航空制造業綠色低碳化發展研究

吳光輝，張志雄，王兆兵*，苗強，王寧，張亞偉，常碩，賈康

（1. 中國商用飛機有限責任公司，上海 200126；2. 中國商飛北京民用飛機技術研究中心，北京 102211）

一、前言

世界經濟的持續發展、航空科技的不斷創新推動了航空運輸業的穩步增長，但也使航空業發展面臨能耗增加、環境污染加劇等挑戰，亟需采取更高的環境保護要求、節能降碳目標以滿足可持續發展的現實需要。民航業產業鏈長、涉及面廣，覆蓋民航全領域、全主體、全要素、全周期，與民航的上 / 下游產業、其他行業緊密相關，還與數字經濟、先進制造、綠色產業等深度融合，因此，實現民航業“雙碳”戰略目標是一項系統工程。

目前，國際民航組織（ICAO）大力推動綠色航空發展，制定了更為嚴苛的污染物排放和噪聲標準，力爭在2050年實現全球航空運輸業的凈零排放。國外主要航空發展國家和地區也提出了一系列航空業零碳排放技術規劃，如歐洲的“2050年目標——歐洲航空零排放路線圖”、美國的“地平線2050：可持續航空未來的飛行規劃”、英國的“ATI 技術戰略2022——零碳目標”。在世界碳減排形勢趨緊的背景下，我國民航業碳減排工作穩步推進，發布《“十四五”民航綠色發展專項規劃》（2022年）[1]，通過頂層規劃和任務部署，推動民航業綠色、低碳、循環發展。我國航空制造企業也制定了“雙碳”目標，如中國航空工業集團公司計劃在2025年初步構建綠色航空體系，到實現碳達峰時基本建成綠色生產體系，到實現碳中和時完全建成零碳排放的工業體系，最終實現能源利用率達到國際先進水平；中國商用飛機有限責任公司力爭盡快實現碳達峰、碳中和，實現綠色低碳化發展。航空制造業處于民航產業鏈的前端，包括飛機產品的設計研發、生產制造等。已有研究多是從航空產品設計角度提出未來新能源應用的路徑[1]，而圍繞航空制造業核心環節系統策劃綠色低碳化發展路徑的研究較少。為有效應對氣候變化和航空業碳減排任務壓力，及時開展航空制造業綠色低碳化發展研究，對支撐航空業高質量發展具有重要意義。

本文圍繞民機產品的設計研發與制造過程，從產品設計、材料應用、制造技術等方面梳理航空制造業的發展現狀與存在的問題，分析主要技術方向的降碳潛力，明確航空制造業的綠色低碳化發展目標、重點任務、發展路徑，以期為航空業綠色可持續發展的技術和管理研究提供參考。

二、航空制造業綠色低碳化發展的需求

從民航業主制造商的發展歷史以及航空科技創新的發展趨勢來看，民機創新主要有兩種途徑，一是在既有產品基礎上，逐步升級換代發展新產品；二是大跨度、顛覆式的全新產品創新。未來20年，以安全高效、綠色環保、經濟舒適、智能互聯為特征的“新構型、超聲速、新能源、智能化”全新民機產品將推向市場。綠色低碳化是未來航空制造業的重要發展方向之一。

（一）滿足適航碳排放強制標準的需要

2016 年，ICAO 建立了國際航空碳抵消與減排機制[2]，并于2017年審議通過了關于飛機二氧化碳排放的新國際標準——附件16《環境保護》第Ⅲ卷《飛機二氧化碳排放》[3]。為滿足新的適航碳排放標準，我國民用航空局修訂了《渦輪發動機飛機燃油排泄和排氣排出物規定》（CCAR-34），明確了民用飛機碳減排的指標要求，推動民機產品從設計研發端就要滿足低碳、降噪和綠色發展的要求。

（二）適應更加廣泛的新型能源應用的需要

當前，我國正在積極推進能源革命，可持續航空燃料（SAF）、氫能、電力等多種新型的非化石能源發展迅速，為航空業實現“雙碳”戰略目標提供了新的路徑。為提高國際競爭力，未來民機發展需要提前儲備SAF、氫能、全電 / 混合電推進等新能源新動力技術，不斷提升綠色環保水平。

（三）推動先進設計制造技術持續發展的需要

新一代信息技術為民機的數字化、智能化發展創造了良好機遇，而新一代能源技術為民機綠色低碳化發展帶來了契機。推進更多新興跨界技術與傳統民機技術融合創新，是民機創新和可持續發展的重要途徑之一。未來民機制造業需要考慮新能源、新材料、智能化、數字化等前沿技術的復合創新與融合應用，推動先進設計、制造技術持續發展，不斷提升產業競爭力。

三、航空制造業綠色低碳化發展的現狀與問題

（一）航空制造業綠色低碳化發展現狀

1. 綠色飛機設計

為提升飛行運行效率、滿足減碳要求，主要航空制造業國家和地區圍繞新型氣動布局和新能源推進技術，開展了一系列探索和研究，飛機設計的主要方向有桁架支撐翼、翼身融合、尾部邊界層抽吸布局，分布式推進，純電、混合電、氫渦輪推進等。以波音公司、空客公司為代表的主制造商，在美國航空航天局（NASA）亞聲速超綠色飛機研究（SUGAR）[4～10]和可持續飛行國家合作伙伴關系[11]、歐盟“潔凈天空”[12]等項目的支持下開展了系統深入的探索性研究。

在傳統能源高效亞聲速飛機方面，主要的航空業制造國家聚焦氣動布局、機體結構和動力裝置的升級改進，以進一步提升燃油經濟性，減少碳排放。2023年，NASA與波音公司合作開展全尺寸跨聲速桁架機翼演示飛機研究，為2030年以后推出新一代綠色單通道客機提供技術支撐，預期燃油消耗和排放值將下降30%。我國ARJ21支線飛機持續推進減重、減阻和降噪等研究，包括座椅地板、液壓管路減重優化，艙門密封、襟翼展向間隙密封等減阻方式，液壓系統元件發動機驅動泵（EDP）管路降噪。C919 飛機采用了新一代超臨界機翼、新型鯊鰭小翼、雙曲面承載風擋機頭和低阻后體氣動等布局設計，使用的第三代鋁鋰合金材料、先進復合材料用量分別達到8.8%、12%，實現了CO2排放量比現役同座級飛機低12%的良好目標[13]。

在新能源飛機推進技術方面，已有多種發展路徑。① 在電推進方面，基于鋰電池、渦輪發電、氫電推進支線飛機的研究驗證不斷推進，如法國Aura Aero公司電動支線飛機ERA、荷蘭MAEVE公司分布式電推進設計，部分氫燃料電池支線項目已經成功首飛（如美國Zeroavia公司的道尼爾228氫燃料電池改裝驗證機、環球氫能公司的DHC-8氫燃料電池動力系統項目）。受限于電池能源密度和功率密度，純電池電推進在大型客機上的應用還需進一步研究。② 在混合電推進方面，大型客機混合電推進項目推出如NASA 的STARC-ABL、波音公司SUGAR Freeze 和SUGAR Volt 等概念產品；在動力系統上，通用電氣航空公司和賽峰公司合作的開式轉子發動機RISE項目考慮應用混動技術，羅羅公司持續推動渦輪發電混動推進系統研發。③ 在燃氫渦輪方面，空客公司推出ZEROe項目，大力推進氫能源飛機預先研究和產業鏈建設；普惠公司開展氫蒸汽噴射間冷渦輪發動機（HySIITE）研究。

在核能航空發動機方面，核能作為已知能量密度最大的能源，有利于大幅增加飛機航程，也是未來航空交通領域潛在的新型能源形式。通用電氣公司提出了直接循環式航空推進噴氣發動機的概念，普惠公司提出了間接循環式航空推進噴氣發動機的設想[14]。然而，目前新型核能航空發動機的研究仍處于起步階段，未來走向實用化需解決核反應堆小型化、核輻射屏蔽以及有效控制核污染等關鍵問題。

2. 綠色飛機制造

世界主要航空制造商積極推進綠色飛機制造，并取得了初步的進展。波音公司連續三年發布《可持續發展報告》，承諾到2030 年在制造和基礎設施領域實現碳凈零排放，溫室氣體排放與2017年相比減少55%，可再生能源利用率達到100%。在生產階段，波音公司在位于華盛頓州倫頓、南卡羅來納州查爾斯頓和得克薩斯州的工廠已實現100%使用可再生能源，并通過回收過剩復合材料生產電腦外殼和汽車零部件，每年將減少450 t 固體廢物的排放；在使用階段，提供數據分析服務，協助航空公司優化飛行計劃和燃油效率；在退役階段，重復使用和認證飛機部件，減少資源浪費。

空客公司在碳減排方面力爭到2050年實現凈零排放，積極參與環保組織和航空脫碳計劃，如航空運輸行動組、國際航空航天環境組織、“潔凈天空”計劃等。2019 年，空客公司推出“High5+”計劃，以在整個供應鏈中減少全球活動碳足跡。在生產階段，位于圖盧茲的A350總裝廠建設了輻射光電板，為飛機生產制造提供所需電能的55%；采用基于鈦合金的增材制造技術生產零部件，在減少研制時間的同時使飛機減重30%；采用激光熔融工藝減少了原材料浪費，并在飛機噴涂時采用低聚氨脂油漆和低揮發性的有機物溶劑，顯著降低了有害物質的用量和揮發量。在運行階段，升級空中交通管理以適應碳減排需要。在退役階段，推出飛機使用壽命終結的高級管理流程項目，實現老舊飛機的退役、拆解和循環利用產業化發展。

中國商用飛機有限責任公司積極響應國家戰略和低碳發展需求，提出了“綠色商飛”的建設構想，明確了綠色飛機、綠色家園、綠色產業鏈“三位一體”的發展方向。在制造環節，開展了無鉻陽極氧化、環保化銑保護膠等多項綠色工藝攻關，大幅減少鉻酸廢液和化學銑切廢堿液的排放；推進燃氣鍋爐低氮改造、噴漆噴膠廢氣改造等設備升級，大幅減少氮氧化物和揮發性有機物的排放量；搭建了制造園區智慧環保管理平臺，實現主要污染物排放數據、環境指標和重點能耗數據等的實時監控；關注產業鏈發展，積極推進綠色材料采購、復合材料回收利用、供應鏈綠色指標體系建立等工作。

3. 綠色飛機新材料

“一代飛機、一代材料”，新材料的應用是航空技術發展和進步的最重要推動力之一。未來材料的發展集中在結構材料和功能材料方面，通過減阻、減重、增加新型功能等方式提升飛機低碳化發展水平。

在新型結構材料方面，主要應用復合材料、新型合金材料等進行機體減重。從國外大型商用飛機材料應用的情況看，傳統的鋁合金及結構鋼在飛機上的用量逐漸減少，而復合材料和鈦合金的占比快速提升。波音787 飛機首次將復合材料用量提高至50%，空客A350 XWB飛機的復合材料用量提高至52%。同時，鈦合金在具有可以減輕結構重量、與復合材料易搭配應用等優勢，其用量比例也逐步提升至10%以上。此外，第三代鋁鋰合金性能優越，是當前最具競爭力的先進材料，可使飛機鋁合金零部件的質量減輕14%～30%。目前，行業內已經著手開發第四代鋁鋰合金，有望進一步提升相關性能指標。

在新型功能材料方面，主要通過增加或提升飛機功能來實現減阻設計、材料減重等，目前這些方向多數處于技術探索研究階段，尚未在商用飛機產品中大規模應用。例如，基于石墨烯的柔性傳感器和柔性電子印刷技術研制的智能蒙皮，可以感知飛行器流場特性，為飛機結構外形優化、氣動載荷減緩、升阻力測量、飛行狀態預測和結構健康監測等方面提供關鍵信息。此外，石墨烯具有低密度和高導電率，采用石墨烯改性銅、鋁等電纜導體材料，能有效提高電纜導體的強度和導電性能，降低飛機電纜重量。以鎳鈦合金為代表的形狀記憶合金在一定載荷或溫度條件下具有記憶和恢復其初始形狀的能力，其驅動飛機結構變形可以避免傳統飛機設計需要的折中點，可應用到發動機排氣裝置的可變鋸齒、面積可變噴氣發動機風扇噴管、自適應后緣和可變曲面的連續后緣襟翼等，提升飛機在不同狀態下的性能，降低碳排放。

（二）航空制造業綠色低碳化發展面臨的問題

民機的全生命周期主要分為設計、制造、運營和退役4個階段。目前，我國在飛機全生命周期碳排放定量評估方面尚處于探索研究階段，國外已應用生命周期評估模型[15,16]以典型窄體飛機A320ceo 和寬體飛機A330、波音777為例，開展了飛機全生命周期碳排放評估。相關評估結果表明，飛機制造階段的碳排放比例與材料種類、重量緊密相關，但是飛機碳排放主要集中在運營階段。以窄體飛機為例，每架飛機在制造階段的總碳排放量僅是飛機平均機齡20年運營期間碳排放量的0.1%[15,16]；但如果考慮飛機產能問題，飛機制造過程中的碳排放總量也不容小覷。隨著我國ARJ21、C919等機型逐漸推向市場，生產交付的飛機數量將逐年增加，航空制造業低碳化發展的壓力會不斷增大，存在的不足和制約集中在以下兩個方面。

（1）在民機產品設計上，飛機燃油效率決定了運營階段的碳排放量，是航空業碳減排的根本途徑，亟需從氣動布局、動力系統等方面開展相關研究及論證。我國民機先進氣動布局、結構材料和動力裝置等技術與先進國家相比尚有差距，需要不斷進行技術攻關和品質提升。目前，我國航空制造業雖然穩步推進，ARJ21等市場化運營的機型產品需要不斷優化升級，C919 等新進入市場運行的機型產品需要保持市場競爭力，但也應注重未來新能源飛機等技術研發的知識儲備和技術攻關。

（2）在民機產品制造上，隨著國產民機交付數量增長，生產制造帶來的能源消耗和碳排放隨之提高，對于航空制造也是前所未有的挑戰，如復合材料制造效率的提升，增材制造、智能制造技術的應用，資源的循環利用等。開發綠色工藝，運用先進制造技術，增加綠色能源使用，合理管控民機制造產業鏈，才能達到節能減排的綜合效果。

四、航空制造業綠色低碳化發展的目標論證

作為全球經濟活動的重要組成和支撐部分，航空運輸業的碳排放總量和占比逐年增加，如2019年航空運輸業的碳排放量約占全球交通運輸業碳排放總量的10%、全球碳排放總量的2%。根據ICAO預測，如果航空運輸業不進行綠色低碳轉型，到2050年航空運輸業碳排放將增長到全球碳排放總量的25%。2021年，在第77屆國際航空運輸協會年度大會上，國際航空運輸協會（IATA）承諾其成員航空公司到2050年實現凈零排放。歐盟提出了名為“減碳55”（Fit for 55）的一攬子計劃，承諾到2030 年將溫室氣體凈排放量較1990年減少55%。在此背景下，各國紛紛加快了革新的步伐，航空業可持續發展受到業內的普遍關切。

（一）降碳潛力分析

航空制造業技術革新是實現民機綠色化、低碳化發展的重要力量，其中，飛機設計、新材料應用等技術至關重要。飛機的綠色設計和材料應用按照發展時間、變化程度主要有兩種方案。一是在現有飛機上不斷提升設計水平和材料應用水平，挖掘飛機本身的降碳潛力，包括使用更加高效的發動機，優化飛機氣動、結構、材料選擇等設計方案，降低飛機阻力，減輕飛機重量，實現更加高效的運行；二是進行飛機變革式發展，包括推動采用SAF、電力、氫能等新型能源，擺脫對傳統化石能源的依賴。表1列出了航空制造業主要技術方向減碳潛力的結果分析。

表1 航空制造業主要技術方向的減碳潛力

（二）發展目標

對標我國“雙碳”戰略發展目標與時間節點，從綠色飛機設計、綠色飛機材料、綠色飛機制造三大方向著手，梳理關鍵技術，在充分考慮技術發展需求與技術實現可能的基礎上，未來我國航空制造業綠色低碳化發展目標如下。

到2030 年，推動SAF 裝機驗證工作，持續推動輕質材料、高溫材料飛機應用；發展綠色工藝，減少原料浪費，實現航空產品設計制造過程的遠程協同運行。

到2040年，推動電推進飛機、氫能源飛機關鍵技術的研究與初步應用，研發相關驗證機；完成電動飛機材料研發，實現關鍵設備或制造單元的數字化智能化控制。

到2050年，開展電推進飛機、氫能源飛機研發并推動進入市場應用；開發新型智能材料、輕質材料并應用；實現資源高效清潔循環利用，建立較成熟的智能制造技術鏈條，實現制造過程全面智能化。

五、航空制造業綠色低碳化發展的技術路線

（一）綠色飛機設計技術

綠色飛機設計主要圍繞傳統能源飛機氣動、總體、結構、系統設計提升以及新能源飛機設計兩個維度提出未來關鍵技術的發展路線。在傳統飛機設計方面，通過實施低碳發展技術，降低阻力，提高安全性、經濟性，降低時間成本，使大型飛機具備遠航程、低油耗的氣動性能優勢，從而提升民機的整體性能。

在新能源飛機方面，重點關注SAF、多電、全電 / 混合電推進、氫能源等技術，逐步實現航空業零排放的目標。一是采用100% SAF作為過渡方案，實現一定的減碳效果；二是開展電力電子、電機功率密度、系統集成等關鍵核心技術攻關，提升多電技術的成熟度和應用比例，拓展減碳渠道；三是發展燃料電池輔助動力裝置（APU）、全電 / 混合電推進技術，提升儲能系統功率密度和分布式電推進等技術成熟度，優化飛機能源動力結構，提升減碳力度；四是突破液氫儲存、氫渦輪和超導技術應用，實現零排放。綠色飛機設計技術路線如圖1所示。

圖1 綠色飛機設計技術發展路線圖

（二）綠色飛機制造技術

推進制造工藝綠色化、過程智能化、裝備數字化以及工廠節能研究，重點發展綠色切削、綠色表面處理工程等核心工藝，以工藝技術革新促進工藝無害化、低毒化發展，減少對人體與環境的污染；擴大增材制造技術的應用范圍，提高機體結構增材制造部件裝機應用比例；針對復合材料等輕質高效材料的生產制造，研究其綠色工藝規范、智能制造裝備，提升制造效率，保障飛機減重；推動數字賦能航空制造綠色低碳轉型，通過制造過程和裝備智能化升級促進減碳；積極推進航空制造企業節能增效，打造低碳工廠、工業園區和低碳產業鏈；大力發展制造產業鏈循環，通過飛機全生命周期資源高效循環利用降低碳排放，擴大復合材料和鋁材的回收再利用。綠色飛機制造技術路線如圖2所示。

圖2 綠色飛機制造技術發展路線圖

（三）綠色飛機材料技術

開展傳統飛機與新能源飛機新型材料開發與應用研究，聚焦推動飛機輕質化發展的材料、提升氣動效率的智能材料、提升發動機效率的高溫材料等關鍵方向，儲備未來新能源飛機發展所需要的關鍵新型材料。綠色飛機材料技術路線如圖3所示。

圖3 綠色飛機材料技術發展路線圖

六、航空制造業綠色低碳化發展建議

（一）明確減碳總體目標，加強政策約束指導

航空制造業綠色低碳化發展是我國推動實現碳達峰、碳中和發展的關鍵環節之一，建議結合航空業特點制定符合綠色飛機設計、綠色飛機材料研發、綠色制造技術發展的航空制造業頂層規劃和政策，從中長期規劃、資金支持、責任考核以及教育培訓等方面設定一套科學、合理、全面的“雙碳”行動目標體系和行動指南。建立和健全落實“雙碳”行動的責任體系，明確主制造商以及供應商的工作協同機制，保障“雙碳”行動任務落實落地。

（二）擴大資金支持，加強技術研發投入

加強對傳統民機減排技術、新能源飛機創新技術等重點方向的資金支持，促進相關產品的研發。一是推動高效飛機技術研發與SAF裝機驗證，加強我國現有飛機產品與減排技術的適配性，如飛機產品對各種比例SAF使用的驗證；二是推動電動、混動、氫能技術的飛機應用研究，適時啟動新能源飛機相關技術的儲備研究；三是持續促進航空制造技術升級，包括新材料研發、綠色工藝發展、智能制造以及綠色工廠建設等，統籌全過程精益管理，促進航空制造業綠色低碳化發展。

（三）促進產業鏈協同，形成減碳產業聯盟

引領并帶動供應商和合作伙伴共同推進航空制造減碳。一是制定可量化、規范化的供應商生產體系和產品碳排放衡量標準，以碳排放指標作為產品招標評估原則之一，推動全產業鏈減碳；二是建立“雙碳”減排綠色文化宣傳工作和全員參與的減排責任機制，加強低碳理念教育，群策群力減碳減排，并形成典型案例進行推廣；三是將新能源發展視為自主可控的契機，組建新能源、低碳航空新機型產業聯盟，更好發揮主制造商的引領作用以及國內動力系統供應商的牽頭作用。

（四）布局碳補償與碳交易，促進航空制造融入減碳體系

航空工業是技術高度密集型行業，持續穩定的資金投入至關重要。航空制造業應積極運用金融工具（如發行綠色債券），引入市場交易機制（如參加碳交易），按照“誰投入、誰受益”的原則，與節能減排專業機構開展提高能源利用效率、降低能源消耗方面的合作，降低前期資金投入，共享降碳成果。研究將航空產品的碳排放水平納入碳補償交易，通過設計實現的未來產品碳排放減少量作為企業的碳排放權進入碳排放市場，以此獲得技術研發資金和回報，激勵低碳、高效的航空新技術研發。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財務沖突。

Received date:March 24, 2023;Revised date:June 2, 2023

Corresponding author:Wang Zhaobing is a senior engineer from COMAC Beijing Aircraft Technology Research Institute. Her major research field is civil aircraft product research and planning. E-mail:wangzhaobing@comac.cc

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on the ‘Dual Carbon’ Development Strategy of Aviation Manufacturing”(2022-HYZD-03)