通用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討

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(dòng)機(jī)兩種研制路線及兩種燃料選取的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)論認(rèn)為：活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)將在一定時(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)應(yīng)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵技術(shù)和零部件供應(yīng)鏈問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：通用航空;活塞發(fā)動(dòng)機(jī);正向研制;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

0 ?引言

通用航空發(fā)展始于二戰(zhàn)后，最初以活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力來(lái)源。隨著渦輪燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)逐步成熟，功重比/推重比高、舒適性好的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)逐步應(yīng)用于通用航空，但經(jīng)濟(jì)性占顯著優(yōu)勢(shì)的活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍占據(jù)決定性的比例，在輕型低速飛機(jī)上廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)在通用航空領(lǐng)域顯著落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。自2010年以來(lái)，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)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(dòng)機(jī)有限公司[7]等高校和企業(yè)都開(kāi)始了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其后續(xù)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了歸納總結(jié)，以求為通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)研制提供參考依據(jù)。

1 ?國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

通用航空在西方發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)入80年代，因經(jīng)濟(jì)衰退、通航飛機(jī)相對(duì)飽和、技術(shù)創(chuàng)新少等，通用航空開(kāi)始下滑并陷入低谷。90年代以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)、政府鼓勵(lì)政策的出臺(tái)，通航在90年代后半期呈現(xiàn)重新崛起的勢(shì)態(tài)。

通航產(chǎn)業(yè)主要集中在美國(guó)、歐洲、加拿大、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)是世界通用航空產(chǎn)業(yè)最為發(fā)達(dá)的國(guó)家。2016年美國(guó)擁有通用飛機(jī)超過(guò)22.3萬(wàn)架，占世界總量的62%，年飛行時(shí)間近2500萬(wàn)小時(shí)。通用航空產(chǎn)業(yè)給美國(guó)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過(guò)1500億美元。

多年的發(fā)展和技術(shù)積累為西方技術(shù)先進(jìn)國(guó)家積累了大量的研制和使用經(jīng)驗(yàn)，形成了較為完善、靈活的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研制體系和適航管理制度。

1.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

中國(guó)通航明顯落后于西方先進(jìn)國(guó)家。2018年底，中國(guó)通航飛機(jī)數(shù)量?jī)H有3380架，不足全球總量的5‰，飛行時(shí)間僅達(dá)到美國(guó)的2%。這些數(shù)據(jù)一方面說(shuō)明了國(guó)內(nèi)通航產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，另一方面也表明了中國(guó)通航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大潛力。

國(guó)內(nèi)通航發(fā)動(dòng)機(jī)整體實(shí)力較弱，是制約中國(guó)通航發(fā)展的重要因素。缺少成規(guī)模的通航發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商，也缺少成熟的通航發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，通航發(fā)動(dòng)機(jī)基本上全部依賴進(jìn)口。

2005年開(kāi)始，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了大量的激勵(lì)政策，通航產(chǎn)業(yè)開(kāi)始引起國(guó)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(dòng)機(jī)是目前僅有的兩款適航航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)有限公司等高校和企業(yè)也開(kāi)展了通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。目前絕大部分產(chǎn)品尚處于研制階段，還沒(méi)有達(dá)到批量裝機(jī)使用的程度。

通航活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)與車用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有較多共性技術(shù)，供應(yīng)鏈也可借用車用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)體系。國(guó)內(nèi)車用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已有長(zhǎng)足發(fā)展，通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)已具備了較好的研制基礎(chǔ)，技術(shù)難度相對(duì)較低，自主研制安全可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)具備可行性。

1.3 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)有航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)多機(jī)型陳舊，缺少技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)的應(yīng)用。1980年以來(lái)，通航飛機(jī)銷量大幅下跌直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)熱情。為節(jié)約成本，各活塞發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商紛紛減少新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投入，將重心轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有產(chǎn)品的維護(hù)和改型上。目前多數(shù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是二十世紀(jì)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(dòng)機(jī)。

國(guó)內(nèi)很多單位開(kāi)始了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，但絕大多數(shù)研究均基于國(guó)外成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)改型，如將使用航空汽油點(diǎn)燃形式的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)改型為航空煤油點(diǎn)燃，真正意義上自主正向開(kāi)發(fā)的研究單位并不多見(jiàn)。

2 ?發(fā)展趨勢(shì)分析

2.1 通航產(chǎn)品正快速向高端發(fā)展，但活塞類飛機(jī)仍在一定時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位

通用飛機(jī)主要包括通用活塞類飛機(jī)（配裝航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)）、通用渦輪類飛機(jī)（配裝渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)等）?；钊愶w機(jī)相比渦輪類飛機(jī)更加便宜、耗油更少，性能也能滿足大部分通航活動(dòng)需求，在2008年以前一直處于通用航空領(lǐng)域的絕對(duì)主導(dǎo)地位。圖1為1995年到2018年兩類飛機(jī)銷量對(duì)比[8]。如圖1，2008年以前活塞類飛機(jī)數(shù)量處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。2008年以后，渦輪類飛機(jī)在銷售數(shù)量上超過(guò)了活塞類飛機(jī)，但在銷售數(shù)量上相差不大。

圖2是1980年到2017年兩類飛機(jī)的飛行作業(yè)時(shí)間對(duì)比[8]。如圖2所示，渦輪類飛機(jī)作業(yè)時(shí)間逐年提高;活塞類飛機(jī)作業(yè)時(shí)間逐年降低，下降趨勢(shì)明顯，但作業(yè)時(shí)間絕對(duì)數(shù)量明顯高于渦輪類飛機(jī)。此外，GAMA還對(duì)2018年到2027年兩類飛機(jī)的飛行作業(yè)時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)[8]，從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，在未來(lái)的10年內(nèi)甚至20年內(nèi)，活塞類飛機(jī)的飛行作業(yè)時(shí)間仍遠(yuǎn)高于渦輪類飛機(jī)。

2.2 通航應(yīng)用向亞太等欠發(fā)達(dá)地區(qū)平衡，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在亞太地區(qū)有較大發(fā)展空間

隨北美、歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)的飽和及全球經(jīng)濟(jì)逐漸平衡，通航應(yīng)用向欠發(fā)達(dá)地區(qū)轉(zhuǎn)移是大勢(shì)所趨。圖3、圖4分別是活塞類飛機(jī)及商務(wù)噴氣飛機(jī)銷量在全球各區(qū)域的銷售量百分比分布對(duì)比[8]。

由圖3、圖4，北美地區(qū)活塞類飛機(jī)銷量出現(xiàn)了比較明顯的下滑，在商務(wù)機(jī)等高端通航方面有增長(zhǎng)趨勢(shì)。發(fā)展相對(duì)落后的亞太地區(qū)，在活塞類和商務(wù)噴氣飛機(jī)的銷量都有較大提升，尤其在活塞類飛機(jī)方面提升尤為顯著。由此可見(jiàn)，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)入2014年至2018年中國(guó)數(shù)據(jù)）。

3 ?活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)路線

3.1 全新研制或者由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)改型

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研制路線主要有兩條，一條路線是針對(duì)飛行器的需求全新研制;另一條路線是由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)一般設(shè)計(jì)成水平對(duì)置的結(jié)構(gòu)形式，以便于在飛機(jī)上布局。同時(shí)在輕量化方面考慮得更多，重量方面具有較大優(yōu)勢(shì)。目前在用的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)很大比例都是該類型，如Lycoming及Rotax系列產(chǎn)品。該類發(fā)動(dòng)機(jī)雖在裝機(jī)布局和輕量化方面有較大優(yōu)勢(shì)，但受制于實(shí)際用量小的限制，需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的使用和改進(jìn)才能促成發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟完善。因?yàn)橛昧啃?，其供?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(dòng)機(jī)成本居高不下。更高投入、更長(zhǎng)回報(bào)周期是全新研制活塞發(fā)動(dòng)機(jī)路線難以解決的問(wèn)題。一款航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)后，往往會(huì)應(yīng)用數(shù)十年而不會(huì)做根本性的技術(shù)改動(dòng)，導(dǎo)致技術(shù)水平相對(duì)落后。

相對(duì)全新研制路線存在的問(wèn)題，基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行航空適應(yīng)性改進(jìn)成為一條簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)核心機(jī)的成本攤銷，使其具有更大市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。TAE Ceturion 2.0和AE300發(fā)動(dòng)機(jī)就是基于該路線研發(fā)。長(zhǎng)時(shí)間汽車使用經(jīng)驗(yàn)積累充分考核了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)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(jìn)后就可以直接應(yīng)用在該類發(fā)動(dòng)機(jī)上。然而，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)研制的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上來(lái)。絕大部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用的直列氣缸結(jié)構(gòu)形式不宜于在飛機(jī)上布局也是“汽車改”發(fā)動(dòng)機(jī)研制路線中難以更改的弱點(diǎn)。

3.2 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油選擇

現(xiàn)今大部分活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)使用100LL的航空汽油。受到產(chǎn)量小以及更為嚴(yán)苛的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)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(yán)重制約通航市場(chǎng)發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商不得不尋求新的替代燃料。這就促進(jìn)了使用航空煤油或柴油、車用無(wú)鉛汽油兩個(gè)發(fā)展方向。

3.2.1 航空煤油或柴油

航煤或柴油是一個(gè)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(diǎn)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(dòng)機(jī)的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)產(chǎn)品Centurion 1.7正式生產(chǎn)，成為首個(gè)在飛機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用的航煤發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后Austro公司的AE 300和SMA公司的SMA 305也取得了適航證。2008年初，Centurion發(fā)動(dòng)機(jī)就已經(jīng)生產(chǎn)了2500多臺(tái)，共有1500多架飛機(jī)使用該發(fā)動(dòng)機(jī)，是產(chǎn)量最大的航煤發(fā)動(dòng)機(jī)。AE 300發(fā)動(dòng)機(jī)2009年面世，現(xiàn)在在役數(shù)量近3000臺(tái)。

從制造商來(lái)看，顯然航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為主流趨勢(shì)。賽斯納、鉆石已相繼推出航煤飛機(jī)。中航工業(yè)控股的大陸發(fā)動(dòng)機(jī)公司SMA發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上選擇了渦輪增壓柴油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

3.2.2 車用無(wú)鉛汽油

Rotax公司的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)普遍使用97號(hào)汽油。萊康明公司也計(jì)劃在不久的將來(lái)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)發(fā)展車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。使用汽油燃料的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)均需采用復(fù)雜的點(diǎn)火系統(tǒng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)火系統(tǒng)故障率處于航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)故障的第一位，且顯著高于其他故障。

目前來(lái)看，無(wú)論是使用航空煤油/柴油，還是使用無(wú)鉛汽油，技術(shù)層面上都存在一定的局限性。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)雖然燃油經(jīng)濟(jì)性好，但笨重的機(jī)體致使功重比遠(yuǎn)低于同等水平的其他發(fā)動(dòng)機(jī)，如能在功重比方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步，必將前景廣闊。

3.3 正向研制中的核心問(wèn)題

國(guó)內(nèi)通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)研制起步晚，通航行業(yè)發(fā)展的迅猛態(tài)勢(shì)促使很多研制單位投入到通航活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作中來(lái)，其研制路線也由基于現(xiàn)有機(jī)型改進(jìn)逐步向正向研發(fā)轉(zhuǎn)變。對(duì)于正向新研發(fā)動(dòng)機(jī)抑或“汽車改”路線均有兩個(gè)核心問(wèn)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(dòng)機(jī)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(gè)系統(tǒng)目前均為個(gè)別技術(shù)先進(jìn)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(dòng)機(jī)最需要突破的核心技術(shù)問(wèn)題。其次，需要解決的是航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的供應(yīng)鏈問(wèn)題。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不同于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，其批量小，質(zhì)量要求高，受制于成本和市場(chǎng)等因素制約，零備件的長(zhǎng)期持續(xù)供應(yīng)是投放市場(chǎng)后產(chǎn)品能否存活的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 ?結(jié)論

①通航飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)正快速向燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展，以活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的通航飛機(jī)將在一定時(shí)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(dòng)機(jī)研制周期和成本，在研制成熟可靠、有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面具有更大的可行性。

③如在功重比方面有所改進(jìn)和突破，采用航煤或柴油作為燃料的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題，零備件長(zhǎng)期供應(yīng)是投放市場(chǎng)后產(chǎn)品能否存活的關(guān)鍵問(wèn)題。

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