通用航空活塞发动机现状及趋势探讨

摘要：阐述了通用航空产业发展现状，从技术角度论证了活塞发动机两种研制路线及两种燃料选取的优缺点，结论认为：活塞发动机为动力的通航飞机将在一定时间内占据主要地位；“汽车改”研制路线在研制航空活塞发动机方面具有更大的可行性，采用航煤或柴油作为燃料的航空活塞发动机将更受使用者青睐；在此基础上为研制单位提出了正向研制活塞发动机应重点考虑的关键技术和零部件供应链问题。

关键词：通用航空；活塞发动机；正向研制；关键技术；发展趋势

通用航空发展始于二战后，最初以活塞发动机为动力来源。随着涡轮燃气发动机研制技术逐步成熟，功重比/推重比高、舒适性好的燃气涡轮发动机逐步应用于通用航空，但经济性占显著优势的活塞式航空发动机仍占据决定性的比例，在轻型低速飞机上广泛应用。国内在通用航空领域显著落后于西方发达国家。自2010年以来，国家陆续出台了发展通用航空的若干政策，并得到了积极的响应。清华大学[1]、南京航空航天大学[2-4]、北京理工大学[5~6]、芜湖钻石航空发动机有限公司[7]等高校和企业都开始了航空活塞发动机的研发工作，并取得了一定成果。本文分析了通用航空活塞发动机的发展现状，对其后续的发展趋势和技术发展方向进行了归纳总结，以求为通航活塞发动机的后续研制提供参考依据。

1国内外发展现状

1.1国外产业现状。通用航空在西方发达国家发展较为成熟，其高速发展始于二战后，于70年代步入顶峰。进入80年代，因经济衰退、通航飞机相对饱和、技术创新少等，通用航空开始下滑并陷入低谷。90年代以来，随着世界经济持续增长、政府鼓励政策的出台，通航在90年代后半期呈现重新崛起的势态。通航产业主要集中在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚等发达国家和地区。北美和欧洲销量约占全球总销量的70%左右。美国是世界通用航空产业最为发达的国家。2016年美国拥有通用飞机超过22.3万架，占世界总量的62%，年飞行时间近2500万小时。通用航空产业给美国带来的经济产值超过1500亿美元。多年的发展和技术积累为西方技术先进国家积累了大量的研制和使用经验，形成了较为完善、灵活的航空活塞发动机研制体系和适航管理制度。1.2国内产业现状。中国通航明显落后于西方先进国家。2018年底，中国通航飞机数量仅有3380架，不足全球总量的5‰，飞行时间仅达到美国的2%。这些数据一方面说明了国内通航产业发展滞后，另一方面也表明了中国通航产业发展的巨大潜力。国内通航发动机整体实力较弱，是制约中国通航发展的重要因素。缺少成规模的通航发动机生产商，也缺少成熟的通航发动机产品，通航发动机基本上全部依赖进口。2005年开始，国家陆续出台了大量的激励政策，通航产业开始引起国人关注，但受多方面因素制约，至今仍然发展缓慢。中航发南方工业公司的活塞6K和HS9航空活塞发动机是目前仅有的两款适航航空活塞发动机。随后，清华大学、南京航空航天大学、北京理工大学、芜湖钻石航空发动机有限公司等高校和企业也开展了通航活塞发动机的研制工作。目前绝大部分产品尚处于研制阶段，还没有达到批量装机使用的程度。通航活塞式发动机与车用活塞发动机有较多共性技术，供应链也可借用车用活塞发动机供应体系。国内车用发动机技术已有长足发展，通航活塞发动机在国内已具备了较好的研制基础，技术难度相对较低，自主研制安全可靠的发动机具备可行性。1.3活塞发动机研制技术现状。现有航空活塞发动机多机型陈旧，缺少技术创新和新技术的应用。1980年以来，通航飞机销量大幅下跌直接影响了发动机生产商创新和开发热情。为节约成本，各活塞发动机生产商纷纷减少新产品开发投入，将重心转移到现有产品的维护和改型上。目前多数活塞发动机仍然是二十世纪中期的产品或改型产品，如应用最为广泛的Lycoming系列发动机。国内很多单位开始了航空活塞发动机的研发，但绝大多数研究均基于国外成熟的发动机改型，如将使用航空汽油点燃形式的活塞发动机改型为航空煤油点燃，真正意义上自主正向开发的研究单位并不多见。

2发展趋势分析

2.1通航产品正快速向高端发展，但活塞类飞机仍在。一定时间内占据主导地位通用飞机主要包括通用活塞类飞机（配装航空活塞发动机）、通用涡轮类飞机（配装涡桨发动机、涡扇和涡喷发动机的飞机等）。活塞类飞机相比涡轮类飞机更加便宜、耗油更少，性能也能满足大部分通航活动需求，在2008年以前一直处于通用航空领域的绝对主导地位。图1为1995年到2018年两类飞机销量对比[8]。如图1，2008年以前活塞类飞机数量处于绝对领先地位。2008年以后，涡轮类飞机在销售数量上超过了活塞类飞机，但在销售数量上相差不大。1980年到2017年两类飞机的飞行作业时间对比[8]。如图2所示，涡轮类飞机作业时间逐年提高；活塞类飞机作业时间逐年降低，下降趋势明显，但作业时间绝对数量明显高于涡轮类飞机。此外，GAMA还对2018年到2027年两类飞机的飞行作业时间进行了预测[8]，从预测结果来看，在未来的10年内甚至20年内，活塞类飞机的飞行作业时间仍远高于涡轮类飞机。2.2通航应用向亚太等欠发达地区平衡，活塞发动机。在亚太地区有较大发展空间随北美、欧洲等发达地区的饱和及全球经济逐渐平衡，通航应用向欠发达地区转移是大势所趋。图3、图4分别是活塞类飞机及商务喷气飞机销量在全球各区域的销售量百分比分布对比[8]。由图3、图4，北美地区活塞类飞机销量出现了比较明显的下滑，在商务机等高端通航方面有增长趋势。发展相对落后的亚太地区，在活塞类和商务喷气飞机的销量都有较大提升，尤其在活塞类飞机方面提升尤为显著。由此可见，航空活塞发动机在亚太地区有望出现较大的发展空间和预期（未计入2014年至2018年中国数据）。

3活塞式航空发动机研制技术路线

3.1全新研制或者由汽车发动机改型。航空活塞发动机研制路线主要有两条，一条路线是针对飞行器的需求全新研制；另一条路线是由汽车发动机经航空适应性改型研制，本文称其为“汽车改”。全新研制的活塞发动机一般设计成水平对置的结构形式，以便于在飞机上布局。同时在轻量化方面考虑得更多，重量方面具有较大优势。目前在用的活塞发动机很大比例都是该类型，如Lycoming及Rotax系列产品。该类发动机虽在装机布局和轻量化方面有较大优势，但受制于实际用量小的限制，需要经过很长时间的使用和改进才能促成发动机的成熟完善。因为用量小，其供应链维系、生产组织成本及研发成本摊销造成了发动机成本居高不下。更高投入、更长回报周期是全新研制活塞发动机路线难以解决的问题。一款航空发动机研发后，往往会应用数十年而不会做根本性的技术改动，导致技术水平相对落后。相对全新研制路线存在的问题，基于汽车发动机进行航空适应性改进成为一条简单可行的路线。大批量的汽车应用，大幅度拉低了“汽车改”航空发动机核心机的成本摊销，使其具有更大市场竞争力。TAECeturion2.0和AE300发动机就是基于该路线研发。长时间汽车使用经验积累充分考核了活塞发动机核心机的可靠性；新技术、新工艺在汽车上经短短几年的应用和改进后就可以直接应用在该类发动机上。然而，汽车发动机设计中轻量化关注度不足导致的重量偏大也被移植到改进研制的航空活塞发动机上来。绝大部分汽车发动机采用的直列气缸结构形式不宜于在飞机上布局也是“汽车改”发动机研制路线中难以更改的弱点。3.2活塞式航空发动机燃油选择。现今大部分活塞式发动机使用100LL的航空汽油。受到产量小以及更为严苛的生产标准的限制，只有很少几家公司愿意或者能够生产100LL航空汽油。这种情况已严重制约通航市场发展，发动机生产商不得不寻求新的替代燃料。这就促进了使用航空煤油或柴油、车用无铅汽油两个发展方向。3.2.1航空煤油或柴油。航煤或柴油是一个更有前景的解决方式，航煤和柴油在全世界都有广泛供应。此外，航空煤油或柴油的燃点显著高于汽油，使用安全性更高，因此使用航煤或柴油的航空器更受舰船的青睐。航煤和柴油发动机的另外一个优势在于发动机可以有更高的压缩比和更精确的燃料控制，从而有更高的燃烧效率及更低的油耗。2002年TAE公司的第一个产品Centurion1.7正式生产，成为首个在飞机上大规模应用的航煤发动机，随后Austro公司的AE300和SMA公司的SMA305也取得了适航证。2008年初，Centurion发动机就已经生产了2500多台，共有1500多架飞机使用该发动机，是产量最大的航煤发动机。AE300发动机2009年面世，现在在役数量近3000台。从制造商来看，显然航空煤油发动机已经成为主流趋势。赛斯纳、钻石已相继推出航煤飞机。中航工业控股的大陆发动机公司SMA发动机的基础上选择了涡轮增压柴油活塞发动机技术。3.2.2车用无铅汽油。Rotax公司的活塞发动机普遍使用97号汽油。莱康明公司也计划在不久的将来，通过对现有发动机的改进发展车用汽油发动机。使用汽油燃料的航空活塞发动机均需采用复杂的点火系统，据统计，点火系统故障率处于航空活塞发动机故障的第一位，且显著高于其他故障。目前来看，无论是使用航空煤油/柴油，还是使用无铅汽油，技术层面上都存在一定的局限性。柴油发动机虽然燃油经济性好，但笨重的机体致使功重比远低于同等水平的其他发动机，如能在功重比方面取得长足进步，必将前景广阔。3.3正向研制中的核心问题。国内通航活塞发动机研制起步晚，通航行业发展的迅猛态势促使很多研制单位投入到通航活塞发动机的研制工作中来，其研制路线也由基于现有机型改进逐步向正向研发转变。对于正向新研发动机抑或“汽车改”路线均有两个核心问题需要解决以确保产品研制得以成功。首先需要解决的是发动机电控系统、燃油系统和涡轮增压系统（如果有）的技术突破。前述几个系统目前均为个别技术先进公司垄断，且与车用系统存在较大差异，是正向研制航空活塞发动机最需要突破的核心技术问题。其次，需要解决的是航空活塞发动机零部件的供应链问题。航空活塞发动机不同于汽车发动机，其批量小，质量要求高，受制于成本和市场等因素制约，零备件的长期持续供应是投放市场后产品能否存活的关键问题。

4结论

①通航飞机动力系统正快速向燃气涡轮发动机发展，以活塞发动机为动力的通航飞机将在一定时间内占据主要地位。②“汽车改”研制路线能有效降低活塞发动机研制周期和成本，在研制成熟可靠、有市场竞争力的航空发动机方面具有更大的可行性。③如在功重比方面有所改进和突破，采用航煤或柴油作为燃料的航空活塞发动机将更受使用者青睐。④电控系统、燃油系统和涡轮增压系统是正向研制中需要解决的关键技术问题，零备件长期供应是投放市场后产品能否存活的关键问题。

作者:郑君 单位:中电科芜湖钻石飞机制造有限公司