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（来源：CBC全球生物质能源）
摘 要∶
可持续航空燃料被视为航空碳减排的重要手段。航空燃料作为航空发动机的特殊部件，安全性认证是其应用的最重要前提。适航标准和燃油技术标准共同指导可持续航空燃料的发展，并形成了燃料相关的安全标准体系。为促进我国建立自主可持续航空燃料安全标准体系，对现行相关标准进行了梳理和分析。选取其中最具代表的 ASTM D4054 和 ASTM D7566 标准，全面回顾了演变历程，总结了修订方向。研究发现：可持续航空燃料相关标准体系的修订主要集中在认证主体、审批流程、燃料性质和测定方法要求4 个方面。展望了我国自主认证体系发展趋势，结合我国航空业发展现状，提出了本土产业兼容的可持续航空燃料安全认证流程，为完善我国自主可持续航空燃料安全标准体系提供了技术支持。
关键词：可持续航空燃料；安全性；适航性；认证标准；发展历程；趋势分析
随着航空业的发展，民航逐渐成为人类长途旅行的主要交通工具之一，民航碳排放增长迅猛。航空业二氧化碳排放量占人类活动排放量的 2%，在交通运输领域，航空业的二氧化碳排放量占所有交通运输来源的 12%[1]。此外，民航客运需求持续快速增长，全球客运公里数每年增长近 5%[2]。在航空运力需求的飞速增长下，基于管理和运行手段的减排方案通常只能达到放缓碳排放增速的效果。若以碳减排甚至碳中和为目标，低碳方案的核心需从航空器的能源入手。航空业一直在积极探索清洁、低排放的能源技术，以生物质燃料为代表的可持续航空燃料（SAF）已成为航空碳减排的首选方案。
SAF 是符合可持续性标准的、由可再生或废物制造的航空替代燃料[3]。使用 SAF 可以有效减少氮氧化物、碳烟颗粒[4] 等多种发动机污染物排放[5-6]。与传统航空燃料相似，SAF 主要由多种不同的碳氢化合物构成，应用时的燃烧过程难以脱碳，但由于碳捕捉与碳封存，一些 SAF 的全生命周期碳吸收量可能超过排放量，从而实现零碳甚至负碳排放[6-7]。此外，与电能、氢能等其他绿色航空新能源相比，SAF 具有能量密度高、制备方式灵活、与现有航空动力系统兼容度高等优势,无须对当前的飞机/发动机结构进行根本性的重新设计[8]。
这些特点使 SAF 对民航业具有吸引力。2013年，国际民航组织第 38 届会议宣布了一系列措施，以确保航空业的碳中和增长目标，其中包括大规模扩大 SAF 应用。国际航空运输协会（IATA）估计，SAF 将为 2050 年实现净零碳排放做出约 65%的贡献[9]。2016 年 10 月，国际民航组织（ICAO）在第 39 届大会通过了第 1 个全球性行业减排市场机制，即国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA），并在其中强调了 SAF 的重要性。航空业也由此成为世界上第 1 个由各国政府协定实施全球碳中和措施的行业。全球航空业正在积极推进SAF 的研究，然而，目前的航空市场依然以传统的化石燃料为主导，SAF 的应用远不及预期。
安全性认证标准体系是 SAF 面临的瓶颈问题之一。航空燃料被认为是发动机更换最频繁的特殊“部件”[10]，而安全性是新燃料用于航空发动机的最重要的先决条件。对于航空发动机，燃料直接影响着点熄火性能[11] 和热端部件寿命[12-13]，极端情况下还可能导致危害性后果的发生。为保障 SAF 的安全性，各国际组织、民航局方、行业协会等分别制定了安全标准来规范新型航空燃料的开发，并随着相关技术的进步而多次修订。我国“双碳”政策的不断推进，航空业减碳降碳日益紧迫，而相关的燃料标准体系目前正处于借鉴向自主的转变阶段。全面梳理燃料相关安全标准的演变历程，总结标准的修订趋势，结合行业发展方向，从航空发动机安全的角度对标准体系进行分析和讨论，对我国自主的 SAF 安全标准体系的建立和完善，具有十分重要的意义。
1 航空燃料相关安全标准
安全性是指系统避免导致死亡、受伤、职业病、设备或财产的损坏、环境破坏的能力[14]。作为民用交通工具，飞机和航空发动机的安全性是其最重要的属性。安全性是任何新技术应用的核心前提之一。为了维护公众利益和航空产业的有序发展，各航空大国均采用安全标准体系以保障航空器和发动机设计、制造和使用全过程的安全性水平。
适航标准与燃油技术标准共同约束着 SAF的发展。由于标准的安全意图不同，这两类标准对 SAF 的安全要求有显著差异。适航标准以飞机或航空发动机为目标，主要关注燃料应用后的
设备运行安全性。而燃油技术标准则以燃料为认证对象，对燃料的组分和理化特性提出了规范要求。在实践中，这两类标准的适用范围存在交集，并且互相引用，形成了 SAF 相关的安全标准体系。安全标准作为适航体系的一部分，可以综合保障航空燃料在发动机应用中的各方面安全。同时，安全标准也为新型航空燃料研究提供了明确的目标。
1.1 适航标准
适航局方负责审查与飞机和航空发动机安全评估有关的要素。SAF 与其他航空产品一样，使用在航空器上应经过适航验证，满足飞机和发动机的操作限制以及性能要求， 并符合适航标准[15-16]。
适航规章中包含与燃料有关的标准和章节。例如，我国民航规章 CCAR-33.35、 CCAR-33.67、CCAR-34.81 等；美国联邦航空规章 FAR-25.1521、FAR-25.1583、FAR-33.7、FAR-34.11 等；以及欧洲适航审定规范 CS-E 560、CS-E 660、CS-E 670 等。早期的适航标准仅针对以石油为原料的常规航空燃料。然而，新的燃料制备技术的出现，使航空燃料可以从其他原材料中生产，如固体废物、能源作物和动物油脂等。随着航空业对 SAF 需求的增加，适航标准中逐渐增加了新型航空燃料的相关要求。
以美国 FAR 为例，在其咨询通告 AC 20-24D[17]中提供了多方面的航空燃料审批指导，包括发动机运行限制、燃料规格和标准，以及推进燃料认证计划等。虽然咨询通告并不是强制性的，但其形成来自于局方和工业方在适航符合性表明方面的广泛经验。申请人通常遵循咨询通告来证明适航符合性，并将其视为适航规章和标准的特殊延伸。
由于燃料的特殊性，适航主管部门通常参考燃油行业技术标准进行审批。在 AC 20-24D 中，引用了多种燃油技术标准，包括美国军用燃料标准；美国材料与试验协会（ASTM）标准；国际燃料规范标准（如中国国家标准、俄罗斯国家标准、加拿大通用标准、英国国防标准等），以及其他政府、军事或行业共识的标准。这些成熟标准均可作为航空燃料的操作限制。并且对于独立的燃料规格标准，如果提供了与上述成熟标准的相当的属性、性能和质量控制，也可以作为燃料操作限制。
对于新型航空燃料，当满足合成航空燃料技术标准时，可由适航局方和发动机设备制造商评估其适用性，若经过评审后被认为是无须改变发动机使用限制的即用性（drop-in）燃料则可以直接用于航空发动机。而对于其他的新型燃料，在从航空发动机安全性角度对新型航空涡轮燃料进行评估时，需要考虑几乎所有与航空发动机安全问题相关的因素，包括燃烧特性的差异导致的温度、压力、沉积物积累、燃料润滑、燃料气化等影响。在 AC 20-24D 中，列出了近 20 项适用于增加航空燃料作为操作限制的相关适航条款，如表 1 所示。但值得注意的是，现行 AC 20-24D 一定程度忽略了集成验证，缺少 33.75 等系统安全性相关条款的评估要求。
1.2 燃油技术标准
作为化学合成材料，SAF 通常还要符合相关的燃油技术标准。燃油技术标准旨在确定燃料是否适合现有的飞机、发动机、航空运营和供应基础设施。燃油技术标准的制定还需要考虑与航空燃料相关的技术、法律和财务方面的相互作用，综合各方的要求[18]。
多个国家的行业协会和组织制定了燃料相关技术标准，如表 2 所示。这些燃油标准按适用范围可分为 3 类。
1） 针对以石油为原料的传统航空燃料的标准：以 GB 6537、ASTM D1655、ASTM D7223、DEFSTAN 91-091 为代表。由于这些标准的适用对象是经过成熟工艺和原料炼制而成的传统航空燃料，因此主要是燃料组分和理化性质要求，包括热值、挥发性、流动性、腐蚀和热稳定性等。各标准包含不同的测试程序和方法，但在性质要求上差异较小。
2） 针对经验证的新型航空涡轮燃料的标准：如 MH/T 6106、 CTSO 2C701a、 ASTM D7566 等。这些标准不仅要求新燃料的理化性质，还对燃料的原料和炼制工艺提出约束。经这类标准认证的 SAF 需要以规定比例与传统航空燃料掺混使用，掺混后的燃料的使用条件与传统航空燃料基本一致。
3） 针对全新原料或炼制工艺的新型航空涡轮燃料的标准：其中最具代表性的是 ASTM 发布的新型航空涡轮燃料认证和批准程序标准 ASTMD4054。这类标准旨在指导新燃料的制备厂商通过 1 个确定的评估过程，包含程序和相关测试方法。通过认证的燃料及其炼制工艺将被列入上述第 2 类标准。
燃料规范方面，燃油技术标准基于常规喷气燃料充足的安全经验，对燃料的成分、挥发性、流动性、腐蚀性、热稳定性等数十项性能规定了边界。一方面，燃料层级的约束可以有效地避免储运设备的兼容性隐患以及与现有常规航空燃料混合的问题。但另一方面，燃料层级的认证本质上要求 SAF 与常规航空煤油高度相似，限制了 SAF的潜力。
此 外， 一些航空发动机原始设备制造商（OEM）也制定了企业内部的燃油技术标准，例如通用公司（GE）的 D50TF2 和普惠公司（P&W）的CPW 46，这些企业标准基于行业标准制定，但在测试项目和需求范围上有所差异。两类标准的特征如图 1 所示，以 AC 20-24D为代表的适航标准从飞机和发动机层级约束SAF，安全性保障相对充分，但通用性不足；而ASTM- D4054 和 D7566 燃油技术标准从理化性质层级约束 SAF，通用性较强但安全性保障不充分。我国燃油技术标准仍处于起步阶段，CTSO标准体系很大程度参考了 ASTM 标准，但由于缺乏相应积累，一些认证环节无法开展，使其通用性与安全性保障都有所下降；并且目前暂未形成类似于 AC 20-24D 的适航规章咨询通告，从适航角度进行认证评估的航空燃料标准，认证体系不完善。
2 燃油技术标准发展历程与趋势
对标准发展历程的梳理，既是对历史经验的总结，也预示着未来的发展趋势。SAF 的相关标准随着燃料技术的发展而经历了数次修订。
ASTM D4054 和 ASTM D7566 是 SAF 最具代表性的标准，影响着各国相关标准的发展方向。
例如，我国的 CTSO 2C701a《含合成烃民用航空喷气燃料》 主要参考 了 ASTM D7566。本章选 取ASTM D7566 和 ASTM D4054 为对象[19]，回顾了SAF 相关标准的修订历程。
ASTM D4054 最初发布于 1981 年，但长期作为燃料添加剂的审批标准。直至 2009 年，随着对新燃料需求的增加，ASTM 将该标准重新命名，并大幅修订了适用范围、要求和审批流程，将新型燃料纳入审批范围。而 ASTM D7566 最初发布于 2009 年，此后每年都对内容进行了更新。如图 2 所示，近年来航空燃料研究快速发展，ASTMD4054 与 ASTM D7566 随之频繁修订， ASTM D4054 至今已发布 14 个版本，ASTM D7566 至今已有 34 个版本，并且修订频率有上升趋势。
具体到修订方向，如表 3 所示，通过对 ASTMD7566 和 ASTM D4054 的修订历程梳理可以看出，SAF 相关标准的修订主要集中在以下 4 个方面。
2.1 认证主体
ASTM D4054 是新燃料审查的主要标准，OEM在燃料审查中承担的责任正在不断上升。在D4054-09（-09 为 ASTM 标准修订号，代表 2009 年发布的版本，下同）中明确指出，OEM 全权负责在各自的发动机和机身中批准燃料或添加剂，美国联邦航空局（FAA） 和欧洲航空安全局 （EASA）等机构参与监管；在 D4054-17 中进一步强化了OEM 的认证责任，并强调 ASTM 不负责具体的评估工作；D4054-21 则增设了小组委员会，并依赖于 OEM 和 FAA 的建议，以确定燃料或添加剂是否可用于飞机和发动机。这体现了发动机应用为导向的燃料认证趋势。但是对于我国而言，国内OEM 相关技术积累不充分，难以采用 OEM 主导的认证模式。
2.2 审批流程
D4054-09 规定了首个新型航空涡轮燃料审批流程。完成该流程成本高、 消耗大。根 据D4054 的估算，发动机整机测试最多可消耗待认证燃料 851 718 L。然而，依靠对替代航空燃料进行测试的充分经验基础，ASTM 建立了快速审批路径（fast track）。因此，在 D4054-19 中，提出了快速审批路径和相应的附件，用以简化部分燃油的认证流程。在 D4054-20 和 D4054-22 中，该路径被进一步细化。如图 3 所示，满足快速审批路径要求的燃料可以跳过 4 个层级的测试，直接提交研究报告，若通过认证小组投票，则可以以最多10% 的掺混比添加至常规燃料中。需要注意的是，投票的方式很大程度依赖监管经验，缺乏客观标准，对于 SAF 而言，可能会预留较大裕度，且存在国际博弈等因素，不利于新技术的发展。
2.3 燃料性质要求
在部分燃料正式投入使用后，新的问题开始逐步暴露。为了与时俱进地解决这些问题，标准中的性质要求也不断细化。在 D7566-10 中，增加了悬浮物、“臭鸡蛋”气味的相关要求，以检测微生物污染情况；D7566-10a 中，在金属元素范围中增加了锂元素的要求范围；D7566-14c 细化了热稳定性要求等。其中，部分燃料性质的约束可能缺乏客观标准，例如很难从工程的角度找到 1 个原因来解释为什么如果涡轮燃料的密度高于850 kg/m3 无法通过审批[22]。另外，附件的更新是D7566 修订中最重要的方向之一，被 D4054 认证过的燃料工艺及其原料将列入 D7566 范围，相应的详细燃料性质要求以附件的形式加入至 D7566标准中，至今 D7566 已包含 7 个附件，即 7 种合成燃料制备工艺。
2.4 测定方法
ASTM D4054 和 D7566 都涉及多种燃料性质的测定，可接受的测试方法和标准持续增加。有接近 20 次的标准修订涉及了试验方法的更新。例如 D7566-12 将能源研究所制定的相关标准纳入引用文件，作为可选测试标准；D4054-16 针对闪点、净热、电导率、动态黏度和密度、氢和部分金属元素的测试方法；D7566-20c 增加了闪点、冰点、烟点和芳烃的测试方法。
3 自主认证体系发展展望
3.1 自主认证体系发展趋势
为推动我国 SAF 发展，亟须制定自主认证体系。结合国际航空燃料标准发展趋势，以及国内航空业发展现状，如图 4 所示，未来 SAF 自主认证体系发展应具有以下特征。
3.1.1 基于标准化认证设施
ASTM D4054 所采用的燃料工艺审批路径中OEM 承担了大量的审查责任，测试项目与测试设备都依赖于 OEM 的建议。对于我国而言，商用大型航空发动机起步较晚，仍处于发展阶段，自主发动机型号数量不足，商用航空市场由国外发动机占主导地位，当前的认证模式难以开展。为解决这一问题，应打破燃料认证与 OEM 绑定的认证逻辑，由局方或工业方作为认证的审查主体，建立由局方主导、研究机构参与评估、工业方参与设计的标准化认证设施，并制定基于标准化认证设施的认证流程与标准，从而避免燃料认证与OEM 绑定的弊端。不同类型的发动机将采用对应的标准认证设施。并且标准燃烧室和标准发动机的选取应具备以下特征：①具有同类型发动机代表性；②良好的可测试性；③燃油消耗小。
3.1.2 试验、仿真与分析相结合
SAF 认证通常处于研发阶段，燃料成品的产量不足，认证燃料消耗过高将极大提高燃料认证和研发的难度。同时，航空发动机系统的安全水平是故障概率和后果严重程度的综合，仅通过有限次的测试难以获得失效概率结果。因此自主认证体系应采用试验、仿真与分析相结合开展。在试验的基础上，融合故障树分析（FTA）、失效模式与影响分析（FMEA） 、基于模型的安全分析（MBSA）等系统安全分析工具，降低认证消耗，提高认证的安全性保障。
3.1.3 系统安全等效为目标
现行燃油技术标准在燃料组分与理化特性层级要求 SAF 与常规喷气燃料等效，限制了其化学组成。并且由于替代燃料的化学组成不能与航空煤油的组成完全一致，仅依靠理化性质无法给安全性提供足够的判据[10]。
燃料适航认证的核心目标是保障航空发动机和飞机的安全性，以航空发动机系统安全性作为核心目标，将 SAF 的认证基准从“与航空煤油相似度足够高”转变为“与航空煤油在发动机运行时的安全性水平相当”。有助于在保障系统安全水平不降低的前提下，释放 SAF 潜力。
3.1.4 解除掺混比例上限约束
当前以 ASTM 标准体系为代表的 SAF 标准，通常要求与常规航空燃料进行掺混，ASTM D7566和 CTSO 2C701a 所批准的 SAF，最高掺混比不超过 50%。随着 SAF 市场需求的增加，航空发动机可能会使用掺混比高于 50%，甚至 100% 的 SAF。罗罗集团（R-R）、赛峰集团（SAFRAN）等 OEM 已经投入 100%SAF 兼容的航空发动机测试[23-24]。此外，混合比例要求也可能涉及潜在的利益冲突，石油供应商与生物燃料供应商将燃料混合可能不符合其商业利益[22]。可以预见未来的标准将去除掺混比约束。
3.2 基于标准认证设施的自主认证流程
结合上述发展趋势，提出了基于标准设施的自主认证流程。如图 5 所示，该流程主要由 3 个阶段组成，即初步审查阶段、标准燃烧室认证阶段、标准发动机认证阶段。
在初步审查阶段，主要进行模型和少量燃油消耗的测试，包括燃料理化性能测定、仿真测试、特性和材料相容性试验、基础燃烧试验，以及安全分析工作。其中燃料理化性能测定所采用的判定准则由大量的基础研究工作得出，其范围将比现行的 D7566 或 CTSO 2C701a 更宽。
初步审查后，进行标准燃烧室认证。为解除燃料掺混比例 50% 的上限约束，燃料的认证将包含最高掺混比的测试。当初步审查结果无法支撑该燃料以 100% 的形式加注时，需要根据初步审查报告给出掺混比例建议，由申请方进行掺混比例决策，并以该掺混比进行后续审查。根据燃烧室试验结果进行该阶段的安全分析工作，并判定是否能够支持发动机级认证。
在标准发动机认证阶段，将参考 AC 20-24D规定的测试项目进行整机试验，最终由局方或研究机构根据发动机阶段安全分析报告判断待验证燃料是否满足发动机级安全性要求，并对通过认证的燃料发布技术标准规范（TSO）证明。该技术标准规范将作为 OEM 在选用兼容的 SAF 时的重要参考，从而根据发动机的需求匹配相应的燃油范围。
4 结 论
SAF 可以通过碳捕捉、碳封存等方式实现全生命周期零碳甚至负碳排放，已成为航空业中短期内实现碳中和目标的最有效的途径。认证标准
在保障安全性的同时指导着 SAF 的发展方向。本文全面梳理了包括适航标准和燃油技术标准在内的航空燃料相关的安全标准，讨论了两类标准在制定意图和评估对象上的差异。由于标准的安全意图不同，适航标准以飞机或航空发动机为目标，主要关注燃料应用后的设备运行安全性。而燃油技术标准则以燃料为认证对象，对燃料的组分和理化特性提出了规范要求。回顾了以 ASTM标准体系为代表的 SAF 安全标准的修订历程。通过对 ASTM D7566 和 ASTM D4054 的修订历程梳理，总结历年修订的主要特征和发展方向主要集中在认证主体、审批流程、燃料性质和测定方法 4 个方面。
在上述标准发展方向的基础上，结合我国本土航空业发展现状，展望我国 SAF 自主认证体系的发展趋势。将航空发动机系统安全方法融入SAF 安全评估，以系统安全等效为目标，采用试验、仿真与分析相结合的方式，提出了基于标准认证设施的自主认证流程。
持续跟踪国内外燃料认证标准及技术的动态，及时制定并修订我国自主认证标准，开展有针对性的标准研究，将有助于推动我国 SAF 的发展，实现“双碳”目标，摆脱技术发展的“环保枷锁”。
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