务于3项主要目标:一是将英国定位为全球航空航天业实现净零排放道路上的引领者;二是通过设计、制造和全生命周期支持等能力,加速采用符合净零排放目标的技术;三是确保英国的工业竞争力。

该战略提出英国航空业实现2050碳净零排放和英国航空工业保持全球竞争力的四个方面发展思路:一是主动承担风险以支撑清洁技术发展:为了根本解决可持续问题,英国公司需要尝试具有挑战性的解决方案以期颠覆性技术的出现。二是发展高效的飞机技术:气动、热效率、减重等仍是飞机减排的关注重点。三是迅速扩大可持续航空燃料(SAF)的使用:开发和扩大不依赖生物原料的SAF途径,实现大规模生产,克服价格阻碍、实现100%SAF的飞行。四是采用颠覆性技术实现零碳商业飞行:电池和氢能等新技术将为航空业带来颠覆性影响。开展持续技术研发,克服燃料电池、液态氢和氢气涡轮机等的商用挑战。

该战略文件预计,基于使用100% SAF的新一代超高效窄体机21世纪30年代初开始投入使用、超高效宽体机2040年开始服役的基础预测场景,2022~2050年全球高能效商用飞机潜在市场价值为4.3万亿英镑(34.58万亿人民币)。另外,预计零碳氢燃料支线飞机可能在2035年左右进入市场,零碳氢燃料单通道飞机在21世纪40年代初进入市场。对应平台发展趋势预测如图1。随着全球机队向零碳排放技术过渡,英国工业界市场份额可从现在的13%增长到2050年的18%。其中超高效平台技术占比将达49%,现有飞机将完全被取代。

面向2050零排放的航空技术路线图

ATI分析认为,宽体机和窄体机市场对实现净零排放目标和英国经济的影响最大,因此将这两个平台的技术作为优先投资重点。《2022技术战略》规划从三个方面推进可持续航空技术的发展,具体如下。

(一)零碳排放飞机技术零碳排放飞机技术专注于推进系统技术和基础设施发展,以实现零碳尾气排放,具体包括电池、氢和燃料电池技术,其中的大部分技术仍处于早期开发阶段。要在2025年前使英国的战略零碳系统、氢气涡轮机、低温和热管理燃料系统以及干式机翼成熟,达到TRL6(地面演示验证)。同时,与国际伙伴在2030年前合作开发出英国战略零碳系统的飞行试验路线。持续支持燃料电池的区域验证,2030年前采用英国技术的平台完成环境影响评估(EIS)。

图2展示了到2050年的零排放飞机技术路线图,ATI计划优先发展的技术包括:氢能燃料电池和燃气轮机——需要提高燃料电池的工作温度以减轻重量并对热管理进行更多研究;氢储存——燃料电池和燃气轮机用的机上低温氢气罐和相关的分配及安全系统必须进行开发和试验;电池动力飞机——需要继续开发在电动垂直起降(eVTOL)和亚支线客机应用的提升电池功率和能量密度的技术。

(二)超高效飞机技术相关技术将提高能源效率、降低二氧化碳与氮氧化物排放和噪声。主要内容包括:推进超高涵道比涡扇发动机技术成熟度达到TRL6,确保为新一代民用飞机从2030年开始投入使用做好准备;发展新的复合材料机翼气动设计、高速制造与装配技术,2030年开始应用于下一代窄体机,2035年开始应用于下一代宽体机。

(三)跨领域使能技术为实现上述两类技术带来的应用潜力,必须为整架飞机的设计和分析开发跨领域的使能技术和能力。这些能力应延伸到飞机从设计、制造、装配、运营到报废的寿命周期,确保英国在开发和交付更可持续的飞机方面处于领先地位并扩大市场份额。图3展示了到2050年的跨域使能技术路线图,ATI计划优先发展的技术包括:高价值设计和验证——通过准确预测飞机整个寿命周期的性能,整合优化复杂系统,这需要发展数字设计和建模工具,使其更加准确、自动化、集成化,具备更强能力;制造和装配——为整个供应链建立价格合理、适应性强的智能自动化制造系统和互联工厂,这需要开发下一代材料,并通过近净成形优化材料利用,同时发展先进计量和非破坏性评估技术;全寿命周期保障——以尽可能低的全寿命周期成本最大限度获得飞机可用性。

启示与建议

《2022技术战略》认为,零碳排放飞机技术在未来减少碳排放方面具有最大的潜力,应该继续把加速发展零碳飞机作为重中之重,并确保英国在其发展中处于领先地位,以获得更大的经济利益。超高效飞机技术可大大降低飞机能耗,其中许多技术还将应用于零排放飞机。SAF对实现零碳排放起到重要作用,超高效飞机技术需要结合SAF应用来实现净零排放,因此需要现在着手扩大SAF的规模,同时采取措施缩小与传统航空燃料间的价格差距。跨域使能技术可以加速引进新的飞机平台,并使英国成为未来可持续飞机的全球领导者,它们将实现零碳飞机技术和超高效飞机技术的开发、验证、生产和应用。英国等发达国家研究航空碳减排措施并提出技术路线图,不仅为实现零碳排放政策制定和技术发展提供了明确指导,也是未来设置零碳技术标准和适航规范的重要参考。零碳航空市场潜力巨大,提早布局方可占据先机。

责任编辑:intern2