可持续航空：净零排放之旅（英）2023

可持续发展AVIATION:THEJOURNEY 净零 CONTENTS INTRODUCTION3 重新设计飞机的新能源5 使飞机更节能11 可持续的在役操作17 可持续供应链21 下一代航空27 可持续的航空航天创新文化33 结论38 可持续航空：实现净零的旅程 flight的未来将与今天看起来非常不同，并希望更可持续。 对于飞机，煤油最终将让位给其他推进器 来源，无论是电、氢燃料电池，还是可持续的生产的燃料。同时，fl的性质本身将是 转型，作为新的空中运输方式，如空中出租车 -从一开始就设计了可持续性-通过认证fi阳离子并投放市场。 海拔(例如，增加臭氧形成的氮氧化物，以及通过形成轨迹来捕获热量的水蒸气)意味着它们对全球变暖有一个巨大的影响。 在每个部门解决这个问题越来越紧迫。全球平均温度已经比去年同期上升了约1.1C 工业水平，根据政府间小组的说法 气候变化（IPCC），接近1.5C的极限，巴黎协议希望保持下去。 这一切都将产生深远的影响。新的推进机制 可能会打开更多的efl有效的平面设计，这可能会从根本上改变具有100年历史的航空模板。材料科学的创新 对于飞机设计来说，回收利用也可能是革命性的。上 无论是新的还是旧的设计，新的传感器和数据都将逐渐增加优化一切-从机翼上的空中交通到空中交通路线-在 为了进一步挤压能源效率。所有这些都将有对全球燃料、材料供应链的前所未有的影响和制造业。 这不可能很快发生。航空至少负责 据国际统计，全球二氧化碳排放量的2% 能源署(IEA)，尽管这些排放量很高 航空致力于成为解决方案的一部分，全球航空业已同意到2050年净零排放。 最大的影响将来自可持续燃料-各种 正在探索的方法。例如，空中客车公司的目标是fi实现零- 到2035年排放飞机，并正在研究氢燃烧 和燃料电池。波音、空客和其他公司正在探索可持续发展航空燃料(SAFs)。各种初创企业正在探索全电动和 氢动力飞机-最近已经证明成功是可能的。 可持续航空：净零之旅凯捷工程3 然而，还需要其他变化来减少排放和 所需能量-来自空气动力学设计和较轻的材料，更有效的计算机辅助fl灯光和路线规划。 供应也必须改变，更换肮脏的原材料和污染 拥有清洁生物材料的工厂，回收利用(“循环经济”)，和使用可再生能源的供应商。 然而，所有这些都必须发生在航空航天增长的时期， 受新需求(特别是在亚洲)的影响，并增加了fleet的规模。一个波音和空客的评估估计飞机的数量 将在未来20年内翻一番。但是，为了满足碳预算与《巴黎协定》兼容，这增加了航空运输 数量必须与减排保持平衡-而且很可能在不久的将来，与航空公司、机场、消费者和政府都在施加压力。 可持续航空是一项必须解决的复杂挑战我们现在正处于航空史上的关键时刻。 我们需要一个大规模的、协调的effort，并重新激活航空先驱的热情。我们必须重新点燃这种精神 创新，由紧迫感驱动，因为失败不是 一个选项，时钟在滴答作响。下面，我们将介绍这必须完成。 那么，我们如何使航空成为解决方案的一部分？ 在本系列的每件作品中，我们将介绍各种脱碳方法航空。 可持续航空：净零之旅凯捷工程4 1.重新设计AIRCRAFTFOR新能源 消息来源 脱碳飞机推进 航空脱碳的最大和最重要的杠杆是寻找绿色推进源。燃烧航空燃料-这 目前主要是石油衍生的煤油-代表估计99%的航空排放-下游所谓的“范围3”排放量(即在用产品的排放量)。 可持续航空燃料是一种选择，具有fit的优势 与大多数现有的发动机设计一起工作。但是全新的推进系统，如氢和电，需要全新的 飞机动力总成的设计，从发动机到油箱和运输，以及动力传输到螺旋桨。在一些 在这种情况下，可能需要对飞机进行大规模的重新设计。 这并不容易。开始做这件事的公司 路径看到多年的工作之前，他们可以得到绿色的飞机转化为常规fl光。前面有一个工程挑战 航空从未见过的规模和紧迫性。 尽管如此，大大小小的公司都在承担挑战。 时间至关重要，不仅因为时钟在滴答作响气候变化，也是因为到达那里的公司 first将具有显著的fi不能优势。这不仅仅意味着fi安装新飞机，但也要对现有的fl进行改造 sustainability.Forexample,justayear’sjumponcompetitors 可能意味着很多订单，在其他人赶上之前。 那么，公司如何加速这项工程研发过程? 99% 航空排放是 主要是石油衍生的煤油 可持续航空：净零之旅凯捷工程6 未来的挑战 脱碳推进有一系列的选择，每个有自己的挑战。我们将总结机遇和在讨论解决方案之前，每个挑战。 可持续航空燃料 最简单和最有前途的短期解决方案是可持续的航空燃料(SAF)，一类从生物质或 从碳捕获中去除空气中的二氧化碳或排放物并将其化学加工成煤油的前体。根据 重要的是要确保SAF是从生物来源(如林业剩余物)不与其他需要的部门竞争使用相同的住所，如造纸业。欧盟和 美国正在寻求不同的方法来应对这一挑战。你可以阅读更多关于可持续供应链的重要性 第4条. 氢气 作为燃料源，氢气可以直接燃烧，也可以用于 因此，它可能需要重新设计飞机 容纳更大的油箱。例如，这可能会产生通过移动燃料储存来改善飞机的机会- 例如，将其从机翼中取出。然后可以制造机翼更薄，产生更少的阻力，提高燃油效率。它也围绕设计、工程和 储氢罐、燃料喷射和 引擎本身-这需要修改fi来处理这种新的燃料来源。 到国际航空运输协会(IATA)，苏丹武装部队可以 氢燃料电池发电。H2（无论是燃烧还是用于燃料电池）也会产生 贡献约65%的减排量 航空业需要在2050年达到净零。 在重新设计方面，苏丹武装部队是一个简单的选择。苏丹武装部队可以“介入”- 这意味着它可以与传统的喷气燃料混合， 在某些情况下（...更多在未来），取代传统的喷气燃料completely.ThismeansthatSAFrequireslittletonoredesign.Airbus已经有商用和军用飞机能够 高达50%的SAF混合，目标是到2030年达到100%。英国国防部 已经开始接受来自其燃料供应商的高达50%的降价已经展示了100%的SAFfl能力。 还应该注意的是，SAF可以在碳中性的情况下生产。方式，但在地面上取出二氧化碳并在高空返回 -所以，虽然比煤油好很多，而且很棒 过渡燃料，SAF不是一个完全绿色的解决方案。 值得一提的是，SAF的生产途径 （因此它的可伸缩性）是一个重要因素。例如，它的 由于起步较晚，氢气的时间线较短，很可能在2030年代开始看到主要的航空部署。当燃烧后，氢气与氧气反应产生能量和 水蒸气，因此没有碳排放。如果氢 是从绿色来源生产的，从理论上讲，fl光可能是碳中性(尽管我们不太可能完全消除 氢的生产、储存和运输产生的排放基础设施）。 氢的能量密度是质量的三倍 比煤油，这使得氢作为一种能源非常有吸引力 carrier.However,ithaslessenergybyvolumethankerosene: 六倍少的气体在高压（700巴）和三液体（需要将其冷却至-253°C）。所以液态氢更可行，但仍需要更多 储存空间比燃料更多，这将挑战飞机外形和建筑。 尾迹/水蒸气，这种云的散布(尾迹 卷云)可以捕获从下面的地球辐射的热量，增加变暖。燃烧它也会产生氮气 氧化物(“NOx”)可能是烟雾、酸雨和 人类的呼吸问题，尽管它产生的这些问题较少比煤油。 氢也可以用来为燃料电池提供动力，燃料电池可以驱动电动动力总成，并且没有废物排放。A 最近的测试fl灯很少，包括来自初创公司的ZeroAviaandUniversalHydrogen，很有前途。主要货币押注于 技术也是如此；空中客车公司希望部署其氢燃料电池-到2035年大规模为发动机提供动力。值得一提的是，然而，这些燃料电池的重量可能会限制它们 单通道飞机和中程。 可持续航空：净零之旅凯捷工程7 电动动力系统 电力推进电气化的第二个挑战将是重新设计 平面子系统和控制面与电动机和 与电动汽车(EV)一样，电池可以为发动机和 bechargedatairportsin-betweenoperations.Themainconstraint 是电池本身，很重。这减少了fl的重量 efl效率和-多亏了物理定律-放置了一个鞋面限制在任何给定的平面之前可以存储多少能量对flY来说太重了。 尽管如此，电力推进已经证明了 Promiseinsmalleraircraft.Pipistrelclaimstobethefirstcompany 要获得电动飞机(VelisElectro)的认证，请返回2020年。 最近，在2022年9月，总部位于美国的EviationAircraft 展示了它声称是“世界上第一个全电动的fi客机，预计服务日期为2027年，并计划用于150-250英里之间的通勤和货运fl灯。 那么主要的工程挑战将是挤压 电池存储和电子效率之外的最佳电子效率，以及使它们重量更轻，以扩大电动范围 飞机。进步可能来自新的电池化学更轻，更强大，像锂硫。还有很多从更好的热管理中获得改进， 这也有助于延长电池寿命。 传输线取代液压传输线。这些有不同的ffering对现有液压控制和主要控制的操作注意事项将需要做的工作是将它们改造成现有的飞机。 Thismaynonethelessbeviable.‘Electrification’canbeusedon 具有任何类型发动机的飞机（例如常规，SAF，H2），与传统的相比，提供了潜在的减肥 液压系统，并可能从飞机的 发电厂，以及更简单的安装和维护 (由于移动部件较少)，同时可以说有更多的ff 精确控制 混合动力电动 混合动力电力推进(其中车辆使用电力与其他推进源相结合)已经证明了自己在汽车领域。飞机可以使用电力驱动 为了更好的能源管理，例如，在滑行期间，或在与飞机的其他发动机一起提供帮助 在起飞和上升期间。 空中客车公司声称混合动力电力推进可以减少燃料每fl光消耗5%。当 与其他缺乏峰值的电源相结合煤油的功率输出。 可持续航空：净零之旅 凯捷工程8 数字推动者：更快地到达那里 凯捷工程 9 Thechallengesabovewillclearlytakeenergyandresearch.Given 航空航天的安全关键性质，他们也将需要大量的在允许乘客靠近他们之前进行测试。一些 这只是必须做的，但一些元素可以加快通过新的数字工程方法。 数字设计工具可以帮助范围设计和架构，工程，以及电气、机械系统和 物理域，以及它们应该如何加入。建模-当由航空航天进入专家设计-可以帮助优化和Define是机身、坦克最有效的配置 和机翼，预测最佳材料选择，并设计电气，电子和机械部件的集成。 甚至人工智能(AI)也可以帮助提出最佳设计 如果提供了明确的输入标准，则减少了错误的数量开始，并且需要生产早期的物理原型。 仿真和基于物理的系统建模可用于了解重要的属性，如热管理，这对设计的安全性和效率至关重要 电池组和发动机使用新的燃料来源储存在不同的压力和温度。 软件设计对于系统也将越来越重要 管理，因为动力总成是电气化的，系统需要在整个fl期间，在特定的州受到监控和拘留。 可持续航空：净零之旅 基于模型的系统工程(MBSE)的应用建模以支持系统需求、设计、分析、 verifi阳离子和验证(V&V)活动'-允许设计人员采取整体观点；从整体上分析飞机系统 在它的整个生命周期中，并确定相互作用在其组件之间。数字方法可以帮助 加速项目，加快验证和验证fi阳离子(V&V) certifi阳离子过程，例如，通过允许更多的测试和评估工作要以数字方式完成。 AI还可以用于将flight数据转换为从组件级别到虚拟flight的模拟测试 在各种具有挑战性的条件下进行测试。这有助于发现尽早挑战，降低昂贵的现实生活fl测试中的风险-当然，这些最终必须完成。一旦他们做到了， 详细的数据收集、后处理和