航空制造业绿色低碳化发展研究.docx

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1、一、前言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。民航业产业链长、涉及面广，覆盖民航全领域、全主体、全要素、全周期，与民航的上/下游产业、其他行业紧密相关，还与数字经济、先进制造、绿色产业等深度融合，因此，实现民航业双碳战略目标是一项系统工程。目前，国际民航组织(ICAO)大力推动绿色航空发展，制定了更为严苛的污染物排放和噪声标准，力争在2050年实现全球航空运输业的净零排放。国外主要航空发展国家和地区也提出了一系列航空业零碳排放技术规划，如欧洲的“20

2、50年目标一一欧洲航空零排放路线图、美国的“地平线2050：可持续航空未来的飞行规划、英国的ATI技术战略2022零碳目标。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。我国航空制造企业也制定了“双碳目标，如中国航空工业集团公司计划在2025年初步构建绿色航空体系，到实现碳达峰时基本建成绿色生产体系，到实现碳中和时完全建成零碳排放的工业体系，最终实现能源利用率达到国际先进水平；中国商用飞机有限责任公司力争尽快实现碳达峰、碳中和，实现绿色低碳化发展。航空制造业处于民航产业链的前端，

3、包括飞机产品的设计研发、生产制造等。己有研究多是从航空产品设计角度提出未来新能源应用的路径，而围绕航空制造业核心环节系统策划绿色低碳化发展路径的研究较少。为有效应对气候变化和航空业碳减排任务压力，及时开展航空制造业绿色低碳化发展研究，对支撑航空业高质量发展具有重要意义。文章围绕民机产品的设计研发与制造过程，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，明确航空制造业的绿色低碳化发展目标、重点任务、发展路径，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。二、航空制造业绿色低碳化发展的需求从民航业主制造商的发展历史以及航空科技创新的发展

4、趋势来看，民机创新主要有两种途径，一是在既有产品基础上，逐步升级换代发展新产品；二是大跨度、颠覆式的全新产品创新。未来20年，以安全高效、绿色环保、经济舒适、智能互联为特征的新构型、超声速、新能源、智能化全新民机产品将推向市场。绿色低碳化是未来航空制造业的重要发展方向之一。（一）满足适航碳排放强制标准的需要2016年，ICAO建立了国际航空碳抵消与减排机制，并于2017年审议通过了关于飞机二氧化碳排放的新国际标准一一附件16环境保护第HI卷飞机二氧化碳排放。为满足新的适航碳排放标准，我国民用航空局修订了涡轮发动机飞机燃油排泄和排气排出物规定（CCAR-34）,明确了民用飞机碳减排的指标要求，推

5、动民机产品从设计研发端就要满足低碳、降噪和绿色发展的要求。（二）适应更加广泛的新型能源应用的需要当前，我国正在积极推进能源革命，可持续航空燃料（SAF）、氢能、电力等多种新型的非化石能源发展迅速，为航空业实现双碳战略目标提供了新的路径。为提高国际竞争力，未来民机发展需要提前储备SAF、氢能、全电/混合电推进等新能源新动力技术，不断提升绿色环保水平。（三）推动先进设计制造技术持续发展的需要新一代信息技术为民机的数字化、智能化发展创造了良好机遇，而新一代能源技术为民机绿色低碳化发展带来了契机。推进更多新兴跨界技术与传统民机技术融合创新，是民机创新和可持续发展的重要途径之一。未来民机制造业需要考虑新

6、能源、新材料、智能化、数字化等前沿技术的复合创新与融合应用，推动先进设计、制造技术持续发展，不断提升产业竞争力。三、航空制造业绿色低碳化发展的现状与问题（一）航空制造业绿色低碳化发展现状1 .绿色飞机设计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。以波音公司、空客公司为代表的主制造商，在美国航空航天局（NASA）亚声速超绿色飞机研究（SUGAR）和可持续飞行国家合作伙伴关系、欧盟“洁净天空等项目的支持下开展了系统深入的探索

7、性研究。在传统能源高效亚声速飞机方面，主要的航空业制造国家聚焦气动布局、机体结构和动力装置的升级改进，以进一步提升燃油经济性，减少碳排放。2023年，NASA与波音公司合作开展全尺寸跨声速桁架机翼演示飞机研究，为2030年以后推出新一代绿色单通道客机提供技术支撑，预期燃油消耗和排放值将下降30%O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

8、量分别达到8.8%、12%,实现了CS排放量比现役同座级飞机低12%的良好目标。在新能源飞机推进技术方面，已有多种发展路径。在电推进方面，基于锂电池、涡轮发电、氢电推进支线飞机的研究验证不断推进，如法国AUQAerO公司电动支线飞机ERA、荷兰MAEVE公司分布式电推进设计，部分氢燃料电池支线项目已经成功首飞（如美国Zeroavia公司的道尼尔228氢燃料电池改装验证机、环球氢能公司的DHC-8氢燃料电池动力系统项目）。受限于电池能源密度和功率密度，纯电池电推进在大型客机上的应用还需进一步研究。（2）在混合电推进方面，大型客机混合电推进项目推出如NASA的STARC-ABL波音公司SUGARF

9、reeZe和SUGARVoIt等概念产品；在动力系统上，通用电气航空公司和赛峰公司合作的开式转子发动机RISE项目考虑应用混动技术，罗罗公司持续推动涡轮发电混动推进系统研发。在燃氢涡轮方面，空客公司推出ZEROe项目，大力推进氢能源飞机预先研究和产业链建设；普惠公司开展氢蒸汽喷射间冷涡轮发动机（HySIITE）研究。在核能航空发动机方面，核能作为己知能量密度最大的能源，有利于大幅增加飞机航程，也是未来航空交通领域潜在的新型能源形式。通用电气公司提出了直接循环式航空推进喷气发动机的概念，普惠公司提出了间接循环式航空推进喷气发动机的设想。然而，目前新型核能航空发动机的研究仍处于起步阶段，未来走向实

10、用化需解决核反应堆小型化、核辐射屏蔽以及有效控制核污染等关键问题。2 .绿色飞机制造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%o在生产阶段，波音公司在位于华盛顿州伦顿、南卡罗来纳州查尔斯顿和得克萨斯州的工厂已实现100%使用可再生能源，并通过回收过剩复合材料生产电脑外壳和汽车零部件，每年将减少4501固体废物的排放；在使用阶段，提供数据分析服务，协助航空公司优化飞行计划和燃油效率；在退役阶段，重复使用和认证飞机部件，减少资

11、源浪费。空客公司在碳减排方面力争到2050年实现净零排放，积极参与环保组织和航空脱碳计划，如航空运输行动组、国际航空航天环境组织、洁净天空计划等。2019年，空客公司推出High5+计划，以在整个供应链中减少全球活动碳足迹。在生产阶段，位于图卢兹的A350总装厂建设了辐射光电板，为飞机生产制造提供所需电能的55%；采用基于钛合金的增材制造技术生产零部件，在减少研制时间的同时使飞机减重30%；采用激光熔融工艺减少了原材料浪费，并在飞机喷涂时采用低聚氨脂油漆和低挥发性的有机物溶剂，显著降低了有害物质的用量和挥发量。在运行阶段，升级空中交通管理以适应碳减排需要。在退役阶段，推出飞机使用寿命终结的高级

12、管理流程项目，实现老旧飞机的退役、拆解和循环利用产业化发展。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，开展了无铭阳极氧化、环保化铳保护胶等多项绿色工艺攻关，大幅减少铭酸废液和化学铳切废碱液的排放；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。3 .绿色飞机新材料“一代

13、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。波音787飞机首次将复合材料用量提高至50%,空客A350XWB飞机的复合材料用量提高至52%。同时，钛合金在具有可以减轻结构重量、与复合材料易搭配应用等优势，其用量比例也逐步提升至10%以上。止匕外，第三代铝锂合金性能优越，是当前最具竞争力的先进材

14、料，可使飞机铝合金零部件的质量减轻14%30%.目前，行业内己经着手开发第四代铝锂合金，有望进一步提升相关性能指标。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窕阶段，尚未在商用飞机产品中大规模应用。例如，基于石墨烯的柔性传感器和柔性电子印刷技术研制的智能蒙皮,可以感知飞行器流场特性，为飞机结构外形优化、气动载荷减缓、升阻力测量、飞行状态预测和结构健康监测等方面提供关键信息。此外，石墨烯具有低密度和高导电率，采用石墨烯改性铜、铝等电缆导体材料，能有效提高电缆导体的强度和导电性能，降低飞机电缆重量。以银钛合金为代表的形状记忆合金在一定载

15、荷或温度条件下具有记忆和恢复其初始形状的能力，其驱动飞机结构变形可以避免传统飞机设计需要的折中点，可应用到发动机排气装置的可变锯齿、面积可变喷气发动机风扇喷管、自适应后缘和可变曲面的连续后缘襟翼等，提升飞机在不同状态下的性能，降低碳排放。（二）航空制造业绿色低碳化发展面临的问题民机的全生命周期主要分为设计、制造、运营和退役4个阶段。目前，我国在飞机全生命周期碳排放定量评估方面尚处于探索研究阶段，国外已应用生命周期评估模型以典型窄体飞机A320ceo和宽体飞机A330、波音777为例，开展了飞机全生命周期碳排放评估。相关评估结果表明，飞机制造阶段的碳排放比例与材料种类、重量紧密相关，但是飞机碳排

16、放主要集中在运营阶段。以窄体飞机为例，每架飞机在制造阶段的总碳排放量仅是飞机平均机龄20年运营期间碳排放量的0.1%;但如果考虑飞机产能问题，飞机制造过程中的碳排放总量也不容小觑。随着我国ARJ21、C919等机型逐渐推向市场，生产交付的飞机数量将逐年增加，航空制造业低碳化发展的压力会不断增大，存在的不足和制约集中在以下两个方面。(I)在民机产品设计上，飞机燃油效率决定了运营阶段的碳排放量，是航空业碳减排的根本途径，亟需从气动布局、动力系统等方面开展相关研究及论证。我国民机先进气动布局、结构材料和动力装置等技术与先进国家相比尚有差距，需要不断进行技术攻关和品质提升。目前，我国航空制造业虽然稳步推进，ARJ21等市场化运营的机型产品需要不断优化升级，C919等新进入市场运行的机型产品需要保持市场竞争力，但也应注重未来新能源飞机等技术研发的知识储备和技术攻关。(2)在民机产品制造上，随着国产民