可持续航空：净零排放之旅（英）-2023

可持续航空：零网之旅 CONTENTS INTRODUCTION3为新能源资源重新设计飞机 5使飞机更加节能11可持续的服务中运营 17个可持续供应链 21下一代航空27 可持续航空空间创新的文化33结论 INTRODUCTION 可持续航空：净零的旅程 飞行的未来将与今天大不相同，希望更加可持续。 对于飞机，煤油最终将让位给其他推进源，无论是电力，氢燃料电池还是可持续生产的燃料。同时，飞行本身的性质将随着新的机载运输方式而改变，例如空中出租车 -从一开始就具有可持续性设计-通过认证并投放市场。 这都将产生深远的影响。新的推进机制可能会开辟更有效的飞机设计，这可能会从根本上改变已有100年历史的航空模板。材料科学和回收利用方面的创新对飞机设计也可能是革命性的。在新旧设计上，新的传感器和数据将逐步增加 优化一切——从机翼上的气流到飞行路线——以进一步提高能源效率。所有这些都将对全球燃料、材料和制造供应链产生前所未有的影响。 这不可能很快发生。根据国际能源署（IEA）的数据，航空业至少占全球二氧化碳排放量的2％，尽管这些排放的释放量很高 海拔高度（例如，增加臭氧形成的氮氧化物和通过尾迹形成捕获热量的水蒸气）意味着它们对全球变暖具有巨大的影响。 在每个部门解决这个问题都越来越紧迫。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC ）的数据，全球平均温度已经比工业化前的水平上升了约1.1C，接近《巴黎协定》希望保持的1.5C的极限。 航空业已承诺成为解决方案的一部分，全球航空业已同意到2050年实现净零排放 。 巨大的影响将来自可持续燃料-正在探索各种方法。例如，空客公司的目标是到2035年部署零排放飞机，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航空燃料（SAF）。各种初创公司都在探索全电动和氢动力飞机，最近证明了成功是可能的。 可持续航空：实现零净CapgeminiEngineering3的旅程 INTRODUCTION 但是，还需要进行其他更改以减少排放和所需的能源-从空气动力学设计和更轻的材料，到更高效的计算机辅助飞行和路线规划。 供应也必须改变，用清洁生物材料、回收(“循环经济”)和使用可再生能源的供应商取代肮脏的原材料和污染工厂。 然而，所有这一切都必须发生在航空航天增长的时期，这得益于新的需求（尤其是在亚洲）和机队规模的增加。波音公司和空中客车公司的评估估计飞机数量未来20年将翻一番。但是，为了实现与《巴黎协定》兼容的碳预算，空中交通量的增加必须与减排保持平衡-在不久的将来，航空公司，机场，消费者和政府都在施加压力，这可能会成为一场日益激烈的辩论的一部分。 可持续航空是一个复杂的挑战，必须以各种方式应对。我们现在正处于航空史上的关键时刻。我们需要大规模，协调一致的努力，并重新激发航空先驱的热情。我们必须在紧迫感的驱动下，重新点燃这种创新精神，因为失败不是一种选择，而且时间紧迫。下面，我们将介绍如何做到这一点。 那么，我们如何让航空成为解决方案的一部分呢？ 在本系列的每一篇文章中，我们将介绍各种航空脱碳方法。 可持续航空：实现零净CapgeminiEngineering4的旅程 5 凯捷工程 网络之旅零 ： 可持续航空 1. 为新能源资源重新 设计飞机 为新能源重新设计飞机使飞机更加节能可持续的在职运营可持续供应链下一代航空可持续航空创新文化 飞机推进脱碳 航空脱碳的最大和最重要的杠杆是寻找绿色的推进源。燃烧航空燃料-目前主要是石油衍生的煤油-估计占航空排放的99％-所谓的“范围3”下游排放（即使用中的产品的排放）。 可持续航空燃料是一种选择，并且可以与大多数现有发动机设计一起使用。但是全新的推进系统，例如氢和电，需要对飞机的动力总成进行全新设计，从发动机到油箱和运输工具，以及动力传输到螺旋桨。在某些情况下，可能需要对飞机进行全面的重新设计。 这并不容易。在这条道路上起步的公司在将绿色飞机投入常规飞行之前，已经经历了多年的工作。在航空领域从未见过的规模和紧迫性方面，未来面临着一项工程挑战。尽管如此，大大小小的公司都在接受这一挑战。 时间是至关重要的，不仅因为气候变化的时钟在滴答作响，而且因为首先到达那里的公司将拥有巨大的优势。这不仅意味着部署新飞机，还意味着改造现有机队以实现可持续性。例如，竞争对手仅仅一年的跳跃可能意味着许多订单 ，而其他订单才能赶上。 那么，公司如何加快这一工程研发过程呢？ 99% 航空排放的主要是石油衍生的煤油 可持续航空：实现零净CapgeminiEngineering的旅程6 前面的挑战 脱碳推进有一系列选择，每个选择都有自己的挑战。在讨论解决方案之前，我们将总结每个选择的机遇和挑战。 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航空燃料（SAF），这是一类源自生物质或碳捕获的燃料，可从空气或排放物中去除二氧化碳，并将其化学加工成煤油前体。根据国际航空运输协会（IATA）的数据，到2050年，SAF可以贡献约65％的航空减排量，以达到净零。 在重新设计方面，SAF是一个简单的选择。SAF可以“加入”-这意味着它可以与常规喷气燃料混合，并且在某些情况下（...将来会更多）完全取代常规喷气燃料。这意味着SAF几乎不需要重新设计。空中客车公司已经拥有商用和军用飞机，能够与高达50％的SAF混合飞行，目标是到2030年达到100％。英国国防部已开始接受其燃料供应商的50％下降，并且已经展示了100％的SAF航班。 还应该注意的是，SAF可以以碳中和的方式生产，但可以在地面上取出CO2并在高空返回 -因此，虽然比煤油更好，并且是出色的过渡燃料，但SAF并不是完全绿色的解决方案。 值得一提的是，SAF的生产途径（以及其可扩展性）是一个重要因素。例如，它的 重要的是确保从生物来源（如林业残留物）创建的SAF不会与需要使用这些相同居所的其他部门竞争，如造纸业。欧盟和 美国正在采取不同的方法来应对这一挑战。您可以在第4条中阅读更多有关可持续供应链的重要性的信息。 氢气 作为燃料源,氢可以直接燃烧,或用于氢燃料电池以产生电。 由于起步较晚，氢气的时间较短，并且很可能在2030年代开始进行主要的航空部署。燃烧时，氢气与氧气反应产生能量和水蒸气，因此没有碳排放。理论上，如果氢气是由绿色来源产生的，则飞行可能是 碳中性(尽管我们不太可能完全消除氢气生产、储存和运输基础设施的排放)。 氢的能量密度，按质量计，是煤油的三倍，这使得氢作为能量载体非常有吸引力。然而，它的体积能量比煤油少： 高压（700巴）下的气体要少6倍，液体（需要将其冷却至-253°C ）要少3倍。因此液态氢更可行，但仍需要比燃料更多的存储空间，这将挑战飞机的形状和结构。 因此，它可能需要重新设计飞机以容纳更大的油箱。例如，这可以创造一个机会 ，通过移动燃料储存来改善飞机-例如，将其从机翼中取出。然后，机翼可以做得更薄，产生更少的阻力并提高燃油效率。它还为储氢罐，燃料喷射和发动机本身的设计，工程和材料选择带来了复杂的挑战-需要对其进行修改以应对这种新的燃料来源。 H2（无论是燃烧还是在燃料电池中使用）也会产生凝结尾迹/水蒸气，这种云（凝结尾迹卷云）的散布会捕获从下方地球辐射的热量，从而加剧变暖。燃烧它还会产生氮氧化物（“NOx”），这可能是造成烟雾，酸雨和人类呼吸问题的原因，尽管它比煤油产生的量少。 氢也可用于为燃料电池提供动力，燃料电池驱动电动动力系统，并且没有废物排放。最近的几次试飞，包括来自初创公司ZeroAvia和 通用氢是有希望的。主要的素数也押注于这项技术；空中客车公司希望在2035年之前大规模部署其氢燃料电池动力发动机。然而，值得一提的是，这些燃料电池的重量可能会将它们限制在单通道飞机和中等范围内。 凯捷工程7 可持续航空：实现净零的旅程 电动动力总成 可持续航空：实现净零的旅程 电力推进 与电动汽车（EV）一样，电池可以为发动机提供动力，并在两次运营之间的机场进行充电。主要限制因素是电池本身很重。这降低了飞行效率，并且由于物理定律，在任何给定的飞机太重而无法飞行之前，可以存储多少能量。 尽管如此，电力推进已经在小型飞机上显示出了希望。Pipistrel声称是2020年第一家获得电动飞机（VelisElectro）认证的公司。 最近，在2022年9月，总部位于美国的Eviation飞机展示了它声称是“世界上第一艘全电动客机”，预计服务日期为2027年，以及150-250英里之间的通勤和货运航班计划。 然后，主要的工程挑战将是从电池存储和效率中挤出最佳效率，并使它们更轻 ，以扩大电动飞机的范围。进步可能来自更轻，更强大的新电池化学物质，如锂硫。更好的热管理也有很多改进，这也有助于延长电池寿命。 电气化的第二个挑战将是用电动机和传输线重新设计飞机子系统和控制表面，以取代液压发动机。这些对现有的液压控制装置有不同的操作考虑，需要做大量的工作来将它们改装到现有的飞机上。 尽管如此，这可能是可行的。“电气化”可以在具有任何类型发动机（例如常规，SAF，H2）的飞机上使用，与常规液压系统相比，可以减轻重量 ，并且可能从飞机的动力装置中汲取更少的能量，并且更易于安装和维护 （由于移动部件更少），同时可以说提供更精确的控制。 混合动力电动 混合动力电力推进（其中车辆使用与其他推进源结合的电力）已经在汽车领域得到了证明。飞机可以使用电驱动器来进行更好的能源管理，例如在滑行过程中，或者与飞机的其他发动机一起在起飞和上升过程中提供帮助。 空中客车公司声称，混合电力推进可以使每次飞行的燃油消耗减少5％。当与缺乏煤油峰值功率输出的其他类型的电源结合使用时，它也可能是无价的。 凯捷工程8 数字推动者：更快地到达那里 上述挑战显然需要精力和研究。鉴于航空航天的安全关键性质，在乘客被允许靠近他们的任何地方之前，他们还将进行大量测试。其中一些只是必须完成，但一些要素可以通过新的数字工程方法来加速。 数字设计工具可以帮助范围设计和架构，工程，以及电气，机械系统和物理领域，以及它们应该如何结合起来。建模-由航空航天领域的专家设计-可以帮助优化和定义最有效的机身，坦克配置 和机翼，预测最佳材料选择，并设计电气，电子和机械组件的集成。如果提供明确的输入标准，甚至人工智能（AI）也可以帮助提出最佳设计，减少错误启动的数量，并需要生产早期的物理原型。 模拟和基于物理的系统建模可用于理解重要特性，例如热管理，这对于电池组设计的安全性和效率以及使用在不同压力和温度下存储的新燃料源的发动机至关重要。 软件设计对于系统管理也将越来越重要，因为动力总成是电气化的，系统需要在整个飞行过程中监控和保持在特定状态。 基于模型的系统工程（MBSE）-“建模以支持系统需求，设计，分析 ，验证和验证（V＆V）活动的应用”-允许设计人员采取整体观点;分析整个飞机系统的整个生命周期，并确定其组件之间的相互作用。数字方法可以帮助 加速项目，加快验证和验证（V&V）认证过程，例如，允许更多的测试和评估工作以数字化方式完成。 人工智能还可以用于将飞行数据转换为模拟测试的场景，从组件级别到虚拟飞行测试，在各种具有挑战性的条件下。这有助于及早发现挑战，降低昂贵的真实飞行测试中的风险-当然，这些最终必须完成。一旦完成，详细的数据收集、后处理和可视化可以帮助理解风险和改进——这些可以反馈到数字模型中，以改进设计。 空中客车公司的数字设计制造和服务（DDMS）计划是“数字优先”行动的一个很好的例子。它已被用于帮助开发未来作战航空系统和A321XLR，空中客车公司声称其燃烧的燃料比上一代飞机少30％。 凯捷工程9 可持续航空：实现净零的旅程 没有银弹，但有很多选择 商业航空界同意混合推进解决方案，但没有“银弹”。 在不久的将来，SAF动力飞机可能会占主导地位，因为SAF不需要对机身进行修改，并且从可持续性的角度