飞向环保天空

去年夏天，英国 1,000 多名环保主义者在希思罗机场的“气候营”举行了为期一周的抗议活动，约有 70 人被捕。他们的直接目的是阻止希思罗机场的扩建计划，但抗议活动凸显了欧洲日益增长的抱怨——全球变暖灾难的推动力不仅是由燃煤发电厂和 SUV 推动的，而且是不断增加的商用飞机数量推动的。现在各国政府开始倾听。11 月，欧洲议会投票决定将在欧洲境内或飞往欧洲的航空公司纳入其碳交易计划，迫使它们在 2011 年前将碳排放量减少 10%，或在公开市场上购买碳信用额。然后，在 12 月，抗议活动跨越了大西洋：加利福尼亚州与其他四个州和纽约市一起请愿，要求环境保护局监管航空公司的碳排放。“我们希望环保局不要再装傻了，”加州司法部长杰里·布朗在宣布请愿的新闻发布会上说。

尽管航空业声称其产生的二氧化碳排放量仅占全球排放量的 2%，但它却是全球增长最快的碳污染源之一。美国联邦航空管理局预测，航空客运量将在 10 年内翻一番，到 2025 年可能增长三倍。2004 年，航空运输量增长率为 14%，比过去 25 年的任何时候都要快。飞行里程的增加意味着飞机燃料的消耗量增加，而每消耗一磅飞机燃料就会向高层大气排放三磅碳。

汽车行业已做好迎接即将出台的法规的准备，计划使用混合动力技术和替代燃料相结合的方式减少碳足迹。但降低大型喷气式飞机的排放量比在油箱后面安装电动机要复杂得多。航空公司辩称，高油价已经迫使他们尽可能少地燃烧燃料。不过，这种辩护可能无法阻止未来的法规出台。因此，航空公司正在努力设计出一条通往低碳未来的道路。

燃料问题

最引人注目的反对航空碳排放的斗士却是一位亿万富翁航空公司老板，这有点自相矛盾。维珍大西洋航空公司董事长理查德·布兰森承诺，未来十年将把其火车和航空公司的所有利润（预计 30 亿美元）用于应对全球变暖。该计划的第一步是成立维珍绿色基金，这是一家投资替代能源公司的风险投资机构。

维珍航空还与波音公司合作研究生物燃料，这种燃料产生的净碳更少，因为生产生物燃料的农作物在生长过程中会消耗碳。波音公司能源和排放技术负责人戴夫·达格特 (Dave Daggett) 表示，这两家公司与发动机制造商通用电气 (General Electric) 计划在今年年初进行一次示范飞行，以“推动生物燃料的发展并驳斥反对者的观点”。用于示范的 747 飞机将使用 20% 的生物燃料和传统航空燃料的混合物为其四个发动机之一提供动力。该计划的 10 年目标是使用高达 50% 的生物柴油混合物飞行。

完全使用生物柴油飞行飞机是可能的。去年 10 月，绿色飞行国际公司和生物柴油解决方案公司试飞了一架 1968 年捷克斯洛伐克 Delfin L-29 喷气式飞机，该飞机使用由炸薯条油脂制成的纯生物柴油。这架喷气式飞机飞越内华达州沙漠，高度达到 17,000 英尺，约为现代客机巡航高度的一半。绿色飞行国际公司打算在今年晚些时候尝试环球飞行。

然而，并不是所有人都对这次飞行印象深刻。“我会把它放在特技舞台上，”普惠公司工程高级副总裁保罗·亚当斯说。亚当斯指出，尽管喷气发动机在一次飞行中几乎可以使用任何燃料，但这并不意味着这些燃料可以长期使用。“在大雨中，燃料还能保持燃烧状态吗？”亚当斯问道。“这会影响燃油泵、O 形圈吗？它在所有温度条件下都能正常工作吗？它是否具有与喷气燃料相同的可靠性？”

而这正是生物燃料面临的主要障碍：其竞争对手 Jet A 的有效性。“任何可能的替代燃料都必须与 Jet A 进行对比，”麻省理工学院研究工程师、麻省理工学院航空运输噪音与减排伙伴关系小组（Partner）成员 James Hileman 说道。半个世纪以来，这种煤油几乎一直是每架商用飞机的首选燃料。Hileman 列举了其众多优点：“它处理起来很安全。即使发生泄漏，也不会着火。”它的凝固点也非常低，在温度可能降至零下 40 华氏度以下的高空飞行时，这种特性必不可少。

但也许最重要的是，Jet A 燃料每加仑所含的能量比其他燃料更多。这一点至关重要，因为燃料约占商用飞机重量的三分之一。高能量密度燃料意味着飞机重量更轻，可以用更少的燃料飞得更远，从而节省成本。喷气燃料也不占用太多空间，因此可以存放在机翼而不是机身中，为乘客和货物留出更多空间。

能量密度对于生物柴油来说不是问题，它每加仑所含的能量几乎与 Jet A 一样多。（另一种被广泛吹捧的石油替代品乙醇没有通过这项测试：需要大约 1.5 倍的乙醇量才能提供与 Jet A 相同的能量。）

但生物柴油还有其他缺点。“它的结冰温度与水差不多，”希勒曼指出，生物柴油结冰后，“其稠度与感恩节后第二天的肉汁一样。”波音和维珍希望通过生物柴油和 Jet A 混合燃料避免这一问题。这种燃料的抗碳能力不如纯生物柴油，但至少发动机不会在 40,000 英尺的高空失灵。

波音公司环境战略总经理比利·格洛弗 (Billy Glover) 解释说，航空业可能会逐步从 Jet A 过渡到生物柴油混合物。“我们预计，10 年内，某些机场的油箱将提供这种 [生物燃料] 混合物，”他说。“当你飞往那个机场时，你会得到这种燃料。当你飞往另一个机场时，你可能会得到更传统的燃料。”

当然，全球航空业的未来不会只靠炸薯条油。我们仍然需要找到所有这些生物燃料的来源。波音公司已与新西兰航空公司和发动机制造商劳斯莱斯公司合作，将于今年晚些时候在喷气发动机上试飞来自非常规来源的生物柴油。一种选择是用藻类制造这种生物柴油。但迄今为止，只生产了几加仑的藻类燃料，达格特预计它还需要十年才能获得行业批准。希勒曼说：“如果你是个孩子，你在想，‘好吧，我能做些什么来拯救世界？’那么，你拯救世界的唯一方法就是找到新的、可种植的燃料来源。”

全新飞行方式

在飞往西雅图研究波音公司进展的航班上，我下飞机时停下来问飞行员，改变飞行方式是否能减少温室气体排放。他纠正了我。“这与温室气体无关，”他说。“这都是燃料消耗的问题。”从 2000 年到 2007 年，美国航空燃料价格上涨了 115.6%，燃料成本已超过劳动力成本，成为航空业的头号运营成本。航空公司一直担心燃料成本，现在更是对此痴迷。航空公司近期减少这笔费用（并在此过程中减少温室气体排放）的方法是改变飞机的飞行方式。

空中拥堵会影响燃油效率，就像地面拥堵一样。“在天气晴朗的日子里，大多数飞机都能高效飞行，”合作伙伴计划主管伊恩·韦茨 (Ian Waitz) 表示。“当遇到拥堵或天气问题时，事情就会变得具有挑战性。飞机会盘旋在空中，并排在滑行队列中。”

为了缓解交通拥堵，航空业正在寻求采用新的飞行模式。2003 年，美国国会成立了联合规划和发展办公室，该办公室正在建设一个全新的空中交通控制系统，称为 NextGen，即下一代航空运输系统的简称。这是一项巨大的改革，预计耗资高达 220 亿美元。

该项目的一部分旨在提高飞机着陆效率。目前，为了保持彼此之间的安全距离，飞机着陆时通常会反复加速和减速，逐步下降并浪费燃料。但正在开发的精密计算机模型将仔细控制飞机的着陆速度，使每架飞机几乎在空转状态下滑行，这一过程称为连续下降进近。在飞行模拟器中，这种方法在每次进近洛杉矶机场时平均节省了 100 加仑燃料。

NextGen 的另一项举措是放弃基于二战技术的国家雷达系统，代之以基于 GPS 的自动相关性监视广播系统。ADS-B 被誉为 NextGen 的“骨干”，可以精确绘制飞机的经度、纬度、高度和速度。这样一来，飞机之间的间隔将更加有效，飞行速度更快，航线也更加直接。这也能节省燃料。2005 年，NextGen 将巡航高度的飞机之间的强制垂直间隔从 2,000 英尺减少到 1,000 英尺，这一变化允许更多飞机在更高的高度飞行并避开风，从而节省燃料。这一调整还开辟了更多的空中航道，将空域容量提高了 85%。

但 NextGen 计划的目的是增加运力，而不是减少排放。尽管每次飞行消耗的燃料可能会减少，但节省的燃料会被交通量的增长所抵消。“该计划的重点是开发空中交通系统，使 2025 年的运营量翻一番，”联邦航空管理局环境与能源办公室主任卡尔·伯勒森 (Carl Burleson) 告诉我。“在当今美国，阻碍增长的问题是当地的空气质量和噪音。温室气体排放并不是制约因素。”

灯光选项

波音公司的机库位于华盛顿州埃弗雷特，位于西雅图以北，是世界上最大的建筑。机库内停放的飞机之一是近年来最受瞩目的商用飞机 787 梦想飞机，被宣传为“绿色”飞机。但这架飞机仍处于封闭状态，不允许访客进入，因此我被带到了波音公司环境与认证总监杰夫·霍克的办公室，他自 2002 年以来一直在从事 787 飞机的研发工作。他说，在梦想飞机之前，波音公司就一直在计划制造速度更快的飞机。他拿出了原始设计的灰白色模型，即音速巡航机，它看起来像协和式飞机的表亲。音速巡航机的流线型就像梭鱼，将以音速飞行。

“在跨大西洋飞行中，它可以节省大约一两个小时，”霍克说。“它飞行速度快了 20%，但消耗的燃油量相同。”2001 年 9 月 11 日的恐怖袭击让航空业措手不及，这一设计理念也因此土崩瓦解。乘客们纷纷避开飞机，航空业在短短三年内损失了 250 亿美元。与此同时，燃油价格不断上涨，燃油效率成为首要任务。波音公司决定将用于制造更快飞机的技术转移到制造更省油的飞机上。计划用于音速巡航机的复合材料——碳纤维增强塑料，其重量是铝的 70%——被转移到了 787 上。

工程师们从这架飞机的经典外形中榨取了每一丝效率。除了其他技巧之外，他们还设计了更长更薄的机翼，以产生更大的升力和更小的阻力。随着飞机一个部件的燃油效率提高，下一个部件的燃油效率也会提高。“如果你有一架低阻力的飞机，你就可以使用更高效的发动机，”霍克解释说。“功率较小的发动机更小，也更轻。发动机更小意味着阻力更小。我们不但速度提高了 20%，而且燃油效率提高了 20%。”这种效率一直是主要卖点。波音公司已经向 51 个客户预售了 738 架飞机，使其成为该公司历史上最成功的商用喷气式飞机。波音公司表示，这也有利于全球变暖，因为燃油消耗减少 20% 就意味着温室气体排放减少 20%。

这听起来令人鼓舞。但 787 只会逐渐取代其他飞机——霍克估计波音每年将售出约 100 架。他还承认一个更根本的问题，即大多数喷气式飞机在购买新飞机时不会报废，而是像二手车一样出售。“你不能就这样扔掉一架价值 5000 万美元的飞机。”

成长的烦恼

而温室气体问题的核心就是增长。波音公司唯一的主要竞争对手空中客车公司预测，到 2025 年，客机数量将增加一倍以上，从 2005 年底的 12,676 架增加到 27,307 架。基于空中交通量的增加，美国联邦航空管理局估计，美国飞机的温室气体排放量将在此期间增加 60%。（这也许还不是最糟糕的部分。最近的研究得出结论，飞机尾迹中的水蒸气对气候变暖的影响可能是尾气中二氧化碳的三到四倍。）额外的需求意味着目前在役的飞机中只有 4,500 架（约三分之一）将退役；其余 8,200 架将继续服役或改装成货机。即使是生物燃料混合物（这似乎至少还需要十年才能实现）也可能不足以减缓排放量的增加。

然而，由于航空旅行既会促进全球经济，也会加剧全球变暖，因此很少有人呼吁对航空旅行的增长进行严格限制。因此，未来几年，技术必须实现巨大飞跃，否则天空将变得不友好。

融合翼到底发生了什么？

在位于华盛顿州埃弗雷特波音机库附近的未来飞行博物馆，我与波音公司环境绩效总监 Jeanne Yu 讨论了可能减少温室气体排放的激进飞机设计。波音公司的 X-48B 翼身融合项目就是一个典型的例子，该项目将整个飞机变成了一个巨大的机翼（请在此处查看图片）。该设计减少了阻力并增加了升力，麻省理工学院和剑桥大学合作伙伴团队在 2006 年进行的一项研究表明，该设计将如何提高 23% 的燃油效率。然而，波音公司尚未将翼身融合机身用于商业用途；它正在专门为军事用途开发该飞机。

我问为什么，还没等余回答，另一位博物馆参观者——一位为梦想飞机发动机制造商之一劳斯莱斯工作的英国人——转过身来说道：“翼身融合设计的最大问题是没有人能看到窗外。”余同意这一观点。这种设计让乘客仿佛置身于一个小型露天剧场中。航空旅客希望能够看到窗外，并能轻松到达出口。余说：“这是人类本能的一部分。我们需要知道我们在哪里，并看到我们在哪里。”

她认为温室气体减排将来自她称之为“唾手可得的成果”的设计改进——例如，为现有飞机改装更轻的起落架或翼尖。至于其他激进的概念，波音工程师“仍然没有找到比这个平台更好的东西”，她指着附近的一架梦想飞机说道。但这并不意味着他们会停止寻找。“我们相信，还有我们不知道的答案。”

丹尼斯·加夫尼是纽约州奥尔巴尼的一名自由撰稿人。这是他为《大众科学》写的第一篇文章。