碳中和目標下航空能源轉型研究

摘要：應對氣候變化“巴黎協定”代表了全球綠色低碳轉型的大方向，是人類走向低碳社會的必然需求。碳中和下，航空能源轉型技術是新一代飛機迫切需要研究的核心技術之一。新一代飛機正向更低碳、更高效、更智能、更環保的目標發展，飛機能源系統的轉型正是滿足這些新要求的重要支撐。本文根據國外航空新能源系統技術的發展，結合自己的分析與思考，從新一代飛機在碳中和目標下能源轉型的理念出發，介紹低碳的能源技術，航空實現低碳能源目標和需求，航空能源轉型路線圖、措施和技術挑戰，實現低碳的思路，并指出要突破的關鍵技術，為新一代低碳航空的研究設計和未來發展提供借鑒。

關鍵詞：碳中和；低碳能源技術；低碳推進技術；氫燃料；電動航空；航空能源轉型

中圖分類號：V11文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.001

應對氣候變化的“巴黎協定”代表了全球綠色低碳轉型的大方向，是人類走向低碳社會的必然需求，我國提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的奮斗目標。碳中和的目標已經成為我國綠色發展的堅定方向。

航空工業和國家其他交通運輸行業一樣，是國家實現碳達峰、碳中和目標的關鍵，也是我國實現綠色低碳發展的核心。為了解決航空工業污染排放嚴重、噪聲大和能源轉換效率低的問題，需要航空工業進行持續性和顛覆性技術創新，攻克航空工業低碳發展的核心關鍵技術，實現航空工業的低碳能源轉型。本文通過對航空未來發展的廣泛分析研究，結合國外航空能源低碳轉型的技術發展，提出新一代低碳條件下航空工業能源發展思路，創新性地梳理出了開展低碳航空工業的5項關鍵新技術，為航空新技術產生的新的航空市場領域和航空工業綠色低碳發展進步做出自己的努力[1-3]。

1碳中和定義、地位和作用

碳排放是指人類生產經營活動過程中向外界排放溫室氣體（二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等）的過程。其中，碳排放是目前被認為導致全球變暖的主要原因之一。

碳匯是指從空氣中清除二氧化碳的過程、活動、機制，主要是指森林吸收并儲存二氧化碳的多少，或者說是森林吸收并儲存二氧化碳的能力。碳中和是指企業、團體或個人測算一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量，然后通過植樹造林、節能減排等形式，被自然過程和人為作用所吸收，抵消自身產生的二氧化碳排放量，實現二氧化碳“凈零排放”。

2019年，全球碳排放量為401億噸二氧化碳，其中86%源于自化石燃料的利用，14%由土地利用變化產生。這些排放量最終被陸地碳匯吸收31%，被海洋碳匯吸收23%，剩余46%滯留于大氣中。碳中和就是要想辦法把原本將會滯留在大氣中的二氧化碳排放量減下來或吸收掉。

碳中和的過程將會引起經濟社會的大轉型，引起能源系統的大變革，促使交通運輸領域的革命性創新，進而使航空工業發生顛覆性技術創新。碳中和的過程既是挑戰又是機遇，革命性的創新將會在此過程中得到充分體現，是我國在競爭中取得勝利的關鍵。

2低碳能源技術

低碳能源技術是從能源轉換普遍形態熱能開始，先從熱能做功，利用和工作溫度關系，找出高效能源利用技術，實現低碳方向。下面對超燃燒和超時空利用兩大方向和低碳轉換的氫能做重點介紹。

2.1熱能的做功利用和工作溫度的關系

化石能源一旦轉換成熱能，就能按照需求轉換成動力或者蒸汽等各種形態的能源，以便人們使用，所有這些技術不僅對工業生產極為重要，而且也是支撐日常生活的基礎。

熱能是燃料的化學能經過氧化燃燒反應被釋放出來，過程遵循熱力學第一、第二定律，可通過各種方法將熱能轉變為其他形式能源。從有效能的觀點分析可以看出，盡可能從高溫狀態開始進行階梯級利用，提高能源的綜合利用效率，如圖1所示。

能量的階梯級或循環利用是熱能利用的根本，為了實現有效能損失最小，需要繼續對系統進行創新性設計，攻克能量有效利用核心技術的難關。

2.2能源高效利用的發展方向

超燃燒的系統技術和超時空能源利用技術是實現能源高效、低碳利用的發展方向，也是能源高效利用、實現低碳的核心技術。燃料電池技術就是通過非燃燒過程從原理上控制了以往燃燒過程產生的有效能的損失，可以說是一種“超燃燒技術”，氫燃料電池是其最典型的代表。能源是在“需要的時候”以“必要的質量”按“必要的數量”在“需要的場合”進行利用。可以說，這就是一種“超時空技術”。

由于能源利用有這樣的特點，電能在這點上就非常具有優越性，它便于生成和傳輸，使用者只需要和插座等系統鏈接，就可以獲得高品質的電能。電能是發電后需要立即消費的能源，電能的儲存也就是蓄電很困難，這幾年電動汽車、移動設備用鋰離子電池等高性能蓄電方面取得非常大的進展，但這些基本的應用都是在遠離基礎設施的離線場所（離開電網）使用。燃料在單位體積或質量內儲存大量的化學能，但它在品質和易使用方面遠不如電能，經過高溫燃燒等過程，可以作為車輛、輪船或者飛行器等移動體的動力來源。在燃料燃燒的過程中，完成做功或獲得熱量后，會有大量的剩余熱量作為廢熱排放到大氣中，造成對環境的空氣污染。為了進一步減小污染，需要推進能量階梯或者超循環利用技術。

提高能源的利用效率是實現低碳發展的根本，要在提高設備轉換效率的同時提高廢棄能源的質和量及產生場所的利用，來滿足用戶的需求。因此，要消除能源供需間的質、量、時間、地點的不協調，就需要加大力度開發“超時空能源利用技術（能源接口技術）”。

2.3超時空的熱能利用

能源的超時空利用技術就是消除能源供需間質、量、時間、地點不協調的核心關鍵技術，在能源利用過程中，電能和熱能這兩種能源形態不可或缺。如果能源能夠自由地高密度輸送、存儲，按照希望的品質進行利用，從一次能源加工轉換到能源的最終利用，所有階段都應該提高能源的利用效率。在不同能源形態相互供給的場合也要注意效率的提高。

電能中實現這種技術的就是電池，電池種類繁多，存儲的能量密度也相差很大、不完全相同，但它實現了超時空電能利用。在熱能領域，這種開發比較緩慢，熱能的階段利用就是適合超時空利用技術，把熱能“加工”成其他形態的能源，轉變成易于儲存或運輸的能源，進而促進熱能超時空利用。

蓄熱技術也是熱能超時空利用技術之一，雖然蓄熱也依賴于能源的存在形態，但廢熱的能量密度低，將廢熱變換成潛熱，形成高密度的能源形態，可以實現儲存和輸送，消除能源在時間和空間上的不協調問題。蓄熱技術的用途和未來目標如圖2所示。

2.4能量循環與超燃燒

上述改善熱效率的關鍵技術就是熱能的階梯級利用。在工業生產過程中，熱能大部分用來加熱，而在此過程中用以反應、燒成等制作的被有效利用的熱能到底有多少？在加熱操作的過程中，要求溫度保持在使反應過程等能夠發生的溫度以上，同時伴有吸熱的場合供給其所需的熱量。這實際上沒有消費用以保持溫度的熱能，而是利用了系統外的廢熱，僅采用熱泵將其壓縮升溫后提供給系統。這就是能量循環和超燃燒，這項技術要想在高溫等條件下應用，還需要進行創新研究開發。

2.5低碳轉換的氫能

2.5.1為什么是氫能

氫能與汽油、電能一樣，都是能源的載體。使用各種一次能源，可從多種原料中采用各種方法制造得到氫能，氫能還可以與同為能源載體的電能進行相互轉換。氫能的系統框圖如圖3所示。

為什么是氫能，因為氫能有以下特性。

（1）作為能源的載體

能源載體不需要制造場所與利用場所相同，因此制造的能源需要儲存和輸送。氫能是化學能，能夠以各種形態儲存、輸送，便于利用。

（2）實現了低碳

氫能作為能源利用（燃燒）的結果，只生成水，可以構成無碳的能源系統，實現溫室氣體減排計劃。

（3）有效能利用

能源消費時用以實際做功的能量叫作有效能，有效利用能源就是要減少有效能的損失。而轉換成氫能的能源利用，既能減少有效能損失，又能用有效能比例低的熱能經加工轉換而成，可以提高有效能的比例，實現有效能的有效利用。

（4）能源安全供給

能源的安全供給是非常重要的，由于氫能系統可以不依賴于化石燃料。因此，安全性方面非常值得期待。

2.5.2氫能的用途

氫能作為能源的主要用途仍然是用作燃料電池的燃料，這也是目前氫能的最大用途。氫燃料電池可以用作汽車、飛機、輪船的動力，也可以用作發電，提高發電效率。

2.5.3如何制造氫能

（1）生物質能制氫

生物質能可以固化大氣中CO2，是具有碳中立特性的可再生資源，將生物能轉換成氫能利用，是非常重要的技術。生物能轉換成氫能的代表方法是汽化的方法。

（2）水電解制氫

水制氫方法中具有代表性的方法是水電解制氫。主流的電解技術是以NaOH、KOH為電解質，采用堿性水溶液進行電解的堿性電解法。

（3）水的熱化學循環分解法

水的熱化學循環分解法是由多個化學反應構成循環，將外部熱能作為一次能源供給進行水分解的反應過程。

（4）核能的離峰電力電解制氫

由于核能設備利用率非常高，不但在電力系統消費高峰期或者中間期能夠持續提供電力，而且在非高峰期也能持續提供電力，即離峰電力。因此，用離峰電力電解制氫是一個非常好的選擇。

2.5.4氫能的未來

氫能在低碳能源轉換技術中將起到非常重要的作用，是重要的能源載體。要提高能源的利用效率，實現低碳社會的目標，就必須在繼續開展節能的同時，進行技術創新及引入相應的創新體系。燃料的氫能化、熱能階梯級利用和循環利用，會形成一個嶄新未來[4]。

3航空能源實現低碳的需求和目標

在應對地球溫暖的對策中，航空能源實現低碳也是一項非常重要的發展目標，也對航空工業實現低碳提出強烈迫切需求。根據日本科學家松橋和森口在交通領域提出的CO2排放量的因素分解模型，可以得出航空領域的CO2排放量因素分解模型：

從上述模型可以看出，要降低航空領域的CO2排放量，和這5個方面的因素密切相關，但從航空工業的角度，只對航空模型的后兩項進行分析。

（1）CO2排放量/燃料消耗量指標的改進。要改善CO2排放量/燃料消耗量指標，就需要大量的技術創新。可以通過采用低碳燃料、采用新技術、電動航空、氫燃料等實現此指標的大幅度改進。

（2）燃油消耗量/運行架里程指標改進。要改善燃油消耗量/運行架里程指標，可以通過改變傳統的技術創新提高效率來實現，如混合動力技術、自適應變循環技術、分布式推進技術等來實現。

3.1航空CO2的減排目標

航空CO2的減排目標如圖4所示。從圖4可以看出，國際航空業2005年的CO2排放量到2050年要減少一半。要實現這一的目標，只有靠不斷的新技術創新，這對航空業既是機遇也是挑戰，會促進整個航空工業的轉型升級。

近年來，航空各種新技術得到了快速發展，根據美國環保局統計，包括航空在內的所有運輸系統，占全球人類溫室氣體排放的1/4；根據國際運輸協會的預計，到2025年乘坐客機旅行的需求量將翻一番。為了減少二氧化碳和其他污染物的排放，實現低碳社會運行，國際社會亟須航空業的轉型升級，大量使用污染少、高效率的新型能源。汽車工業已經開始轉向混合動力和電動汽車時代，使其對環境污染排放大大降低，這為航空工業的轉型發展指明了方向。

3.2 4種航空能源零排放優缺點比較

航空能源轉型是向著零排放的目標前進，4種航空零排放方案（生物/合成燃料、氫能內燃機、氫燃料電池和電池電能）的優缺點比較如圖5所示。從圖5可以看出，不同的方案都有各自的優缺點，實現航空能源轉型采用哪一個方案，應該根據航空的不同應用特點來選擇，大飛機和小飛機的目標、商用飛機和軍用飛機的目標都各不不同。因此，各自選取的方案也不同，只有適合不同飛機的方案才是最好的解決方案[5-8]。

4航空能源實現低碳面臨技術挑戰

航空業實現能源低碳的奮斗目標已經明確，要實現航空業這一非常嚴峻且具有挑戰性的目標，就需要制定具體的實現路徑和詳細技術創新措施。

4.1航空業實現低碳的路線圖

航空業要實現低碳減排，就要根據現有的航空業的技術特點，制定出未來發展的路線圖，以空客公司的碳中和路線圖來說明，如圖6所示。從圖6可以看出，為了實現大幅度的減排，確保碳中和的實現，采用氫能、生物燃料和低碳的動力等技術是碳中和的有效途徑，必須加速多種低碳能源技術的解決途徑，創新出適合航空工業實現低碳和減排的解決方案。最終能否實現碳中和的目標，取決于各種措施可用性、成熟能力和拓展性。

4.2實現低碳減排的措施

路線圖中氫能源的產生已經在低碳能源技術中進行了詳細介紹，在此重點介紹一下航空低碳替代燃料需要的步驟和措施。

4.2.1航空替代燃料的特性研究

航空替代燃料也是國家實現低碳目標的重要戰略，航空替代燃料的流程圖如圖7所示。

應用替代燃料是實現低碳減排的一個重要措施，這里還需要大量的技術創新，有許多需要攻克的關鍵技術，還有很長的路要走，才能實現替代燃料的實際應用。

4.2.2航空低碳推進技術研究

航空工業要實現減少排放和能源轉型的任務是非常艱巨的，把圖5減排目標進一步簡化，可以得出戰略重點的減排措施，如圖8所示。推力4低碳推進系統技術是實現航空工業能源轉型的關鍵，美國國家航空航天局（NASA）已經制定出混合電推進系統發展路線圖，采用低碳的混合動力技術是非常有前途的創新性技術，可以幫助實現國家航空環境和能源效率目標。超高效率的飛機和低碳推進技術緊密相關，超高效的飛機所需要的先進自適應變循環推進動力對低碳推進系統也至關重要。這里作為商用飛機只討論低碳混合動力推進技術。

圖9是采用低碳混合動力系統路線圖，商用飛機采用低碳混合動力推進系統，可以實現如下目標：能源使用量減少超過60%；有害氣體排放減少超過90%；噪聲減少超過65%。

要想實現這一目標，就需要解決如下關鍵技術：飛機和推進系統的概念和架構設計技術；高功率密度電機（發電機和電動機）技術；高能量密度能量儲存技術；電力電子及控制技術；飛行重量、動力系統架構和模擬試驗；飛行測試的廣闊區域等。

4.3航空能源低碳化面臨的技術挑戰

航空要實現低碳推進技術，主要是混合動力推進和電力推進技術，要實現上述目標主要面臨的技術挑戰[1，5-8]如圖10所示。

5飛機實現低碳推進的關鍵技術

5.1飛機低碳混合動力、電力推進的技術

飛機要實現低碳化和減排的目標，低碳推進系統是非常關鍵的技術。針對飛機混合動力推進系統技術，世界上正在開展大規模的研究，準備應用于未來大型商用飛機，這種推進系統正是一種低碳的推進系統。飛機的混合動力將燃氣渦輪發動機、發電系統和電能存儲系統結合在一起，共同推進飛機的渦輪風扇或螺旋槳。飛機推進完全依賴于電力推進系統，而該系統的電力是由燃料電池、鋰離子電池和超級電容器系統中存儲的電能產生的。這種推進系統更低碳、更安靜、更環保，是未來航空推進系統的發展方向。飛機低碳混合動力推進發展路線如圖11所示。

飛機的混合動力系統可分為并聯混合動力系統和串聯混合動力系統，并聯混合動力系統利用電池或燃料電池存儲的電能為電動機提供動力，電動機和發動機一起同時產生飛機推力，電動機是輔助推力，用來補充或替代使用常規燃料的渦輪發動機的不足。飛機額外的電能可用于飛機加速或者在飛機高功率需求時的推力補充，它也可以在飛機的電機和電池之間實現雙向功率傳遞。

在串聯混合動力推進配置中，渦輪軸或渦輪發動機的能量通過驅動推進系統的發電機轉換為電能。電能驅動電動機帶動風扇產生推力。這種推力可以由一個或多個分布式風扇提供，而每個風扇都由電動機驅動。渦輪發動機僅用于發電，其直接用于為傳遞推進力的電動機提供動力，或者為飛機的電能存儲系統（如果基于電池）充電。當飛機需要峰值推進功率時，或者當不需要發動機工作時，電能將從能量存儲系統中直接輸送出來。串聯混合動力允許在系統級別對飛機進行優化，并以較低的總重量實現飛機的高效運行。

5.2飛機低碳混合動力和電動化技術的關鍵技術

從前面飛機低碳混合動力和電動化各個關鍵環節面臨的技術挑戰進行梳理，總結出5個主要關注的核心技術領域和具體的關鍵技術。

5.2.1飛機和推進系統的概念和架構設計技術

這里主要是指飛機系統的總體設計、架構設計，以及推進系統的架構設計，同時為了適應低碳、高效和大功率飛機優化設計，最大限度地減少能量損耗，實現飛機的減排目標，為飛機智能化和高水平健康管理和可靠運行提供基礎。其關鍵技術包括：飛機系統架構仿真技術；飛機系統概念、架構設計與優化技術；飛機分布式推進架構技術；飛機推進系統概念和架構設計技術；飛機推進系統架構優化技術；飛機架構的評價技術。飛機和推進系統概念和架構設計圖如圖12所示。

飛機和推進系統的概念和架構設計技術是飛機實現低碳、減排、高效和能源綠色轉型的關鍵，也是能否實現碳中和目標的核心。

5.2.2高能量密度能量存儲技術

飛機要飛得更遠，就要在體積小、重量輕的儲能設備中存儲足夠能量，需要大幅度提高儲能設備儲存能量密度。儲能設備本身具有成本低、效率高、壽命長的特點，但同時還要提高儲能設備的充放電效率。其關鍵技術包括：能量密度儲存技術（見圖13）；能量的產生技術；能量的管理技術；電能儲存所需要基礎設施；高能量密度能量儲存的基礎材料技術；快速能量儲存和均勻釋放技術；能量儲存和釋放過程熱管理技術。以鋰離子電池為例，不同材料的鋰離子電池能量密度如圖14所示。

5.2.3高功率密度的電機（發電機和電動機）技術

飛機高功重比、高功率密度電機是飛機實現低碳、混動和電動化的關鍵，可以產生飛機飛行或輔助飛行所需的大功率能量，是飛機前進提供推力或者部分推力的發動機。同時，許多小電機也是飛機飛行操縱動力的部件，是飛機實現超高效率飛行技術的關鍵。航空高功率密度電機如圖15所示。其關鍵技術包括：高效、高功率密度、大扭矩的電動機推進技術；高效、高功率密度的發電機技術；各種電機的拓撲技術；超導電機設計技術；無刷電機的矢量控制技術；高效的變壓器設計技術；各種高效、靈巧的電力作動技術。

高功率密度的電機技術是實現航空能源轉型關鍵，它是低碳、綠色飛行所必須要突破的技術，隨著民用大型飛機的強烈需求，高效、大功率超導電機成為首選，但要實現這一目標，目前還有很多的難關要攻克。

5.2.4電力電子及控制技術

要想實現飛機低碳推進技術，需要在飛機上安裝大量能量轉換和控制裝置，其電力電子和控制裝置是低碳推進飛機的關鍵技術之一，電力電子變換及控制裝置是航空能源變換和控制的主要設備，需要其效率高、損耗小、重量輕、耐高溫和高的功率密度。用于飛機上的電力變換、飛機控制和電能調節等，向低碳、高效的飛機提供高質量大功率電能源。航空起動/發電電力電子裝置線路圖如圖16所示。其關鍵技術包括：電力電子變換技術；電力系統控制技術；電磁干擾和諧波抑制技術；寬禁帶電力電子技術；電力系統健康管理與監控技術；電力電子裝置的熱分析和散熱技術；電力電子固態開關技術。

電力電子變換和控制是低碳推進的電動飛機的核心，和電動汽車發展一樣，它就是著名的核心關鍵三電（電機、電池和電控）之一——電控，它的發展也決定著飛機的性能，是實現碳中和目標下航空能源轉型的關鍵[1，5-8]。

5.2.5飛機和動力的模擬與試驗技術

飛機和動力的模擬與試驗技術研究是飛機技術發展的重要一環，世界各國都在針對電動飛機、混合動力飛機的試驗技術開展創新性研究。世界上有很多基于低碳推進動力的飛機推進系統仿真環境和試驗設施，這些低碳推進動力系統仿真環境和試驗設施也在不斷進步完善中。其關鍵技術包括：低碳推進動力的模型仿真技術；低碳推進動力的試驗測試技術；低碳推進動力的試驗方法技術；飛機和低碳推進動力地面模擬技術；飛機和低碳推進動力的集成試驗技術；飛機和低碳推進動力飛行包線的模擬試驗技術。

國外飛機低碳推進系統的試驗設施（見圖17）已經有許多，但對于低碳電動飛機電力推進系統技術的測試試驗設施剛剛開始研究，目前，航空前沿技術領域正在開展未來航空運輸的各種飛機電力推進系統的架構研究，但是這些新型架構的研究在應用到飛機上之前，必須先在地面經過各種大規模和大功率的嚴格試驗和測試，以排除可能存在的安全問題。

飛機要實現低碳高效的綠色發展目標，就要從上述5個方面進行優化設計和技術攻關，它們是飛機和低碳推進動力的核心與關鍵技術[3]。

6結束語

飛機的低碳化可分為兩大技術趨勢：一是飛機系統逐步朝著超高效率的方向發展，實現低碳減排目標，如采用自適應變循環的發動機推進技術，主要在防務新領域得到大量的攻關創新性研究；二是飛機能源向混合動力、電力推進的方向前進，飛機也可以采用分布式的布局，最大限度地實現航空低碳減排目標，主要在商用航空領域進行大量創新。

在碳中和的目標下飛機能源要實現轉型，朝著低碳、高效的方向發展，將會對未來航空市場產生很大的影響，也為中國航空工業參與世界航空市場競爭帶來了重大機遇和挑戰。

飛機低碳化將使飛機供應商體系發生重大改變，將會創造出新的航空市場。如果我國要最大程度地進入這個新的航空市場，則需要在飛機低碳化技術上進行系統研究，并在技術上進行大量人力和物力投資。

根據我國制定的2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，應明確制定我國航空工業相對應的碳中和目標和路線圖，并確定我國飛機低碳化技術的投資計劃，重點建設國家級高水平飛機能源轉型的集成和測試平臺，以支持我國航空工業低碳化的技術集成和測試，提高我國航空工業低碳減排的技術水平。

飛機低碳化技術是未來飛機的發展方向，是飛機減少污染排放、降低噪聲和滿足國際社會未來發展的必由之路，也是我國承諾2060年前實現碳中和目標的關鍵推動力。相信未來，我國低碳的航空產業會不斷發展壯大，帶動整個人類社會朝著綠色、清潔和安全的方向邁進。

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Research on the Transformation of Aviation Energy Under the Goal of Carbon Neutrality

Li Kaisheng

AVIC Aerospace System Co.，Ltd.，Beijing 100028，China

Abstract： The Greater Paris Agreement on Climate Change represents the general direction of the global green and low-carbon transformation， is the inevitable demand of mankind to a low-carbon society， and the transformation technology of carbon neutral aviation energy is one of the core technologies that next generation of aircraft urgently needs to study. As the next generation of aircraft moves towards lower carbon， more efficient， smarter and less polluting goals， the transformation of aircraft energy systems is an important support for meeting these new requirements. Based on the development of new energy technology in foreign aviation， combined with their own analysis and thinking， this paper introduces low-carbon energy technology from the concept of energy transformation under the carbon neutrality goals of next generation of aircraft， aviation to achieve low-carbon energy goals and needs， aviation energy transformation road map， measures and technical challenges， and low-carbon thinking. It also points out that the key technology to break through can provide reference for the research design and future development of next generation of low-carbon aviation.

Key Words： carbon neutrality； low-carbon energy technology； low-carbon propulsion technology； hydrogen fuel； electric aviation； aviation energy transformation