西门子：数字孪生打造可持续航空业白皮书（10页）.pdf

1、DIGITAL INDUSTRIES SOFTWARE数字孪生打造可持续航空业航空业到 2050 年实现气候中和目标需要采取哪些行动？高层摘要本白皮书阐述煤油喷气发动机和如今一些主流替代能源推进系统之间的技术和环保区别。本书探 讨这些因素如何转变新一代飞机设计和航空业供应链。此外，本书还将阐述如何运用 Simcenter 软件利用数字化为可持续发展策略提供支持，从而适应全球大力发展环保飞机的步伐。 1：要满足 UNFCCC 的排放目标，航空业就必须从以碳氢化合物为动力的喷气发动机转向使用气候中和替代能源驱动推进系统。（信 息来源：2050 年飞机技术路线图，国际航空运输协会）联合国气候变化框架

2、公约(UNFCCC)将全球各行各业 都置于严密监督之下，但对交通运输业的监管尤甚。尽管对温室气体排放的关注主要集中在汽车上，但我 们还将面临该问题的另一大影响因素。航空业的二氧化碳(CO2)和非二氧化碳排放量目前占 全球总量的 4.9%，这些排放加剧了气候变化。1航空 业已经在逐步减少排放并提高飞机燃油效率；但是，要在 2050 年实现巴黎协议制定的碳中和目标，这些 举措还不够（图 1）。显而易见，碳中和航空可以通过生物燃料和电力之类 替代能源实现，而这需要彻底重新设计如今飞机的结构。序言Siemens Digital Industries Software2白皮书-数字孪生打造可持续航空业“

3、飞机构型”一词可以指飞机的空气动力学布局，包括 机身、机翼和相关操纵面的相对大小及形状。其中还 包括飞机内部空间的组织，如乘客座椅的数量和布置。许多因素都会对这两方面的飞机构型产生影响，其中，发动机驱动方式是重中之重。喷气发动机这一发明推 动了飞机设计有史以来最重大的进步，其研发始于 20 世纪 30 年代。早期最成功的商用喷气式客机是波音 707，于 1957 年 12 月首飞。最初，145 英尺长的 707-120 由四台 普惠 JT3C 涡轮喷气发动机提供动力，这是美国首批 10,000 磅力(lbf)推力级发动机。多年来，飞机发动机的性能变得越来越强劲，这使得 飞机变得更大，可以搭载更

4、多乘客，飞行距离也 更远（例如，空客 A380 由四台发动机联盟 GP7200 发动机提供动力，还有罗尔斯 罗伊斯的遄达 900 涡扇发动机，其认证最大载客量达 853 人，航程 为 8000 英里），尽管如此，自 20 世纪 50 年代末以来，原始商用飞机的构型几乎没有任何根本性的变化。飞机污染因发动机技术进步而有所减少，飞机也因 新材料的开发而变得更轻，但从本质上讲，大多数 现代商用飞机的构型都继承自波音 707 的构型。不可否认，以喷气发动机为动力的飞机取得了令人难 以置信的成功，转变了交通运输方式（包括客运和货 运），推动了全球经济的发展，连通了整个社会。据估 计，无论何时，航空载客量

5、都可达 50 万人次左右，而每天乘坐飞机飞行的人数约为 600 万人。此外，根 据近期的预估，在未来 20 年里，航空运输需求将以 每年平均 4.3%的速度增长。2 这一切都要归功于喷气发动机提供的功率密度。事实 上，有些人把喷气发动机称为“功率密度之王”。然而，不得不承认的是，喷气发动机的功率密度是以碳和其 他排放形式为高昂的代价而换来的。3现今飞机构型的演变Siemens Digital Industries Software3白皮书-数字孪生打造可持续航空业政府和民众对于气候变化相关问题的意识越来越强，这也助推了过去五到十年间人们对于替代燃料飞机推 进系统的大量研究。例如，不再使用化石燃

6、料，而是使用可再生能源生成 合成燃料，即从水中提取氢、从二氧化碳中提取碳，以此生成液体燃料。这种合成燃料的优点是不含硫等 杂质，但仍会向大气中释放碳。不过，其生产可能对 气候无害。传统的航空燃料是煤油，能量密度约为每千克 40 兆 焦耳(MJ/kg)。但能量密度最高的燃料是氢，这也是 已知现存的最简单的化学成分。由于其生产方式以及 使用现有技术对其进行生产效率相对较低，因此，氢 气要比化石燃料贵得多。氢气的一大优点是，在飞机 发动机中燃烧氢气产生的废物是水。根据欧盟委员会 近期发布的一份报告，氢动力飞机最早可能于 2035 年进入市场。4与煤油相比，氢气非常轻，且能量密度约为 120 MJ/k