在本系列文章的第三篇讨论了航空公司可以采取的减排措施后，本篇我们沿着产业链上行，进入到飞机设备本身的研发与制造环节来继续探讨全行业的减碳议题。

　　1.飞机制造商与可持续航空燃油SAF

　　波音公司公布计划称，至2030年，其商用飞机将100%使用可持续航空燃油（SAF）。波音公司早在2008年就开始联合8家发动机制造商开始合作可持续航空燃油测试（HEFA+方法），并于2018年与联邦快递合作完成了首个100%可持续航空燃油执行的商业航班。波音认为，SAF是目前减少航空碳排放最安全，最可靠的解决方案，波音将协助监管机构逐步放宽普通航空燃油与可持续航

　图：波音带有“ecoDemonstrator Program”字样的测试飞机 

　　空燃油的混合比例，最终达到100%，目前美国允许的SAF可混合最高比例为50%。根据波音的测算，可持续航空燃油在燃料整个生命周期内，可减少80%的二氧化碳排放[1]。

　　空客公司也对SAF有着深入研究。空客是全球第一家为客户提供混合可持续燃油供应的飞机制造商，根据ITAKA（可持续航空煤油行动）的倡议[2]，空客正在加速推进SAF商业化，目前已经配合监管机构将可持续燃油审定用量由现在的50%提高到100%。同时根据空客的预测，到2025年，全球非化石航空燃油的全球占比将达到1.4%至3.7%，在这个比例下SAF的成本将与传统化石燃油相当[3]。

　　图：空客用于各种创新测试的Flightlab飞机在加注SAF 

　　2.飞机机体结构优化

　　a)复合材料的研发与使用

　　飞机重量与油耗息息相关，重量越大的飞机在飞行过程中需要消耗更多的燃油产生更多的碳排放。波音和空客在上世纪70年带开始就已经在生产的飞机上实验复合材料取代金属材料。波音787-10所使用的碳复合材料（环氧树脂 CFRP）占总体结构重量的50%，与座位数相近的波音767相比，单位油耗减少了23%[4]。同样使用碳复合材料生产飞机的还有空客。空客的A350的机翼几乎全部由碳纤维材料覆盖，其单体盖板是是目前最大的单体碳纤维材料部件[5]。

　　图：787复合材料使用比例 

　　b)气动布局的重新设计

　　目前主流的飞机机型，都采用了翼尖小翼的设计。如波音737NG系列采用的融合式翼尖小翼，B737 Max采用的双羽式翼尖小翼，空客A320系列的镖形小翼和鲨鳍小翼，空客A330和波音B747采用的帆板小翼，波音B787采用的后斜削式翼尖小翼，空客A350采用的弯刀式翼尖小翼，中国商飞C919也采用了翼尖小翼的设计。研究显示，安装了翼尖小翼的飞机在设计航程内可以减少4%-5%的燃油消耗，是减少碳排放的有效技术方案[6]。

图：翼尖小翼带来的空气动力学效果对比 

　　c)翼身融合设计

　　为了飞机能够更加环保，重新设计飞机也是选项之一。波音的X-48项目和空客的Maveric项目都属于翼身融合式设计。这种飞机机翼和机身融为一体，空气阻力大幅减小，据模型测算可以减少20%的燃油消耗，同时大幅减少二氧化碳的排放[6][7]。

图：空客Maveric项目

图：波音X48项目 

　　3.发动机设计优化

　　发动机是飞机燃油的主要消耗组件，通过对发动机进行设计优化，尤其是函道比优化，可以在很大程度上减少飞机在飞行过程中二氧化碳的排放量。飞机函道比增加后，虽然对发动机结构和可靠性提出了更高的要求，但是通过外函道的空气增加，在相同燃油消耗的情况下，高涵道比发动机可以产生更大的推力，也就是说，如果产生相同的推力，高涵道比发动机比传统发动机要更加省油。目前波音737Max和空客A320neo系列都采用了高涵道比发动机。我国的C919采用的CFM LEAP-1C发动机也属于高函道比发动机。

　　自2016年首架空客的A320Neo和2017年首架737Max交付起，高涵道比和齿轮传动涡扇发动机就正式进入了商用，新型发动机提高了燃油效率。A320Neo采用的普惠PW1100G-JM或CFM LEAP-1A发动机使得A320Neo比传统A320系列燃油效率提高了20%，减少了16%的二氧化碳排放量。波音737Max采用的是CFM LEAP-1B发动机，可以减少10-12%的二氧化碳排放量[8]。我国中国商飞的C919使用的是CFM的LEAP-1C系列发动机，与A320Neo和B737Max系列使用的是CFM制造的同系列发动机，其燃油效率自诞生之初，就已经做了优化。

图：新一代主要单通道飞机和适配发动机

　　全球主流发动机制造商在下一代发动机的研发上也动作频频。

图：GE RISE计划

　　通用电气（GE）和赛峰国际（Safran international）成立的合资公司CFM并推出的CFM RISE项目（Revolutionary Innovation for Sustainable Engines）[10], 这种发动机在设计上采用了开放式风扇和混动电力系统，与当前燃油效率最高的发动机相比预计可以提升超过20%的燃油效率，同时减少超过20%的二氧化碳排放。未来如果全球有10%的单通道飞机替换为这种发动机，可以减少每年800万吨的二氧化碳排放量。

　　罗尔斯罗伊斯（Rolls-Royce）在新型飞机发动机叶片的生产工艺上进行了大幅升级，开发了UltraFan风扇叶片，该风扇叶片大量使用的碳纤维材料，在增加抗腐蚀和结构强度的情况下大幅减轻了重量。同时，在生产过程中进行了工艺升级，大量减少的材料浪费，根据实验数据显示，采用该叶片的发动机与其上一代发动机Trent系列相比，减少了25%的二氧化碳排放量[11]。

　　另一家全球民航航空发动机巨头普拉特惠特尼在2016年就发布了其新一代高燃油效率发动机GTF，目前已经有960架已经交付的飞机装备了该发动机。这款发动机与普惠上一代发动机相比减少了60%的燃油消耗和二氧化碳排放。该发动机已经为航空公司累计节约了4.7亿加仑燃油并且减少了430万吨二氧化碳排放[12]。除了传统发动机外，普惠与其他发动机厂商一样，业致力于下一代电能，混动和氢能发动机的开发与投资。普惠公司目前已经取得认证可以使用50%SAF混合燃油的发动机，再取得更高等级的发动机认证后，将使用100%可持续航空燃油运行。

　　CJ1000A是我国自主研发的大飞机备选发动机，也使用了高涵道比的设计思路。CJ1000A和LEAP的风扇都采用三维宽弦弯掠叶片，这种叶片的外形采用三元流设计，大大降低了风扇叶片的流动损失，气动效率高。虽然CJ1000A的风扇直径较小（1.95m<1.98m），导致涵道比略小，这可能会使得CJ1000A在同等推力下的耗油率更大、或者同等耗油率下推力较低；但这可以通过叶片的设计去部分弥补，并不是决定性的影响因素。尽管两者的风扇与低压压气机在气动效率上基本处于同一水平，但在材料应用上，CJ1000A距离LEAP有明显差距[12]。目前CJ000A仍处于研发阶段，其燃油效率水平仍不明确，但是根据其已公开的设计方案推断，应基本与LEAP-1C发动机水平相当或碳排放量略高。

　　配备了新一代发动机的飞机，除了替换现有的旧机型如737NG和A320 Classic外，还成为了新增机队的主力军，这将为未来航空减碳目标的实现做出重要贡献。

　　除了继发动机厂商资深的努力外，欧盟委员会在2016年提出了LEMCOTEC计划，致力于改进发动机的核心组件，包扩压气机，燃烧室和涡轮，研究计划将发动机总压力比增加到70以上，大幅提高发动机的热效率，将二氧化碳排放量减少19%-28%。

　　4.工厂与供应链优化

　　飞机制造的供应链非常复杂，为了达到节能减排和ESG目标，飞机制造商在选择供应商时制定相应标准，选择符合可持续发展要求的供应商，以满足最终交付产品和飞机制造商本身节能减排的要求。

　　以空客为例，其在全球100多个国家有8000多个直接供应商和18000多个间接供应商[13]，涵盖了机身、发动机、翼面、航电系统以及相关服务等，供应商的产品质量与标准直接决定了空客最终产品的可持续发展表现。

　　飞机在工厂制造的过程中也会产生碳排放，对工厂和生产流程进行一定的优化和升级，可以减少二氧化碳在工作场所的排放。以波音为例，公司鼓励不必要的能源使用，从电脑显示器到喷漆固化炉，在非必要时都尽量减少使用。同时，公司办公用品采购也选择可再生能源的供应商的产品。公司大量使用太阳能、风能、水电作为工厂电能的来源，Everett工程97%的能源均来自于可再生能源。波音工厂成为IATA的ACE碳交易市场的合作伙伴[14]。

　　罗尔斯罗伊斯（Rolls-Royce）公司将整个发动机制造产业链的上下游和它本身做了整体考虑，除了减少自身能源消耗外，还考虑了上有供应链和下游出货渠道的碳排放。在公司的建筑设施以及工厂中大量使用了可再生能源，同时优化了发动机生产技术，以往合金的提炼需要消耗大量的能源，而当下及未来制造的发动机中将大量使用含碳材料，并大量应用新的生产工艺和技术，力争在2030年达到零碳排放标准[15]。

　　图：罗罗所呈现的全产业链减排图景

　　5.飞机回收与循环利用

　　当燃油效率更高的新飞机进入航空公司后，必然有大量旧飞机退役。未来20年，全球预计有6000-8000家飞机退役，如果集中存放，不仅占用大量土地，飞机经过服饰氧化还会造成土壤和地下水的污染。一架飞机退役后，并非所有零件都无法继续使用，对于发动机等精密部件，有严格的保养标准，大量时寿件LLPs可以重新回到市场作为二手配件使用，这将间接减少新零件制造时产生的碳排放，也可以将老旧飞机的残值效益最大化。

　　作者简介

　（作者：于占福、Didier Brechemier、Manfred Hader及Robert Thomson，均为罗兰贝格全球合伙人。爱尔兰都柏林大学研究生路承轩对本文亦有贡献）

　　参考文献

　　[1]Boeing. 2021.?Boeing Commits to Deliver Commercial Airplanes Ready to Fly on 100% Sustainable Fuels. [online] Available at: <https://boeing.mediaroom.com/2021-01-22-Boeing-Commits-to-Deliver-Commercial-Airplanes-Ready-to-Fly-on-100-Sustainable-Fuels> [Accessed 13 September 2021].

　　[2]European Commission. 2016.?Initiative Towards sustAinable Kerosene for Aviation. [online] Available at: <https://cordis.europa.eu/project/id/308807/reporting> [Accessed 13 September 2021].

　　[3]Airbus. 2021.?Sustainable aviation fuel: A recipe for cleaner flight. [online] Available at: <https://www.airbus.com/newsroom/stories/sustainable-aviation-fuel.html> [Accessed 13 September 2021].

　　[4]Milberg, E., 2015.?Boeing Completes Detailed Design for 787-10 Dreamliner | Composites Manufacturing Magazine. [online] Composites Manufacturing Magazine. Available at: <http://compositesmanufacturingmagazine.com/2015/12/boeing-completes-detailed-design-for-787-10-dreamliner/> [Accessed 13 September 2021].

　　[5]Airbus. 2017.?Composites: Airbus continues to shape the future. [online] Available at: <https://www.airbus.com/newsroom/news/en/2017/08/composites--airbus-continues-to-shape-the-future.html> [Accessed 13 September 2021].

　　[6]Boeing. 2009.?AERO - Blended Winglets Improve Performance. [online] Available at: <https://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/articles/qtr_03_09/article_03_1.html> [Accessed 13 September 2021].

　　[7]Airbus. 2021.?Airbus reveals its blended wing aircraft demonstrator. [online] Available at: <https://www.airbus.com/newsroom/press-releases/en/2020/02/airbus-reveals-its-blended-wing-aircraft-demonstrator.html> [Accessed 13 September 2021].

　　[8]华金证券, 2020.?LEAP 发动机断供三种后续情景推演下：C919 和航空发动机板块的投资逻辑和机会.

　　[9]Worley, S. and Palmer, W., 2021.?Future Of Flight:?These GE Engineers Are Finding Ways To Reduce Carbon Emissions | GE News. [online] GE. Available at: <https://www.ge.com/news/reports/future-of-flight-these-ge-engineers-are-finding-ways-to-reduce-carbon-emissions> [Accessed 14 September 2021].

　　[10]Rolls-royce. 2020.?Rolls-Royce opens new facility in Bristol, UK to develop components for cleaner, quieter, more-efficient jet engines. [online] Available at: <https://www.rolls-royce.com/media/press-releases/2020/09-01-2020-rr-opens-new-facility-in-bristol.aspx> [Accessed 14 September 2021].

　　[11]Pratt& & Whitney. 2021.?5 ways Pratt & Whitney is making aviation more sustainable. [online] Available at: <https://newsroom.prattwhitney.com/five-ways-we-make-aviation-more-sustainable> [Accessed 14 September 2021].

　　[12]新浪军事. 2018.?中国CJ1000能否取代进口航发上C919 材料还落后一代. [online] Available at: <http://mil.news.sina.com.cn/jssd/2018-02-13/doc-ifyrmfmc2171355.shtml> [Accessed 13 September 2021].

　　[13]Airbus. 2021.?Sustainable supply chain. [online] Available at: <https://www.airbus.com/company/sustainability/environment/sustainable-supply-chain.html> [Accessed 14 September 2021].

　　[14]Boeing. 2020.?Boeing: Boeing Reaches Net-Zero Carbon Emissions from Manufacturing and Worksites. [online] Available at: <https://www.boeing.com/features/2020/12/boeing-reaches-net-zero-carbon-emissions-from-manufacturing-and-worksites.page> [Accessed 14 September 2021].

　　[15]2020.?LEADING THE TRANSITION TO NET ZERO CARBON. Rolls-Royce. p.8.

　　[16]新浪军事. 2018.?中国CJ1000能否取代进口航发上C919 材料还落后一代. [online] Available at: <http://mil.news.sina.com.cn/jssd/2018-02-13/doc-ifyrmfmc2171355.shtml> [Accessed 13 September 2021].