航空動力向何處去？沿著歷史與現實的延長線，或許能夠找到一些線索與啟發。

一、歷史啟示

回顧歷史，透過三件事，可以得出兩條有益結論。

吉法爾飛艇

航空動力的起步可以追溯到蒸汽機。蒸汽機的發明得益於煤炭的開採，1748年美國率先開始了煤炭的商業化開採，1781年英國的瓦特發明了蒸汽機，1783年法國的蒙哥爾非兄弟發明了熱氣球，1852年法國的吉法爾將蒸汽機搬上了氣球，發明了飛艇。由此，這臺蒸汽機也就成為了最早的航空發動機。

飛行者一號

航空動力的開發始於內燃機。內燃機的發明離不開石油的開採，1859年美國人率先開始了石油的商業化開採，1876年德國的奧托發明了活塞式發動機，1886年開始了汽油的商業化生產，1896年德國的沃爾弗特將活塞式發動機用於飛艇，1903年美國的泰勒設計製造了專用於“飛行者一號”的活塞式發動機，助力萊特兄弟實現了人類首次有動力可控制持續飛行，由此拉開了人類航空時代的大幕。

He-178，世界首架噴氣式飛機

航空動力的扛鼎之作當屬渦輪噴氣發動機。當初，石油商業化開採的目的主要是生產煤油，用於照明和家庭烹飪。1937年英國的惠特爾和德國的奧海因先後發明了渦輪噴氣發動機，讓煤油有了新的更廣泛的用途。伴隨著渦輪噴氣發動機的普及，人類不僅突破了“聲障”，而且飛得更高、更快、更遠。目前，渦輪噴氣發動機已經成為航空動力的絕對主力。

可以看出，航空動力的發展始終受制於兩個約束：一是上游能源形態的約束，航空動力必須適應特定歷史條件下的能源形態；二是下游飛行平臺需求的約束，航空動力必須提供飛行平臺所需要的動力形式。前者提供了可能，後者反映了需求，

二、現實挑戰

一般而言，按照時間點劃分，現實挑戰包括現實產生的挑戰和歷史延續下來的挑戰。這些挑戰都是現實中必須面對和解決的。航空動力，同樣如此。

高超聲速客機

一是航空動力持續發展帶來的挑戰。挑戰有許多，飛得更高、更快、更遠就是其中之一。僅就此而言，這不僅讓人類享受到了不斷挑戰自我所帶來的快樂，也給人類帶來了許多現實利益：飛得更高，讓人類的視野更加開闊，站得更高，看得更遠，從而帶來了更多的資訊便利；飛得更快，讓人類的出行更加便捷，“朝辭帝都、夜宿華府”，“萬里之遙一日還”；飛得更遠，世界成了地球村。

當前，無論軍機、還是民機，實現高超聲速飛行都成為了人類的新夢想。要實現高超聲速飛行，在速度上要經歷從0馬赫到5馬赫，甚至更高馬赫數的挑戰，就動力而言，目前還沒有任何一種動力裝置能夠在這麼寬的速度範圍內一手遮天，只能讓不同型別的動力裝置分段接力，形成組合動力。攻克組合動力，不僅在不同動力裝置的合理分工、有序銜接、流暢過度、一體化設計製造等方面面臨巨大挑戰，而且在燃料、材料、結構工藝等方面也都面臨巨大挑戰，世界主要航空大國都在為此不懈努力，但是走向現實仍需時日。

第七十五屆聯合國大會

二是航空動力綠色發展所帶來的挑戰。2020年在第七十五屆聯合國大會上中國政府宣佈，中國將採取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。“碳達峰”，是指某一時刻，二氧化碳的排放量達到歷史峰值，之後逐步回落。“碳中和”，是指透過植樹造林、節能減排等措施，實現二氧化碳排放量“正負相抵”，達到相對零排放。綠色發展、永續發展，已經成為全人類的共識。

目前，歐盟27國走在世界前列，早在1990年就實現了碳達峰，計劃2050年前實現碳中和。碳排放的根源在於工業革命以來的煤炭、石油、天然氣等化石能源的大量使用。據統計，2020年我國二氧化碳排放總量約103億噸，其中煤炭、石油、天然氣產生的排放量為95億噸，佔排放總量的92%。因此，要把排放總量降下去，就要改變能源結構，用綠色能源替代化石能源。航空，是石油消費大戶。近年來，隨著航空業的持續發展，其所造成的碳排放量也不斷增加。從2015年到2019年全球航空業直接造成的二氧化碳排放量增加了34%，超過了6億噸。若不採取有效措施，到2050年全球航空業造成的碳排放量將超過15億噸。節能減排、綠色航空，航空動力任重道遠。

三、未來抉擇

面向未來，以綠色航空為引領，以永續發展為目標，電推進、新燃料和新機理可能成為未來一個時期航空動力發展的三大熱點。

電動垂直起降飛行器（e-VTOL）

1、發展電推進/電混推進是實現雙碳目標的現實之選

電推進/電混推進適用於螺旋槳飛機和旋翼類航空器，以此取代石化燃料，實現低碳、甚至零碳排放。目前，在全球能源消費中石油佔比最高，達到了31%。汽車行業率先揮刀斷臂。歐盟27國環境部長達成共識，2035年前實現全面禁止在歐盟境內銷售燃油汽車。之後，美國、日本、韓國等主要汽車生產大國也紛紛制定燃油車退出時間表。航空，也是石油消費大戶。在汽車電推進/電混推進的基礎上，航空電推進/電混推進來勢洶湧，並推出了“城市空運”新概念。毫無疑問，在現有技術條件下，電推進/電混推進是如期實現“碳達峰”“碳中和”的現實選擇。

但是，對於電推進/電混推進也必須有清醒認識：其一，作為綠色能源的電推進/電混推進，其電力應當來源於水力、風力、太陽能、核能等清潔能源，不包括採用化石燃料的火力發電。近年來，風力發電、太陽能發電等增長迅猛，但是2020年火力發電依然佔全國發電總量的70。5%。其二，目前的儲電技術還不容樂觀，特斯拉的電池能量密度僅為260千瓦時/立方米，汽油為8600千瓦時/立方米，前者只佔後者的3%，這種差距短期內難以根本消除。其三，目前的電推進/電混推進依賴於螺旋槳或旋翼，這就決定了電推進/電混推進只能適用於低速航空，加之電池能量密度的限制，電推進/電混推進只能適用於城市空運或城市周邊中短途空運。以上幾點決定了電推進/電混推進還不足以完全取代傳統航空。

氫燃料電池提供了實現電推進/電混推進的另一條思路。氫燃料電池不是蓄電池，不依賴於外部電源，而是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置，是電解水的逆反應。其中，氫氣由外界提供，氧氣來源於空氣，發電效率可以達到50%以上。氫燃料電池在20世紀60年代率先運用於美國的“阿波羅”飛船，20世紀70年代運用於小型汽車，2008年波音公司率先將燃料電池運用於小型飛機。但是，氫燃料電池目前依然受制於功率不足和成本過高，投入市場還有很長的路要走。

空客公司推出的氫燃料渦輪概念飛機

2、開發新燃料是實現航空動力可持續發展的長久之策

開發新燃料既適用於螺旋槳飛機和旋翼類航空器，也適用於噴氣式飛機，是實現航空動力可持續發展的長久之策。目前，新燃料主要有兩大型別：

一是合成燃料。

合成燃料透過加氫技術，將水、食物垃圾、地溝油等加工成合成燃料，以替代石油，降低飛行過程中的碳排放量。

碳-氫合成燃料。早在1898年，英國科學家就透過實驗證實在水中用碳材料作為電極，在電解作用下可將氫析出，產生氫和一氧化碳，生成比石化燃料更具穩定性的可燃氣體，燃燒產物是水。2021年英國皇家空軍在“伊卡洛斯”C42小型飛機上成功地進行了合成氫燃料的試飛，據稱“與標準化石油燃料相比，動力或總體效能沒有差異。”

食物垃圾合成燃料。2022年3月日本全日空航空公司等幾家公司宣佈組建“天空行動”聯盟，致力於以食物垃圾為原料的可持續航空燃料（SAF）的開發、生產、銷售和推廣運用。

“地溝油”合成燃料。2009年中石化啟動了“地溝油”生產航空煤油的專案研究，2014年取得了國內第一張生物航空煤油適航證。我國成為亞洲第一個、世界第四個擁有自主研發生物航空煤油技術的國家。2015年、2017年分別實現了國內航線、國際航線首次載客商業飛行，並初步實現了規模化生產。但是，生物航空煤油要走向市場，也還面臨工藝複雜、資源有限、成本過高等問題。

二是氫燃料

。就是將氫氣作為燃料，運用於渦輪噴氣發動機。氫燃料已經運用於工業領域，但是要運用於航空領域，還面臨一系列的技術挑戰。首先，氫氣的燃燒溫度遠高於航空煤油，渦輪噴氣發動機必須升級改造；其次，氫氣的貯存，即使液化液氫的比重依然較小，佔據較大空間，而且需要低溫貯存；三是氫氣來源與成本問題。2022年2月，空客公司宣佈與CFM公司聯合開發技術測試飛機，用於測試使用氫燃料的渦輪噴氣發動機，預計2025年可投入使用。空客公司預計在2035年前將氫燃料噴氣式飛機推向市場。德國宇航中心也正在開展相關研究。

3、探索飛行新機理孕育著航空動力未來發展的新希望

長期以來，人類之所以被束縛在地球表面，歸根結底是受到了地心引力的作用。因此，一部航空史，就是人類克服地心引力的奮鬥史。迄今為止，人類在大氣層內飛行的全部秘密就是利用空氣的某種特性或者某些特性，開發出適宜的航空器，產生升力，克服重力，實現升空。依據具體方式的不同，可以分為空氣浮力飛行，也稱輕於空氣的飛行，如氣球、飛艇等；空氣動力飛行，如飛機、直升機等；空氣反作用力飛行，如飛行揹包等。後兩種也被稱為重於空氣的飛行。

目前，就飛行速度、高度、距離和載重量而言，人類已經遠遠地超越了鳥類。但是，就飛行效率和飛行靈活性而言，人類還遠不及鳥類。以飛行效率為例，2021年人類曾經記錄到一隻體重350克的斑尾塍鷸，不吃不喝連續飛行了13000千米，體重僅減少了192克。摺合下來百公里消耗體重1。5克。這對於航空器，簡直不可想象。這也從一個側面說明了人類還沒有找到開啟大氣層內飛行大門的全部鑰匙，目前還僅限於空氣浮力、空氣動力和空氣反作用力飛行。如果開啟視野，把反重力飛行比做一座巍峨宮殿的話，也許迄今為止人類所做的一切都還是在打基礎。

傳說中的反重力飛行器

在航空史上，航空與航空動力始終是一對互動關係。理論上，既可以航空牽引航空動力的發展，也可以航空動力推動航空的發展。事實上，從吉法爾飛艇到“飛行者一號”，再到He-178，我們看到的都是航空牽引。未來，在航空繼續發揮牽引作用的同時，航空動力或許能夠遵循自身發展規律，擺脫與飛行平臺之間的繫結關係，超越歷史，創新未來，推動航空事業實現新的更大發展。航空，包括航空動力，從來都是一項充滿挑戰與創新的偉大事業，未來值得期待。