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2024-07-05 16:57:07
我们一想到轻型飞机自然就会想到活塞发动机，一想到活塞发动机自然就会想到航空汽油，这几乎是顺理成章的事。目前轻型是飞机使用的发动机中100马力以下是奥地利的罗泰克斯（Rotax）等使用普通汽油的两冲发动机的天地，罗泰克斯、澳大利亚的“鸛”和改装的大众发动机是80和100马力的自制飞机和运动型轻型飞机发动机的主力，除此之外，全球30多万架通航飞机中绝大多数都是使用的美国的莱康明和大陆发动机的四缸和六缸的四冲发动机，这些发动机喝的几乎都是航空汽油。但是自70年代以来，航空汽油已经多次面临生产危机。绝大多数轻型飞机现在使用的都是汽油发动机和与之相配的100号低铅航空汽油，由于总消费量少（美国一年的航空汽油消费量只有9亿升）和严格的质量和运输储存要求，各炼油对航空汽油的积极性越来越低，导致航空汽油的价格居高不下，在通航发达、航空汽油消费量的美国也比普通车用汽油贵了一倍还多，在欧洲和亚洲等国价格更高，特别是在我国几乎没有供应，同时各国的废气排放要求也越来越严格。种种因素注定了航空汽油的大规模使用终将结束，可能只会为特殊用途如特技飞机和不便改装的古董机等而少量保留使用。航油问题已经成为了通航业亟待解决的重大问题，如果没有得到妥善的解决，全球近30万架通航飞机中的绝大部分将在不远的将来面临无油可用的情况。如果航空汽油没有了，那么那几十万架轻型飞机烧什么呢？现在看来，一是为现有航空汽油发动机研制改装使用无铅车用汽油的方法，二是研制航煤发动机。这两个解决办法各有利弊，在将来很可能互为补充。
目前比较成熟的是改装使用无铅车用汽油。自70年代石油危机以来，美国的实验飞机协会（EAA）和一些厂商一直在探寻使用无铅车用汽油的安全简便的办法。其实早期的活塞航空发动机本来就是使用无铅汽油的，而且当时还只有低标号的汽油，随着航空发动机的发展，压缩比越来越高，出现了各种标号的航空汽油，随后为了经济性而逐渐统一，目前有三种辛烷值标号的航空汽油：100号高铅（含铅量1克/升）、100号低铅（含铅量0.56克/升）和82号无铅，其中100号低铅航空汽油使用为普遍，82号无铅航空汽油是为了解决含铅航空汽油将逐步退出历史舞台而由FAA推荐的新品种，但到目前为止还没有炼油商生产。与航空汽油相比，车用汽油的问题在于其运输储存过程没有严格规范的质量保证体系，也就是说，各个加油站的油品质量差别可能会很大， 这对于航空安全来说是不允许的，而重建一套车用汽油用于航空的质量保证体系，其花费的时间和费用可能得不偿失，这是轻型飞机要使用车用汽油遇到的难题。车用汽油用于航空活塞发动机的技术问题主要一是车用汽油中的添加剂特别是乙醇对于航空活塞发动机的零部件和橡胶管路有腐蚀作用，而且乙醇容易吸收水分，这些因素就造成了安全隐患，目前获得FAA使用车用汽油许可的几种航空活塞发动机都是明确禁止使用含有乙醇添加剂或生物燃料的车用汽油的，但是在汽油中添加乙醇或生物燃料制剂已经是各国大势所趋的状况，这使得轻型飞机使用车用汽油的条件更为困难。第二，也是严重的问题是，车用汽油的饱和蒸汽压较高，容易在油路中造成汽塞(vapor lock),这是非常严重的安全隐患。
航煤发动机从技术上说更应该是轻型飞机未来动力的终极解决方案，特别是对于我国的通航发展更有重要意义，因为航空汽油的匮乏、高价和供应不便一直是困扰我国通航企业和阻碍私人购买轻型飞机的巨大难题。如果轻型飞机能够大规模使用航煤发动机，那么通航机场的航油供应将大大简化。航煤发动机跟航空汽油发动机相比，除了在燃料供应和使用上的优势外，在性能上的优势就是省油，比同马力的活塞航发的燃油效率高30-40%，虽然功重比低一些，但是其燃油效率已经足够抵消那多出的重量，而且航空煤油价格比航空汽油本来就低一些，这样一来，航煤发动机的经济性就更高了，飞行同样距离的话，使用航煤发动机的飞机由于所需燃油少，商载也就增加了。此外，航煤发动机普遍带涡轮增压器，这使得它们的高空性能比活塞航发优越，爬升率更高，航煤发动机由于多在先进的车用柴油发动机基础上研制，都使用了全数字式发动机控制系统（FADEC），实现了油门、混油器和螺旋桨桨角控制器合一的单一动力操纵杆，简化了飞行控制，降低了飞行员负担，也就提高了飞行安全。
使用重油的航空发动机早在20世纪30年代就出现了，齐柏林和兴登堡飞艇就是使用的带反桨的柴油发动机，那个时代著名的是容克Jumo系列800马力级别的柴油发动机。但老式的柴油航空发动机功重比跟迅速发展的航空汽油发动机相比太低，完全不适应二战期间军用的要求，二战后，出现了喷气发动机特别是涡桨发动机，轻型飞机使用的航空汽油发动机也已经非常成熟，重油航空发动机渐渐失去了用武之地。但是自90年代以来，小型航煤发动机逐渐引起了人们的关注，这一是由于70年代的石油危机使得人们开始注意航空发动机的燃油效率，而这是航煤发动机的一个突出优势，二是航空汽油受市场限制，在许多国家供应困难且价格昂贵，三是各国的废气排放标准逐渐提高，含铅的航空汽油和普遍使用化油器的活塞航空发动机的道路越来越窄，四是车用柴油发动机发展迅速，为航煤发动机的发展提供了很好的基础。
欧洲各国由于航空汽油供应比北美困难得多，也昂贵得多，解决航油的紧迫性更强，因此从90年代以来就开始适合轻型飞机的300马力以下的航空煤油发动机的研制并已经取得了成果。目前有三种航煤发动机获得了适航证，都是欧洲，分别是德国Thielert的Centurion（135/155马力）、德国Austro的AE300（166马力）和法国SMA的SMA305发动机（230马力）。1996年成立的法国SMA研制的5升230马力SMA305航煤发动机于2001年获得欧洲适航证，次年获得美国FAA适航证，成为了种获得适航证的专为轻型飞机研制的航煤发动机，到2008年底有约50台改装在塞斯纳182和Maule飞机上，另有派柏的几种单发和双发机型在改装取证过程中。2003年德国Thielert的Centurion发动机获得美国适航证，初期量产为1.7升的135马力型号，后来改进为2升的135马力和155马力型号，其中后者称为Centurion 2.0S型。另外，美国Deltahawk、英国Wilksch的WAM-100航煤发动机、德国Zoche等也在研制100-200马力的航煤发动机，有的已经小量生产用在自制飞机上使用并正在取证的过程中。这些航煤发动机毫无例外的都是以车用柴油发动机为基础研制的，其中三种已经取得适航证的发动机都是在奔驰的车用柴油发动机的基础上研制的，Centurion和AE300获得奔驰授权后直接就是使用的奔驰发动机的缸体。其中Centurion发动机的销售量多，到2008年初Centurion发动机已经总共生产了2500多台，共有1500多架飞机使用该发动机，2007年的产量为每月120台，是产量的航煤发动机，主要用于钻石的DA40单发四座飞机和DA42双发四座飞机、法国Apex的Robin DR单发四座飞机和塞斯纳172航煤型号，SR305发动机主要用于塞斯纳182和Maule飞机的改装，AE300计划用于替代Centurion。
如何尽快让航煤发动机更为稳定可靠和降低改装费用是航煤发动机快速发展的两个难题。目前航煤发动机还在逐步完善成熟的过程中，大修间隔普遍不到2000小时，其中Centurion发动机的减速器的检修间隔只有500小时，发动机大修间隔到期后目前采取的是整体更换，这样一来，虽然航煤发动机的燃油效率比同功率的汽油发动机高，但平均小时使用费用更高，而且由于市场还没有发展起来，初期费用非常高，塞斯纳182改装SR305发动机的费用达8万5千美元，比原装的大陆540发动机贵了近一倍。启动航煤发动机市场的关键还包括尽快扩大维修服务网点，加快人员培训。当年奥地利钻石的DA-20双座飞机本来使用的是罗泰克斯912发动机，这种发动机在对于欧洲的航空机械师来说非常熟悉，但是美国的机械师则搞不清楚912发动机的减速器和滑油系统，导致发动机故障率增加，后钻石不得不为在美国市场销售的DA20飞机改装美国机械师熟悉的大陆的100发动机，这个例子说明对于航空发动机机械人员的培训是多么重要，而且更重要的可能还是跟谨慎小心的机械师们的沟通，使他们接受航煤发动机，而不是出于各种原因抵触。由于以上这些问题，再加上本身的经营问题，耀眼的航煤发动机Thielert于2008年宣布破产。
虽然遇到了暂时的困难，航空煤油发动机仍然是轻型飞机未来发展的必然之路。无论如何，航煤发动机是轻型飞机的又一次重大发展契机，谁能够抓住这次机遇，谁就拥有了几十万架通航飞机改装的巨大市场和今后通航发动机产业的话语权，中国的通航业已经错过了太多的发展阶段，这次大换代愿意并且能够赶上吗？
上图为改装使用SMA的SR305发动机的塞斯纳182飞机，在75%巡航功率时的耗油率从使用大陆470发动机时的13多加仑/小时降低到了10加仑/小时，而在3000米以上的高度飞行时的速度更快。使用Centurion 2升航煤发动机的塞斯纳172飞机，在75%巡航功率时的耗油率从使用莱康明360发动机时的9-10加仑/小时降到了5.8加仑/小时，而速度提高了近20%。
奥地利的钻石飞机的DA-40四座飞机可以使用Centurion航煤发动机，空重795公斤，起飞重量1150公斤，起飞距离335米，钻石是生产滑翔机起家的，因此DA-40的设计中也秉承了滑翔机的特征，展弦比较大，尾部纤细，T型尾翼，虽然对速度有一些影响，但这使得它的燃油经济性更好，3000米使用70%功率的巡航速度125节（线加仑/小时，也就是说每百公里8升燃油，这可是时速232公里的耗油率，看看有多少四座汽车能跑到这个速度，在这个速度时的耗油率又是多少，又看看多少中型汽车百公里的耗油率能达到8升，使用航煤发动机的轻型飞机的高效性可见一斑。使用航煤的DA-40飞机在3000米使用60%功率的巡航速度114节，此时耗油率仅为4加仑/小时，即每百公里7升燃油，此时时速211公里。DA40飞机和下面的DA42双发四座飞机国内都有使用，其中DA40由于购买量较大，还在山东设厂组装，国内组装的批DA40近刚刚下线万人民币一架，比国外的售价还要便宜一点，好像国内的DA40都是用的莱康明发动机，DA42都是用的Centurion航煤发动机，有了解情况的朋友请指正。应该说，选择使用航煤发动机的这两种机型作为国内的教练机是适合国情的，至少解决了燃油供应问题。
奥地利钻石飞机的DA42双发四座飞机，使用两台Centurion135马力发动机，空重1272公斤，起飞1785公斤，3000米每台发动机使用60%功率时的巡航速度138节（线加仑/小时，即每百公里13升，别忘了，这可是双发机型的耗油率，5500米每台发动机使用50%功率时的巡航速度135节（线加仑/小时，即每百公里11升。2004年8月，两名飞行员驾驶一架加装了副油箱的DA-42飞机不加油飞越了大西洋，从加拿大飞到葡萄牙，航程3518公里，用时12个半小时，由于天气原因提前在葡萄牙着陆，此时机上还有5个多小时的燃油，足够飞到预定目的地法国，总航程将达4630公里。此次飞越基本在3300米高度，发动机使用42%，此时每台发动机的耗油率降到了令人吃惊的11升/小时，而得益于顺风，平均地面速度达到了280公里，总共消耗272升航空煤油，即每百公里13升，燃油费用共200美元，人均100美元，如果您有那么好的精神可以12个小时不睡觉，那这趟旅行的费用可比乘坐民航班机便宜多啦。
已经在自制飞机上使用，正在取得FAA适航证过程中的美国三角洲之鹰的DH160 160马力航煤发动机和DH180 180马力航煤发动机，这两种发动机的测试机型都是“速度”（velocity)四座鸭式套材飞机。通过与一架使用莱康明IO 200马力航空汽油发动机的同样机型的对比测试，使用DH160航煤发动机的“速度”飞机在3500米的线公里。同样高度使用莱康明发动机的“速度”飞机线升。当然这种测试不排除该的一定程度的夸大和炒作。
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