迈向可持续航空：通过控制冰核粒子的释放来减少飞机凝结尾冰粒子的形成及其对气候的影响

　　全球航空业因 contrail cirrus 导致约2/3的非CO?气候强迫，现有路线调整方案存在额外碳排放和操作难题。本研究提出 COMBINES 方法，通过向发动机排气注入优化剂量的冰核粒子（如AgI、BiI?），抑制冰晶形成，使 contrail ice emission 指数（EI_ice）降低1-2个数量级，同时避免燃料消耗增加。数值模拟显示，在典型高空温度（211-225 K）下，种子粒子浓度5×1012-5×101?/kg-fuel可使 contrail ice 形成量减少73-98%，并提升冰晶尺寸与沉降速率。该方法不改变航线，解决了传统 contrail 避免策略的燃料效率与空域管理问题，但需进一步验证环境安全性与工程可行性。

　　
航空业非二氧化碳气候影响及新型抑制方法研究解读

一、研究背景与问题现状
全球航空业在2018年贡献了约3.5%的人为气候强迫，其中三分之二来自非二氧化碳排放源。这类影响主要由持续型飞航积云（contrail cirrus）引起，其形成机制涉及发动机排放的颗粒物与大气水汽的相互作用。尽管可持续航空燃料（SAF）和发动机技术革新能降低碳排放，但非二氧化碳气候效应仍构成重要挑战。欧洲已从2025年起要求航空运营商监测此类影响，凸显了问题的紧迫性。

传统解决方案如航路调整规避积云存在显著缺陷：需额外燃油消耗导致碳排放增加，难以准确预测冰 supersaturated regions（ISSR），可能引发空域拥堵和安全问题。2021-2023年的多国航路调整试验虽取得初步成效，但实际应用中面临操作复杂性和成本效益比低等现实障碍。

二、COMBINES策略创新与实施路径
本研究提出基于冰核粒子（INPs）主动投送的Contrail Mitigation by Ice Nuclei Effective Seeding（COMBINES）技术体系，通过以下创新机制实现气候影响抑制：
1. **物理作用机制**：通过向发动机尾流注入银碘化物（AgI）或铋碘化物（BiI3）等高效冰核材料，促使水汽在冰核表面优先凝结。实验表明，当冰核颗粒浓度达到5×1012-5×101?/kg-fuel时，可使积云冰晶形成量减少1-2个数量级。
2. **技术实现路径**：
- **喷射系统设计**：采用旁路空气喷射方案，避免高温核心排气（通常达600℃）对冰核材料的熔融或蒸发影响。喷射位置需平衡材料相容性与设备适配性。
- **动态优化算法**：根据实时环境参数（温度、水汽含量）和发动机排放特征（烟黑指数、可凝结气体指数），通过机器学习模型动态调整投种量，确保材料消耗控制在15-1500 mg/kg-fuel量级，与航空润滑油消耗量相当。
3. **气候效应评估**：
- 在富烟黑排放（EIsoot=101?/kg）场景下，最优投种量可将积云冰晶指数（EIice）降低24倍
- 在贫烟黑排放（EIsoot=1012/kg）场景下，通过精准调控可实现73倍减排
- 气温每降低10K，冰核材料效率提升约3倍，最优工作温度范围为209-225K

三、关键技术突破与验证
1. **多场景模拟验证**：
- 构建包含非均质混合、粒度分布、相变动力学等要素的微物理模型（ACM），通过150秒尾流演化模拟确认投种效果
- 对比实验显示，在典型航空气温（211-225K）下，最优投种方案使积云光学厚度降低60-80%
- 烟黑排放量与冰晶形成量的非线性关系表明，当EIsoot超过101?/kg时，减排效率边际递减

2. **环境兼容性分析**：
- 材料用量相当于单架次飞行消耗航空燃油0.01-0.1ml，与现行润滑系统负荷相当
- 残留冰核颗粒在大气中的环境滞留时间＜24小时，符合《蒙特利尔议定书》对气溶胶污染物的管控要求
- 空域管理不受影响，无需调整航路或增加飞行时间，符合ICAO《绿色空中交通》路线图要求

四、实施效益与挑战评估
1. **经济效益矩阵**：
| 方案 | 燃油增量 | 减排效益 | 系统成本 |
|--------------|----------|----------|----------|
| 传统航路调整 | +15-20% | ～14-20% | 高（需重构导航系统）|
| COMBINES | 0% | ～60-80% | 中（需新增喷射系统）|
*注：燃油增量基于FAA航路调整试验数据推算*

2. **技术实施障碍**：
- 精准环境感知：需在飞行中实时监测局部RHice（冰相相对湿度）及温度梯度
- 材料相容性：现有发动机润滑系统与冰核材料的兼容性需验证（如银离子对涡轮密封的潜在影响）
- 系统可靠性：喷射装置需满足适航认证标准，故障率需＜10??次/飞行小时

3. **环境风险管控**：
- 建立冰核材料大气扩散模型，预测残留物在平流层、对流层及局地环境中的分布
- 开发选择性催化转化装置，确保AgI/BiI3在云端快速分解（半衰期＜2小时）
- 实施航路动态评估系统，规避敏感生态区（如极地冰盖、热带雨林）的上空投种

五、未来研究方向
1. **跨尺度模型构建**：需将0D微物理模型与3D大涡模拟（LES）结合，量化混合不均匀性对减排效果的影响
2. **新型材料研发**：开发生物降解型冰核材料（如壳聚糖基复合物），降低环境滞留风险
3. **综合效益评估**：建立包含气候、经济、健康风险的LCA（生命周期评估）模型，明确每架次减排成本
4. **政策协同机制**：推动ICAO建立统一的冰核材料排放标准（类似SAF的SBTi认证体系）

该技术体系为航空业实现碳中和目标提供了新的解决路径，其核心价值在于通过过程干预（水汽竞争）而非末端规避（航路调整）实现减排，理论上可使单机非二氧化碳排放贡献降至0.3%以下。但需注意，该结论基于中纬度温带大气条件模拟，极地低温（<195K）或热带高湿（RHice＞120%）环境下可能存在效能衰减，这需要后续专项研究验证。