通用航空活塞发动机的发展现状探析

通用航空活塞发动机的发展现状探析

唐冬冬

中国民航飞行学院遂宁分院 四川 遂宁 629000

摘要：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。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。

关键词：通用航空；活塞发动机；正向研制；关键技术；发展趋势

引言

通用航空是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括工业、农业、林业、渔业和建筑业在内的作业飞行以及医疗工业、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体积等方面的飞行活动。而航空活塞式发动机是通用航空中重要的动力组成部分。对其发展历程、现状及未来的发展趋势有必要做详细的研究，研究国外航空活塞式发动机的发展历程、技术路线及产品组合，有助于为我国的航空活塞发动机的发展树立标杆，明确研究目标和研究范围，具有非常重要意义。

1概述

近年来，随着国内通航的逐渐开放和军事应用的需求增加，我国对两万米及以下空域作业的无人机需求日益提高，各行业、各应用领域都展开了大量的无人机研究，这些无人机广泛应用了航空活塞发动机，拓展了航空活塞发动机的应用领域，并为其下一步发展指明了方向。

为了满足无人机的动力需求，促进航空活塞发动机向高空、长航时领域发展，必须发展航空活塞发动机的热管理技术。与地面环境相比，万米以上高空的散热条件恶劣，空气密度沿海拔的递减既对活塞发动机提出了增压要求，从而给热管理系统引进了增压中冷这一新的热源，又极大降低了热管理系统的散热性能。这些因素制约着航空活塞发动机性能的提升和轻量化的发展，成为了困扰航空活塞发动机技术突破的瓶颈之一。

目前，国内的航空活塞发动机热管理技术的研究以仿真分析为主，缺乏高空试验的平台和对应的高空试验数据，对高空相关的影响规律掌握不足，这一问题极大限制了航空活塞发动机热管理系统设计计算的准确度和有效性。此外，现有的航空活塞发动机热管理技术研究没有明确的发展方向，相关的研究或并于飞行器气动性能的研究或停留在散热强化的表面上，未能就高空散热规律进行归纳和理论分析。

2国内外发展现状

2.1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。

2.2国内产业现状

中国通航明显落后于西方先进国家。2020年底，中国通航飞机数量仅有2892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。

3活塞式航空发动机研制技术路线

3.1航空重油发动机逐渐成为航空活塞发动机的主流

目前航空汽油型活塞发动机市场占比较重，重油型航空活塞发动机无论从数量，还是种类方面，都占比较少。这主要与航空活塞发动机的发展历史和技术成熟度有较大关系。但随着重油燃料供应不断提升，各方面优势慢慢凸显，未来航空活塞发动机将以重油为主流的发展趋势。

3.2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。

3.3综合热管理系统的研究

综合热管理系统的研究是将燃油舱，动力舱、乘员舱等热量集中起来进行分析，通过热流的合理分配实现热量管理，是真正意义上的热管理系统，对热流控制提出的要求也更高。燃油热沉的热管理系统是最简单的综合热管理系统，即将燃油舱的冷源和动力舱的热源连接起来，利用燃油为动力舱散热。某学者设计了几套无人机综合热管理方案，不同的负载情况适用不同的综合热管理方案。在低负载工况下，燃油系统、通风系统和液冷系统构成一个热管理系统，该系统基本等同燃油热管理系统;在有新增电子设备舱的高负载工况下，则将全部产热、散热相关的系统整合起来，得到完整的热管理系统。

结语

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。

参考文献

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