【研究背景及意義】

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，航空業(yè)的碳排放問題日益凸顯。可持續(xù)航空燃料(Sustainable aviation fuel, 簡稱“SAF”)被認(rèn)為是中短期實現(xiàn)民航碳減排目標(biāo)的最主要技術(shù)路徑，根據(jù)國際航空運輸協(xié)會（International Air Transport Association, LATA）的分析，到2050年，65%的碳減排將通過使用SAF來實現(xiàn)。SAF與現(xiàn)有燃料輸送基礎(chǔ)設(shè)施完全兼容，可直接與傳統(tǒng)化石基航空煤油摻混（Drop-in Blending），且?guī)缀醪恍枰獙︼w機(jī)進(jìn)行改裝便可直接使用。與化石基航油相比，SAF不僅可以提供相似的飛行動力，而且能減少80%的碳排放。目前，SAF的適航認(rèn)證需經(jīng)過一套標(biāo)準(zhǔn)化的ASTM認(rèn)證流程。該過程繁瑣且極其嚴(yán)苛，導(dǎo)致SAF研發(fā)的前期投入非常高昂。據(jù)保守估計，通過ASTM標(biāo)準(zhǔn)流程認(rèn)證一款SAF至少要投入3-5年時間、1-2億人民幣以及生產(chǎn)超過60萬升SAF樣品，且該SAF產(chǎn)品仍有很大可能不滿足適航條件。SAF研發(fā)的高風(fēng)險、高成本導(dǎo)致目前SAF的發(fā)展嚴(yán)重受限。盡管受到國際能源政策的強(qiáng)力驅(qū)動，自2009年以來，僅有幾種SAF被批準(zhǔn)商業(yè)化使用，且其產(chǎn)能不足航空煤油總市場的1%。因此，亟需開發(fā)新技術(shù)，實現(xiàn)小體積、低成本、高效率的SAF評估與初篩，快速定位具有潛在廣泛應(yīng)用前景的SAF。

【亮點創(chuàng)新】

（1）建立了小樣本學(xué)習(xí)框架，采用一種包含數(shù)據(jù)生成的多模態(tài)半監(jiān)督回歸模型，有效解決了樣本信息缺失且樣本量不足的問題。

（2）基于航油組分信息，對14個ASTM標(biāo)準(zhǔn)物性進(jìn)行實時預(yù)測，可實現(xiàn)低成本、高效率地評估和篩選具有潛力的SAFs，通過ASTM適航認(rèn)證。

（3）提出了SAF故障診斷和綜合性能優(yōu)化框架，基于多目標(biāo)遺傳算法，對航油綜合性能進(jìn)行定向優(yōu)化調(diào)控，確保其關(guān)鍵屬性滿足ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求。

【主要成果】

（1）基于多模態(tài)半監(jiān)督回歸模型和數(shù)據(jù)生成的小樣本學(xué)習(xí)框架航油的理化和燃燒特性主要受其組成分布所主導(dǎo)。因此，有潛力通過航油的組分信息來實現(xiàn)快速且可靠地甄別潛在SAF。然而，盡管目前航油的生產(chǎn)使用非常廣泛，但針對不同生產(chǎn)地點、批次的航油組分信息非常局限。為了解決數(shù)據(jù)量不足的問題，本研究開發(fā)了基于多模態(tài)半監(jiān)督回歸模型和數(shù)據(jù)生成的小樣本學(xué)習(xí)框架，能實現(xiàn)基于小數(shù)據(jù)樣本，可靠地構(gòu)建從航油組分信息到目標(biāo)參數(shù)的映射關(guān)系。本研究目標(biāo)參數(shù)選擇航油的14個關(guān)鍵理化屬性進(jìn)行映射關(guān)系構(gòu)建，分別為：密度、十六烷值、6種蒸餾溫度（0%、10%、20%、50%、90%、100%）、閃點、冰點、燃燒熱值、表面張力、-20℃和-40℃下的粘度。這14個屬性涵蓋了燃料的基本理化性能，直接影響燃料在高空低溫、極端溫度變化及高速燃燒等特定條件下的表現(xiàn)。這14個屬性也是ASTM D7566和D4054標(biāo)準(zhǔn)中定義的關(guān)鍵指標(biāo)，用于確保SAF能夠達(dá)到與傳統(tǒng)航空燃料相同的性能標(biāo)準(zhǔn)。圖1為所開發(fā)的小樣本學(xué)習(xí)框架在生成數(shù)據(jù)集上對14個關(guān)鍵屬性的預(yù)測結(jié)果。采用R-squared (R2)和Mean Absolute Error (MAE)作為模型評價指標(biāo)。從圖1可知，所有屬性在訓(xùn)練集、測試集、以及總數(shù)據(jù)集的R2均大于0.99，表示模型對數(shù)據(jù)的擬合能力非常強(qiáng)，MAE均小于0.31，表示模型的預(yù)測具有極高的準(zhǔn)確度。

圖1 小樣本學(xué)習(xí)框架對14種理化性質(zhì)的映射關(guān)系構(gòu)建結(jié)果

（2）基于航油組分信息，對實際航油的14個關(guān)鍵屬性進(jìn)行實時預(yù)測和評估基于小樣本學(xué)習(xí)框架所得到的映射關(guān)系，能實現(xiàn)基于航油化合物族分布和碳數(shù)分布信息，對實際航油的關(guān)鍵屬性進(jìn)行實時預(yù)測。將該框架應(yīng)用在傳統(tǒng)航油（Jet A、 Jet A-1、JP 5、JP 8等）、SAF（ATJ、FT、HEFA、SPK等）、兩者摻混燃料以及其他替代航油，其結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，十六烷值（DCN）、密度、20%餾出溫度、50%餾出溫度和燃燒熱值的R2均大于0.9，除-20℃粘度(R2= 0.843)和-40℃粘度（R2= 0.80），其他性能的R2均>0.85，且預(yù)測精度都在各自的ASTM容差范圍內(nèi)。另外，本研究提出的框架與現(xiàn)有框架相比，預(yù)測精度實現(xiàn)數(shù)量級提升、普適性更高、涵蓋的航油物性類別更全面，而且首次實現(xiàn)完全滿足ASTM的評估誤差。基于該框架，能實現(xiàn)在盲目擴(kuò)大SAF生產(chǎn)前，小體積、低成本、高效率地對候選SAF產(chǎn)品綜合性能進(jìn)行評估與初篩，從而極大地降低SAF的研發(fā)風(fēng)險。

（3）SAF的故障診斷和綜合性能優(yōu)化

在實際的SAF認(rèn)證過程中，SAF可能無法通過某一個或多個環(huán)節(jié)的評測。此時需要對SAF進(jìn)行故障診斷，并提出優(yōu)化方案，用以指導(dǎo)SAF制備工藝的調(diào)整。為此，本文基于多目標(biāo)遺傳算法，開發(fā)了一款創(chuàng)新的SAF故障診斷和綜合性能優(yōu)化框架，能對SAF不滿足特定測評要求的原因進(jìn)行故障分析，并在此基礎(chǔ)上，在用戶自定義限制框架（經(jīng)濟(jì)、碳足跡、適航等指標(biāo)）內(nèi)，對航油的組分信息進(jìn)行定向優(yōu)化。

圖3中展示了使用該優(yōu)化算法，對一款基于ATJ技術(shù)路徑的潛在SAF油品進(jìn)行故障診斷和優(yōu)化的動態(tài)過程。優(yōu)化的目標(biāo)為使其全部屬性滿足ASTM、傳統(tǒng)航油Jet A和Jet A-1的性能范圍要求。可以看到，所評估的SAF油品初始密度、冰點、燃燒熱值、和表面張力均不在ASTM，或Jet A和Jet A-1的范圍內(nèi)，但通過遺傳算法的逐步優(yōu)化，最終該候選SAF的全部屬性都進(jìn)入到目標(biāo)區(qū)間內(nèi)，并且燃料性能發(fā)生了很大變化。比如，密度從765 kg/L提高到798 kg/L，燃燒熱值從43.51 MJ/kg降低到42.9 MJ/kg，表面張力從25.1提高到27.7等。優(yōu)化后屬性都完全符合Jet A和Jet A-1的物性范圍。優(yōu)化前該候選SAF的異構(gòu)烷烴（iso-paraffins），正構(gòu)烷烴（n-paraffins），和單環(huán)烷烴（monocycloparaffin）的質(zhì)量百分比占比較高分別為51.5%，14.2%，16.5%，優(yōu)化后分別為23.02%，16.21%，19.84%。該優(yōu)化框架能根據(jù)用戶需求對航油綜合性能進(jìn)行定向優(yōu)化調(diào)控，并診斷SAF油品故障，為SAF生產(chǎn)商提供反饋信息，指導(dǎo)制備工藝優(yōu)化方向。

圖3 基于ATJ技術(shù)路徑的潛在SAF油品動態(tài)診斷和優(yōu)化過程

【小結(jié)】

本研究發(fā)展了針對航油的小樣本學(xué)習(xí)框架，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了準(zhǔn)確可靠的航油組分和關(guān)鍵理化屬性之間的映射關(guān)系，可實現(xiàn)根據(jù)航油組分信息，對14個ASTM定義的關(guān)鍵屬性進(jìn)行實時預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了基于多目標(biāo)遺傳算法的SAF故障診斷和定向優(yōu)化框架，能給予用戶自定義需求，優(yōu)化調(diào)控候選SAF產(chǎn)品的綜合性能。本研究所提出的創(chuàng)新SAF預(yù)篩選框架，能實現(xiàn)小體積、低成本、高效率、低風(fēng)險的SAF評估與初篩，以及SAF性能的定向調(diào)控，并為SAF生廠商提供反饋信息，指導(dǎo)制備工藝優(yōu)化方向。該框架將有效縮短SAF油品的開發(fā)時間，提高SAF產(chǎn)品在整個ASTM認(rèn)證過程的效率和成功率，對推動SAF的實際應(yīng)用發(fā)展和我國航空運輸業(yè)減碳進(jìn)程具有重要的應(yīng)用價值。

【北京點石高科熱島 & 定容彈科研設(shè)備助力航空燃料燃燒特性的研究】

北京點石高科自主研制的熱島、定容彈等科研設(shè)備可用于研究航空燃料在高空低溫、極端溫度變化及高速燃燒等特定條件下的表現(xiàn)。

熱島可構(gòu)建復(fù)合型實驗環(huán)境（高溫、低溫、高壓、低壓、富氧、貧氧），并對實驗過程進(jìn)行實時監(jiān)控、觀察記錄和產(chǎn)物分析，獲取關(guān)鍵參數(shù)（燃點、熱值、質(zhì)量損失、產(chǎn)物成分），用于航空燃料的燃燒或熱解特性研究。

定容彈可測試復(fù)合環(huán)境下航空燃料的燃爆特性，對實驗過程進(jìn)行實時監(jiān)測與觀察，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集與產(chǎn)物分析，用于層流燃燒、湍流燃燒、一次性燃燒、連續(xù)燃燒的研究。