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绿色航空悄然蔓延-飞机和环保那些事儿
2018-09-16 17:39:21   来源: 航空知识   评论:0 点击:

飞机在人们的日常生活中逐渐占据了重要的地位,然而随之而来的,是飞机对环境所造成的不良影响也日益严重。由于其在大气层中飞行的特点,使得在某 些方面,飞机对环境的影响更大,而另一方面,这也成为促进航空业技术进步 的动力。从上世纪末开始,欧美发达国家要求改善飞机环保性能、营造绿色航 空的呼声越来越高,并取得许多相应的进展,为我们展现了未来绿色航空的远景。

 

俄制客机在环保方面表现欠佳, 致西欧禁止俄制客机入境,俄罗斯航空企业被迫大量采购西方客机。

从源头上减排减噪

    对于发动机而言,只要还在使用传统 的石化燃料,就必然会产生排放污染。显 然,如果能够提高燃油效率,降低燃料消 耗,就能从源头上减少排放。现代运输机的动力装置已经广泛采用高涵道比涡轮风扇发动机,具有良好的节油效果。根据估算, 现在的飞机油耗与采用早期喷气发动机的飞机相比,下降了 70%,与10年前相比下降了 20%,其燃油效率的提升是十分显著的。为了进一步提高燃油效率,涡扇 发动机的涵道比仍在增长中,出现了超高 涵道比发动机,以及齿轮传动风扇发动机, 这些新型发动机的共同特点,其外涵道工作能力进一步增强,使得耗油率进一步下降,从而显著减少了二氧化碳排放量。

    但是,对于新一代发动机而言,为了改善燃烧效率、提高燃气作功的效率,其燃烧室的工作 温度普遍高于以前的发动机。这就带来了另一个问题,氮氧化合物在高温下的生成量会有一定量的增加。对于这种情况,目前采 取了双管齐下的措施,一方面考虑到高增 压比发动机虽然会增加氮氧化合物的排放, 但对于提高发动机的整体效能、减少二氧化碳排放有利,所以允许适当放宽增压比大于30的发动机的氮氧化合物排放标准; 另一方面,通过改进燃烧室的流场和燃料的喷射方式,可以把氮氧化合物的排放量 降低 20~40%。此外,通过合理地控制发动机的油/气比例,可以降低火焰的温度,提高气流的速度,从而减少燃气在燃 烧室里的停留时间,以及氮氧化合物的产生。这样,既能推动更加满足排放要求的 新一代环保发动机的应用,又能实质上使 得飞机排放的温室气体总量下降。

    另外,随着环保标准的提高,飞机起降时的发动机噪音也得到了重点关注。 2002年1月,欧盟航空委员会就以飞机 噪音不符合欧盟标准为名,宣布从当年4月1日起禁止俄罗斯生产的图-134、伊尔-62、伊尔-76和伊尔-86 等民用飞机进入欧盟国家,这给俄罗斯的航空制造和 运输部门带来了重大损失,俄罗斯国产大飞机从此一蹶不振。时至今日,俄罗斯航 空公司的主力机型已经改为能够满足环保 要求的波音和空中客车客机。西方航空发 动机企业在噪音控制方面的技术遥遥领先, 例如普惠研制的齿轮传动风扇发动机,其 噪音可以达到比国际民航组织的规定低20分贝,罗罗更是宣称其研制的“遄达”1000 发动机噪音比国际民航组织的规定低29分贝,号称目前噪音最小的先进发动机之一。

直飞减排

    减少飞机排放的一个最有效、而又最容易为一般人忽视的方法,就是进行直达 目的地的飞行,减少途中的中转过程。事 实上,从飞机投入民航起,直飞就是民航 业者追求的目标,但由于早期的飞机性能 差、航程短,在进行远距离飞行时,只能 采用途中中转的方式。

    战后,喷气飞机开始广泛使用。虽然 其性能比活塞螺旋桨飞机有了长足的提高, 但由于航空业者已经在使用老式飞机的过程中产生了航线依赖,使得喷气飞机的优 势没能完全发挥出来。到了上世纪六七十 年代,各航空大国基本上形成了以少数大 型干线机场为中转枢纽、辐射周边小型支 线机场的格局。随着航空运输业的高速发 展,尤其是从上世纪 80 年代开始,两种 经典机型——波音767和空客A300大量投入运营,远距离直航才得以。直航的 优势不仅在于可以让乘客免于中转的劳顿, 更有利于节能减排。例如,一个乘客需要从英国格拉斯哥飞往美国芝加哥,采用直 飞航线要比通过伦敦希思罗机场中转减少大约 1/3 的碳排放量。

    但是更多的直航航线也带来了新问题——客机不再沿着枢纽之间相对固定的 航线飞行,而是在空中画出了更加密集交 错的尾迹,这就带来了沉重的导航和管理 负担。幸好,在冷战末期发展起来的 GPS 可以用于民航飞机的导航定位,而 21 世 纪初开始迅猛发展的芯片革命,则为提供 足够的空情数据处理能力打下了坚实的基 础。如今,先进的航空管制中心不但可以 为飞机规划最合适的航路,还能进行中途 修正,实现所谓的“弹性航路”,以降低燃 油和时间的消耗。以澳大利亚航空飞行服 务系统为例,迪拜飞往悉尼的航班如果沿

    “弹性航路”确定的澳大利亚南部航线飞行, 和传统航路相比,可以节约 8 040 千克燃 油,减少43分钟飞行时间。但是,理想 的航路是不存在的,风向等气象条件会对 弹性航路产生明显影响,另外,两个国家之间的空管系统交接时,由于某些原因, 可能无法实现全程弹性航路。例如,欧洲 空管共有38个独立的空中交通管理部门, 下辖共 69 个空管中心,这导致其相互之 间的协调过于复杂和困难。据估算,欧洲 因为未建成统一的空中航路网络,使得航 空业每年损失33亿欧元,多排放1 200万吨二氧化碳。欧洲希望通过推进“欧洲 单一天空”计划,来最终改变这种复杂局面, 实现减排增收。

    据国际民航组织的一份报告介绍,如 果各国政府能够制订恰当的航空管理框架, 改善空中交通管理系统,将能使目前国际 航班机队每次飞行的油耗和二氧化碳排放 都降低6~12%。

生物燃料崛起

罗罗公司的“遄达”1000 发动机,除了节油之外,罗罗还号称其为目前噪音最小的航空发动机之一。

地勤人员正在给客机加注混有生物燃油的航空煤油,目前生物燃油和传统燃料的混合比为50:50

    生物燃料其实是一个很宽泛的概念, 燃料乙醇、生物柴油等都属于常见的生物燃料。航空业热衷于开发生物燃料,不仅是要寻找替代能源,更重要的是要减少碳排放量,以满足节能减排的要求。2009年1月7日,美国大陆航空公司以海藻油与麻风树油的混合物为燃料,利用一架波737-800飞机进行了成功的试飞,这次试飞也是海藻油在航空领域的首次应用。大陆航空公司宣称,在这次试飞中,生物燃料的能效相对于标准航空燃油提高了1.1%,而二氧化碳的减排量达到惊人的60 ~ 80%。

    美国波音民用飞机集团总裁斯科特·卡森宣称,在开发生物燃料时,用于生产的植物来源必须满足五个原则:不得与粮食竞争土地;不应威胁饮用水的供应;与石油来源的航空燃料相比,在植物生长、收获、加工及最终使用的整个生命周期内,温室气体的排放量应明显降低;不得破坏种植地区的原生态系统;开发项目的相关规定或成果应能提高当地农民的经济效益。这样,就能保证在生物燃料的生产过程中不会出现类似于太阳能电池板生产的逆环保现象,从而保证整个生物燃料工程都是有益于环境保护的。

    在波音公司进行的试飞中,生物燃料与传统燃料的比例为 5 :5,未来将提升到 9 :1,最后将是100%采用生物燃料替代传统燃料。据估计,只要航空业每年消耗燃料总量中的1%采用生物燃料,便可以维持生物燃料市场。如果完全使用生物燃油,整个行业每年可以减少0.7% 的碳排放量,在征收碳税的大趋势下,这将为航空公司节省一笔明显的支出。而生物燃料带来的节油性能将节省一笔更大的开销, 整个行业可能因为生物燃油而获得1000亿美元的收益。

    目前生产航空生物燃料的主要原料是麻风树、亚麻荠等,但由于不能与人争地、争水,人们只能把这些作物种植在无法播种粮食作物的贫瘠土地上。加之提炼和转化成本,这使得目前生物燃料的成本非常高昂,通常是传统航空燃料的4倍以上, 降低了生物燃料的商业竞争力。但由于其有助于达成日益提升的碳排放标准,目前仍然是发展的趋势。

氢和电, 真正的环保能源

    虽然生物燃料的制备技术已经取得了长足的进步,但不可否认的是,由于这些生物燃料基本上都是模仿石油燃料的构成和性能研制的,其燃烧之后的排放产物也无异于石油燃料。实际上对于改善飞机环保要求的作用并不显著,只能片面依赖于发动机性能提高来减少污染物的排放。那么,是否存在完全无污染的燃料和推进技术呢?答案是肯定的。

    氢气就是目前人类找到的最好的、可大量供应的无污染燃料。氢气燃烧之后生成物只有水,对环境和人体健康的影响几乎可以忽略。此外,氢气可以通过电解水的方式不断获取。由于地球上存在巨大的水储量,而电能可以通过水力发电、核电等传统能源以及风能、太阳能等可再生能源持续不断的提供,理论上,通过氢气和水的循环变化,可以提供取之不尽、用之不竭的氢能源。既无需像化石燃料一样考虑供给枯竭的问题,也无需像生物燃料一样考虑投入产出的效费比问题。因此,氢气作为替代燃料的重要性,早已经得到了人们的重视。

    实际上,早在上世纪50年代,在高超声速飞行器研制的热潮中,普惠公司曾经将J57发动机试验性地改装为燃烧氢气,以探索氢燃料的特性。此后,美国对使用液氢燃料进行了进一步的研究,但由于液氢在换热器中蒸发汽化的速度不稳定,难以保持发动机稳定工作,而且其综合使用成本过高,最后终止了研究。而苏联在上世纪80年代也进行了氢气燃料的试验, 将 NK88发动机改为可以同时使用航空煤油和液氢(或天然气),并取得了一定的成功。在世纪之交的2000年,欧盟委员会资助的一项液氢燃料研究结果表明,在民用航空器上使用氢燃料已经具备经济上的价值。

    但是,虽然采用氢气燃料的预期效果很好,其实际进展却令关注者大跌眼镜, 究其原因,氢气不易储存是最令人头疼的问题。作为分子量最小的化学元素,氢气的扩散性很好,而且随着温度的上升而提高,这就意味着以气态储存的氢气很容易穿透现有的密封方式,从高压气罐里边泄露出来。与之相比,航空煤油在储运过程中的损失几乎可以忽略不计。如果将氢气转变为液氢,可以在相当程度上解决其扩散性问题,然而随之而来的是更加令人头疼的全套液氢生产、储运、加注设备,需要对现有的航空燃料后勤体系进行彻底改变。在解决这些问题之前,氢气燃料还难以大规模使用。

    除了氢气动力以外,另外一种无污染的能源供给方式,就是电动力。电作为日常生活中不可缺少的能源,早已走进千家万户,但由于电能储存的问题一直得不到良好解决,其作为交通工具动力来源还只是近些年才兴起的风潮。借助于高功率密度的锂离子蓄电池技术的发展,如今不仅在道路上奔驰着“特斯拉”这样的纯电动汽车,在天空中也出现了以蓄电池为能源的电动飞机。

    在目前出现的多种电动飞机中,以空中客车公司的E-Fan电动飞机最为典型。早在2011 年,空客公司就在滑翔机的基础上研制了名为“eGenius”的电动概念飞机,在取得相关经验之后,在 2014年5月的柏林航展上,空客公司正式推出了E-Fan电动飞机。这是一款全新设计的串列双座轻型飞机,依靠锂离子蓄电池作为驱动螺旋桨的动力来源。在航展上,空客公司还展出了并列双座的E-Fan 2.0型和四座的E-Fan 4.0 型电动飞机。

    事实上,空中客车公司并不满足于提供“有钱人玩具”一般的小型电动飞机,在E-Fan电动飞机之后,隐藏着空客公司的宏伟目标——生产载客 80~90 人的中型电动飞机。对于这个规模的电动飞机而言,为了保证足够的航程和有效载重,再使用锂离子蓄电池已经是不可接受的。目前能够量产的最好锂离子蓄电池的能量密度只有 128 瓦时/千克。理论上能达到 150 瓦时/千克,用于电动飞机上时,其电池重量几乎与有效载重量相当,而且航程较小。更为关键的是,锂离子蓄电池由于活性较高,在大电流充放电时如果温度控制不好,很容易发生起火爆炸的事故, 这在商业航空运输上是不能接受的。要解决中型电动飞机的电力来源,只能依靠燃料电池技术。

    目前比较成熟的质子交换膜燃料电池,其能量密度可达 690 瓦时 / 千克,约5 倍于锂离子蓄电池的能量密度,并且可以直接使用空气中的氧气作为氧化剂,在飞机上只需要携带氢气、甲醇等常规燃料,且易于补充,可以有效满足商业航空运输的一般要求。但如前所述,氢气在储存运输方面仍存在较大的实用性难题,而甲醇具有高毒性,也难以满足公众安全的问题, 仍有待改进。另外一种适用的燃料电池, 是硼氢化物燃料电池,其具有高达950瓦时/千克的能量密度,比质子交换膜燃料电池高出 37%,是锂离子蓄电池的6倍多。其中的硼氢化钠燃料电池已在宇航工业上得到了应用,用于取代传统的蓄电池。硼氢化钠燃料电池既可以采用燃料和氧化剂持续不断供应的传统燃料电池工作模式, 也可以采用过氧化氢为氧化物,使用充放电循环的蓄电池工作模式。硼氢化钠不易燃烧,储运安全性好,从各方面指标来看, 也是未来电动飞机能源的有力竞争者。目前硼氢化钠燃料电池的最大缺点是硼氢化钠的价格过高,高达55美元/千克,远远超出了商业航空运输可以承受的底线,目前只局限于对成本不敏感的宇航工业使用。其价格只有大幅度下降才能具备足够的竞争能力,这就赖于生产商对硼氢化钠燃料电池未来前景的判断和博弈了。

随着电池技术的升级,电动飞机可能成为飞机家族的重要组成部分,图为空客的E-Fan 电动飞机。

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