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英國(guó)航空業(yè)制定了到 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零航空的雄心勃勃的目標(biāo)，到 2030 年新的臨時(shí)脫碳目標(biāo)至少為 15%。為了幫助實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，英國(guó)政府已撥款 1.4 億英鎊的工業(yè)和氫收入支持計(jì)劃加速工業(yè)碳捕集和氫氣，彌合天然氣和氫氣的工業(yè)能源成本之間的差距，并幫助綠色氫氣項(xiàng)目起步。 盡管有融資，脫碳航空也并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。
這一目標(biāo)的成功將取決于所有利益相關(guān)者（制造商、分包商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、機(jī)場(chǎng)公司等）通過(guò)互聯(lián)技術(shù)進(jìn)行合作的能力。 今天，工程模擬、虛擬原型和數(shù)字孿生的整體使用 可以幫助公司實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 但這些技術(shù)如何加速無(wú)碳空中交通革命？
加速技術(shù)棧中組件的驗(yàn)證
30年來(lái)，航空業(yè)的努力使每位乘客的二氧化碳排放量減少了一半。 但隨著氣候緊急情況，該行業(yè)正面臨范式轉(zhuǎn)變。 制造商已經(jīng)適應(yīng)了漫長(zhǎng)的創(chuàng)新周期，并且?guī)啄陙?lái)沒(méi)有進(jìn)行徹底的改革，這意味著他們現(xiàn)在必須使用不夠成熟的新技術(shù)，并在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)實(shí)施它們。 在這種情況下，挑戰(zhàn)在于確定可以改進(jìn)的領(lǐng)域，以快速提高飛機(jī)的能源性能。
為此，工程仿真將使探索所有不同選項(xiàng)成為可能，以定義系統(tǒng)或組件的最佳配置。 具體而言，這意味著該技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模并研究其物理屬性（例如熱、沖擊、振動(dòng)、摩擦等）對(duì)其操作和性能的影響。 因此，公司可以根據(jù)不同的操作場(chǎng)景預(yù)測(cè)其行為，進(jìn)行權(quán)衡研究并更快地驗(yàn)證其技術(shù)選擇，而無(wú)需制造物理原型或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 因此，無(wú)論采用何種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程仿真都是減少開發(fā)時(shí)間和成本并加快無(wú)碳飛機(jī)上市時(shí)間的關(guān)鍵預(yù)測(cè)工具。
降低整體油耗
更輕的飛機(jī)是減少燃料消耗并最終減少污染物排放的首選解決方案之一。 大多數(shù)重型材料，如金屬，已經(jīng)被更輕的復(fù)合材料所取代，但制造商已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)平臺(tái)，必須成功地發(fā)明新的、更高效的材料。
仿真軟件整合了越來(lái)越多樣化和可定制材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，使工程師能夠測(cè)試未開發(fā)的組合以開發(fā)創(chuàng)新的復(fù)合材料。 團(tuán)隊(duì)還可以通過(guò)評(píng)估在不影響性能和安全的情況下減薄或消除部件的可能性來(lái)優(yōu)化飛機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 此外，可以根據(jù)其可持續(xù)性得分指數(shù)來(lái)選擇材料，從而在選擇它們時(shí)使給定部件或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更具可持續(xù)性。
空氣動(dòng)力學(xué)是限制燃料需求的另一個(gè)有前途的途徑。 氣動(dòng)阻力（或氣動(dòng)阻力）是能量消耗的主要來(lái)源。 通過(guò)模擬飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)上的氣流，可以研究幾何形狀或材料的變化對(duì)能量消耗的影響，從而確定最有效的設(shè)計(jì)。 最近幾個(gè)月，空氣動(dòng)力學(xué)研究帶來(lái)了突破性的創(chuàng)新，例如空中客車 Maveric 飛機(jī)，其 V 形機(jī)身的效率比傳統(tǒng)飛機(jī)高 20%。
另一個(gè)有趣的替代方案是使用生物燃料，它可以將飛行過(guò)程中的二氧化碳排放量減少多達(dá) 80%。 這涉及通過(guò)混合兩種物質(zhì)，用植物油基燃料代替部分煤油。 目前，由于發(fā)動(dòng)機(jī)回路存在泄漏問(wèn)題，生物燃料的摻入限制為 50%。 為了克服這個(gè)問(wèn)題，有必要生產(chǎn)含有芳香分子的生物燃料，這將提供必要的密封，或者開發(fā)新的發(fā)動(dòng)機(jī)密封。 仿真可以幫助工程師更有效地將生物基材料轉(zhuǎn)化為可持續(xù)燃料，并確定與噴氣燃料的適當(dāng)混合程度，從而最大限度地提高燃油效率，從而幫助減少開發(fā)時(shí)間和成本。
利用電力和氫的全部潛力
飛機(jī)電氣化是綠色航空的另一個(gè)相關(guān)選擇。 對(duì)于此類飛機(jī)，挑戰(zhàn)在于優(yōu)化電池的尺寸和重量，因?yàn)殡姵卮鎯?chǔ)的能量密度低于石蠟。 當(dāng)然，這種缺點(diǎn)在混合動(dòng)力飛機(jī)中得到了補(bǔ)償，因?yàn)殡姵赜蓚鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)支持，因此 100% 電動(dòng)僅適用于小型飛機(jī)和短距離。 另一個(gè)缺點(diǎn)是生態(tài)方面的，因?yàn)橹圃祀姵厮璧脑牧希ㄤ?、鈷）的提取污染非常?yán)重。 通過(guò)快速、廉價(jià)地測(cè)試許多電池概念，仿真不僅可以幫助制造商提高自主性，還可以開發(fā)需要較少稀有材料的模型。
氫氣是中長(zhǎng)途航班考慮的長(zhǎng)期解決方案之一，占空中交通二氧化碳排放量的 90%。 但是使用氫作為主要能源需要重新考慮深度存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施。 氫氣是一種高度易燃的氣體，對(duì)于以安全為第一要?jiǎng)?wù)的制造商來(lái)說(shuō)，發(fā)生事故是不可能的。 此外，對(duì)于相同的能量密度，它的體積是煤油的四倍。 為了節(jié)省空間，它必須以液體形式儲(chǔ)存在遠(yuǎn)低于 -253° 的冷藏罐中，這可能會(huì)消耗能源。 氫氣也非常易揮發(fā)，因此制造商必須成功開發(fā)能夠防止泄漏和承受極端條件的創(chuàng)新材料。 最后，能源效率也需要提高，因?yàn)槿剂想姵氐膮⑴c為該過(guò)程帶來(lái)了非常低的效率步驟。 通過(guò)模擬，他們可以了解容器與內(nèi)容物之間的相互作用，以識(shí)別任何潛在故障、糾正錯(cuò)誤并提高產(chǎn)品性能和安全性。
除了設(shè)計(jì)和制造之外，工程仿真將在使用基于仿真的數(shù)字孿生的飛機(jī)監(jiān)控和維護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 這是真實(shí)世界對(duì)象、系統(tǒng)或過(guò)程的動(dòng)態(tài)虛擬表示，由來(lái)自傳感器和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的數(shù)據(jù)提供。 因此，該數(shù)字模型將隨著真實(shí)物體的發(fā)展而自我更新，從而能夠持續(xù)報(bào)告其性能。 更重要的是，數(shù)字孿生是一種預(yù)測(cè)解決方案，可以考慮對(duì)象的歷史來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)的行為。 這對(duì)于預(yù)測(cè)組件的壽命并因此簡(jiǎn)化維修和更換操作至關(guān)重要。 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以應(yīng)用于所有規(guī)模（部件、飛機(jī)、工廠、機(jī)場(chǎng)等），這使得可以將整個(gè)飛機(jī)生態(tài)系統(tǒng)整合到同一工作環(huán)境中，并更有效地對(duì)行業(yè)整體采取行動(dòng)。
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