航空煤油發動機,輕型飛機的未來動力

2021-02-13 私人飛機

上圖為改裝使用SMA公司的SR305發動機的塞斯納182飛機,在75%巡航功率時的耗油率從使用大陸470發動機時的13多加侖/小時降低到了10加侖/小時,而在3000米以上的高度飛行時的速度更快。使用Centurion 2升航煤發動機的塞斯納172飛機,在75%巡航功率時的耗油率從使用萊康明360發動機時的9-10加侖/小時降到了5.8加侖/小時,而速度提高了近20%。

我們一想到輕型飛機自然就會想到活塞發動機,一想到活塞發動機自然就會想到航空汽油,這幾乎是順理成章的事。目前輕型是飛機使用的發動機中100馬力以下是奧地利的羅泰克斯等使用普通汽油的兩衝發動機的天地,羅泰克斯、澳大利亞的「鸛」和改裝的大眾發動機是80和100馬力的自製飛機和運動型輕型飛機發動機的主力,除此之外,全球30多萬架通航飛機中絕大多數都是使用的美國的萊康明和大陸發動機公司的四缸和六缸的四衝發動機,這些發動機喝的幾乎都是航空汽油。但是自70年代以來,航空汽油已經多次面臨生產危機。絕大多數輕型飛機現在使用的都是汽油發動機和與之相配的100號低鉛航空汽油,由於總消費量少(美國一年的航空汽油消費量只有9億升)和嚴格的質量和運輸儲存要求,各煉油公司對航空汽油的積極性越來越低,導致航空汽油的價格居高不下,在通航最發達、航空汽油消費量最大的美國也比普通車用汽油貴了一倍還多,在歐洲和亞洲等國價格更高,特別是在我國幾乎沒有供應,同時各國的廢氣排放要求也越來越嚴格。種種因素註定了航空汽油的大規模使用終將結束,可能只會為特殊用途如特技飛機和不便改裝的古董機等而少量保留使用。航油問題已經成為了通航業亟待解決的重大問題,如果沒有得到妥善的解決,全球近30萬架通航飛機中的絕大部分將在不遠的將來面臨無油可用的情況。如果航空汽油沒有了,那麼那幾十萬架輕型飛機燒什麼呢?現在看來,一是為現有航空汽油發動機研製改裝使用無鉛車用汽油的方法,二是研製航煤發動機。這兩個解決辦法各有利弊,在將來很可能互為補充。

目前比較成熟的是改裝使用無鉛車用汽油。自70年代石油危機以來,美國的實驗飛機協會(EAA)和一些廠商一直在探尋使用無鉛車用汽油的安全簡便的辦法。其實早期的活塞航空發動機本來就是使用無鉛汽油的,而且當時還只有低標號的汽油,隨著航空發動機的發展,壓縮比越來越高,出現了各種標號的航空汽油,隨後為了經濟性而逐漸統一,目前有三種辛烷值標號的航空汽油:100號高鉛(含鉛量1克/升)、100號低鉛(含鉛量0.56克/升)和82號無鉛,其中100號低鉛航空汽油使用最為普遍,82號無鉛航空汽油是為了解決含鉛航空汽油將逐步退出歷史舞臺而由FAA推薦的新品種,但到目前為止還沒有煉油商生產。與航空汽油相比,車用汽油最大的問題在於其運輸儲存過程沒有嚴格規範的質量保證體系,也就是說,各個加油站的油品質量差別可能會很大,這對於航空安全來說是絕對不允許的,而重建一套車用汽油用於航空的質量保證體系,其花費的時間和費用可能得不償失,這是輕型飛機要使用車用汽油遇到的難題。車用汽油用於航空活塞發動機的技術問題主要一是車用汽油中的添加劑特別是乙醇對於航空活塞發動機的零部件和橡膠管路有腐蝕作用,而且乙醇容易吸收水分,這些因素就造成了安全隱患,目前獲得FAA使用車用汽油許可的幾種航空活塞發動機都是明確禁止使用含有乙醇添加劑或生物燃料的車用汽油的,但是在汽油中添加乙醇或生物燃料製劑已經是各國大勢所趨的狀況,這使得輕型飛機使用車用汽油的條件更為困難。第二,也是最嚴重的問題是,車用汽油的飽和蒸汽壓較高,容易在油路中造成汽塞(vapor lock),這是非常嚴重的安全隱患。

航煤發動機從技術上說更應該是輕型飛機未來動力的終極解決方案,特別是對於我國的通航發展更有重要意義,因為航空汽油的匱乏、高價和供應不便一直是困擾我國通航企業和阻礙私人購買輕型飛機的巨大難題。如果輕型飛機能夠大規模使用航煤發動機,那麼通航機場的航油供應將大大簡化。航煤發動機跟航空汽油發動機相比,除了在燃料供應和使用上的優勢外,在性能上最大的優勢就是省油,比同馬力的活塞航發的燃油效率高30-40%,雖然功重比低一些,但是其燃油效率已經足夠抵消那多出的重量,而且航空煤油價格比航空汽油本來就低一些,這樣一來,航煤發動機的經濟性就更高了,飛行同樣距離的話,使用航煤發動機的飛機由於所需燃油少,商載也就增加了。此外,航煤發動機普遍帶渦輪增壓器,這使得它們的高空性能比活塞航發優越,爬升率更高,航煤發動機由於多在先進的車用柴油發動機基礎上研製,都使用了全數字式發動機控制系統(FADEC),實現了油門、混油器和螺旋槳槳角控制器合一的單一動力操縱杆,簡化了飛行控制,降低了飛行員負擔,也就提高了飛行安全。

使用重油的航空發動機早在20世紀30年代就出現了,齊柏林和興登堡飛艇就是使用的帶反槳的柴油發動機,那個時代最著名的是容克Jumo系列800馬力級別的柴油發動機。但老式的柴油航空發動機功重比跟迅速發展的航空汽油發動機相比太低,完全不適應二戰期間軍用的要求,二戰後,出現了噴氣發動機特別是渦槳發動機,輕型飛機使用的航空汽油發動機也已經非常成熟,重油航空發動機漸漸失去了用武之地。但是自90年代以來,小型航煤發動機逐漸引起了人們的關注,這一是由於70年代的石油危機使得人們開始注意航空發動機的燃油效率,而這是航煤發動機的一個突出優勢,二是航空汽油受市場限制,在許多國家供應困難且價格昂貴,三是各國的廢氣排放標準逐漸提高,含鉛的航空汽油和普遍使用化油器的活塞航空發動機的道路越來越窄,四是車用柴油發動機發展迅速,為航煤發動機的發展提供了很好的基礎。

歐洲各國由於航空汽油供應比北美困難得多,也昂貴得多,解決航油的緊迫性更強,因此從90年代以來就開始適合輕型飛機的300馬力以下的航空煤油發動機的研製並已經取得了成果。目前有三種航煤發動機獲得了適航證,都是歐洲公司,分別是德國Thielert公司的Centurion(135/155馬力)、德國Austro公司的AE300(166馬力)和法國SMA公司的SMA305發動機(230馬力)。1996年成立的法國SMA公司研製的5升230馬力SMA305航煤發動機於2001年獲得歐洲適航證,次年獲得美國FAA適航證,成為了第一種獲得適航證的專為輕型飛機研製的航煤發動機,到2008年底有約50臺改裝在塞斯納182和Maule飛機上,另有派柏的幾種單發和雙發機型在改裝取證過程中。2003年德國Thielert公司的Centurion發動機獲得美國適航證,初期量產為1.7升的135馬力型號,後來改進為2升的135馬力和155馬力型號,其中後者稱為Centurion 2.0S型。另外,美國Deltahawk公司、英國Wilksch公司的WAM-100航煤發動機、德國Zoche公司等也在研製100-200馬力的航煤發動機,有的已經小量生產用在自製飛機上使用並正在取證的過程中。這些航煤發動機毫無例外的都是以車用柴油發動機為基礎研製的,其中三種已經取得適航證的發動機都是在奔馳公司的車用柴油發動機的基礎上研製的,Centurion和AE300獲得奔馳公司授權後直接就是使用的奔馳發動機的缸體。其中Centurion發動機的銷售量最多,到2008年初Centurion發動機已經總共生產了2500多臺,共有1500多架飛機使用該發動機,2007年的產量為每月120臺,是產量最大的航煤發動機,主要用於鑽石公司的DA40單發四座飛機和DA42雙發四座飛機、法國Apex公司的Robin DR400單發四座飛機和塞斯納172航煤型號,SR305發動機主要用於塞斯納182和Maule飛機的改裝,AE300計劃用於替代Centurion。

如何儘快讓航煤發動機更為穩定可靠和降低改裝費用是航煤發動機快速發展的兩個難題。目前航煤發動機還在逐步完善成熟的過程中,大修間隔普遍不到2000小時,其中Centurion發動機的減速器的檢修間隔只有500小時,發動機大修間隔到期後目前採取的是整體更換,這樣一來,雖然航煤發動機的燃油效率比同功率的汽油發動機高,但平均小時使用費用更高,而且由於市場還沒有發展起來,初期費用非常高,塞斯納182改裝SR305發動機的費用達8萬5千美元,比原裝的大陸540發動機貴了近一倍。啟動航煤發動機市場的關鍵還包括儘快擴大維修服務網點,加快人員培訓。當年奧地利鑽石公司的DA-20雙座飛機本來使用的是羅泰克斯912發動機,這種發動機在對於歐洲的航空機械師來說非常熟悉,但是美國的機械師則搞不清楚912發動機的減速器和滑油系統,導致發動機故障率增加,最後鑽石公司不得不為在美國市場銷售的DA20飛機改裝美國機械師熟悉的大陸公司的100發動機,這個例子說明對於航空發動機機械人員的培訓是多麼重要,而且更重要的可能還是跟謹慎小心的機械師們的溝通,使他們接受航煤發動機,而不是出於各種原因牴觸。由於以上這些問題,再加上本身的經營問題,最耀眼的航煤發動機公司Thielert公司於2008年宣布破產。

雖然遇到了暫時的困難,航空煤油發動機仍然是輕型飛機未來發展的必然之路。無論如何,航煤發動機是輕型飛機的又一次重大發展契機,誰能夠抓住這次機遇,誰就擁有了幾十萬架通航飛機改裝的巨大市場和今後通航發動機產業的話語權,中國的通航業已經錯過了太多的發展階段,這次大換代願意並且能夠趕上嗎?

奧地利的鑽石飛機公司的DA-40四座飛機可以使用Centurion航煤發動機,空重795公斤,最大起飛重量1150公斤,起飛距離335米,鑽石公司是生產滑翔機起家的,因此DA-40的設計中也秉承了滑翔機的特徵,展弦比較大,尾部纖細,T型尾翼,雖然對速度有一些影響,但這使得它的燃油經濟性更好,3000米使用70%功率的巡航速度125節(真空速),此時耗油率為4.9加侖/小時,也就是說每百公裡8升燃油,這可是時速232公裡的耗油率,看看有多少四座汽車能跑到這個速度,在這個速度時的耗油率又是多少,又看看多少中型汽車百公裡的耗油率能達到8升,使用航煤發動機的輕型飛機的高效性可見一斑。使用航煤的DA-40飛機在3000米使用60%功率的巡航速度114節,此時耗油率僅為4加侖/小時,即每百公裡7升燃油,此時時速211公裡。DA40飛機和下面的DA42雙發四座飛機國內都有使用,其中DA40由於購買量較大,還在山東設廠組裝,國內組裝的第一批DA40最近剛剛下線,標價200萬人民幣一架,比國外的售價還要便宜一點,好像國內的DA40都是用的萊康明發動機,DA42都是用的Centurion航煤發動機,有了解情況的朋友請指正。應該說,選擇使用航煤發動機的這兩種機型作為國內的教練機是適合國情的,至少解決了燃油供應問題。

奧地利鑽石飛機公司的DA42雙發四座飛機,使用兩臺Centurion135馬力發動機,空重1272公斤,最大起飛1785公斤,3000米每臺發動機使用60%功率時的巡航速度138節(真空速),此時耗油率共8.8加侖/小時,即每百公裡13升,別忘了,這可是雙發機型的耗油率,5500米每臺發動機使用50%功率時的巡航速度135節(真空速),此時耗油率7.2加侖/小時,即每百公裡11升。2004年8月,兩名飛行員駕駛一架加裝了副油箱的DA-42飛機不加油飛越了大西洋,從加拿大飛到葡萄牙,航程3518公裡,用時12個半小時,由於天氣原因提前在葡萄牙著陸,此時機上還有5個多小時的燃油,足夠飛到預定目的地法國,總航程將達4630公裡。此次飛越基本在3300米高度,發動機使用42%,此時每臺發動機的耗油率降到了令人吃驚的11升/小時,而得益於順風,平均地面速度達到了280公裡,總共消耗272升航空煤油,即每百公裡13升,燃油費用共200美元,人均100美元,如果您有那麼好的精神可以12個小時不睡覺,那這趟旅行的費用可比乘坐民航班機便宜多啦。


已經在自製飛機上使用,正在取得FAA適航證過程中的美國三角洲之鷹公司的DH160 160馬力航煤發動機和DH180 180馬力航煤發動機,這兩種發動機的測試機型都是「速度」(velocity)四座鴨式套材飛機。通過與一架使用萊康明IO-360 200馬力航空汽油發動機的同樣機型的對比測試,使用DH160航煤發動機的「速度」飛機在3500米的真空速達到170節,而耗油率為6加侖,即每百公裡7升!此時的時速是306公裡。同樣高度使用萊康明發動機的「速度」飛機真空速168節,但耗油率為9升。當然這種測試不排除該公司的一定程度的誇大和炒作。

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