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拉菲彩票发动机的碳中和路线怎么走

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  根据国际民航组织(ICAO)的最新数据,航空业产生的二氧化碳占全球人为二氧化碳排放量的2%~3%,以及所有运输方式所产生的二氧化碳排放量的12%。这个比例和你的想象有多少差距?

  航空业自诞生伊始,就一直被人们对更高性能与效率的不懈追求所定义。为了力争“在2050年将二氧化碳排放量与2005年的水平相比减少50%”的目标,在营收和乘客公里数方面同比增长约4.5%的发展速度下,普惠等飞机制造商努力提高喷气发动机的效率,采用可持续航空燃料,同时开发新一代技术,使发动机和飞机的效率每年以1.5%的速率提高。更具效率的发动机,更少的燃油消耗,从而产生更少的碳排放,一直是他们孜孜以求的目标。

  在计算发动机的二氧化碳生命周期时,只有2%的二氧化碳是在从地下提取金属、冶炼高质量和纯度的金属、生产制造发动机并最终交付发动机的过程中产生的,其余98%的二氧化碳是在飞行中排放的。如果仅从环境友好的角度去考量发动机的迭代升级,更先进,就等同于效率更高。

  以波音707和空客A321XLR两个机型为例,它们的诞生相隔60年,但在相同的航线和载客量下,燃油消耗减少了70%。这其中,最主要的区别就在于发动机。从四个引擎变为两个引擎,发动机可靠度须提高六个数量级。在保证发动机可靠性的基础上,普惠用了20年的时间将发动机的效率向前推进了一大步。

  发动机的效率是风扇和齿轮系统的推进效率乘以热效率。风扇位于发动机的前端,普惠在这里引入了一个齿轮来减慢风扇的速度,使其以较低的速度旋转;齿轮一直连接到发动机后部,再到高速旋转的低压涡轮机,这就决定了推进效率。发动机的热效率是核心,涉及压气机、燃烧室和涡轮,涡轮以每分钟数万次的速度高速旋转,这就是热效率发生的地方。在这方寸间,普惠应用了48项新技术,以实现齿轮传动涡扇(GTF)发动机的这种新发动机架构。

  2016年,GTF发动机开始在空客A320neo系列客机上广泛装机使用。它的出现,一举将发动机油耗水平降低了16%~20%,噪声轨迹降低75%。16%的燃油消耗效率提高意味着什么?据统计,每架飞机每年平均排放约3600吨二氧化碳,而地面的树木靠光合作用将二氧化碳从大气中带走。装载了GTF发动机的一架飞机,每年减少的碳排放相当于多种植90万棵树。此外,GTF发动机在降低噪音和环境的可持续性等方面推进了技术进步。以往,为了减小噪声污染,飞机必须采取特定路线绕飞,防止居民听到噪声。而噪声轨迹降低75%,则可以将噪声保持在机场范围内,带来更多的直飞航线。

  因此,GTF发动机撬动了航空业生态的变革。其实,自80多年前推出以来,喷气发动机的热效率已提高了400%,但距实现理想热力学(布雷顿)循环的理论极限还有一半距离。GTF架构作为新一代喷气发动机设计,能够整合提高燃油效率的陶瓷基复合材料等先进材料和混合动力系统,推动涡轮核心机更小的发动机技术研发。此外,GTF发动机采用的传感器比V2500多40%,每个发动机在每次飞行中可以生成大约400万个数据点,这些全航段的运行数据能够持续监测发动机和部件的健康状态,主动计划维护和零件需求,并向供应链发送需求信号,从而显著改善整个生态系统中的计划外的维护、安全性和效率,将整套数字化技术整合成为一个生态系统。

  截至目前,国内有11家航空公司运营200多架由GTF提供动力的空客A320neo系列飞机,在国内飞行37万多次航班,飞行小时数已达160万以上,5年时间里,有5300万以上的国内旅客已亲身体验了GTF发动机。这为航空公司节省了8900万加仑(近3.4亿升)燃油,避免了85万吨二氧化碳排放。而在全球范围,普惠GTF发动机已为运营商节省5亿加仑(近20亿升)燃油,减少500多万吨碳排放。

  在汽车上已经十分成熟的混合动力技术,若干年后或许也会成为飞机动力的标配技术。普惠正在与政府等方面合作研制类似混动喷气发动机的产品,主要是优化发动机在不同飞行阶段的性能,电动机可在起飞时增强动力,使喷气发动机在巡航过程中达到最高效率。

  7月15日,普惠加拿大宣布计划推动混合电动推进技术与飞行验证机项目。他们计划每年投入5亿加元的研发基金,优化飞机在不同飞行阶段的性能,使其效率获得显著提升。与现代支线涡桨飞机相比,该验证机将计划减少30%的燃油消耗与二氧化碳排放。同时,普惠加拿大与加拿大德哈维兰飞机有限公司开展合作,拟将此混合电动技术整合至一架加拿大德哈维兰“冲8-100”型飞行验证机,计划于2022年开始地面测试,并在2024年进行飞行测试。这架验证机还将安装一套由柯林斯宇航提供的先进电机与控制器。

  纯电动是否会成为更高的理想?目前来看,混合动力似乎具有更好的市场前景。全电动系统受制于需携带沉重的电池包,将最有可能应用于诸如城市空中出租车等低载荷与短航程的平台上。混合电动力概念则能够用于增强并优化燃气涡轮发动机的性能,可应用于中程甚至远程商用飞机之上。

  从这个意义上来看,制造商能够以发动机为起点构筑智慧民航。发动机是通过以模型为基础的控制模式进行操控的,当混合电力发动机被引入时,航空业便获得了通过混合使用燃油和电力而优化排放和燃油消耗的智慧选择,而如何分配、管理和使用整架飞机上的能量,便开辟了智慧应用的新天地。当进一步去设计该架飞机的导航功能,开发控制与导航航电系统,了解优化的噪声航线或天气状况,拉菲彩票从而规划出空域内的最佳航线。最终,航空业将形成一套能够支持人员点对点移动的城市空中交通(UAM)生态系统,支持航空器从枢纽辐射至直飞航线,让旅客与货物流动更具效率。

  可持续航空燃料(SAFs)指的是比以往的生物燃料更加绿色的航空燃料,它的生产不需要占用宝贵的粮食资源,原料大多是不需要的“二手油”等其他行业不需要的物质。

  SAFs在帮助实现净碳减排目标时发挥着重要作用,其可为现有机队提供“拿来即用”的动力解决方案。在技术达到成熟的技术上,如果SAFs被允许100%(现阶段只允许50%混合使用)投入使用,碳排放降低比例将达到80%。

  氢燃料就是一个很好的范例。氢能推进技术不论是作为无碳燃料供燃气涡轮发动机使用、抑或是作为驱动电机的燃料电池的组成部分都同样具有潜力。早在20世纪50年代,普惠就具备了使用氢燃料的发动机经验。然而,氢的关键处理技术是将其液化储存在飞机上。但即使经过液化处理,对于相同的能量,氢所需的储存量也是煤油的四倍。此外,目前世界上所有工业生产的氢仅能满足2019年在役机队10%左右的需求,需要使用可再生能源制造更多的氢,以便真正做到“绿色”。

  自2006年起,普惠就参与了美国国际材料试验学会(ASTMInternational)和商业航空替代燃料计划(CAAFI),持续推进SAFs的测试并支持其认证标准的开发。SAFs的未来应用主要取决于经济、原料和碳强度三大因素。2019年,全球商业机队消耗了1000亿加仑燃油,而当年全球SAFs生产量仅为几百万加仑,因此,经济投资将是关键。在原料获取上,目前大部分SAFs是经过加氢酯和脂肪酸(HEFA)、费托合成(Fischer-Tropsch)两种工艺制成的,这两种工艺均可实现规模效益,同时它们还能使用多种原料,除粮食原料外还可使用包括废水和垃圾在内的废弃物,从而避免SAFs大量产出时与人类粮食生产形成竞争。与此同时,只有百分之百通过费托合成或HEFA工艺制成的SAFs,才能实现80%的碳中和,而许多通过其他路径制成的可持续航空燃油甚至还不及这一水准。因此当我们前瞻未来时,最终将可持续航空燃油的碳强度降至最低这一点具有重要意义。

  目前,有7种可持续航空燃料通过了“投入式使用”认证,“投入”便意味着可持续航空燃油与煤油的性能一致。而普惠全系列的发动机都可以在最高达50%比例的可持续航空燃料与传统航空煤油混合的情况下运行,这为航空业打开了一片蓝海。未来,SAFs不仅可供运营大型商用飞机的航空公司使用,甚至还可供运营更小型的支线飞机、公务机与直升机的运营商使用。(《中国民航报》、中国民航网 记者田以丹)

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