全球消耗量最大的航空燃料以“煤油型”的噴氣燃料為主，主要以石油為原料制備。歐美等國家的民用航空燃料多為Jet A或Jet A-1。我國航空燃料主要是參照國外標(biāo)準(zhǔn)，以RP-3煤油型噴氣燃料為主，廣泛應(yīng)用于軍用和民用飛行器。

近年來，世界航空事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)航空燃料的需求不斷增長(zhǎng)，目前全世界每年消耗約兩億噸航空煤油，而且正以每年5%左右的速率增長(zhǎng)。中國已經(jīng)成為全球第二大民用航空運(yùn)輸大國，航空燃料的消費(fèi)以每年13%左右的速率快速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)高于國際水平。

隨著全球石油儲(chǔ)量減少，石油價(jià)格整體趨勢(shì)還是在不斷上漲，航空能源的安全和經(jīng)濟(jì)性等問題愈加突出。為了應(yīng)對(duì)局部環(huán)境問題和全球氣候變化，現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求是安全性和環(huán)保性，尤其是要滿足日益嚴(yán)格的航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放標(biāo)準(zhǔn)。國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）向國際民航組織（ICAO）承諾：從2009年到2020年平均每年燃油效率提高1.5%，2050年碳排放量比2005年減少50%。盡管飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及空管技術(shù)的不斷提高可以降低污染排放和燃油消耗，但仍然無法滿足能源和環(huán)保的要求，具有碳吸收功能的航空替代燃料成為航空能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。另外，為了持續(xù)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，發(fā)展低污染燃燒室概念，由此引發(fā)的小尺寸均勻油氣混合技術(shù)要求未來航空燃料具有更好的抗結(jié)焦能力，這給非傳統(tǒng)的航空替代燃料也提出了強(qiáng)烈需求。可見，要達(dá)到苛刻的航空減排目標(biāo)，航空替代燃料技術(shù)是未來非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

面對(duì)世界能源短缺和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，國內(nèi)外積極開發(fā)多種清潔、安全、可靠、可持續(xù)的航空替代燃料，以實(shí)現(xiàn)航空燃料的來源多元化，降低對(duì)他國石油資源的依賴度。航空替代燃料的發(fā)展和應(yīng)用受到重視，它不僅關(guān)系到全球經(jīng)濟(jì)與氣候變化，還涉及能源和國防安全。但這需要航空公司、飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商與能源和學(xué)術(shù)界通力合作，積極開展航空替代燃料的開發(fā)、認(rèn)證及推廣。

航空替代燃料的分類

為了解決未來民用航空能源問題，同時(shí)應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保要求，對(duì)航空替代燃料提出了越來越強(qiáng)烈的需求。但是，這需要對(duì)其理化性質(zhì)、與現(xiàn)有系統(tǒng)和材料的兼容性、制備技術(shù)成熟度、制備成本、溫室氣體排放等進(jìn)行全面的評(píng)估，才能最終被允許應(yīng)用于航空飛行器。目前國外發(fā)展的航空替代燃料首要追求的是具有“Drop-in”的兼容特性，即要求簡(jiǎn)單易用，對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施、飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)硬件無需改動(dòng)，可以直接替代傳統(tǒng)航空燃料。

航空替代燃料按照來源可分為以下幾大類：

（1）煤基燃料（CTL），包括費(fèi)托合成、直接液化、煤焦油等不同的航空燃料制備工藝，是最早研究的航空替代燃料之一。其中，以費(fèi)托合成（Fischer-Tropsch）技術(shù)最為成熟，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆?/span>

（2）天然氣合成燃料（GTL），主要是以天然氣為原料，通過費(fèi)托合成，其成分與煤基費(fèi)托合成相同，生產(chǎn)過程污染排放較煤基合成少。

（3）生物燃料（BTL），包括生物油脂和纖維等不同的生物質(zhì)來源，經(jīng)過化學(xué)或者生物途徑獲得與傳統(tǒng)航空燃料組成類似的替代燃料。

（4）液氫燃料（LH2），具有優(yōu)異的燃燒性能和零碳排放，其儲(chǔ)存過程需要低溫環(huán)境，屬于所謂的低溫燃料（Cryogenicfuels）。

在以上四類航空替代燃料中，由于液氫存在體積熱值小、發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)大等諸多缺陷，無法滿足“Drop-in”的兼容特性，中短期內(nèi)無法作為航空替代燃料廣泛使用。同時(shí)，在高空水蒸汽的大氣污染機(jī)理及程度尚不清楚的情況下，液氫作為航空燃料的可行性需進(jìn)一步考證。為此，液氫只能作為遠(yuǎn)期的航空替代燃料使用。液甲烷（LCH4）或液化天然氣（LNG）也面臨同樣的問題。

航空替代燃料的認(rèn)證流程

為了解決未來航空能源問題，同時(shí)應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保要求，對(duì)航空替代燃料提出了越來越強(qiáng)烈的需求。但是，這需要對(duì)其與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性、制備技術(shù)成熟度、制備成本、溫室氣體排放等進(jìn)行全面的評(píng)估，才能最終應(yīng)用于航空飛行器。

國外對(duì)于航空替代燃料的驗(yàn)證提出了標(biāo)準(zhǔn)流程，按照流程依次研究其理化性質(zhì)、燃燒基礎(chǔ)特性及其對(duì)燃燒室部件、發(fā)動(dòng)機(jī)以及飛機(jī)飛行的影響，從而驗(yàn)證這種替代燃料能否用實(shí)際應(yīng)用。認(rèn)證流程如下圖所示：

圖1  認(rèn)證流程 

航空替代燃料與傳統(tǒng)航空燃料之間的組分差異，是導(dǎo)致理化性質(zhì)和燃燒性質(zhì)差異的根本原因。為了保證航空替代燃料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)液霧燃燒中的適用性，對(duì)其基礎(chǔ)燃燒性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試是非常必要的。

燃燒室部件測(cè)試

在國外，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室部件驗(yàn)證和整機(jī)驗(yàn)證都面臨同樣的一個(gè)問題，就是燃燒室部件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)平臺(tái)的選擇。從燃燒角度來看，航空替代燃料的燃燒性能評(píng)估包括基礎(chǔ)特性試驗(yàn)、單管試驗(yàn)、矩形或扇形測(cè)試、全環(huán)試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)。

為了驗(yàn)證航空替代燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件的適用性，需要進(jìn)行以下測(cè)試和評(píng)估：噴嘴霧化、貧油點(diǎn)火、高空點(diǎn)火、貧油熄火、燃燒室出口溫度、氣體污染排放及燃燒效率、顆粒物排放、火焰筒壁溫等，同時(shí)還要對(duì)試驗(yàn)前后的燃油噴嘴、旋流器和火焰筒等關(guān)鍵部件進(jìn)行觀察和圖像記錄，評(píng)估替代燃料的結(jié)焦、積碳趨勢(shì)。

國外在通用、普惠、羅-羅等發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件上對(duì)南非Sasol公司的煤基全合成燃料FSJF進(jìn)行了較全面的驗(yàn)證，包括單頭部模型、扇形模型和全環(huán)燃燒室，測(cè)試內(nèi)容涵蓋霧化、點(diǎn)火和熄火特性、燃燒效率、污染排放、出口溫度分布和火焰筒溫度等。最終的結(jié)果表明：燃用合成燃料的燃燒室性能和污染排放與傳統(tǒng)航空燃料沒有差別；合成燃料的噴嘴霧化性能良好，無結(jié)焦，對(duì)燃油的調(diào)節(jié)控制沒有影響；而高空貧油熄火的差異是由于合成燃油特殊的蒸發(fā)特性造成的，與化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。在國內(nèi)，采用煤基FT合成輕柴油為原料，制備了合成噴氣燃料，利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)單頭部矩形模型燃燒室，對(duì)純FT合成燃料與國產(chǎn)航空煤油RP-3進(jìn)行了霧化、點(diǎn)火、熄火及污染排放等測(cè)試。

從化學(xué)成分上來分析，航空替代燃料主要是由鏈烷烴組成的，芳香烴含量極少，不容易發(fā)生結(jié)焦和積碳的現(xiàn)象，但是較低的芳香烴含量會(huì)對(duì)燃油系統(tǒng)的橡膠密封性能產(chǎn)生影響，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)上需要與傳統(tǒng)航空燃料混合使用，保證燃料中芳香烴體積含量介于8%-25%之間。

總的來說，忽略燃燒室結(jié)構(gòu)和工況的影響，與傳統(tǒng)航空燃料相比，燃用航空替代燃料的燃燒室點(diǎn)火特性、熄火特性和污染排放等的影響都較小，并不影響燃燒室的工作。但是由于替代燃料的氫碳比大和芳香烴含量少，所以燃燒顆粒物和積碳都會(huì)減少。

發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)驗(yàn)證

從2008年至今，國外已經(jīng)對(duì)眾多型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證工作。在飛行驗(yàn)證之前，需要針對(duì)航空替代燃料開展地面整機(jī)驗(yàn)證和輔助啟動(dòng)裝置（APU）、渦軸等小發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證，確保航空替代燃料應(yīng)用的安全性和可靠性。

UOP公司提供了一種生物合成燃料（Bio-SPK），將其與Jet A混合在CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了地面整機(jī)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)傳統(tǒng)航空燃料Jet A-1，脂肪酸甲酯FAME以及費(fèi)托FT合成燃料按照不同比例的混合燃料，在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56-7B上對(duì)顆粒物PM排放進(jìn)行了測(cè)試。針對(duì)煤基和天然氣基FT合成燃料以及氫化酯和脂肪酸燃料（HEFA）7種航空替代燃料，將其與傳統(tǒng)航空燃料JP-8按50:50混合，在T63渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和CFM56等多臺(tái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了整機(jī)驗(yàn)證。

與傳統(tǒng)航空燃料相比，多種合成燃料和生物燃料作為航空替代燃料使用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作性和性能不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，對(duì)其起動(dòng)和穩(wěn)定性有一定改善，氣態(tài)污染物排放無明顯影響，但能顯著減少顆粒物排放。

從2008年到2015年，航空生物燃料已經(jīng)在民用飛行器上進(jìn)行過多次試飛甚至載客飛行，而且飛行驗(yàn)證頻次遠(yuǎn)超過合成燃料，均表明可持續(xù)生物燃料對(duì)飛機(jī)性能、操作性及安全性沒有任何負(fù)面影響。特別是2013年后，在試飛驗(yàn)證基礎(chǔ)上，多家航空公司陸續(xù)開通了航空生物燃料的商業(yè)運(yùn)營航線。

2010年開始，中國在航空生物燃料制備技術(shù)和飛行驗(yàn)證方面，加大了與技術(shù)發(fā)達(dá)國家的合作，于2011年實(shí)施了中國首次航空可持續(xù)生物燃料驗(yàn)證飛行，2013年由中國石化自主研發(fā)的1號(hào)生物噴氣燃料通過首次試飛，表明中國擁有了生物噴氣燃料自主研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)。2015年3月中國使用一架波音737-800客機(jī)以餐飲廢油為生產(chǎn)原料的生物航煤進(jìn)行飛行驗(yàn)證，這是我國首次使用生物航油進(jìn)行載客商業(yè)飛行。

在飛行驗(yàn)證中，對(duì)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的爬升、高空巡航、空中熄火及再點(diǎn)火、加減速等性能進(jìn)行了測(cè)試，還進(jìn)行了耐寒試驗(yàn)和毒性測(cè)試，替代燃料與傳統(tǒng)航空燃料相比沒有差異，均實(shí)現(xiàn)了安全運(yùn)行。

結(jié)論

對(duì)國內(nèi)外對(duì)航空替代燃料基礎(chǔ)性質(zhì)、部件、整機(jī)和飛機(jī)的應(yīng)用驗(yàn)證工作進(jìn)展進(jìn)行分析，得出了以下對(duì)我國航空替代燃料發(fā)展具有啟示作用的結(jié)論：

（1）在航空燃料的理化性質(zhì)和燃燒性質(zhì)方面開展基礎(chǔ)研究，探索燃料組分和基礎(chǔ)性質(zhì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒影響。

（2）雖然我國進(jìn)行了一些航空替代燃料的飛行驗(yàn)證，但是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和整機(jī)的驗(yàn)證工作缺乏相關(guān)的基礎(chǔ)研究，需要通過實(shí)驗(yàn)來分析替代燃料對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的影響規(guī)律。

（3）提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來檢驗(yàn)替代燃料對(duì)燃燒系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，這對(duì)航空替代燃料的發(fā)展更為有益，可大大減少驗(yàn)證周期和費(fèi)用。

注：原文發(fā)表于《國際航空》2015年第10期