中国腾飞

讨论中国的环境问题时，总是很难决定哪个更值得强调：情况有多糟糕，还是中国政府应对问题有多努力。中国的天空、水域甚至食物来源都是地球上污染最严重的地区之一。中国在减少污染和开发清洁能源方面所做的努力是世界上最雄心勃勃的。

这种矛盾也影响了中国的航空业计划。中国航空业排放带来的直接威胁显然没有颗粒物污染那么严重，颗粒物污染常常使大城市的空气变得浑浊，而食品和地下水中的重金属污染则导致了中国目前的癌症流行。但飞机排放的排放量很大，而且会越来越大，尤其是当航空航天业的增长速度超过中国经济的大多数其他领域时。

9/11 恐怖袭击事件发生后的十年间，西方世界的航空旅行需求几乎没有增长，但中国的需求增长了四倍，其他发展中国家的需求也在增长。美国和欧洲所有国家加起来，目前在建的新商业机场不到 10 个，而中国正在新建和扩建的机场数量可能多达 100 个。波音和空客将中国下一代客机的销量寄托在了其主要身上。与此同时，中国政府正在大力投资可能最终与其竞争的飞机，即中国商飞的 ARJ21 支线飞机和 C919 长途飞机。

和中国经济增长的许多方面一样，所有这些都将对环境产生严重影响。全球客机产生的二氧化碳排放量约占全球排放量的 2%，对气候变化的影响至少是客机的两倍，因为二氧化碳和其他一些温室气体在高空的影响更大。航空业在全球排放量中的份额一直在上升，而中国在航空业总量中的份额上升得更快。如果目前的趋势继续下去，其他地区减少排放的努力可能会被中国上空航空旅行数量的急剧增加所淹没。

航空业早已不再否认排放问题。欧洲和美国航空业的领导人已经意识到，出于面子考虑，以及迫在眉睫的立法和防止乘客反应，他们必须采取行动。他们还有强大的经济动机。燃油是航空公司最大的单项开支。他们少燃烧的每一加仑燃油都会让他们的飞行更加有利可图。

全球航空公司和飞机制造商的运营时间表长达数十年，与大坝建造者和发电厂设计者不相上下。这些制造商决心到 2050 年将净碳排放量削减至 2005 年的一半，尽管乘客总旅行里程将增加三倍甚至更多。中国是新飞机购买、部署和飞行速度最快的市场。因此，航空航天业正在中国开展最有趣的工作，使航空业更加可持续。

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去年春天，我和妻子与一位年轻的中国朋友和她的未婚夫一起去北京观看了老鹰乐队的演唱会。老鹰乐队在中国非常受欢迎，2008 年，他们曾将演唱会场地设在五棵松奥林匹克篮球馆，现在的万事达中心，吸引了大批观众。

演唱会持续了三个小时，观众从演唱会进行到一半（当唐·亨利开始演唱《加州旅馆》时）就开始起立。演唱会结束后，我们又花了几个小时才从体育场回到公寓，而这趟路程最多只有 10 英里。我和妻子在中国没有车（也没有司机），通常都是坐地铁，但我们的朋友想炫耀她的新中国制造的奥迪车，便载了我们一程。停车场只有两个狭窄的出口，可容纳数千辆汽车，拥堵已经够糟糕了，但我们穿越城市的路线才是真正的问题。由于北京的环路布局类似高速公路，而且有许多单行道，我们不得不绕城很远才能回到正确的方向。除了花费额外的时间，我们还消耗了更多的汽油。

那次浪费的汽车旅行与中国航空旅行的浪费程度相当。军方控制着即使是最大的商业机场周围的空域，这相当于在拥挤的停车场只留出几个狭窄的出口——也就是说，飞机必须排队才能通过狭窄的军方批准的走廊。军方控制着中国目的地之间的几乎所有空域，这意味着中国境内的航班，即使是受青睐的国家航空公司的航班，有时也必须飞间接航线，这相当于绕城绕一圈。

空中交通管制和空域使用效率低下，是中国航班延误频率高于其他主要航空国家的主要原因；也是中国航空每英里飞行时间比北美或欧洲长得多的主要原因；也是中国航空在某些飞行阶段每客英里所消耗的燃油是欧洲或北美航空两倍的主要原因。

中国是新飞机购买、部署和飞行速度最快的市场。因此，航空航天业正在中国开展最有趣的工作，使航空业更加可持续。让我再说一遍：由于航线效率低下，中国的航空公司有时消耗的燃料和排放的碳是它们“必须”的两倍，如果它们能够更直接地飞行，减少延误。如果中国的空中交通系统像世界其他地方一样运作，中国的商业航空旅行可以大幅增长，而不会增加排放量。这种情况类似于中国遗留建筑造成的负担——毛泽东时代和改革初期的建筑遗迹，它们建造得非常廉价，隔热效果很差，因此它们所需的供暖和制冷能源是西方同类建筑的两倍。用更环保的现代建筑取代所有这些旧建筑需要很多年的时间和数十亿美元。相对而言，浪费的航空航线几乎可以在一夜之间以低成本得到纠正。

军事管制空域还带来了另一个燃料损失。现代客机通常飞行高度越高，效率就越高。由于速度快、质量大，如果它们飞过 20,000 英尺以下相对较厚的大气层，就会产生不成比例的阻力。它们更多的燃料只是用来克服风阻。在世界其他地方，商用喷气式客机的巡航高度都在 30,000 英尺或以上。在中国，军事限制可能会将喷气式客机限制在 10,000 或 15,000 英尺的高度，在那里它们相当于耗油大户。

要结束这种纯粹的浪费，需要中国军方的合作，但一项基于 GPS 革命特定应用的新型导航技术也将加速这一进程。GPS 革命已经改变了所有其他旅行方式。20 世纪 20 年代，北美创建了第一批“仪表飞行路线”，当时的飞行路线是篝火或篮子里的照明弹，林德伯格时代的飞行员可以试着跟随篝火从一个航路点飞到下一个航路点。到 20 世纪 30 年代初，飞机有了第一种真正的、虽然粗糙的仪表制导。这就是“四航向无线电靶场”，其中塔组广播字母 A 或 N 的摩尔斯电码——A 为点划线，N 为划点线——飞行员通过听到的字母判断方向（实心音调——A 和 N 的组合——表示他们正在飞行路线上）。到 20 世纪 50 年代初，该系统被当时更为先进的 VOR（即“甚高频全向范围”）系统所取代，该系统至今仍是全球大部分地区导航的主要手段。这是一个信标网络，它为罗盘的 360 度发出不同的信号，因此配备合适设备的飞机可以从其中一个站点沿 90 度“径向”——正东方向飞行，或者从另一个站点沿 270 度径向——正西方向飞行。但随着 GPS 的出现，航空旅行的真正革命成为可能。

对于汽车来说，GPS 意味着我们再也不会迷路（即使熟悉附近环境的人通常可以改进设备语音的建议）。对于航空旅行，GPS 提供了一系列相关的改进。一个明显的改进是更直接的路线，省去了 VOR 标记的间接、曲折的路线，从而节省了时间、燃料和碳排放。另一个改进是减少大城市机场的干扰因素。非常精确的实时 GPS 读数（甚至可以在几英尺的范围内定位快速移动的客机）和可以遵循非常严格定义的路径的复杂新型自动驾驶系统相结合，现在允许飞机在天空中飞行曾经不可想象的障碍式路线。

21 世纪初之前，全球范围内盛行的老式 VOR 导航系统，从一个点到另一个点的“航线”宽度为 8 到 10 英里。这是飞机在跨国飞行时允许的误差范围。现在，客机可以飞行的路径——起飞时为了避开大城市的噪音敏感区，或者下降时为了避开前往偏远或难以着陆的地点的山丘和塔楼——的误差范围是一到两个翼展，或者几百英尺，而不是几万英尺。

为什么这很重要？首先可以减少噪音，因为飞机可以更精确地沿着航线飞行，尽量减少对附近区域的干扰。但燃料节省也很重要。当计算出新的航线让飞机可以连续滑向跑道时，飞行的最后进近阶段（包括以阶梯式下降方式多次拉平）所需的燃料仅为传统方法的三分之一。

这些好处适用于任何地方，西欧和澳大利亚的机场已率先安装了这些设备（美国机场落后）。但飞机导航的革命还有一个对中国来说非常重要的含义：它有望使中国最偏远（且政治敏感）的地区处于全国其他地区可飞行的范围内。

中国西部，从北部的新疆到南部的西藏和云南，地形险峻。该地区包括世界上山峰最多的地区，由于山峰、猛烈的风暴和阵风等显而易见的原因，飞越该地区十分危险。但还有一个不太明显的原因。长期以来，帮助飞机在恶劣天气和险恶地形中找到方向以及帮助管制员监控飞机进度的导航工具都依赖于地面设备。在美国东海岸或中国东海岸，每隔几十英里就设立一个雷达站和导航信标并不成问题。但在西藏的山脉和高原地区，这是一个巨大的挑战。雷达波束和地面导航信号以直线传播，因此无法到达山脉之间的山谷。当雷达站和飞机之间有一座山时，寻找飞机的空中交通管制员和寻找导航信号的飞行员实际上都处于盲区。

实时 GPS 读数和先进的新型自动驾驶系统如今使飞机能够飞越曾经不可想象的天空航线。因此，直到最近，中国西部的大部分地区实际上仍超出了可靠的航空旅行范围。导航非常困难，飞机通常只能在晴朗无风的天气下飞行——而天气很少是晴朗无风的。GPS 首次为偏远地区提供了导航，而无需沿途建立雷达站和信标网络。最近出现的高精度系统统称为必需导航性能 (RNP)，它几乎同样重要，它允许飞机在任何天气条件下安全（且省油）地进近世界上最偏远和最危险的机场。Naverus 是一家总部位于西雅图郊外的小公司，现已成为通用电气公司的一部分，它在这些中国西部机场的开放中发挥了重要作用。这是美国和中国航空系统未被广泛宣传的融合的另一个例证。

20 世纪 90 年代，阿拉斯加航空公司机长史蒂夫·富尔顿与美国联邦航空局和阿拉斯加官员合作，设计了世界上第一个 RNP 进近系统。该系统适用于朱诺机场，该机场被山脉紧紧包围，在恶劣天气（这种情况很常见）下，几乎无法接近。传统导航系统不够精确，无法让飞机在降落到跑道时避开山脉。由于没有公路将朱诺与阿拉斯加或北美其他地区连接起来，机场频繁关闭是一个大问题。富尔顿为朱诺设计的新型 RNP 进近系统绘制了一组精确的航路点，供飞机的自动驾驶仪在穿越险恶地形时遵循，允许飞机安全穿过云层下降，并作为使其他“不可能”的机场更容易接近的概念验证。很快，他和他的团队又为阿拉斯加机场应用了 30 多个 RNP 进近系统。

2003 年，富尔顿与阿拉斯加航空的另一位机长哈尔·安德森（Hal Andersen）以及高科技企业家丹·格里蒂（Dan Gerrity）共同创立了 Naverus 公司，旨在为其他地形复杂的机场开发 RNP 进近系统。他们赢得了巴西、加拿大、澳大利亚、新西兰和美国的合同，但他们决心在中国大展拳脚。2007 年，当我第一次在北京见到 Naverus 的人时，他们刚刚完成一个历史性项目，正在为下一个项目做准备。他们紧随其后的是成功进近当时地球上海拔最高、飞行难度最大的机场之一：西藏林芝。林芝的跑道海拔 9,670 英尺，大约与北美最高的科罗拉多州莱德维尔机场相同。但莱德维尔是一个小型的前采矿定居点，大约有 2,000 人，而林芝是青藏高原的一个主要城市群。林芝一年中大约有300天都在下雨，其余时间，天气仍然很少好到可以按照目视飞行规则（VFR）降落，这需要足够的能见度，以便飞行员可以在没有仪器引导的情况下穿过林芝所处的狭窄山谷旁18,000至20,000英尺高的悬崖。

拉萨是西边的下一个机场，距离 200 英里。邦达是西藏更偏远的地方，拥有世界上海拔最高的商业机场，位于东北约 200 英里处。由于周围地形陡峭，只有几架轻型飞机降落在林芝；没有一架“运输机”（客机或货机）在它的跑道上着陆过。与中国的许多基础设施项目一样，拥有宽阔跑道的大型新林芝机场首先建成，其可行性的实际问题排在了第二位。“他们只是选了一个地点，然后建了一个机场，”富尔顿在北京告诉我。“只有在那之后，运营人员才会四处寻找是否有人真的可以在那里飞行。”

在富尔顿和他的团队说服中国航空官员允许他们尝试进近林芝后，他第一次亲眼目睹了林芝。他飞往拉萨，向东驱车 10 小时，沿蜿蜒的山路到达林芝。林芝机场本身很漂亮，很现代，有一条长长的、铺设良好的跑道。但航站楼几乎空无一人。“他们有消防车和登机桥——但没有采取任何行动，”他说。他的下一步是使用自己的手持 GPS 开始精确测量机场周围重要区域的位置和海拔。由于国家安全问题，理论上外国人在中国被禁止进行此类测绘。富尔顿解释说，他必须进行测量，因为中国官方地图非常不精确或错误。“通过这个过程，我认为中国人自己开始意识到准确地形信息的重要性，”富尔顿说。“如果错误，飞机就会坠毁。”

经过 18 个月的工作，进场计划制定完成，自动驾驶仪在模拟中表现良好。但没有真正的客机在实际情况下飞过这条航线。2006 年 7 月 12 日，富尔顿与一群中国飞行员和航空官员一起挤进一架中国国际航空 757 客机的驾驶舱，该客机进行了历史性的首次林芝试飞。

你可以在 YouTube 上观看最后六分钟的进近视频，非常引人入胜。机组人员全程都在用中文交谈，但你可以听到富尔顿用国际航空语言英语喊出飞机下降时的高度。因为这是一次试飞，没有人证明自动驾驶仪可以防止飞机撞上云层中的山脉，所以他们必须在目视飞行规则条件下进行飞行。富尔顿已经与中国国际航空机组人员仔细商定了在地图绘制错误、自动驾驶仪失灵或天气变得太恶劣的情况下，他们将在何种情况下中止飞行。

“当我们在山谷中转弯并进入新的进近阶段时，我们一直处于云层之下，”富尔顿回忆道。事实上，视频中显示的就是这种情况——云层下降，飞机下降到刚好低于云层的高度，飞行员仍能看到前方。“这就像在河谷上演一场芭蕾舞，来回转弯。”然后，在离地面 200 英尺的高度——从外行人的角度来看，这实际上是着陆——飞机的自动驾驶仪在它和跑道之间的一块峭壁上做了一个 S 形转弯。飞机自动绕过最后一个障碍物，对准跑道，并准确地降落在中心线上。驾驶舱内外挤满了 15 个人——包括中国国际航空公司和中国民航局 (CAAC) 的高层——他们报以热烈的掌声。“中国国际航空公司的资深飞行员姜机长转过身对我说，‘我对这项技术充满信心！’ ”富尔顿后来告诉我。“我们都知道，如果我们的飞机坠毁，上至部长下至下级的人都会被解雇。”

藻类燃料可以
原则上，可使飞机以更接近“碳中和”的方式飞行。相反，中国民航局副局长宣称“RNP 技术在中国的前景看好”。六周后，有史以来第一架抵达林芝的定期商业航班顺利着陆，沿着 RNP 路径穿越云层和恶劣天气。Naverus 赢得了在中国开发更多进场路线的合同，首先是海拔无与伦比的 14,219 英尺的邦达机场，然后是另一个西藏机场那曲机场，该机场 2015 年启用时海拔将更高。业务蓬勃发展，2009 年底 Naverus 公司被 GE 收购，现名为 GE 航空 PBN 服务公司。波音和空客现在都有自己的子公司致力于 RNP 进场路线研究。中国正在竞相使用这些新导航系统，以使偏远地区的旅行更安全、更可靠、更省油。

“关键是，他们可以在地面上什么都没有的情况下，飞往世界上任何一个机场，”巴西飞行员塞尔吉奥·冯·博里斯 (Sergio von Borries) 在中国的一次会议上告诉我，他已经担任 Naverus 战略发展副总裁。“这些飞机真的是空中高速公路，而我们则是高速公路工程师。”

另一个解决污染问题的潜在方案让我很难接受，但最终我半信半疑：将藻类作为未来航空燃料的主要来源。而在这方面中国可能确实处于领先地位。
在开发低碳航空燃料来源的努力中，中国已成为波音公司和其他公司从生物来源更有效地提取燃料的基地。这一概念并不神秘。藻类和一些更复杂的植物一样，会产生碳氢化合物，这些碳氢化合物可以转化为石油。（许多藻类会产生一种含油量高的蜡状石蜡。普通的化石燃料矿床很少是恐龙的遗骸；更常见的是，它们来自古老的藻类化石床。）诀窍在于大规模种植藻类并以足够低的成本开采其油，使其成为普通石油的可行替代品。世界各地都在为此目的开展项目。美国国内的大多数项目都得到了能源部或五角大楼的赞助和支持，这些部门认为对进口石油的依赖存在严重的安全风险。在中国，主要工作由波音公司和中国政府共同领导。

波音公司的资深工程师艾尔·布莱恩特在奥运会后不久就来到北京，负责该公司在中国的研发工作。他因四处宣传生物燃料（尤其是藻类）的重要性而在航空界声名鹊起。他的演讲围绕着一张图表展开，该图表预测了到 2050 年航空旅行可能产生的排放量。这张图表是波音公司论证现在是时候全力推广实用生物燃料（尤其是藻类燃料）的前提。图表中的绿色楔形部分显示了人们所期待的生物燃料带来的碳排放改善，它不仅可以防止航空业在交通量增加时大幅增加二氧化碳排放量，而且实际上可以将其减少到低于 2009 年的水平。

当发动机燃烧藻类燃料时，它会排放二氧化碳，就像燃烧直接从波斯湾抽取的燃料一样。但藻类在生长过程中至少会从大气中吸收同样多的二氧化碳。因此，原则上，考虑到生产过程中的低效率和燃料成本，藻类燃料可以让飞机以更接近“碳中和”的方式飞行，有时也被称为以“当前碳循环”运行（相对于燃烧煤炭或石油的“化石碳循环”而言）。

航空航天业对新型生物燃料的争论充分考虑到了 21 世纪美国的乙醇灾难。这是现代史上最严重的政策失误之一，美国政府补贴农民种植作物，主要是玉米，这些作物可以转化为乙醇并混合到汽油供应中。从能源效率的角度来看，这毫无意义。（种植、施肥、收获和加工玉米所需的能源比生产乙醇所需的能源还要多。）从经济角度来看，这毫无意义，除非是对农民和农业综合企业的补贴。从道德角度来看，这毫无意义，因为它将原本可以用作人类或动物饲料的作物转而用于运输燃料。因此，航空航天业的标准是寻找不会直接或间接与人类食物供应竞争的生物燃料；代表真正的碳节约，而玉米基乙醇永远无法做到这一点；并且可以可持续地种植和收获，而不会耗尽水资源或造成其他长期损害。

无论航空业生产什么生物燃料，都必须具有与现有燃料相同的“能量含量”，以便如今体积巨大、重量巨大的飞机能够以相当的速度飞行。它必须与当前喷气发动机的设计和技术兼容。它必须与现有的全球燃料储存和分配基础设施兼容。而且——最棘手的是——它必须与当今的喷气燃料可互换，而当今的喷气燃料储存在世界各地的机场。“你需要能够带着满满一箱生物燃料离开北京，前往秘鲁利马，在那里加满普通燃料，然后飞回来，”布莱恩特在北京告诉我。“你不能让飞机因为不能使用普通燃料而滞留在利马。”

根据这些标准，藻类是主要选择。原则上，藻类每英亩表面积可生产出相当于油棕（主要生长在热带森林被砍伐的土地上）、大豆、玉米或其他可用于生物燃料的作物的 5 到 10 倍的燃料。藻类生长和产油速度是更复杂植物的许多倍——藻类作物的生长周期只需几天，而不是几周或几个月。藻类可以在过于贫瘠或无法使用的土地上生长，也可以在过于污染或咸水而无法用于其他人类或农业用途的水域中生长。“比利时大小的藻类设施可以满足全世界所有的航空燃料需求，”布莱恩特说。 （他等着我开个关于如何最大程度地、最好地利用比利时陆地面积的玩笑，我照做了。）我采访过的其他美国和中国科学家都对藻类养殖能否如此迅速、经济实惠地实现实用化或达到所需规模表示怀疑。尽管如此，波音公司的计算假设，一旦生产技术得到改进，持续的全球油价达到每桶 90 美元或以上将使藻类燃料具有经济可行性。就在 2008 年底全球金融危机爆发前，全球油价达到每桶 140 美元以上的峰值。在金融危机期间，油价跌至 35 美元中​​段，然后在 2010 年初攀升至 80 美元以上，并一直维持到 2011 年。

波音公司目前正在与中国各地的多家国有研究机构合作开展可持续燃料项目，尤其是涉及藻类的研究。中国的大学和技术机构在藻类研究方面处于世界领先地位，尤其是中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所。世界对航空业更加环保可持续的希望可能就寄托在这里。关于世界环境的坏消息和好消息大多来自中国。好消息值得关注。

尚未采取的路径：日益完善的导航技术使着陆模式更加高效。在过去的半个世纪里，世界上大多数机场的大多数飞机都采用雷达引导的路径。RNAV（“区域导航”）方法依赖于 GPS，比管制员的雷达引导更接近、更高效，但仍然不够直接。RNP（“所需导航性能”）路径是大多数机场的新软件和自动驾驶仪已经实现的飞行性能。最后，优化的 RNP 路径显示了在大多数机场中可能实现的路径
精心配备仪器并设置，其方法与精确的地理和城市环境相符。

到 2050 年实现零净排放？：随着中国、印度和波斯湾地区航班数量的增加，碳排放量将超过 2009 年已经令人担忧的基线。用新型飞机（红色条）取代较旧、较重的飞机，并改善路线和其他空中交通管理程序（灰色条）可以在 2050 年前将增长率降低一半。但使用由消耗二氧化碳的藻类制成的航空生物燃料（绿色条）不仅可以降低增长率。如果生产系统到位（并且如果它们确实有效），它可以将净碳排放量降低到实际上低于 2009 年的水平。

詹姆斯·法洛斯 (James Fallows) 是《中国空降》一书的作者，该书将于本月由 Pantheon 出版。