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[专题]美军战机的绿色征程:摆脱石油依赖症

2011-06-18 17:20:37 来源: 网易军事 举报
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今年巴黎航展,因为世界最大太阳能驱动飞机“阳光驱动”号的参展,再次刮起了绿色能源之风。同样在军机能源方面,为了摆脱对石油的依赖,也一直在寻求可靠的清洁能源。目前美国空军已率先尝试使用生物燃料,它们认为替代能源战略远比单一的新技术装备更重要。

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

运送驻阿联军油料的油罐车在被塔利班袭击后熊熊燃烧。这让美国军方认识到,强大的美军所依赖的传统石油供应系统,是非常脆弱的软肋。

现代战争中,航空兵已经成了绝对的主角,由于航空力量的介入,战场的前沿和后方的空间距离一下子被拉大到相当惊人的地步,数百乃至上千公里,并不是什么罕见的事儿。然而,航空兵本身是对燃料依存度极高的兵种,征伐距离的超限度延伸带来了一个不可避免的问题,即大量燃料的运送通道变成了强悍军队的软肋。

驻扎在阿富汗的北约军队,其满载燃油的油罐车就常常在漫长的山地运输途中遭遇武装分子袭击,很快沦为一堆堆熊熊燃烧的篝火。令包括美军在内的北约部队头疼不已。

战争一旦爆发,政治环境的变化可能导致石油采购的困难,这对严重依赖燃料维持战斗力的军队,特别是最受倚重的航空兵而言,不啻是毁灭性的打击。强大的战斗力构成的坚硬外壳,却罩不住燃料供应以及补给线的软肋。

美国人发现,要想让军队,特别是空军的作战效能真正得到质的提升,必须设法降低空军对于外来油料的依赖,除了提高现有的航空发动机效率外,还必须开发新的可再生的清洁燃料。

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

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2007年,美国空军一架C-17“环球霸王”运输机使用合成燃料穿越北美大陆后飞临纽约城。

美国空军已制订“变绿”目标

美国空军在美国武装力量中占据了相当重要的地位。除了空军,海军战斗力的很大部分也是由航母舰载机组成的。从能耗上讲,美国空军可能算是世界上能源消耗量最大的单一组织,燃料成本对其作战费用具有举足轻重的影响。美国空军的研究表明,每桶石油的价格每增加1美元,美国空军就要为此多付出6600万到1.3亿美元。2005年,美国空军就决心逐步开始摆脱对外来油料的依赖。

按照最初的构想,美国空军制订了“两步走”的行动目标。第一步,到2011年,首先证明空军全部装备可以使用合成燃料。到2016年,空军希望利用费舍尔-特罗普什工艺(Fischer-Tropsch,以下简称F-T工艺)工艺制取的合成燃料能够占据其燃料使用量的50%,这些燃料包括石油燃料、天然气燃料、煤基燃料、植物燃料和其他原油替代品。

多型战机已试用生物燃料

2006年,美国空军一架B-52“同温层堡垒”率先使用生物燃料进行了飞行测试。2007年,一架C-17“环球霸王”III也靠着生物燃料飞上了天。2008年8月,美国空军一架F-15E“攻击鹰”成为F-T工艺合成燃料的首架战斗机试验品。也是在这一年,美国空军一架B-1B“枪骑兵”战略轰炸机使用混合生物燃料进行了首次超音速飞行。此外,加利福尼亚爱德华兹空军基地的T-38教练机和田纳西州孟菲斯国民空中警卫队基地的一架C-5“银河”,都使用生物燃料进行了飞行测试。

贴士:费舍尔-特罗普什工艺

费舍尔-特罗普什工艺(Fischer-Tropsch)最早在上世纪20年代创立,是通过一系列化学反应将一氧化碳和氢气混合物转化为液态碳氢化合物的过程。利用这种方法,可以从煤炭、天然气或者生物中制取石油替代品,作为合成润滑油和合成燃料。F-T工艺燃料工厂必须首先将煤炭或固体含碳原料转化为气态反应物,例如一氧化碳、氢气和烷烃。这一过程成为气化。气化过程会产生污染物而且耗能较大。以煤为原料的F-T工艺工厂会产生大量二氧化碳,部分原因是由于这一过程需要消耗较多的能源。目前人们正在研究将生物气化法和F-T工艺合成物联合制取可再生燃料。

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

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美国拥有丰厚的煤炭资源,这也让美国空军曾考虑使用液化煤燃料来代替石油。

美国空军曾考虑使用煤基燃料

考虑到美国巨大的煤炭蕴藏量——约占全球储量的四分之一,有人认为美国空军未来最有潜力的燃料是液化煤,这一提议显然十分具有诱惑力。曾任美国空军部长的麦克·韦恩在谈到替代燃料的初步构想时表示,空军曾积极考虑过使用煤基燃料。“我们将在一段时间里成为以煤为燃料的国家,使用这种能源将产生巨大的影响,也会带来很多问题。或许不等我们成功证明所有喷气式飞机都能使用煤基燃料,外国宣传报道上就会出现满脸乌黑的美国矿工形。”

事实上,批评使用煤炭资源的呼声也不少。把煤液化作为燃料使用,会导致更多的二氧化碳排放,由此带来的问题难以解决。美国空军部长助理比尔?安德森认为,如果我们没有办法取得“清洁煤”,那么全世界都面临严重问题……全球煤炭的开采和使用在未来将迅速增加,这一趋势不可逆转。寻找可再生能源、开发核能,以及节约和提高效率的做法会起一定的作用,但仍然无法满足全球能源需求的增长。

生物合成燃料被指费用高昂

韦恩并未完全否定应用煤基燃料的可能,他说空军会考虑将煤基燃料和生物燃料联合使用。“现在是时候考虑我们的餐盘上有些什么了?美国拥有辽阔的沙漠地区可以生产生物燃料,拥有丰富的煤炭储量。我们应该充分利用。”但也有一些专家对合成燃料表示怀疑,剑桥能量研究所全球石油咨询组主任朱里奥斯说,长期使用F-T工艺合成燃料“并不实际也不经济”。“F-T法最大的缺陷在于,制取燃料的工厂占地巨大,这需要巨额资金投入。而在同样产出水平上,F-T合成燃料生产厂所需的投资是普通炼油厂的5倍。”

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

2007年8月8日,两名美国空军士官正为一架B-52H侧面喷涂的F-T工艺合成混合燃料认证标志揭幕。尽管生物燃料存在争议,但美军决定利用市场推动它的普及。

无独有偶,美国国防部科学委员会在2008年也出具了一份报告,对这项技术的可行性表现出“极大的担忧”,认为建造合成燃料工厂投资过大,而种植原料则可能带来环境问题。此外,目前的生产工艺还会产生大量的废水。

报告中几乎毫不遮掩地说,“花费如此巨大的投资制取合成燃料,最后的结果只能证明这项技术缺乏可行的市场前景,不可能扭转战区燃料缺乏的局面。这笔钱完全可以花在更有效果的方案上。”但究竟什么方案可能更有效,报告中却没有提及。

空军用市场推动生物燃料应用

美国空军的想法与此不同,按照韦恩尼的说法,空军应该成为“市场缔造者”,通过创造巨大的可靠的合成燃料市场需求来刺激市场运行。安德森把这称为能源方面的“曼哈顿工程”(二战时期美国原子弹研制工程的代号),在这个工程中,私营公司将由于新发现发生革命性的变化,军方的投资也会相当慷慨。

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

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2010年1月6日,美国空军第380远征勤务准备中队的油料技术人员正在检测油罐车中航空油料的质量。美国民间公司的研究已经让美国空军产生了浓厚兴趣,这也将从另一方向推动生物燃料发展。

普惠公司对生物燃料的研究

如果说,近来合成燃料技术的发展都是缘于美国空军的推动,显然不大负责。事实上一些商业公司也做出了不小的贡献,著名的普惠公司先进发动机项目部主任吉米·李德就说,普惠公司积极支持美国空军的做法。他指出,过去10到15年间商业公司已经进行了大量的基础研究,主要集中在航空领域使用合成燃料的可能性方面,某些方面取得了突出进展。

“15年来我们一直把煤炭和天然气视为燃料来源,但今天我们关注的是生物燃料技术。利用这种技术,你几乎可以用任何含有碳和氢的化合物制造出航空燃料。”李德同时也表示,利用煤炭、天然气或生物制取航空燃料的方法也存在固有的问题。例如,目前的石油基燃料中含有的芳香族化合物可以帮助燃油系统中的密封件膨胀,进而实现更好的密封效果,防止航空燃油泄漏。而合成燃料中则没有这样的芳香族,需要添加剂来实现这种效果。“解决这一问题需要时间”。

改善发动机效率的洗涤技术

除了生物合成燃料,另一个引起美军兴趣的改善发动机效率的商业技术。李德特别提到普惠公司的发动机洗涤技术,宣称该技术可以将燃油消耗率降低1.2%。2008年普惠公司为客户进行了3888次洗涤服务,据称节约燃油总值7300万美元,为此减少的碳排放量为5.33亿磅——相当于26675辆轿车,116000人或4100万株树的含碳量。洛克希德-马丁公司也一直从事合成天然气的研究,该公司合成燃料项目部经理怀特解释说。“我们的技术研究主要集中在气化方面”。事实上这项技术可以将任何垃圾、木本生物以及非粮食作物加工成合成气体,而这种气体最后又被转化为汽油、柴油、JP5或JP8等液态航空燃料。“我们需要利用当地的生物材料,包括垃圾——现在我们只是在焚烧它们,但新技术甚至可以让蛋糕包装塑料纸之类的东西实现气化。”

如果这些技术能够实现,得到满足的不仅是美国空军在合成燃料方面的需求,各个军事基地制造的大量垃圾的处理问题也都有了答案。“只要开发出相应的技术,你甚至可以让所有含碳材料完成气化。这方面的技术有些可以用来处理大量的固体垃圾,有些经过改进可以用于木本植物或者能量原料……这是一个爆炸式膨胀的市场。经济危机最终会被时间淹没,就像是硕大雷达屏幕上微笑的亮点儿。来自社会私人和政府军界的大量研究资金,就是最好的刺激。我们看到的一切,都还只是开始。”

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

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2010年4月22日,使用50/50比例混合合成燃料的海军F/A-18F“绿色大黄蜂”战斗机实现了超声速飞行。该机的垂尾上带有特殊的绿色条纹,机头部位带有海军部能源安全徽志。

“绿色大黄蜂”成功测试生物燃料

2010年4月22日,马里兰州帕托克森河海军航空站。一架F/A-18F双座战斗机启动、滑行,接着麻利地拉起升空,开始一次45分钟的盘旋飞行。在许多海军军官眼里,这个时刻意义非常:这架绰号为“绿色大黄蜂”的F/A-18F使用的燃料,并非平常的航空燃油,而是添加了50%亚麻荠基合成油料的混合物。美国海军航空兵希望这次试验能够证明,混合替代燃料完全可以和标准的JP-5航空燃油一样发挥作用。、

试验飞行中“绿色大黄蜂”由一架使用常规燃料的飞机伴飞,通过网络视频,美国海军部长马布斯等一些海军高官全程观看了整个试验。“替代燃料测试计划是一个重要的里程碑,它标志着美国海军和海军陆战队在生物燃料的认证和使用上取得了重大进步。”马布斯说。“美国海军非常有必要减少对进口油料的依赖,同时保护我们的环境。我们的海军,和美国工业以及其他军种一起,率先采用替代能源。”

试飞“绿色大黄蜂”的海军飞行员在着陆后表示,飞机的飞行表现和预期的一样,替代燃料工作状态良好,操纵性能也没有异常。据透露,接下来美国海军航空兵还将继续试验,目的是确认新型替代燃料在超级大黄蜂整个飞行包线范围内对其发动机性能的发挥都没有影响,在亚音速和超音速情况下,都能保证发动机完全正常工作。

先前的测试已经证明,生物燃料没有造成发动机性能的变化,其实际效能和使用常规燃料时完全相同。按照计划,海军还要进行14次飞行试验,针对生物燃料的测试内容还将从航空喷气发动机扩展到目前驱动美国大多数水面战舰和海军陆战队地面作战车辆的汽轮机上。

[专题]美军战机的绿色征程:或不再使用石油

1964年6月30日,由“企业”号航母等三艘核战舰组成的世界首支全核动力舰队出发进行环球航行。如今为了摆脱对石油的依赖,美国海军制订了大绿舰队的终极目标,这中的关键就是舰载机的能源“绿化”。

“大绿舰队”:海军的终极目标

眼下生物合成燃料的价格并不便宜:2009年9月国防能源支援中心花费了270万美元,用于购买40000加仑亚麻荠基生物燃料,每加仑生物燃料的价格接近67.5美元,而目前的JP-5标准燃料价格每加仑才2.94美元。当下高昂的成本,可能随着技术进步而快速下降。

美国海军战斗序列中已没有常规动力航母,航母全部采用核动力,几乎具备无限航行能力。但航母舰载机却仍然需要航空油料,航母战斗群中的巡洋舰、驱逐舰、补给船等水面舰艇也要依靠石油燃料。这样一来,航母战斗群的实际作战能力仍然存在一个“石油瓶颈”。

美国海军未来的理想能源蓝图是让全部航母和护航潜艇将采用核动力,其他水面舰艇和作战飞机则使用生物合成燃料。马布斯曾提出过一个颇为豪迈的计划——到2016年建成一支“大绿舰队”,即一个完全不依赖石油燃料的航空母舰打击群。如今,作为航母战斗力释放途径的舰载机,已经在逐渐和生物合成燃料接口,“大绿舰队”还会太遥远么?

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目前世界市场上相对便宜的石油产品仍然存在,而另一方面,对于美英等军事大国,替代能源的急迫性显然不能与目前反恐战争相比。眼下美国控制的能源渠道尚未枯竭,价格波动最多造成军费水平的浮动,所谓环境问题也不应该是军方优先考虑的要务。

美军决策的真正大背景是,中国和印度等发展中国家,以及以及非洲急迫的发展态势,可能刺激能源紧张程度加剧,导致能源供求关系发生变化,甚至增加美国的政治和国际关系压力。如果美国未来没有替代能源方面的准备,将变得非常被动。从这个角度说,替代能源战略的高度,比单一的新技术装备更高。

冯家杰 本文来源:网易军事 作者:司古 责任编辑:王晓易_NE0011
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