气候变化条例的背景

航空航天工业长期以来一直是全球连通和经济增长的关键驱动力,但它也极大地助长了二氧化碳和其他温室气体排放。 在过去的十年中,国际机构和各国政府都加强了针对航空的环境政策。 国际民用航空组织(ICAO)于2016年制定了国际航空碳减罪计划(CORSIA),旨在将国际航班二氧化碳净排放量限制在2020年水平。 欧盟已经将航空纳入其排放交易系统(EU ETS),要求航空公司购买其排放的允许量。 与此同时,英国的Jet Zero战略和美国的可持续航空燃料大挑战为2050年的净零排放设定了雄心勃勃的目标。 这些监管框架直接影响到喷气发动机制造商,迫使它们设计符合收紧的NOx、颗粒和CO2限制的发电厂,同时维持或提高性能和可靠性。

对喷气发动机设计的影响

监管压力已经重塑了喷气发动机结构的几乎每个方面。 设计者现在将燃料效率和减排列为首要制约因素,通常与推力与重量比例、耐久性和维护成本等传统衡量标准并列。 以下各小节研究了转型的关键领域。

先进材料和轻量级

为了改善具体的燃料消耗,工程师们转向了能承受极端温度和压力的先进轻质材料。 陶瓷基质复合材料(CMC)取代了涡轮机整流罩和蒸汽机等热部分的镍基超合金,降低了30%的重量,并允许更高的操作温度,提高了热效率。 钛铝合金(TiAl)现在被用于低压涡轮叶片,进一步降低了重量。 GE Aviation在GE9X引擎中率先推出的碳纤维增压聚合物(CFRP)风扇叶片,与传统的钛叶片相比,将风扇重量削减了15%。 这些物质创新直接降低了燃料燃烧和CO2排放,帮助制造商达到了监管目标。

低排放燃烧技术

清洁燃烧是遵守监管的核心。 与早期设计相比,该行业已经从传统的富燃、速泻、精燃(RQL)燃烧器转向先进的精燃、分阶段燃烧系统。 普拉特和惠特尼的TALON X(先进低氮氧化物技术)燃烧器和CFM国际双安性预混合(TAPS)技术将氮氧化物排放量减少50-60 % 。 这些燃烧器使用精确的燃料空气混合和多注入区来控制火焰温度和尽量减少污染物形成。 最近的发展包括“低氮”燃烧器概念,这些概念在起飞时达到了分点5ppm的氮氧化物。 这些改进对于满足民航组织航空环境保护委员会(CAEP)标准至关重要,这些标准已随着每次修订而逐渐更加严格。

发动机结构:齿轮式涡轮风扇及以后

监管要求促使发动机结构发生了范式转变。 以普拉特·惠特尼(Pratt & Whitney)的PW1000G系列为例的齿轮设计进一步将风扇与低压涡轮机通过行星变速箱脱钩。 这样风扇就可以以更慢、更高效的速度旋转,而涡轮机运行的速度则以更优速优化空气动力学性能。 其结果是,与以往的引擎相比,燃油效率提高了16%,直接降低了二氧化碳排放和噪音。 Rolls-Royce的UltraFan设计将齿轮设计与可变的抛射风扇和复合叶片相结合,保证相对于早期的特伦特发动机,燃料节省25%。 这些建筑创新是对监管压力的直接反应,以减少每次飞行的碳足迹。

由条例推动的创新

更严格的环境标准加快了对超越渐进改进的技术的研究,制造商和研究机构正在积极寻求破坏性解决方案。

混合推进和电气推进

正在开发用于区域和短程飞机的电力和混合动力推进系统,以消除飞行中的直接二氧化碳排放。 美国航天局的X-57 Maxwell演示器和爱丽丝电子飞机是早期的例子。 虽然目前的电池能量密度限制范围,但混合结构 — — 将燃气涡轮机与电动机混合起来 — — 可以在较短的飞行任务中将燃料消耗量降低30—40 % 。 Pratt & Whitney、Rolls-Royce和GE都在探索混合动力概念。 欧盟2050年飞行路径和美国的SAF大挑战的监管推动为这些技术提供了资金和紧迫性。

可持续航空燃料

可持续航空燃料 — — 源自废油、城市固体废物、农业残留物,或从绿色氢气合成并捕获二氧化碳 — — 提供了一种滴入溶液,与常规喷气燃料相比,可以减少高达80%的二氧化碳排放。 目前,发动机认证可以使用高达50%的苏丹武装部队混合物,制造商正在努力实现100%的苏丹武装部队兼容性。 比如,空中客车A350机队已经成功进行了100%的苏丹武装部队测试飞行,使用劳斯莱斯·特伦特XWB引擎。 监管激励措施,如美国布伦德的税收抵免和欧盟的ReFueleu航空任务,要求提高苏丹武装部队混合比率,驱动发动机开发人员优化燃料系统、密封和这些替代燃料的燃烧行为。

通过空气动力学和热力学提高发动机效率

除了材料和建筑外,法规还刺激了空气动力学和热力学的改进。 更高的绕行率(目前现代发动机最高为12:1)通过以较低速度移动更多的空气来提高推进效率。 先进的计算流体动力学(CFD)可以使叶片形状得到优化,并减少寄生物拖动。 压缩机和涡轮机的可变几何可以使发动机在更广泛的条件下以最高效率运行。 此外,添加剂制造(3D打印)可以使涡轮叶片内部冷却通道复杂,改善热传动,并允许更高的燃烧温度,而不会增加NOx形成。 这些增量增量复合物可以提供1-2%的年度燃料燃烧改进,以满足长期监管目标。

挑战与未来展望

尽管有这些创新,但遵守监管的道路充满了技术和经济障碍。 新引擎方案的发展成本高达数十亿美元,认证时限长达十年或更长。 高温材料和集成电路的生产成本仍然很高,而为了满足预期需求而扩大苏丹武装部队的生产需要大量资本投资 — — 苏丹武装部队目前的供应满足全球喷气燃料消耗的不到0.1%。 此外,氢燃烧和燃料电池技术虽然很有前途,但面临储存和基础设施挑战,无法迅速解决。

尽管如此,监管势头仍在继续增强。 ICAO的CORSIA正在从自愿阶段向强制阶段过渡,欧盟的“适合55套”建议更严格的二氧化碳标准,并在2035年之前有效禁止新型化石燃料飞机。 发动机制造商正以积极的路线图回应:滚莱斯的目标是通过苏丹武装部队、氢气和混合电推进相结合,到2050年实现净零排放。 Pratt & Whitney的GTF Advantage发动机进一步推进了定位风扇技术,并增加了1%的燃料燃烧改进。 CFM国际的RISE(可持续发动机的革命创新)计划旨在于2020年代中期显示比当前发动机效率提高20%,同时使用开放的风扇形结构和先进的热管理。

将气候变化条例纳入喷气发动机开发不仅仅是一项合规工作,而是根本性技术转型的催化剂。 随着政策更加严格,航空航天部门将继续创新,迈向飞机每公里二氧化碳和氮氧化物的喷发量要少得多的未来。 这一演变对于实现巴黎协议中概述的全球气候目标并确保未来几十年航空能够持续增长至关重要。

”

” 监管框架是清洁引擎技术最强大的驱动力。 没有这一框架,激励机制将无法为激进的新建筑和燃料投资提供合理依据。 ” — — Pratt & Whitney公司前技术和环境副总裁Alan Epstein博士

欲进一步阅读,请参看民航组织CORSIA页[、美国能源部的苏丹武装部队概览和 Rolls-Royce净零路线图[。