加快低碳转型，实现绿色飞行→航空制造业发展趋势解读
来源:新浪财经、微信公众号--中国工程院院刊
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发布时间: 2023-12-08
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本文从产品设计、材料应用、制造技术等方面梳理航空制造业的发展现状与存在的问题，分析主要技术方向的降碳潜力，以期为航空业绿色可持续发展的技术和管理研究提供参考。
世界经济的持续发展、航空科技的不断创新推动了航空运输业的稳步增长，但也使航空业发展面临能耗增加、环境污染加剧等挑战，亟需采取更高的环境保护要求、节能降碳目标以满足可持续发展的现实需要。
在世界碳减排形势趋紧的背景下，我国民航业碳减排工作稳步推进，发布《“十四五”民航绿色发展专项规划》（2022年），通过顶层规划和任务部署，推动民航业绿色、低碳、循环发展。
本文从产品设计、材料应用、制造技术等方面梳理航空制造业的发展现状与存在的问题，分析主要技术方向的降碳潜力，以期为航空业绿色可持续发展的技术和管理研究提供参考。
为提升飞行运行效率、满足减碳要求，主要航空制造业国家和地区围绕新型气动布局和新能源推进技术，开展了一系列探索和研究，飞机设计的主要方向有桁架支撑翼、翼身融合、尾部边界层抽吸布局，分布式推进，纯电、混合电、氢涡轮推进等。我国ARJ21支线飞机持续推进减重、减阻和降噪等研究，包括座椅地板、液压管路减重优化，舱门密封、襟翼展向间隙密封等减阻方式，液压系统元件发动机驱动泵（EDP）管路降噪。C919飞机采用了新一代超临界机翼、新型鲨鳍小翼、双曲面承载风挡机头和低阻后体气动等布局设计，使用的第三代铝锂合金材料、先进复合材料用量分别达到8.8%、12%，实现了CO2排放量比现役同座级飞机低12%的良好目标。
世界主要航空制造商积极推进绿色飞机制造，并取得了初步的进展。波音公司连续三年发布《可持续发展报告》，承诺到2030年在制造和基础设施领域实现碳净零排放，温室气体排放与2017年相比减少55%，可再生能源利用率达到100%。中国商用飞机有限责任公司积极响应国家战略和低碳发展需求，提出了“绿色商飞”的建设构想，明确了绿色飞机、绿色家园、绿色产业链“三位一体”的发展方向。在制造环节，开展了无铬阳极氧化、环保化铣保护胶等多项绿色工艺攻关，大幅减少铬酸废液和化学铣切废碱液的排放；推进燃气锅炉低氮改造、喷漆喷胶废气改造等设备升级，大幅减少氮氧化物和挥发性有机物的排放量；搭建了制造园区智慧环保管理平台，实现主要污染物排放数据、环境指标和重点能耗数据等的实时监控；关注产业链发展，积极推进绿色材料采购、复合材料回收利用、供应链绿色指标体系建立等工作。“一代飞机、一代材料”，新材料的应用是航空技术发展和进步的最重要推动力之一。未来材料的发展集中在结构材料和功能材料方面，通过减阻、减重、增加新型功能等方式提升飞机低碳化发展水平。在新型结构材料方面，主要应用复合材料、新型合金材料等进行机体减重。从国外大型商用飞机材料应用的情况看，传统的铝合金及结构钢在飞机上的用量逐渐减少，而复合材料和钛合金的占比快速提升。在新型功能材料方面，主要通过增加或提升飞机功能来实现减阻设计、材料减重等，目前这些方向多数处于技术探索研究阶段，尚未在商用飞机产品中大规模应用。
作为全球经济活动的重要组成和支撑部分，航空运输业的碳排放总量和占比逐年增加，如2019年航空运输业的碳排放量约占全球交通运输业碳排放总量的10%、全球碳排放总量的2%。根据ICAO预测，如果航空运输业不进行绿色低碳转型，到2050年航空运输业碳排放将增长到全球碳排放总量的25%。2021年，在第77届国际航空运输协会年度大会上，国际航空运输协会（IATA）承诺其成员航空公司到2050年实现净零排放。欧盟提出了名为“减碳55”（Fit for 55）的一揽子计划，承诺到2030年将温室气体净排放量较1990年减少55%。在此背景下，各国纷纷加快了革新的步伐，航空业可持续发展受到业内的普遍关切。对标我国“双碳”战略发展目标与时间节点，从绿色飞机设计、绿色飞机材料、绿色飞机制造三大方向着手，梳理关键技术，在充分考虑技术发展需求与技术实现可能的基础上，未来我国航空制造业绿色低碳化发展目标如下：到2030年，推动SAF装机验证工作，持续推动轻质材料、高温材料飞机应用；发展绿色工艺，减少原料浪费，实现航空产品设计制造过程的远程协同运行。到2040年，推动电推进飞机、氢能源飞机关键技术的研究与初步应用，研发相关验证机；完成电动飞机材料研发，实现关键设备或制造单元的数字化智能化控制。到2050年，开展电推进飞机、氢能源飞机研发并推动进入市场应用；开发新型智能材料、轻质材料并应用；实现资源高效清洁循环利用，建立较成熟的智能制造技术链条，实现制造过程全面智能化。
绿色飞机设计主要围绕传统能源飞机气动、总体、结构、系统设计提升以及新能源飞机设计两个维度提出未来关键技术的发展路线。在传统飞机设计方面，通过实施低碳发展技术，降低阻力，提高安全性、经济性，降低时间成本，使大型飞机具备远航程、低油耗的气动性能优势，从而提升民机的整体性能。
推进制造工艺绿色化、过程智能化、装备数字化以及工厂节能研究，重点发展绿色切削、绿色表面处理工程等核心工艺，以工艺技术革新促进工艺无害化、低毒化发展，减少对人体与环境的污染；扩大增材制造技术的应用范围，提高机体结构增材制造部件装机应用比例；针对复合材料等轻质高效材料的生产制造，研究其绿色工艺规范、智能制造装备，提升制造效率，保障飞机减重。推动数字赋能航空制造绿色低碳转型，通过制造过程和装备智能化升级促进减碳；积极推进航空制造企业节能增效，打造低碳工厂、工业园区和低碳产业链；大力发展制造产业链循环，通过飞机全生命周期资源高效循环利用降低碳排放，扩大复合材料和铝材的回收再利用。开展传统飞机与新能源飞机新型材料开发与应用研究，聚焦推动飞机轻质化发展的材料、提升气动效率的智能材料、提升发动机效率的高温材料等关键方向，储备未来新能源飞机发展所需要的关键新型材料。来源：本文节选自新浪财经、微信公众号--中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：吴光辉（中国工程院院士，中国商用飞机有限责任公司飞机设计专家）、张志雄、王兆兵、苗强、王宁、张亚伟、常硕、贾康；部分图片来自网络，版权归原作者。（本文内容为网络转载，仅作知识了解，不代表任何投资建议。转载内容版权归原作者所有，如涉及作品内容、版权或其他问题，请在公众号后台留取联系方式，我们将及时回复和处理）
