混合动力飞机的概念​​可能会减少航空的空气污染问题

在巡航高度，飞机会向大气中稳定排放氮氧化物，这些化学物质会滞留在那里产生臭氧和细颗粒物。氮氧化物或 NOx 是空气污染的主要来源，与哮喘、呼吸系统疾病和心血管疾病有关。先前的研究表明，全球航空产生的这些化学物质每年导致 16,000 人过早死亡。

现在，麻省理工学院的工程师提出了一个飞机推进概念，他们估计这将消除 95% 的航空氮氧化物排放，从而将相关的过早死亡人数减少 92%。

这一概念的灵感来自地面运输车辆中使用的排放控制系统。如今，许多重型柴油卡车都装有燃烧后排放控制系统，以减少发动机产生的 NOx。研究人员现在提出了一种类似的航空设计，带有电动扭曲。

今天的飞机由固定在每个机翼下方的喷气发动机推动。每个发动机都装有一个燃气轮机，该燃气轮机为螺旋桨提供动力，使飞机在空气中移动，因为涡轮机的废气从后面流出。由于这种配置，不可能使用排放控制装置，因为它们会干扰发动机产生的推力。

在新的混合动力或“涡轮电动”设计中，飞机的动力源仍将是传统的燃气轮机，但它将集成在飞机的货舱内。燃气轮机不是直接为螺旋桨或风扇供电，而是驱动同样位于货舱中的发电机发电，然后为飞机的机翼安装的电动螺旋桨或风扇供电。燃气轮机产生的排放物将被送入排放控制系统，该系统与柴油车辆的排放控制系统大致相似，该系统将在将废气排放到大气中之前对其进行清洁。

“这仍然是一个巨大的工程挑战，但没有基本的物理限制，”麻省理工学院航空航天学教授史蒂文巴雷特说。“如果你想实现净零航空业，这是解决其中空气污染部分的潜在方法，这很重要，而且在技术上相当可行。”

该设计的细节，包括对其潜在燃料成本和健康影响的分析，今天发表在《能源与环境科学》杂志上。该论文的合著者是麻省理工学院航空与环境实验室的所有成员 Prakash Prashanth、Raymond Speth、Sebastian Eastham 和 Jayant Sabnins。

半电气化计划

该团队混合电动飞机的种子源于巴雷特和他的团队在调查大众柴油排放丑闻方面的工作。2015 年，环境监管机构发现，这家汽车制造商仅在实验室测试期间故意操纵柴油发动机来激活车载排放控制系统，使得它们看起来符合 NOx 排放标准，但实际上排放的 NOx 高达 40 倍。世界驾驶条件。

在研究排放作弊对健康的影响时，巴雷特也开始熟悉柴油车的排放控制系统。大约在同一时间，他还在研究设计大型全电动飞机的可能性。

“过去几年进行的研究表明，你可能会为小型飞机电气化，但对于大型飞机，如果没有电池技术的重大突破，这将不会很快发生，”巴雷特说。“所以我想，也许我们可以利用电动飞机的电力推进部分，以及已经存在了很长时间并且超级可靠和非常高效的燃气轮机，并将其与汽车中使用的排放控制技术相结合和接地电源，至少可以实现半电气化飞机。”

零冲击飞行

在认真考虑飞机电气化之前，可能已经有可能实施这样的概念，例如作为喷气发动机后部的附加装置。但巴雷特指出，这种设计会“扼杀喷气发动机产生的任何推力流”，从而有效地使设计接地。

巴雷特的概念通过将产生推力的螺旋桨或风扇与发电燃气轮机分开来绕过这一限制。螺旋桨或风扇将直接由发电机供电，而发电机又由燃气轮机提供动力。燃气轮机的废气将被送入排放控制系统，该系统可以折叠起来，以手风琴式的方式放置在飞机的货舱中——与产生推力的螺旋桨完全隔离。

他设想混合动力系统的大部分——燃气轮机、发电机和排放控制系统——将安装在飞机的机腹内，那里可以为许多商用飞机提供充足的空间。

在他们的新论文中，研究人员计算出，如果在波音 737 或类似空客 A320 的飞机上实施这种混合动力系统，额外的重量将需要大约 0.6% 的燃料才能驾驶飞机。

“这将比为全电动飞机提出的方案可行很多很多倍，”巴雷特说。“这种设计将使飞机增加数百公斤，而不是增加许多吨电池，这将超过一个额外的重量。”

研究人员还计算了大型飞机在有和没有排放控制系统的情况下会产生的排放，并发现混合动力设计可以消除 95% 的 NOx 排放

如果该系统在世界各地的所有飞机上推广，他们进一步估计将避免 92% 的航空污染相关死亡。他们通过使用全球模型来绘制航空排放在大气中的流动图，并计算出世界各地有多少人口将暴露于这些排放中，从而得出了这一估计值。然后，他们将这些暴露转换为死亡率，或因暴露于航空排放而死亡的人数估计。

该团队现在正在设计一种“零影响”飞机，该飞机在飞行时不会排放氮氧化物和其他化学物质，如改变气候的二氧化碳。

“我们需要使净气候影响和空气污染造成的死亡人数基本为零，”巴雷特说。“目前的设计将有效地消除航空的空气污染问题。我们现在正在研究其中的气候影响部分。”