飛機(jī)如何減排降碳？GE航空有話說

6月15日，是“全國低碳日”，今年的主題是“落實(shí)‘雙碳’行動(dòng)，共建美麗家園”。

 

當(dāng)前，交通運(yùn)輸業(yè)占中國二氧化碳來源的8%，位列電力行業(yè)和工業(yè)之后，排名第三，且隨著交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展逐年增加，目前已是我國碳排放增長最快的行業(yè)之一。

 

 

而在交通運(yùn)輸行業(yè)中，航空業(yè)是重要的減排領(lǐng)域。據(jù)預(yù)測，未來20年中國的新飛機(jī)需求為8600架，每年新增客運(yùn)量5.5%，在2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中，還明確了在未來15年平均每年新增10個(gè)機(jī)場的規(guī)劃。飛機(jī)的碳減排，對實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)影響巨大。

 

為此，國際航協(xié)（IATA）也設(shè)定了2020年起限制碳排放，到2050年，碳排放減至2005年一半的目標(biāo)。

 

這樣的目標(biāo)設(shè)定與GE航空不謀而合。對于未來航空，GE航空的定義不僅是更快、更智能、更安全，也提倡更清潔、更環(huán)保、更可持續(xù)的飛行。

 

“幫助航空業(yè)客戶減少碳排放，提高燃油效率并減少碳足跡，這也是GE航空產(chǎn)品的價(jià)值核心，”GE全球副總裁、GE中國總裁、GE航空集團(tuán)大中華區(qū)總裁向偉明指出，秉持這一理念，GE航空及其合資公司長期攜手合作伙伴在涵蓋飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)、空氣動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)和燃料等領(lǐng)域都進(jìn)行了研發(fā)創(chuàng)新。

 

全譜系發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品升級

說到航空業(yè)的“降碳”，發(fā)動(dòng)機(jī)減排提效至關(guān)重要。

 

GE航空是所有發(fā)動(dòng)機(jī)制造商中，唯一一家在過去十年，實(shí)現(xiàn)了全譜系飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品升級的公司，而對GE航空及CFM早前研發(fā)的每一代新發(fā)動(dòng)機(jī)來說，都實(shí)現(xiàn)了油耗和碳排放量的降低。

 

如今，GE航空的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗比1970年代和1980年代生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)降低了40%。此外，通過提高涵道比、引入空氣動(dòng)力學(xué)和新型燃燒技術(shù)、開發(fā)碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、陶瓷基復(fù)合材料和增材制造，GE航空的發(fā)動(dòng)機(jī)不僅重量更輕、耐熱力更強(qiáng)、部件設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，推進(jìn)效率也得到顯著提升。

 

比如在單通道飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)方面， LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率就比CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)提高了15%。

 

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)共有三款型號。目前，空客的A320neo、波音的737 MAX以及中國商飛研制的國產(chǎn)大飛機(jī)C919客機(jī)，都選擇使用了LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

 

其中，LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)早在2018年6月就開始交付中國客戶了，目前共有10家大中華地區(qū)的航空公司，運(yùn)營以LEAP-1A發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的A320neo系列客機(jī)。LEAP-1A交付中國至今，仍保持著零空停的可靠性紀(jì)錄。

 

也正是憑借著LEAP優(yōu)異的性能和可靠性，LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)成為中國商飛C919國產(chǎn)干線客機(jī)的動(dòng)力裝置。

 

目前，GE航空和其合作伙伴正積極支持中國商飛完成C919國產(chǎn)干線客機(jī)的試飛取證工作，并按照商飛的進(jìn)度全力支持C919的交付工作。

 

據(jù)了解，C919國產(chǎn)干線飛機(jī)最快于今年年內(nèi)交付首家客戶東方航空，而搭載CF34-10A發(fā)動(dòng)機(jī)的國產(chǎn)支線飛機(jī)ARJ21，更是已進(jìn)入了交付的快車道。

 

 

在中型雙通道發(fā)動(dòng)機(jī)方面，GEnx的燃油效率比CF6發(fā)動(dòng)機(jī)提高了15%；大型雙通道發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X的燃油效率比GE90發(fā)動(dòng)機(jī)提高了10%；渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)Catalyst的燃油效率則比市面上的同類發(fā)動(dòng)機(jī)高20%。

 

如今，GE航空仍在發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)上持續(xù)投入，并在涉足更多創(chuàng)新前沿領(lǐng)域，比如Catalyst發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)作為電混動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)；Affinity發(fā)動(dòng)機(jī)也在研發(fā)中，主要側(cè)重于超音速公務(wù)機(jī)。

 

 

減排20%的技術(shù)法寶

目前，GE航空已經(jīng)在聯(lián)合合作伙伴開發(fā)下一代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，包括開放式風(fēng)扇、混合電力和先進(jìn)的熱管理概念等，這些技術(shù)有望將燃油效率較目前最先進(jìn)的單通道飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)再度提高20%以上。

 

其中，2021年6月宣布啟動(dòng)的RISE可持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，就是用以驗(yàn)證及完善部分新型顛覆性技術(shù)。

 

RISE項(xiàng)目的目標(biāo)，是要通過開放式風(fēng)扇架構(gòu)，驗(yàn)證研發(fā)出較現(xiàn)役最高效的發(fā)動(dòng)機(jī)再減少20%以上油耗和碳排放的技術(shù)。項(xiàng)目還將驗(yàn)證混合電力性能、100%可持續(xù)航空燃料及氫能源的兼容等。

 

航空推進(jìn)系統(tǒng)的歷史演進(jìn)表明，要實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)效率指標(biāo)的突破，關(guān)鍵在于使用更大尺寸的風(fēng)扇，以提供更大的涵道比，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率，從而降低油耗。

 

向偉明指出，RISE項(xiàng)目預(yù)期在現(xiàn)役最高效的發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)額外減少20%以上的油耗和碳排放目標(biāo)，僅靠在目前的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改良是無法達(dá)到的。因此，開放式風(fēng)扇架構(gòu)成為實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)的關(guān)鍵。

 

所謂開放式風(fēng)扇架構(gòu)，就是沒有了風(fēng)扇機(jī)匣，這對發(fā)動(dòng)機(jī)的研制來說，可以算是顛覆性的技術(shù)。而在這種架構(gòu)下，如何保障風(fēng)扇葉片的安全，不影響飛機(jī)安全，也是需要驗(yàn)證和解決的重點(diǎn)問題。

 

據(jù)了解，RISE項(xiàng)目將采用復(fù)合材料（碳纖維復(fù)合）風(fēng)扇葉片。自1995年以來，復(fù)合材料葉片已先后應(yīng)用于GE90、GEnx、LEAP和GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上，累計(jì)飛行1.4億小時(shí)，另外，這些復(fù)合材料葉片沒有壽命限制。

 

除了開式風(fēng)扇架構(gòu)，RISE項(xiàng)目正在研究的另一項(xiàng)重要技術(shù)是緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)核心。

2021年末，GE航空與美國宇航局共同宣布了另一項(xiàng)價(jià)值數(shù)百萬美元的項(xiàng)目。通過這一項(xiàng)目，GE航空將測試并升級緊湊型發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)設(shè)計(jì)，以提高熱效率，包括高速增壓壓縮機(jī)、低排放燃燒室和高壓渦輪技術(shù)等。此外，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低碳高效，GE航空還會(huì)持續(xù)發(fā)展一種先進(jìn)的耐熱材料——陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）。GE預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將于2030年之前開展地面測試。

 

目前，RISE項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了幾次試驗(yàn)臺測試，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，RISE項(xiàng)目將于本世紀(jì)20年代中期進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)的地面和飛行測試， 計(jì)劃于2030年代中期投入使用，屆時(shí)，GE航空與賽峰集團(tuán)50/50平股的合資公司CFM國際將成為首家在單通道飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域引入混合動(dòng)力的公司

 

 

如何滿足未來航空新要求

除了RISE項(xiàng)目，GE航空還在推進(jìn)與合作伙伴的可持續(xù)航空燃料、氫能及混合動(dòng)力項(xiàng)目。

 

2007年以來，GE航空就開始了對可持續(xù)航空燃料的評估和認(rèn)證，并在行業(yè)中制定了100%可持續(xù)航空燃料的標(biāo)準(zhǔn)。

 

可持續(xù)航空燃料是一種替代噴氣飛機(jī)燃料。較傳統(tǒng)的石油基燃料而言，可持續(xù)航空燃料由更可持續(xù)的原料和工藝生成，可有效減少生命周期內(nèi)的碳排放。

 

2021年12月，GE航空與美聯(lián)航合作，采用LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行了全球首個(gè)100%可持續(xù)航空燃料客運(yùn)航班。

 

除了載著100多名乘客從芝加哥飛往華盛頓特區(qū)以外，這趟航班還有一大亮點(diǎn)——據(jù)GE航空的燃料工程負(fù)責(zé)人Gurhan Andac（居爾汗·安達(dá)克）介紹，此次飛行對于將SAF最高混合比例提高至50%以上具有重要?dú)v史意義。

 

2022年5月，GE航空又宣布其Passport發(fā)動(dòng)機(jī)完成了搭載100%可持續(xù)航空燃料的飛行測試。

 

目前，已獲準(zhǔn)使用的可持續(xù)航空燃料由石油基的Jet A/Jet A-1與可持續(xù)航空燃料成分混合而成，最大混合比高達(dá)50%。GE航空的燃料技術(shù)負(fù)責(zé)人正領(lǐng)導(dǎo)國際工作小組制定標(biāo)準(zhǔn)化的行業(yè)規(guī)范，為推行不需要與傳統(tǒng)噴氣燃料混合的100% 可持續(xù)航空燃料提供支持。

 

在去年的迪拜航展上，GE航空還宣布將與阿聯(lián)酋航空和阿提哈德航空合作展開可持續(xù)航空燃料的相關(guān)項(xiàng)目。今年，GE航空計(jì)劃進(jìn)行更多100% SAF的試飛項(xiàng)目。

 

今年2月，CFM國際還宣布與空客共同開展氫示范項(xiàng)目，采用GE Passport™渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，將它安裝在空客A380尾部，使用氫作為燃料進(jìn)行地面和飛行測試，希望為未來2035年零碳排放飛機(jī)的成功研發(fā)奠定良好的基礎(chǔ)。

 

“隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，如果我們提煉可持續(xù)航空燃料的成本進(jìn)一步降低，達(dá)到能夠與石油或目前的航空煤油相競爭的水平，甚至稍微高一點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)可能很快就可以大面積推廣，因?yàn)榛旧纤蠫E航空的發(fā)動(dòng)機(jī)都可以采用可持續(xù)航空燃料，技術(shù)上已經(jīng)不成問題。”向偉明指出，而在氫燃料方面，不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的問題，還要跟飛機(jī)項(xiàng)目共同配合，技術(shù)驗(yàn)證是一方面，投入具體飛機(jī)使用是另外一方面，“我們預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)在新的機(jī)型出來之后，有機(jī)會(huì)大規(guī)模推廣。”

 

此外，GE航空與美國宇航局NASA還在進(jìn)行混合電力技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，去年10月宣布獲得了NASA總計(jì)將近1.8億美元的合同，用于開發(fā)“兆瓦級混合電力推進(jìn)系統(tǒng)”。今年2月，GE航空宣布與波音在單通道飛機(jī)上進(jìn)行技術(shù)成熟度準(zhǔn)備情況演示，這個(gè)項(xiàng)目不僅為未來的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和其它混合電力產(chǎn)品研發(fā)奠定基礎(chǔ)，還能為混合電力發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證和監(jiān)管要求制定提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

 

“高可靠性、高使用率、低油耗、低排放、低噪音始終是我們的追求。長久以來中國一直是GE全球除美國本土之外的最大單一市場和重要戰(zhàn)略市場，也是GE全球發(fā)展的重要引擎和組成部分，”向偉明表示，“未來GE航空將繼續(xù)專注航空領(lǐng)域的技術(shù)革新，以創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動(dòng)可持續(xù)高效未來的承諾，助力中國實(shí)現(xiàn)綠色低碳的發(fā)展目標(biāo)。”