最新航空动力（鉴古知今向未来）

（先期发布于微信公众号：ADR航空科普），我来为大家科普一下关于最新航空动力?下面希望有你要的答案，我们一起来看看吧!

最新航空动力

（先期发布于ADR航空科普）

航空动力向何处去？沿着历史与现实的延长线，或许能够找到一些线索与启发。

一、历史启示

回顾历史，透过三件事，可以得出两条有益结论。

吉法尔飞艇

航空动力的起步可以追溯到蒸汽机。蒸汽机的发明得益于煤炭的开采，1748年美国率先开始了煤炭的商业化开采，1781年英国的瓦特发明了蒸汽机，1783年法国的蒙哥尔非兄弟发明了热气球，1852年法国的吉法尔将蒸汽机搬上了气球，发明了飞艇。由此，这台蒸汽机也就成为了最早的航空发动机。

飞行者一号

航空动力的开发始于内燃机。内燃机的发明离不开石油的开采，1859年美国人率先开始了石油的商业化开采，1876年德国的奥托发明了活塞式发动机，1886年开始了汽油的商业化生产，1896年德国的沃尔弗特将活塞式发动机用于飞艇，1903年美国的泰勒设计制造了专用于“飞行者一号”的活塞式发动机，助力莱特兄弟实现了人类首次有动力可控制持续飞行，由此拉开了人类航空时代的大幕。

He-178，世界首架喷气式飞机

航空动力的扛鼎之作当属涡轮喷气发动机。当初，石油商业化开采的目的主要是生产煤油，用于照明和家庭烹饪。1937年英国的惠特尔和德国的奥海因先后发明了涡轮喷气发动机，让煤油有了新的更广泛的用途。伴随着涡轮喷气发动机的普及，人类不仅突破了“声障”，而且飞得更高、更快、更远。目前，涡轮喷气发动机已经成为航空动力的绝对主力。

可以看出，航空动力的发展始终受制于两个约束：一是上游能源形态的约束，航空动力必须适应特定历史条件下的能源形态；二是下游飞行平台需求的约束，航空动力必须提供飞行平台所需要的动力形式。前者提供了可能，后者反映了需求，

二、现实挑战

一般而言，按照时间点划分，现实挑战包括现实产生的挑战和历史延续下来的挑战。这些挑战都是现实中必须面对和解决的。航空动力，同样如此。

高超声速客机

一是航空动力持续发展带来的挑战。挑战有许多，飞得更高、更快、更远就是其中之一。仅就此而言，这不仅让人类享受到了不断挑战自我所带来的快乐，也给人类带来了许多现实利益：飞得更高，让人类的视野更加开阔，站得更高，看得更远，从而带来了更多的信息便利；飞得更快，让人类的出行更加便捷，“朝辞帝都、夜宿华府”，“万里之遥一日还”；飞得更远，世界成了地球村。

当前，无论军机、还是民机，实现高超声速飞行都成为了人类的新梦想。要实现高超声速飞行，在速度上要经历从0马赫到5马赫，甚至更高马赫数的挑战，就动力而言，目前还没有任何一种动力装置能够在这么宽的速度范围内一手遮天，只能让不同类型的动力装置分段接力，形成组合动力。攻克组合动力，不仅在不同动力装置的合理分工、有序衔接、流畅过度、一体化设计制造等方面面临巨大挑战，而且在燃料、材料、结构工艺等方面也都面临巨大挑战，世界主要航空大国都在为此不懈努力，但是走向现实仍需时日。

第七十五届联合国大会

二是航空动力绿色发展所带来的挑战。2020年在第七十五届联合国大会上中国政府宣布，中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“碳达峰”，是指某一时刻，二氧化碳的排放量达到历史峰值，之后逐步回落。“碳中和”，是指通过植树造林、节能减排等措施，实现二氧化碳排放量“正负相抵”，达到相对零排放。绿色发展、永续发展，已经成为全人类的共识。

目前，欧盟27国走在世界前列，早在1990年就实现了碳达峰，计划2050年前实现碳中和。碳排放的根源在于工业革命以来的煤炭、石油、天然气等化石能源的大量使用。据统计，2020年我国二氧化碳排放总量约103亿吨，其中煤炭、石油、天然气产生的排放量为95亿吨，占排放总量的92%。因此，要把排放总量降下去，就要改变能源结构，用绿色能源替代化石能源。航空，是石油消费大户。近年来，随着航空业的持续发展，其所造成的碳排放量也不断增加。从2015年到2019年全球航空业直接造成的二氧化碳排放量增加了34%，超过了6亿吨。若不采取有效措施，到2050年全球航空业造成的碳排放量将超过15亿吨。节能减排、绿色航空，航空动力任重道远。

三、未来抉择

面向未来，以绿色航空为引领，以永续发展为目标，电推进、新燃料和新机理可能成为未来一个时期航空动力发展的三大热点。

电动垂直起降飞行器（e-VTOL）

1、发展电推进/电混推进是实现双碳目标的现实之选

电推进/电混推进适用于螺旋桨飞机和旋翼类航空器，以此取代石化燃料，实现低碳、甚至零碳排放。目前，在全球能源消费中石油占比最高，达到了31%。汽车行业率先挥刀断臂。欧盟27国环境部长达成共识，2035年前实现全面禁止在欧盟境内销售燃油汽车。之后，美国、日本、韩国等主要汽车生产大国也纷纷制定燃油车退出时间表。航空，也是石油消费大户。在汽车电推进/电混推进的基础上，航空电推进/电混推进来势汹涌，并推出了“城市空运”新概念。毫无疑问，在现有技术条件下，电推进/电混推进是如期实现“碳达峰”“碳中和”的现实选择。

但是，对于电推进/电混推进也必须有清醒认识：其一，作为绿色能源的电推进/电混推进，其电力应当来源于水力、风力、太阳能、核能等清洁能源，不包括采用化石燃料的火力发电。近年来，风力发电、太阳能发电等增长迅猛，但是2020年火力发电依然占全国发电总量的70.5%。其二，目前的储电技术还不容乐观，特斯拉的电池能量密度仅为260千瓦时/立方米，汽油为8600千瓦时/立方米，前者只占后者的3%，这种差距短期内难以根本消除。其三，目前的电推进/电混推进依赖于螺旋桨或旋翼，这就决定了电推进/电混推进只能适用于低速航空，加之电池能量密度的限制，电推进/电混推进只能适用于城市空运或城市周边中短途空运。以上几点决定了电推进/电混推进还不足以完全取代传统航空。

氢燃料电池提供了实现电推进/电混推进的另一条思路。氢燃料电池不是蓄电池，不依赖于外部电源，而是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，是电解水的逆反应。其中，氢气由外界提供，氧气来源于空气，发电效率可以达到50%以上。氢燃料电池在20世纪60年代率先运用于美国的“阿波罗”飞船，20世纪70年代运用于小型汽车，2008年波音公司率先将燃料电池运用于小型飞机。但是，氢燃料电池目前依然受制于功率不足和成本过高，投入市场还有很长的路要走。

空客公司推出的氢燃料涡轮概念飞机

2、开发新燃料是实现航空动力可持续发展的长久之策

开发新燃料既适用于螺旋桨飞机和旋翼类航空器，也适用于喷气式飞机，是实现航空动力可持续发展的长久之策。目前，新燃料主要有两大类型：

一是合成燃料。合成燃料通过加氢技术，将水、食物垃圾、地沟油等加工成合成燃料，以替代石油，降低飞行过程中的碳排放量。

碳-氢合成燃料。早在1898年，英国科学家就通过实验证实在水中用碳材料作为电极，在电解作用下可将氢析出，产生氢和一氧化碳，生成比石化燃料更具稳定性的可燃气体，燃烧产物是水。2021年英国皇家空军在“伊卡洛斯”C42小型飞机上成功地进行了合成氢燃料的试飞，据称“与标准化石油燃料相比，动力或总体性能没有差异。”

食物垃圾合成燃料。2022年3月日本全日空航空公司等几家公司宣布组建“天空行动”联盟，致力于以食物垃圾为原料的可持续航空燃料（SAF）的开发、生产、销售和推广运用。

“地沟油”合成燃料。2009年中石化启动了“地沟油”生产航空煤油的项目研究，2014年取得了国内第一张生物航空煤油适航证。我国成为亚洲第一个、世界第四个拥有自主研发生物航空煤油技术的国家。2015年、2017年分别实现了国内航线、国际航线首次载客商业飞行，并初步实现了规模化生产。但是，生物航空煤油要走向市场，也还面临工艺复杂、资源有限、成本过高等问题。

二是氢燃料。就是将氢气作为燃料，运用于涡轮喷气发动机。氢燃料已经运用于工业领域，但是要运用于航空领域，还面临一系列的技术挑战。首先，氢气的燃烧温度远高于航空煤油，涡轮喷气发动机必须升级改造；其次，氢气的贮存，即使液化液氢的比重依然较小，占据较大空间，而且需要低温贮存；三是氢气来源与成本问题。2022年2月，空客公司宣布与CFM公司联合开发技术测试飞机，用于测试使用氢燃料的涡轮喷气发动机，预计2025年可投入使用。空客公司预计在2035年前将氢燃料喷气式飞机推向市场。德国宇航中心也正在开展相关研究。

3、探索飞行新机理孕育着航空动力未来发展的新希望

长期以来，人类之所以被束缚在地球表面，归根结底是受到了地心引力的作用。因此，一部航空史，就是人类克服地心引力的奋斗史。迄今为止，人类在大气层内飞行的全部秘密就是利用空气的某种特性或者某些特性，开发出适宜的航空器，产生升力，克服重力，实现升空。依据具体方式的不同，可以分为空气浮力飞行，也称轻于空气的飞行，如气球、飞艇等；空气动力飞行，如飞机、直升机等；空气反作用力飞行，如飞行背包等。后两种也被称为重于空气的飞行。

目前，就飞行速度、高度、距离和载重量而言，人类已经远远地超越了鸟类。但是，就飞行效率和飞行灵活性而言，人类还远不及鸟类。以飞行效率为例，2021年人类曾经记录到一只体重350克的斑尾塍鹬，不吃不喝连续飞行了13000千米，体重仅减少了192克。折合下来百公里消耗体重1.5克。这对于航空器，简直不可想象。这也从一个侧面说明了人类还没有找到打开大气层内飞行大门的全部钥匙，目前还仅限于空气浮力、空气动力和空气反作用力飞行。如果打开视野，把反重力飞行比做一座巍峨宫殿的话，也许迄今为止人类所做的一切都还是在打基础。

传说中的反重力飞行器

在航空史上，航空与航空动力始终是一对互动关系。理论上，既可以航空牵引航空动力的发展，也可以航空动力推动航空的发展。事实上，从吉法尔飞艇到“飞行者一号”，再到He-178，我们看到的都是航空牵引。未来，在航空继续发挥牵引作用的同时，航空动力或许能够遵循自身发展规律，摆脱与飞行平台之间的绑定关系，超越历史，创新未来，推动航空事业实现新的更大发展。航空，包括航空动力，从来都是一项充满挑战与创新的伟大事业，未来值得期待。