2023年1月19日，这架19座的小型双引擎飞机Dornier228升入蓝天。它完成了一个10英里（16公里）的环形飞行后返回到英国的科茨沃尔德机场。这架飞机是迄今为止最大的一架，完成了由氢燃料驱动的飞行——这是一种零碳排放的清洁能源。

在其左翼下，两个燃料电池协同工作，它们将氢气转换成电力，驱动一个电动马达。起飞时，一个锂电池提供额外的能量。为了安全，另一侧的螺旋桨由一个标准的飞机引擎驱动。

应用了氢燃料电池的Dornier228

*Dornier228是一架改装的双发涡桨飞机，用于验证氢燃料电池技术。它采用了一个混合系统，其中一侧的发动机由ZeroAvia的电动机和PowerCell的氢燃料电池组驱动，而另一侧则保留了传统的发动机。

这次成功的测试飞行标志着航空旅行向环保转型的重要一步。但研究人员并未止步，他们现在正专注于更大型的飞机，探索如何为40至80座的飞机进行氢气加注。这不是一项简单的任务，但它是实现零碳飞行的关键一步。

EcoPulse混合动力示范机

*EcoPulse是一架分布式混合动力推进的示范飞机，于2023年11月29日首次飞行，由Daher和Safran联合开发。空客公司为该项目提供了电池技术和空气动力学建模支持，目的是利用分布式推进技术的优势来提升飞机的性能。

实践验证

航空旅行究竟在多大程度上加剧了导致全球变暖的温室气体排放？以一次从英国伦敦飞往美国纽约的航班为例，它将排放约2000磅（约900公斤）的二氧化碳（CO2）。有些国家的人民，比如非洲的布隆迪和南美的巴拉圭，一整年产生的CO2还都不及此数。相较于公交车或火车等其他交通工具，飞机的每位乘客每小时的CO2排放量几乎是它们的100倍。全球来看，商业航班每年排放的碳超过十亿吨。

这些CO2和其他温室气体就像是一个巨大的毯子，捕捉着太阳的热量并留在大气中，导致地球升温。温度的上升正在全球范围内引发变化，冰川融化导致海平面上升，极端天气事件如洪水、干旱、热浪和野火的发生频率也在增加。这一切都对地球的生态系统造成了压力，影响着人类和野生动物的生活。

尽管环保人士对此表示担忧，但航空旅行的需求仍在增长。这意味着天空中的飞机数量增多，燃烧更多的燃料，向大气中排放更多的二氧化碳和其他有害气体。减少航空业的排放量是一个巨大的挑战。

Vahana全电动演示机

*2019年空客推出的Vahana是一种全电动、单座、倾转翼飞行器的演示机，专注于推动自主驾驶的电动垂直起降（eVTOL）飞行技术的发展。

减少我们的碳飞行足迹

研发可持续飞机是一项艰巨的任务。多伦多大学航空宇宙工业教授David Zingg，同时也是该校可持续航空研究中心的负责人，表示：“航空业正面临巨大挑战，我们必须使飞机更加节能，这意味着它们需要消耗更少的燃料。”减少阻力的飞机能够减少燃料消耗。然而，我们仍需强大的飞机来安全运输乘客和货物，并能在长时间内飞行而无需加油。

生物燃料是一种替代化石燃料的选择，它由植物、藻类和种子油等可再生资源制成，被认为是碳中和的。这些植物在生长过程中吸收二氧化碳，而当生物燃料燃烧时，它们释放相同数量的二氧化碳回到环境中。生物燃料的一个优点是，燃烧生物燃料不需要对现有的飞机或发动机进行任何改变。

然而，生物燃料的缺点包括其对大量土地的需求，这可能会与粮食生产争夺土地。还有将森林转变为农田以生产生物燃料的风险，这会减少森林对二氧化碳的吸收。生物燃料作物还需要大量水资源，而且使用的肥料和杀虫剂可能污染水源。这些因素使得科学家们质疑生物燃料是否真的更环保。此外，生物燃料的成本也远高于化石燃料，导致目前只有少数商业航空公司仅在部分航班上使用生物燃料。

目前，可用的生物燃料还不足以满足全球需求。因此，研究人员正在探索其他选项，包括电池驱动的电动飞机。可再生能源，如太阳能和风能，现在不仅成本低于化石燃料，而且提供了清洁能源。因此，从燃料转换到电力可以显著降低排放。

尽管电动飞机显示出希望，但在它们准备起飞之前还有许多工作要做。Zingg指出：“在长途飞行中，飞机需要的能量远超过当前电池所能提供的。”因此，电动飞机目前仅限于短途飞行。这是一个问题，因为长途飞行产生了80%的航空排放。“我们不能仅仅等待电池技术的突破，”Zingg说。

燃料电池工作示意图

探讨零排放的可能性

由于生物燃料和电池的限制，科学家们开始考虑使用氢气作为长途飞行的潜在动力来源。生产氢燃料的过程相对简单，其中一种方法是通过电解水，将水分子分解成氢和氧，再将氢气收集在容器中以备作为燃料使用。氢气燃烧后只产生水，是一种清洁的燃料，有助于实现零排放飞行。

然而，尽管原理简单，实际应用中仍面临诸多挑战。首先，生产氢气需要消耗大量能源，导致成本较高。氢气的体积也比传统燃料大，因此在储存和转运方面存在难题。这意味着氢气需要更大的容器。若要将氢气用于航空，机场和飞机都需进行改造以适应更大的储气罐。这可能会导致飞行距离缩短或乘客数量减少。开发新的氢动力飞机队伍需要巨大的时间和财务投资。Zingg预计，氢动力飞机广泛投入使用可能还需要数十年时间。

David Zingg（1958年—）是加拿大多伦多大学计算空气动力学与可持续航空的教授。

想象你走进一架飞机，它的流畅且不同寻常的形状与你见过的任何飞机都不同。引擎发出低鸣而非轰鸣，起飞更加平稳，最重要的是——它主要由生物燃料驱动。这是Zingg教授预见的航空旅行未来，他是可持续航空领域的先驱。

自2006年至2016年，Zingg担任多伦多航空研究所所长。现在，他领导该所的可持续航空研究中心。Zingg以其创新的飞机设计闻名，这些设计打破界限，推动可持续性发展。他研究空气流动方式，如同雕塑家塑形黏土。利用计算机模型，他探索空气如何环绕飞机机体流动，这种理解帮助他减少空气阻力，设计出能够平稳穿越天空的飞机。

在1990年代末，Zingg意识到飞行旅行面临巨大挑战。追求更快、更高、更远的时代已转向需以更可持续方式实现相同目标。可持续性意味着以保护地球和未来世代的方式使用资源。直到2010年代，随着化石燃料燃烧的负面影响被更广泛认识，可持续性理念才开始受到重视。面对航空旅行需求的持续增长，航空工程师和科学家必须找到满足需求而不损害环境的方法。目标是创造使用更少燃料、产生更少碳排放的飞机。尽管有环保主义者呼吁停止飞行，但Zingg认为这不切实际。他指出：“飞行能在短时间内完成其他方式无法做到的长距离旅行。”他强调社会依赖于人和物的移动，并表示：“没有飞行的替代品，我们只需使其可行。”

Zingg对航空产生了显著影响。他曾任加拿大绿色航空研究与发展网络（GARDN）董事会成员，该网络将政府、学术界和商界联合起来，致力于使航空旅行更加环保。他们的努力促成了加拿大首次商业飞行使用生物燃料，以及世界上第一架完全由生物燃料驱动的民用喷气机。

科学家们正在探索生物燃料和氢气作为减少污染的潜在解决方案，尽管这些燃料成本高昂且并非总是可用。

无论燃料类型，减少使用量是关键。Zingg正是看到了这一点。通过设计更高效的飞机，他能够用更少的燃料飞行相同距离。

NASA的X-57 Maxwell首架全电动试验飞机

新型飞机设计

随着时间推移，飞机设计不断演变。目前，NASA正在研究一种基于桁架的新型机翼设计，这种设计能够增强结构的稳定性。这类飞机机翼采用双支撑结构，支持细长的机翼，这种独特的设计使得机翼既坚固又轻盈，从而提高了燃油效率。

Zingg对一种称为混合翼身的设计也很感兴趣。这种设计将飞机的机身和机翼整合在一起，形成一个统一的流线型结构，以减少空气阻力。这种形状意味着飞机可以在相同推力下飞得更快，从而减少燃料消耗。

混合翼飞机示意图

然而，这些创新设计的实施面临挑战。航空公司通常会使用他们的飞机长达30年，这可能会延缓新型号的采纳。另一个挑战是成本问题，设计新飞机并获得飞行认证的费用非常高昂。尽管存在这些障碍，但相关进展正在进行中，并且有望推出能够减少碳排放的飞机设计。

塑造航空未来

Zingg希望在未来大约15年内，我们可能会开始看到全新的飞机设计。他预测，下一代飞机的重要性将超过下一个iPhone型号。“像iPhone这样的设备每增加一个新功能对我们的生活的影响都远小于能够持续进行长途飞行的能力，”他说。新型飞机的设计不仅能节省燃料，还能使飞行更加环保。我们每减少一吨排入大气层的二氧化碳，就是在对抗气候变化方面取得的一次胜利。

Zingg对可持续飞行的贡献已经得到认可。2004年，他因其在环保飞机研究方面的贡献获得了著名的古根海姆奖学金。他的工作还使他在2011年获得了安大略省专业工程师研究奖章。Zingg不仅在塑造航空的未来，他还在确保这个未来是可持续的。