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(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。

 

 

而在交通運輸行業(yè)中，航空業(yè)是重要的減排領域。據(jù)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(guī)劃。飛機的碳減排，對實現(xiàn)碳中和目標影響巨大。

 

為此，國際航協(xié)（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(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)品的價值核心，”GE全球副總裁、GE中國總裁、GE航空集團大中華區(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發(fā)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(fā)創(chuàng)新。

 

全譜系發(fā)動機產(chǎn)品升級

說到航空業(yè)的“降碳”，發(fā)動機減排提效至關重要。

 

GE航空是所有發(fā)動機制造商中，唯一一家在過去十年，實現(xiàn)了全譜系飛機發(fā)動機產(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)動機來說，都實現(xiàn)了油耗和碳排放量的降低。

 

如今，GE航空的飛機發(fā)動機油耗比1970年代和1980年代生產(chǎn)的發(fā)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(fā)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(fā)動機不僅重量更輕、耐熱力更強、部件設計更加優(yōu)化，推進效率也得到顯著提升。

 

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

 

LEAP發(fā)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(chǎn)大飛機C919客機，都選擇使用了LEAP發(fā)動機。

 

 

其中，LEAP-1A發(fā)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(qū)的航空公司，運營以LEAP-1A發(fā)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(yōu)異的性能和可靠性，LEAP-1C發(fā)動機成為中國商飛C919國產(chǎn)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(chǎn)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(jù)了解，C919國產(chǎn)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(fā)動機的國產(chǎn)支線飛機ARJ21，更是已進入了交付的快車道。

 

 

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

 

如今，GE航空仍在發(fā)動機新技術上持續(xù)投入，并在涉足更多創(chuàng)新前沿領域，比如Catalyst發(fā)動機將會作為電混動力發(fā)動機的基礎；Affinity發(fā)動機也在研發(fā)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(jīng)在聯(lián)合合作伙伴開發(fā)下一代發(fā)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(fā)動機再度提高20%以上。

 

其中，2021年6月宣布啟動的RISE可持續(xù)發(fā)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(fā)出較現(xiàn)役最高效的發(fā)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(xù)航空燃料及氫能源的兼容等。

 

航空推進系統(tǒng)的歷史演進表明，要實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)役最高效的發(fā)動機的基礎上，實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(jù)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(fā)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(fā)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(shù)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(fā)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(xiàn)低碳高效，GE航空還會持續(xù)發(fā)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(jīng)進行了幾次試驗臺測試，根據(jù)相關規(guī)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(fā)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(xù)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(xù)航空燃料的評估和認證，并在行業(yè)中制定了100%可持續(xù)航空燃料的標準。

 

可持續(xù)航空燃料是一種替代噴氣飛機燃料。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的碳排放。

 

2021年12月，GE航空與美聯(lián)航合作，采用LEAP發(fā)動機執(zhí)行了全球首個100%可持續(xù)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(qū)以外，這趟航班還有一大亮點——據(jù)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(fā)動機完成了搭載100%可持續(xù)航空燃料的飛行測試。

 

目前，已獲準使用的可持續(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(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(fā)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(fā)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(xù)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(fā)動機都可以采用可持續(xù)航空燃料，技術上已經(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(guī)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(fā)“兆瓦級混合電力推進系統(tǒng)”。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(fā)動機設計和其它混合電力產(chǎn)品研發(fā)奠定基礎，還能為混合電力發(fā)動機的標準、認證和監(jiān)管要求制定提供數(shù)據(jù)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(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)專注航空領域的技術革新，以創(chuàng)新技術驅動可持續(xù)高效未來的承諾，助力中國實現(xiàn)綠色低碳的發(fā)展目標。”