飛機如何減排降碳？GE航空有話說

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

 

當前，交通運輸業占中國二氧化碳來源的8%，位列電力行業和工業之后，排名第三，且隨著交通網絡的快速發展逐年增加，目前已是我國碳排放增長最快的行業之一。

 

 

而在交通運輸行業中，航空業是重要的減排領域。據預測，未來20年中國的新飛機需求為8600架，每年新增客運量5.5%，在2035年遠景目標中，還明確了在未來15年平均每年新增10個機場的規劃。飛機的碳減排，對實現碳中和目標影響巨大。

 

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

 

這樣的目標設定與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、更環保、更可持續的飛行。

 

“幫助航空業客戶減少碳排放，提高燃油效率并減少碳足跡，這也是GE航空產品的價值核心，”GE全球副總裁、GE中國總裁、GE航空集團大中華區總裁向偉明指出，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發動機架構、空氣動力學、材料科學和燃料等領域都進行了研發創新。

 

全譜系發動機產品升級

說到航空業的“降碳”，發動機減排提效至關重要。

 

GE航空是所有發動機制造商中，唯一一家在過去十年，實現了全譜系飛機發動機產品升級的公司，而對GE航空及CFM早前研發的每一代新發動機來說，都實現了油耗和碳排放量的降低。

 

如今，GE航空的飛機發動機油耗比1970年代和1980年代生產的發動機降低了40%。此外，通過提高涵道比、引入空氣動力學和新型燃燒技術、開發碳纖維復合材料風扇葉片、陶瓷基復合材料和增材制造，GE航空的發動機不僅重量更輕、耐熱力更強、部件設計更加優化，推進效率也得到顯著提升。

 

比如在單通道飛機發動機方面， LEAP發動機的燃油效率就比CFM56發動機提高了15%。

 

LEAP發動機共有三款型號。目前，空客的A320neo、波音的737 MAX以及中國商飛研制的國產大飛機C919客機，都選擇使用了LEAP發動機。

 

 

其中，LEAP-1A發動機早在2018年6月就開始交付中國客戶了，目前共有10家大中華地區的航空公司，運營以LEAP-1A發動機為動力的A320neo系列客機。LEAP-1A交付中國至今，仍保持著零空停的可靠性紀錄。

 

也正是憑借著LEAP優異的性能和可靠性，LEAP-1C發動機成為中國商飛C919國產干線客機的動力裝置。

 

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

 

據了解，C919國產干線飛機最快于今年年內交付首家客戶東方航空，而搭載CF34-10A發動機的國產支線飛機ARJ21，更是已進入了交付的快車道。

 

 

在中型雙通道發動機方面，GEnx的燃油效率比CF6發動機提高了15%；大型雙通道發動機GE9X的燃油效率比GE90發動機提高了10%；渦輪螺旋槳發動機Catalyst的燃油效率則比市面上的同類發動機高20%。

 

如今，GE航空仍在發動機新技術上持續投入，并在涉足更多創新前沿領域，比如Catalyst發動機將會作為電混動力發動機的基礎；Affinity發動機也在研發中，主要側重于超音速公務機。

 

 

減排20%的技術法寶

目前，GE航空已經在聯合合作伙伴開發下一代發動機技術，包括開放式風扇、混合電力和先進的熱管理概念等，這些技術有望將燃油效率較目前最先進的單通道飛機發動機再度提高20%以上。

 

其中，2021年6月宣布啟動的RISE可持續發動機技術驗證項目，就是用以驗證及完善部分新型顛覆性技術。

 

RISE項目的目標，是要通過開放式風扇架構，驗證研發出較現役最高效的發動機再減少20%以上油耗和碳排放的技術。項目還將驗證混合電力性能、100%可持續航空燃料及氫能源的兼容等。

 

航空推進系統的歷史演進表明，要實現各項效率指標的突破，關鍵在于使用更大尺寸的風扇，以提供更大的涵道比，增加發動機的推進效率，從而降低油耗。

 

向偉明指出，RISE項目預期在現役最高效的發動機的基礎上，實現額外減少20%以上的油耗和碳排放目標，僅靠在目前的渦扇發動機設計上進行改良是無法達到的。因此，開放式風扇架構成為實現這一指標的關鍵。

 

所謂開放式風扇架構，就是沒有了風扇機匣，這對發動機的研制來說，可以算是顛覆性的技術。而在這種架構下，如何保障風扇葉片的安全，不影響飛機安全，也是需要驗證和解決的重點問題。

 

據了解，RISE項目將采用復合材料（碳纖維復合）風扇葉片。自1995年以來，復合材料葉片已先后應用于GE90、GEnx、LEAP和GE9X發動機上，累計飛行1.4億小時，另外，這些復合材料葉片沒有壽命限制。

 

除了開式風扇架構，RISE項目正在研究的另一項重要技術是緊湊型發動機核心。

2021年末，GE航空與美國宇航局共同宣布了另一項價值數百萬美元的項目。通過這一項目，GE航空將測試并升級緊湊型發動機核心機設計，以提高熱效率，包括高速增壓壓縮機、低排放燃燒室和高壓渦輪技術等。此外，為了進一步實現低碳高效，GE航空還會持續發展一種先進的耐熱材料——陶瓷基復合材料（CMCs）。GE預計，這項技術將于2030年之前開展地面測試。

 

目前，RISE項目已經進行了幾次試驗臺測試，根據相關規劃，RISE項目將于本世紀20年代中期進行驗證機的地面和飛行測試， 計劃于2030年代中期投入使用，屆時，GE航空與賽峰集團50/50平股的合資公司CFM國際將成為首家在單通道飛機發動機領域引入混合動力的公司

 

 

如何滿足未來航空新要求

除了RISE項目，GE航空還在推進與合作伙伴的可持續航空燃料、氫能及混合動力項目。

 

2007年以來，GE航空就開始了對可持續航空燃料的評估和認證，并在行業中制定了100%可持續航空燃料的標準。

 

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

 

2021年12月，GE航空與美聯航合作，采用LEAP發動機執行了全球首個100%可持續航空燃料客運航班。

 

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

 

2022年5月，GE航空又宣布其Passport發動機完成了搭載100%可持續航空燃料的飛行測試。

 

目前，已獲準使用的可持續航空燃料由石油基的Jet A/Jet A-1與可持續航空燃料成分混合而成，最大混合比高達50%。GE航空的燃料技術負責人正領導國際工作小組制定標準化的行業規范，為推行不需要與傳統噴氣燃料混合的100% 可持續航空燃料提供支持。

 

在去年的迪拜航展上，GE航空還宣布將與阿聯酋航空和阿提哈德航空合作展開可持續航空燃料的相關項目。今年，GE航空計劃進行更多100% SAF的試飛項目。

 

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

 

“隨著技術的不斷改進，如果我們提煉可持續航空燃料的成本進一步降低，達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，這項技術可能很快就可以大面積推廣，因為基本上所有GE航空的發動機都可以采用可持續航空燃料，技術上已經不成問題。”向偉明指出，而在氫燃料方面，不僅僅是發動機的問題，還要跟飛機項目共同配合，技術驗證是一方面，投入具體飛機使用是另外一方面，“我們預計這項技術在新的機型出來之后，有機會大規模推廣。”

 

此外，GE航空與美國宇航局NASA還在進行混合電力技術驗證項目，去年10月宣布獲得了NASA總計將近1.8億美元的合同，用于開發“兆瓦級混合電力推進系統”。今年2月，GE航空宣布與波音在單通道飛機上進行技術成熟度準備情況演示，這個項目不僅為未來的發動機設計和其它混合電力產品研發奠定基礎，還能為混合電力發動機的標準、認證和監管要求制定提供數據指導。

 

“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略市場，也是GE全球發展的重要引擎和組成部分，”向偉明表示，“未來GE航空將繼續專注航空領域的技術革新，以創新技術驅動可持續高效未來的承諾，助力中國實現綠色低碳的發展目標。”