通用航空活塞發動機現狀及發展趨勢探討

摘要：闡述了通用航空產業發展現狀，從技術角度論證了活塞發動機兩種研制路線及兩種燃料選取的優缺點，結論認為：活塞發動機為動力的通航飛機將在一定時間內占據主要地位;“汽車改”研制路線在研制航空活塞發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動機將更受使用者青睞;在此基礎上為研制單位提出了正向研制活塞發動機應重點考慮的關鍵技術和零部件供應鏈問題。

關鍵詞：通用航空;活塞發動機;正向研制;關鍵技術;發展趨勢

0 ?引言

通用航空發展始于二戰后，最初以活塞發動機為動力來源。隨著渦輪燃氣發動機研制技術逐步成熟，功重比/推重比高、舒適性好的燃氣渦輪發動機逐步應用于通用航空，但經濟性占顯著優勢的活塞式航空發動機仍占據決定性的比例，在輕型低速飛機上廣泛應用。

國內在通用航空領域顯著落后于西方發達國家。自2010年以來，國家陸續出臺了發展通用航空的若干政策，并得到了積極的響應。清華大學[1]、南京航空航天大學[2-4]、北京理工大學[5～6]、蕪湖鉆石航空發動機有限公司[7]等高校和企業都開始了航空活塞發動機的研發工作，并取得了一定成果。

本文分析了通用航空活塞發動機的發展現狀，對其后續的發展趨勢和技術發展方向進行了歸納總結，以求為通航活塞發動機的后續研制提供參考依據。

1 ?國內外發展現狀

1.1 國外產業現狀

通用航空在西方發達國家發展較為成熟，其高速發展始于二戰后，于70年代步入頂峰。進入80年代，因經濟衰退、通航飛機相對飽和、技術創新少等，通用航空開始下滑并陷入低谷。90年代以來，隨著世界經濟持續增長、政府鼓勵政策的出臺，通航在90年代后半期呈現重新崛起的勢態。

通航產業主要集中在美國、歐洲、加拿大、澳大利亞等發達國家和地區。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業最為發達的國家。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。通用航空產業給美國帶來的經濟產值超過1500億美元。

多年的發展和技術積累為西方技術先進國家積累了大量的研制和使用經驗，形成了較為完善、靈活的航空活塞發動機研制體系和適航管理制度。

1.2 國內產業現狀

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%。這些數據一方面說明了國內通航產業發展滯后，另一方面也表明了中國通航產業發展的巨大潛力。

國內通航發動機整體實力較弱，是制約中國通航發展的重要因素。缺少成規模的通航發動機生產商，也缺少成熟的通航發動機產品，通航發動機基本上全部依賴進口。

2005年開始，國家陸續出臺了大量的激勵政策，通航產業開始引起國人關注，但受多方面因素制約，至今仍然發展緩慢。中航發南方工業公司的活塞6K和HS9航空活塞發動機是目前僅有的兩款適航航空活塞發動機。隨后，清華大學、南京航空航天大學、北京理工大學、蕪湖鉆石航空發動機有限公司等高校和企業也開展了通航活塞發動機的研制工作。目前絕大部分產品尚處于研制階段，還沒有達到批量裝機使用的程度。

通航活塞式發動機與車用活塞發動機有較多共性技術，供應鏈也可借用車用活塞發動機供應體系。國內車用發動機技術已有長足發展，通航活塞發動機在國內已具備了較好的研制基礎，技術難度相對較低，自主研制安全可靠的發動機具備可行性。

1.3 活塞發動機研制技術現狀

現有航空活塞發動機多機型陳舊，缺少技術創新和新技術的應用。1980年以來，通航飛機銷量大幅下跌直接影響了發動機生產商創新和開發熱情。為節約成本，各活塞發動機生產商紛紛減少新產品開發投入，將重心轉移到現有產品的維護和改型上。目前多數活塞發動機仍然是二十世紀中期的產品或改型產品，如應用最為廣泛的Lycoming系列發動機。

國內很多單位開始了航空活塞發動機的研發，但絕大多數研究均基于國外成熟的發動機改型，如將使用航空汽油點燃形式的活塞發動機改型為航空煤油點燃，真正意義上自主正向開發的研究單位并不多見。

2 ?發展趨勢分析

2.1 通航產品正快速向高端發展，但活塞類飛機仍在一定時間內占據主導地位

通用飛機主要包括通用活塞類飛機（配裝航空活塞發動機）、通用渦輪類飛機（配裝渦槳發動機、渦扇和渦噴發動機的飛機等）。活塞類飛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域的絕對主導地位。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量處于絕對領先地位。2008年以后，渦輪類飛機在銷售數量上超過了活塞類飛機，但在銷售數量上相差不大。

圖2是1980年到2017年兩類飛機的飛行作業時間對比[8]。如圖2所示，渦輪類飛機作業時間逐年提高;活塞類飛機作業時間逐年降低，下降趨勢明顯，但作業時間絕對數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時間進行了預測[8]，從預測結果來看，在未來的10年內甚至20年內，活塞類飛機的飛行作業時間仍遠高于渦輪類飛機。

2.2 通航應用向亞太等欠發達地區平衡，活塞發動機在亞太地區有較大發展空間

隨北美、歐洲等發達地區的飽和及全球經濟逐漸平衡，通航應用向欠發達地區轉移是大勢所趨。圖3、圖4分別是活塞類飛機及商務噴氣飛機銷量在全球各區域的銷售量百分比分布對比[8]。

由圖3、圖4，北美地區活塞類飛機銷量出現了比較明顯的下滑，在商務機等高端通航方面有增長趨勢。發展相對落后的亞太地區，在活塞類和商務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，航空活塞發動機在亞太地區有望出現較大的發展空間和預期（未計入2014年至2018年中國數據）。

3 ?活塞式航空發動機研制技術路線

3.1 全新研制或者由汽車發動機改型

航空活塞發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動機經航空適應性改型研制，本文稱其為“汽車改”。

全新研制的活塞發動機一般設計成水平對置的結構形式，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勢。目前在用的活塞發動機很大比例都是該類型，如Lycoming及Rotax系列產品。該類發動機雖在裝機布局和輕量化方面有較大優勢，但受制于實際用量小的限制，需要經過很長時間的使用和改進才能促成發動機的成熟完善。因為用量小，其供應鏈維系、生產組織成本及研發成本攤銷造成了發動機成本居高不下。更高投入、更長回報周期是全新研制活塞發動機路線難以解決的問題。一款航空發動機研發后，往往會應用數十年而不會做根本性的技術改動，導致技術水平相對落后。

相對全新研制路線存在的問題，基于汽車發動機進行航空適應性改進成為一條簡單可行的路線。大批量的汽車應用，大幅度拉低了“汽車改”航空發動機核心機的成本攤銷，使其具有更大市場競爭力。TAE Ceturion 2.0和AE300發動機就是基于該路線研發。長時間汽車使用經驗積累充分考核了活塞發動機核心機的可靠性;新技術、新工藝在汽車上經短短幾年的應用和改進后就可以直接應用在該類發動機上。然而，汽車發動機設計中輕量化關注度不足導致的重量偏大也被移植到改進研制的航空活塞發動機上來。絕大部分汽車發動機采用的直列氣缸結構形式不宜于在飛機上布局也是“汽車改”發動機研制路線中難以更改的弱點。

3.2 活塞式航空發動機燃油選擇

現今大部分活塞式發動機使用100LL的航空汽油。受到產量小以及更為嚴苛的生產標準的限制，只有很少幾家公司愿意或者能夠生產100LL航空汽油。這種情況已嚴重制約通航市場發展，發動機生產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。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。航煤和柴油發動機的另外一個優勢在于發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公司的第一個產品Centurion 1.7正式生產，成為首個在飛機上大規模應用的航煤發動機，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發動機就已經生產了2500多臺，共有1500多架飛機使用該發動機，是產量最大的航煤發動機。AE 300發動機2009年面世，現在在役數量近3000臺。

從制造商來看，顯然航空煤油發動機已經成為主流趨勢。賽斯納、鉆石已相繼推出航煤飛機。中航工業控股的大陸發動機公司SMA發動機的基礎上選擇了渦輪增壓柴油活塞發動機技術。

3.2.2 車用無鉛汽油

Rotax公司的活塞發動機普遍使用97號汽油。萊康明公司也計劃在不久的將來，通過對現有發動機的改進發展車用汽油發動機。使用汽油燃料的航空活塞發動機均需采用復雜的點火系統，據統計，點火系統故障率處于航空活塞發動機故障的第一位，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，技術層面上都存在一定的局限性。柴油發動機雖然燃油經濟性好，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

國內通航活塞發動機研制起步晚，通航行業發展的迅猛態勢促使很多研制單位投入到通航活塞發動機的研制工作中來，其研制路線也由基于現有機型改進逐步向正向研發轉變。對于正向新研發動機抑或“汽車改”路線均有兩個核心問題需要解決以確保產品研制得以成功。

首先需要解決的是發動機電控系統、燃油系統和渦輪增壓系統（如果有）的技術突破。前述幾個系統目前均為個別技術先進公司壟斷，且與車用系統存在較大差異，是正向研制航空活塞發動機最需要突破的核心技術問題。其次，需要解決的是航空活塞發動機零部件的供應鏈問題。航空活塞發動機不同于汽車發動機，其批量小，質量要求高，受制于成本和市場等因素制約，零備件的長期持續供應是投放市場后產品能否存活的關鍵問題。

4 ?結論

①通航飛機動力系統正快速向燃氣渦輪發動機發展，以活塞發動機為動力的通航飛機將在一定時間內占據主要地位。

②“汽車改”研制路線能有效降低活塞發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動機將更受使用者青睞。

④電控系統、燃油系統和渦輪增壓系統是正向研制中需要解決的關鍵技術問題，零備件長期供應是投放市場后產品能否存活的關鍵問題。

參考文獻：

[1]馮光爍，周明.重油航空活塞發動機技術路線分析[J].清華大學學報（自然科學版），2016，56（10）：1114-1121.

[2]李冰林，魏民祥.活塞式發動機燃燒煤油研究現狀與技術分析[J].小型內燃機與摩托車，2012（06）.

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[8]General Aviation Manufacturers Association， 2018 ANNUAL REPORT. 2018.