通用航空活塞發(fā)動機現(xiàn)狀及趨勢探討

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摘要：闡述了通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，從技術(shù)角度論證了活塞發(fā)動機兩種研制路線及兩種燃料選取的優(yōu)缺點，結(jié)論認為：活塞發(fā)動機為動力的通航飛機將在一定時間內(nèi)占據(jù)主要地位；“汽車改”研制路線在研制航空活塞發(fā)動機方面具有更大的可行性，采用航煤或柴油作為燃料的航空活塞發(fā)動機將更受使用者青睞；在此基礎(chǔ)上為研制單位提出了正向研制活塞發(fā)動機應(yīng)重點考慮的關(guān)鍵技術(shù)和零部件供應(yīng)鏈問題。

關(guān)鍵詞：通用航空；活塞發(fā)動機；正向研制；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢

通用航空發(fā)展始于二戰(zhàn)后，最初以活塞發(fā)動機為動力來源。隨著渦輪燃氣發(fā)動機研制技術(shù)逐步成熟，功重比/推重比高、舒適性好的燃氣渦輪發(fā)動機逐步應(yīng)用于通用航空，但經(jīng)濟性占顯著優(yōu)勢的活塞式航空發(fā)動機仍占據(jù)決定性的比例，在輕型低速飛機上廣泛應(yīng)用。國內(nèi)在通用航空領(lǐng)域顯著落后于西方發(fā)達國家。自2010年以來，國家陸續(xù)出臺了發(fā)展通用航空的若干政策，并得到了積極的響應(yīng)。清華大學(xué)[1]、南京航空航天大學(xué)[2-4]、北京理工大學(xué)[5~6]、蕪湖鉆石航空發(fā)動機有限公司[7]等高校和企業(yè)都開始了航空活塞發(fā)動機的研發(fā)工作，并取得了一定成果。本文分析了通用航空活塞發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀，對其后續(xù)的發(fā)展趨勢和技術(shù)發(fā)展方向進行了歸納總結(jié)，以求為通航活塞發(fā)動機的后續(xù)研制提供參考依據(jù)。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。通用航空在西方發(fā)達國家發(fā)展較為成熟，其高速發(fā)展始于二戰(zhàn)后，于70年代步入頂峰。進入80年代，因經(jīng)濟衰退、通航飛機相對飽和、技術(shù)創(chuàng)新少等，通用航空開始下滑并陷入低谷。90年代以來，隨著世界經(jīng)濟持續(xù)增長、政府鼓勵政策的出臺，通航在90年代后半期呈現(xiàn)重新崛起的勢態(tài)。通航產(chǎn)業(yè)主要集中在美國、歐洲、加拿大、澳大利亞等發(fā)達國家和地區(qū)。北美和歐洲銷量約占全球總銷量的70%左右。美國是世界通用航空產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達的國家。2016年美國擁有通用飛機超過22.3萬架，占世界總量的62%，年飛行時間近2500萬小時。通用航空產(chǎn)業(yè)給美國帶來的經(jīng)濟產(chǎn)值超過1500億美元。多年的發(fā)展和技術(shù)積累為西方技術(shù)先進國家積累了大量的研制和使用經(jīng)驗，形成了較為完善、靈活的航空活塞發(fā)動機研制體系和適航管理制度。1.2國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。中國通航明顯落后于西方先進國家。2018年底，中國通航飛機數(shù)量僅有3380架，不足全球總量的5‰，飛行時間僅達到美國的2%。這些數(shù)據(jù)一方面說明了國內(nèi)通航產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，另一方面也表明了中國通航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大潛力。國內(nèi)通航發(fā)動機整體實力較弱，是制約中國通航發(fā)展的重要因素。缺少成規(guī)模的通航發(fā)動機生產(chǎn)商，也缺少成熟的通航發(fā)動機產(chǎn)品，通航發(fā)動機基本上全部依賴進口。2005年開始，國家陸續(xù)出臺了大量的激勵政策，通航產(chǎn)業(yè)開始引起國人關(guān)注，但受多方面因素制約，至今仍然發(fā)展緩慢。中航發(fā)南方工業(yè)公司的活塞6K和HS9航空活塞發(fā)動機是目前僅有的兩款適航航空活塞發(fā)動機。隨后，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、蕪湖鉆石航空發(fā)動機有限公司等高校和企業(yè)也開展了通航活塞發(fā)動機的研制工作。目前絕大部分產(chǎn)品尚處于研制階段，還沒有達到批量裝機使用的程度。通航活塞式發(fā)動機與車用活塞發(fā)動機有較多共性技術(shù)，供應(yīng)鏈也可借用車用活塞發(fā)動機供應(yīng)體系。國內(nèi)車用發(fā)動機技術(shù)已有長足發(fā)展，通航活塞發(fā)動機在國內(nèi)已具備了較好的研制基礎(chǔ)，技術(shù)難度相對較低，自主研制安全可靠的發(fā)動機具備可行性。1.3活塞發(fā)動機研制技術(shù)現(xiàn)狀。現(xiàn)有航空活塞發(fā)動機多機型陳舊，缺少技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)的應(yīng)用。1980年以來，通航飛機銷量大幅下跌直接影響了發(fā)動機生產(chǎn)商創(chuàng)新和開發(fā)熱情。為節(jié)約成本，各活塞發(fā)動機生產(chǎn)商紛紛減少新產(chǎn)品開發(fā)投入，將重心轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有產(chǎn)品的維護和改型上。目前多數(shù)活塞發(fā)動機仍然是二十世紀中期的產(chǎn)品或改型產(chǎn)品，如應(yīng)用最為廣泛的Lycoming系列發(fā)動機。國內(nèi)很多單位開始了航空活塞發(fā)動機的研發(fā)，但絕大多數(shù)研究均基于國外成熟的發(fā)動機改型，如將使用航空汽油點燃形式的活塞發(fā)動機改型為航空煤油點燃，真正意義上自主正向開發(fā)的研究單位并不多見。

2發(fā)展趨勢分析

2.1通航產(chǎn)品正快速向高端發(fā)展，但活塞類飛機仍在。一定時間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位通用飛機主要包括通用活塞類飛機（配裝航空活塞發(fā)動機）、通用渦輪類飛機（配裝渦槳發(fā)動機、渦扇和渦噴發(fā)動機的飛機等）?；钊愶w機相比渦輪類飛機更加便宜、耗油更少，性能也能滿足大部分通航活動需求，在2008年以前一直處于通用航空領(lǐng)域的絕對主導(dǎo)地位。圖1為1995年到2018年兩類飛機銷量對比[8]。如圖1，2008年以前活塞類飛機數(shù)量處于絕對領(lǐng)先地位。2008年以后，渦輪類飛機在銷售數(shù)量上超過了活塞類飛機，但在銷售數(shù)量上相差不大。1980年到2017年兩類飛機的飛行作業(yè)時間對比[8]。如圖2所示，渦輪類飛機作業(yè)時間逐年提高；活塞類飛機作業(yè)時間逐年降低，下降趨勢明顯，但作業(yè)時間絕對數(shù)量明顯高于渦輪類飛機。此外，GAMA還對2018年到2027年兩類飛機的飛行作業(yè)時間進行了預(yù)測[8]，從預(yù)測結(jié)果來看，在未來的10年內(nèi)甚至20年內(nèi)，活塞類飛機的飛行作業(yè)時間仍遠高于渦輪類飛機。2.2通航應(yīng)用向亞太等欠發(fā)達地區(qū)平衡，活塞發(fā)動機。在亞太地區(qū)有較大發(fā)展空間隨北美、歐洲等發(fā)達地區(qū)的飽和及全球經(jīng)濟逐漸平衡，通航應(yīng)用向欠發(fā)達地區(qū)轉(zhuǎn)移是大勢所趨。圖3、圖4分別是活塞類飛機及商務(wù)噴氣飛機銷量在全球各區(qū)域的銷售量百分比分布對比[8]。由圖3、圖4，北美地區(qū)活塞類飛機銷量出現(xiàn)了比較明顯的下滑，在商務(wù)機等高端通航方面有增長趨勢。發(fā)展相對落后的亞太地區(qū)，在活塞類和商務(wù)噴氣飛機的銷量都有較大提升，尤其在活塞類飛機方面提升尤為顯著。由此可見，航空活塞發(fā)動機在亞太地區(qū)有望出現(xiàn)較大的發(fā)展空間和預(yù)期（未計入2014年至2018年中國數(shù)據(jù)）。

3活塞式航空發(fā)動機研制技術(shù)路線

3.1全新研制或者由汽車發(fā)動機改型。航空活塞發(fā)動機研制路線主要有兩條，一條路線是針對飛行器的需求全新研制；另一條路線是由汽車發(fā)動機經(jīng)航空適應(yīng)性改型研制，本文稱其為“汽車改”。全新研制的活塞發(fā)動機一般設(shè)計成水平對置的結(jié)構(gòu)形式，以便于在飛機上布局。同時在輕量化方面考慮得更多，重量方面具有較大優(yōu)勢。目前在用的活塞發(fā)動機很大比例都是該類型，如Lycoming及Rotax系列產(chǎn)品。該類發(fā)動機雖在裝機布局和輕量化方面有較大優(yōu)勢，但受制于實際用量小的限制，需要經(jīng)過很長時間的使用和改進才能促成發(fā)動機的成熟完善。因為用量小，其供應(yīng)鏈維系、生產(chǎn)組織成本及研發(fā)成本攤銷造成了發(fā)動機成本居高不下。更高投入、更長回報周期是全新研制活塞發(fā)動機路線難以解決的問題。一款航空發(fā)動機研發(fā)后，往往會應(yīng)用數(shù)十年而不會做根本性的技術(shù)改動，導(dǎo)致技術(shù)水平相對落后。相對全新研制路線存在的問題，基于汽車發(fā)動機進行航空適應(yīng)性改進成為一條簡單可行的路線。大批量的汽車應(yīng)用，大幅度拉低了“汽車改”航空發(fā)動機核心機的成本攤銷，使其具有更大市場競爭力。TAECeturion2.0和AE300發(fā)動機就是基于該路線研發(fā)。長時間汽車使用經(jīng)驗積累充分考核了活塞發(fā)動機核心機的可靠性；新技術(shù)、新工藝在汽車上經(jīng)短短幾年的應(yīng)用和改進后就可以直接應(yīng)用在該類發(fā)動機上。然而，汽車發(fā)動機設(shè)計中輕量化關(guān)注度不足導(dǎo)致的重量偏大也被移植到改進研制的航空活塞發(fā)動機上來。絕大部分汽車發(fā)動機采用的直列氣缸結(jié)構(gòu)形式不宜于在飛機上布局也是“汽車改”發(fā)動機研制路線中難以更改的弱點。3.2活塞式航空發(fā)動機燃油選擇?，F(xiàn)今大部分活塞式發(fā)動機使用100LL的航空汽油。受到產(chǎn)量小以及更為嚴苛的生產(chǎn)標準的限制，只有很少幾家公司愿意或者能夠生產(chǎn)100LL航空汽油。這種情況已嚴重制約通航市場發(fā)展，發(fā)動機生產(chǎn)商不得不尋求新的替代燃料。這就促進了使用航空煤油或柴油、車用無鉛汽油兩個發(fā)展方向。3.2.1航空煤油或柴油。航煤或柴油是一個更有前景的解決方式，航煤和柴油在全世界都有廣泛供應(yīng)。此外，航空煤油或柴油的燃點顯著高于汽油，使用安全性更高，因此使用航煤或柴油的航空器更受艦船的青睞。航煤和柴油發(fā)動機的另外一個優(yōu)勢在于發(fā)動機可以有更高的壓縮比和更精確的燃料控制，從而有更高的燃燒效率及更低的油耗。2002年TAE公司的第一個產(chǎn)品Centurion1.7正式生產(chǎn)，成為首個在飛機上大規(guī)模應(yīng)用的航煤發(fā)動機，隨后Austro公司的AE300和SMA公司的SMA305也取得了適航證。2008年初，Centurion發(fā)動機就已經(jīng)生產(chǎn)了2500多臺，共有1500多架飛機使用該發(fā)動機，是產(chǎn)量最大的航煤發(fā)動機。AE300發(fā)動機2009年面世，現(xiàn)在在役數(shù)量近3000臺。從制造商來看，顯然航空煤油發(fā)動機已經(jīng)成為主流趨勢。賽斯納、鉆石已相繼推出航煤飛機。中航工業(yè)控股的大陸發(fā)動機公司SMA發(fā)動機的基礎(chǔ)上選擇了渦輪增壓柴油活塞發(fā)動機技術(shù)。3.2.2車用無鉛汽油。Rotax公司的活塞發(fā)動機普遍使用97號汽油。萊康明公司也計劃在不久的將來，通過對現(xiàn)有發(fā)動機的改進發(fā)展車用汽油發(fā)動機。使用汽油燃料的航空活塞發(fā)動機均需采用復(fù)雜的點火系統(tǒng)，據(jù)統(tǒng)計，點火系統(tǒng)故障率處于航空活塞發(fā)動機故障的第一位，且顯著高于其他故障。目前來看，無論是使用航空煤油/柴油，還是使用無鉛汽油，技術(shù)層面上都存在一定的局限性。柴油發(fā)動機雖然燃油經(jīng)濟性好，但笨重的機體致使功重比遠低于同等水平的其他發(fā)動機，如能在功重比方面取得長足進步，必將前景廣闊。3.3正向研制中的核心問題。國內(nèi)通航活塞發(fā)動機研制起步晚，通航行業(yè)發(fā)展的迅猛態(tài)勢促使很多研制單位投入到通航活塞發(fā)動機的研制工作中來，其研制路線也由基于現(xiàn)有機型改進逐步向正向研發(fā)轉(zhuǎn)變。對于正向新研發(fā)動機抑或“汽車改”路線均有兩個核心問題需要解決以確保產(chǎn)品研制得以成功。首先需要解決的是發(fā)動機電控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)（如果有）的技術(shù)突破。前述幾個系統(tǒng)目前均為個別技術(shù)先進公司壟斷，且與車用系統(tǒng)存在較大差異，是正向研制航空活塞發(fā)動機最需要突破的核心技術(shù)問題。其次，需要解決的是航空活塞發(fā)動機零部件的供應(yīng)鏈問題。航空活塞發(fā)動機不同于汽車發(fā)動機，其批量小，質(zhì)量要求高，受制于成本和市場等因素制約，零備件的長期持續(xù)供應(yīng)是投放市場后產(chǎn)品能否存活的關(guān)鍵問題。

4結(jié)論

①通航飛機動力系統(tǒng)正快速向燃氣渦輪發(fā)動機發(fā)展，以活塞發(fā)動機為動力的通航飛機將在一定時間內(nèi)占據(jù)主要地位。②“汽車改”研制路線能有效降低活塞發(fā)動機研制周期和成本，在研制成熟可靠、有市場競爭力的航空發(fā)動機方面具有更大的可行性。③如在功重比方面有所改進和突破，采用航煤或柴油作為燃料的航空活塞發(fā)動機將更受使用者青睞。④電控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)是正向研制中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，零備件長期供應(yīng)是投放市場后產(chǎn)品能否存活的關(guān)鍵問題。

作者:鄭君 單位:中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司