通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述

董彥非，黃 明，李瑞琦

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述

董彥非，黃 明，李瑞琦

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

在介紹通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)概念和分類(lèi)的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的特點(diǎn)；分析不同類(lèi)型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，指出單純某一固定類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法保證在較寬速度范圍內(nèi)高的推進(jìn)效率；最后，針對(duì)通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，并提出發(fā)展建議。

通用航空；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)；燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

1 通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其特點(diǎn)

1.1 通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型

2003年5月1日施行的《中華人民共和國(guó)通用航空飛行管制條例》對(duì)通用航空的定義為：“除軍事、警務(wù)、海關(guān)緝私飛行和公共航空運(yùn)輸飛行以外的航空活動(dòng)，包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、建筑業(yè)的作業(yè)飛行和醫(yī)療衛(wèi)生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、遙感測(cè)繪、教育訓(xùn)練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動(dòng)”。由此可知，通用航空基本涵蓋了除定期客、貨航班以外的所有民用航空活動(dòng)[1]。

由于通用航空用途廣泛，通用飛機(jī)的構(gòu)型、特點(diǎn)也千差萬(wàn)別。從飛機(jī)類(lèi)型上可以分為固定翼飛機(jī)和旋翼飛行器(主要指直升機(jī)，多旋翼目前主要用于無(wú)人機(jī))兩大類(lèi)。固定翼飛機(jī)按照發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型主要可以分為活塞式飛機(jī)、渦槳式飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)。直升機(jī)按照所用發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型可以分為活塞式直升機(jī)和渦軸式直升機(jī)。

美國(guó)通用航空制造商協(xié)會(huì)(General Aviation Manufacturers Association，GAMA)通常按照發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量對(duì)通用飛機(jī)進(jìn)行分類(lèi)，分別為單發(fā)活塞式、多發(fā)活塞式、渦槳式和噴氣式公務(wù)機(jī)[2]。除了少數(shù)公務(wù)機(jī)尺寸比較大以外，通用飛機(jī)多數(shù)屬于中小型飛機(jī)。

按照用途分類(lèi)，GAMA將符合美國(guó)聯(lián)邦航空條例(FAR)91部的通用航空使用類(lèi)型分為私人飛行、公務(wù)飛行、企業(yè)飛行、教練飛行、航空應(yīng)用、航空觀測(cè)、其他空中巡視類(lèi)飛行、吊掛飛行、其他作業(yè)類(lèi)飛行、航空觀光、航空醫(yī)療救助及其他。將按照FAR 135部運(yùn)營(yíng)方式劃分通勤類(lèi)和商業(yè)租用的使用類(lèi)型分為飛行出租、航空旅行和航空醫(yī)療救助。

在我國(guó)，2007年2月14日起施行的《通用航空經(jīng)營(yíng)許可管理規(guī)定》(CCAR-135TR-R3)第五條規(guī)定，通用航空經(jīng)營(yíng)用途劃分為以下四類(lèi)(見(jiàn)表1)：

表1 國(guó)內(nèi)通用航空用途分類(lèi)

續(xù)表1

分類(lèi)經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目范圍丙類(lèi)飛機(jī)播種、空中施肥、空中噴灑植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、空中除草、防治農(nóng)林業(yè)病蟲(chóng)害、草原滅鼠、防治衛(wèi)生害蟲(chóng)、航空護(hù)林、空中拍照航空俱樂(lè)部使用限制類(lèi)適航證的航空器和輕于空氣的航空器從事私用飛行駕駛執(zhí)照培訓(xùn)、航空運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練飛行、航空運(yùn)動(dòng)表演飛行、個(gè)人娛樂(lè)飛行

通用航空飛機(jī)因其用途范圍大，為滿足不同需要使用的動(dòng)力裝置也多種多樣。目前使用最多的通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍屬于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(渦扇主要用于公務(wù)機(jī)、渦槳和渦噴用于亞聲速固定翼飛機(jī)、渦軸用于中型以上直升機(jī))和活塞式內(nèi)燃機(jī)(低速和亞聲速固定翼飛機(jī)、小型直升機(jī))兩大類(lèi)。這兩類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)都屬于熱機(jī)，把燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。

1.2 發(fā)展特點(diǎn)

通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)自誕生以來(lái)，一直在發(fā)展進(jìn)步中，但是由于通用航空本身的獨(dú)有特點(diǎn)，使得通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)很多與民航運(yùn)輸以及軍用航空不同的特點(diǎn)。

總體而言，通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用類(lèi)型最全面，從活塞、渦噴、渦扇、渦槳、渦軸乃至槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等都是通用航空飛機(jī)選用的對(duì)象；從尺寸或者推力(功率)大小上看，通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)是以中小型為主。具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1.2.1 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位

從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的角度來(lái)講，民航運(yùn)輸和軍用航空的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是絕對(duì)的主流；而通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)則是活塞型、渦輪螺旋槳型和渦輪風(fēng)扇型并存，而且活塞型發(fā)動(dòng)機(jī)是主流；渦輪風(fēng)扇型主要用于公務(wù)機(jī)，性能先進(jìn)，安全舒適，價(jià)格較貴，已生產(chǎn)的機(jī)型有30多種，在研的10多種。

GAMA通用航空統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)中指出，2016年全球生產(chǎn)通用飛機(jī)2262架，其中，活塞式飛機(jī)1019架，占45%；渦輪式飛機(jī)(GAMA的統(tǒng)計(jì)中將渦槳式飛機(jī)與噴氣式飛機(jī)合稱(chēng)為渦輪式飛機(jī))1243架，其中渦槳式飛機(jī)582架，噴氣式公務(wù)機(jī)661架[2]。2006-2016年全球通用飛機(jī)產(chǎn)量先是下降，尤其是2008-2009年全球金融危機(jī)時(shí)急劇下跌，然后從2011年開(kāi)始緩慢回升。2006-2016年全球通用航空固定翼飛機(jī)生產(chǎn)總量詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2006-2016年全球通用航空固定翼飛機(jī)生產(chǎn)總量(架)

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，固定翼通用航空飛機(jī)中，活塞式飛機(jī)總計(jì)占比一直高于渦槳式飛機(jī)，以及噴氣式公務(wù)機(jī)?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)具有油耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、使用維護(hù)費(fèi)用低以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；而其對(duì)飛行速度的限制又是多數(shù)通用航空飛行活動(dòng)所不需要的。很顯然，活塞式飛機(jī)的統(tǒng)治地位還將持續(xù)下去。

具體到我國(guó)，截止到“十二五”末，我國(guó)通用航空注冊(cè)飛機(jī)4511架，其中90%以上采用的都是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，主要形式為小功率的氣冷水平對(duì)缸發(fā)動(dòng)機(jī)。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)目前被幾大發(fā)動(dòng)機(jī)公司所占領(lǐng)，大陸航空、萊康明、林巴賀和龐巴迪。

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低，易于維護(hù)，可以滿足很多類(lèi)型通用航空飛機(jī)的需求，所以目前500馬力以下的小功率活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仍在通航飛機(jī)，無(wú)論是固定翼有人機(jī)或無(wú)人機(jī)，還是中小型直升機(jī)上大量使用，數(shù)量上占據(jù)統(tǒng)治地位。

1.2.2 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)占比提高

與航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)具有尺寸小、重量輕、振動(dòng)小、推進(jìn)效率高和功率重量比大等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著飛行高度的增加，其性能更為優(yōu)越；與渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它又具有耗油率低和起飛推力大的優(yōu)點(diǎn)。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率可超過(guò)10000馬力(活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不超過(guò)4000馬力)，功重比為4以上(活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不超過(guò)2)，由于減少了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、噪音小、工作壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低。但因螺旋槳特性的限制，裝渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)的飛行速度一般不超過(guò)800km/h。所以，在大型遠(yuǎn)程旅客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)上，它已被高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所取代，但在中小型運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)和通用飛機(jī)上仍有廣泛的應(yīng)用[3]。

此外，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)配裝飛機(jī)后還具備以下綜合優(yōu)勢(shì)：一是螺旋槳特性(含滑流增升、反槳)、飛機(jī)機(jī)翼構(gòu)型決定了渦槳飛機(jī)較強(qiáng)的地面起飛/著陸性能，可以大幅度縮短起飛/著陸距離(在同樣載荷條件下，與渦扇飛機(jī)相比，起飛滑行距離可減少30%以上)。二是較低的燃?xì)馀欧艤囟瓤梢源蠓冉档蚇OX、噪聲排放及紅外輻射。三是適中的熱力循環(huán)參數(shù)帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)成本效益。

正是由于具有以上諸多優(yōu)勢(shì)，安裝渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)占比逐步提高。根據(jù)表2中GAMA的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2006年開(kāi)始，渦槳飛機(jī)生產(chǎn)量在通用航空固定翼飛機(jī)生產(chǎn)總量中的占比穩(wěn)步提高，從2006年的10.2%一直提高到2013年的27.4%，此后一直穩(wěn)定在20%以上。

1.2.3 發(fā)展前景廣闊

2012年7月，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見(jiàn)》，明確指出：加大低空空域管理改革的力度，大力發(fā)展通用航空。2015年，《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》提出：拓展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)空間。加快完善水利、鐵路、公路、水運(yùn)、民航、通用航空、管道、郵政等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。完善能源安全儲(chǔ)備制度。國(guó)務(wù)院《中國(guó)制造2025》強(qiáng)調(diào)：“大力發(fā)展航空航天制造業(yè)，推進(jìn)干支線飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化”。

2016年5月17日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》)，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展作出了具體的部署?！兑庖?jiàn)》提出，到2020年，建成500個(gè)以上通用機(jī)場(chǎng)，基本實(shí)現(xiàn)地級(jí)以上城市擁有通用機(jī)場(chǎng)或兼顧通用航空服務(wù)的運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)。通用航空器達(dá)到5000架以上，年飛行量200萬(wàn)小時(shí)以上，培育一批具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的通用航空企業(yè)。通用航空器研發(fā)制造水平和自主化率有較大提升，國(guó)產(chǎn)通用航空器在通用航空機(jī)隊(duì)中的比例明顯提高。通用航空業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模超過(guò)1萬(wàn)億元，初步形成安全、有序、協(xié)調(diào)的發(fā)展格局。

顯而易見(jiàn)，作為通用航空核心內(nèi)容之一的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也必將隨著通用航空產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，發(fā)展前景廣闊。

2 應(yīng)用范圍與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)從誕生至今，除了結(jié)構(gòu)上有變化外，其原理和應(yīng)用范圍基本沒(méi)有改變，反倒是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)從原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用范圍等方面變化明顯。

2.1 不同類(lèi)型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)自誕生以來(lái)，主流類(lèi)型一直是以下四類(lèi)：渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。這四種類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)雖然發(fā)展時(shí)間有先后之分，但是并沒(méi)有嚴(yán)格意義上的先進(jìn)和落后，主要區(qū)別在于各自的適用范圍。

圖1為渦噴、渦扇和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率隨馬赫數(shù)的變化關(guān)系圖[4-6]。圖中顯示：

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率最高，但是僅限于亞聲速范圍，速度到跨聲速范圍時(shí)，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)效率急劇降低。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在跨聲速階段推進(jìn)效率高于渦槳和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，而且涵道比B越大，推進(jìn)效率越高，這也是民航飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的原因。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)1.0以下推進(jìn)效率很低，但是超聲速以后效率快速升高，遠(yuǎn)超渦槳和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 不同類(lèi)型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率隨馬赫數(shù)的變化

通用航空飛行器可以根據(jù)自己的任務(wù)定位，確定飛行速度范圍，進(jìn)而確定合理的發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型。但從圖1可知，單純某一固定類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法保證在較寬速度范圍內(nèi)高的推進(jìn)效率。對(duì)于工作速度范圍較寬的飛行器，除了根據(jù)任務(wù)需求和經(jīng)濟(jì)型折衷外，還可以考慮結(jié)合不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。如當(dāng)前正在研究的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(Variable Cycle Engine，VCE)，通過(guò)改變一些發(fā)動(dòng)機(jī)部件的幾何形狀、尺寸或位置，來(lái)調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)(如涵道比、空氣流量和渦輪進(jìn)口溫度等)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作模式(高推力或低油耗)使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)，有較高的推進(jìn)效率[7-9]。

2.2 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求變化發(fā)展而進(jìn)步的。圖2展示了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展。

圖2 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展

2.2.1 多級(jí)增壓技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用

由于活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)隨著海拔的升高，空氣密度降低、溫度降低、導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量減小，空燃比下降，壓縮終點(diǎn)溫度降低，使得燃燒過(guò)程惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降，熱負(fù)荷增大、排溫升高，造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性下降。

通過(guò)增壓技術(shù)可以提高空氣密度，高效恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高空性能，滿足飛機(jī)8km以上的使用要求。增壓器包括單級(jí)高壓比技術(shù)、多機(jī)增壓系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、多級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)及控制技術(shù)、高空條件下的系統(tǒng)可靠性技術(shù)等。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的二級(jí)增壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了大量的研究，其中，以美國(guó)、德國(guó)為代表已開(kāi)發(fā)了相對(duì)較為成熟的二級(jí)增壓系統(tǒng)甚至三級(jí)增壓系統(tǒng)。我國(guó)在二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制方面，通過(guò)在不同海拔仿真模擬實(shí)驗(yàn)，其極限工作高度達(dá)到8～9km。而美國(guó)研制了帶有三級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，其飛行高度可以達(dá)到24km。實(shí)踐證明，多級(jí)增壓系統(tǒng)是有效提升高空汽油機(jī)使用升限的重要途徑。

2.2.2 航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸成為活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主流

航空重油的燃料供應(yīng)有保障，通用性強(qiáng)，其比能量高于汽油，運(yùn)輸和存儲(chǔ)更加安全，而且?guī)u輪增壓，高空性能優(yōu)越，燃燒效率提高，可大大提升輕型飛機(jī)的性能，成為世界航空大國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型[10-11]。航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需進(jìn)一步提高輕量化前提下的可靠性技術(shù)、增壓匹配技術(shù)和噴霧燃燒技術(shù)。

2.2.3 低成本活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需求旺盛

美國(guó)等航空發(fā)達(dá)國(guó)家提出的“先進(jìn)通用航空運(yùn)輸計(jì)劃”等設(shè)想指出未來(lái)通用航空將平民化，認(rèn)為小飛機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)是高速交通運(yùn)輸?shù)牡谒拇胃锩?。該設(shè)想的基礎(chǔ)之一是低成本。相對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，作為通用航空主力的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)雖然具有成本優(yōu)勢(shì)，但是還要通過(guò)設(shè)計(jì)和制造進(jìn)一步降低成本，減少采購(gòu)與維修費(fèi)用，掃除通用航空發(fā)展的障礙。

2.3 燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)通用航空使用的各種類(lèi)型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展的方向上基本一致，繼續(xù)朝高可靠性、高安全性、良好維護(hù)性、低使用成本的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著石油資源減少以及環(huán)保壓力的不斷增大，人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性等方面更加重視[3,6-13]。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.3.1 熱力循環(huán)參數(shù)

通過(guò)進(jìn)一步提高壓氣機(jī)增壓比和渦輪前燃?xì)鉁囟?，降低耗油率和提高單位功率，使?jīng)濟(jì)可承受性提高數(shù)倍。

2.3.2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

采用三維有粘流場(chǎng)計(jì)算方法、非定常設(shè)計(jì)、流動(dòng)控制、主動(dòng)間隙控制、高效冷卻等設(shè)計(jì)壓氣機(jī)和渦輪，減少氣體流阻損失，達(dá)到部件效率提高、穩(wěn)定工作邊界擴(kuò)大、良好的性能保持、壽命更長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和零件數(shù)少的要求。采用刷式封嚴(yán)等新型封嚴(yán)結(jié)構(gòu)和主動(dòng)間隙控制技術(shù)縮小葉尖間隙，減少空氣泄露，提高壓氣機(jī)和渦輪效率。

2.3.3 總體結(jié)構(gòu)

2000kW以下渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)將傾向于雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(即單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器+動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子)，壓氣機(jī)為軸流+離心組合式，采用多級(jí)動(dòng)力渦輪(即自由渦輪)以求得到最佳的效率。2000kW以上的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸向三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)展(雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器+動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子)，采用單元體設(shè)計(jì)和“視情”維護(hù)概念，簡(jiǎn)化外場(chǎng)維護(hù)保障要求，降低全壽命期使用成本等。

2.3.4 新材料和材料改進(jìn)

新型復(fù)合材料的應(yīng)用和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為大幅減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量提供了可能。壓氣機(jī)采用金屬基復(fù)合材料不僅減輕了質(zhì)量，同時(shí)也可提高葉片切線速度；燃燒室和渦輪部件采用陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料，在提高部件耐高溫性能的同時(shí)減輕了質(zhì)量。整體葉盤(pán)、整體葉環(huán)、對(duì)轉(zhuǎn)渦輪等新結(jié)構(gòu)的采用，也大大減輕了部件質(zhì)量。雙金屬、陶瓷、低導(dǎo)熱性熱障涂層和復(fù)合材料等技術(shù)的逐步應(yīng)用，將大幅提高渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命及可靠性。

2.3.5 控制系統(tǒng)

未來(lái)全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是采用分布式控制系統(tǒng)。與目前的集中式系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的控制能力和可靠性，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和質(zhì)量。同時(shí)采用光電敏感元件、高溫電子設(shè)備和靈活的控制邏輯。控制系統(tǒng)的重量將大幅度減輕，環(huán)境適應(yīng)性將進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.3.6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件3D打印

3D打印逐步實(shí)用化，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面復(fù)雜、零件眾多、葉盤(pán)鍛造加工工序紛繁復(fù)雜等要求。如通用電氣(GE)公司與斯奈克瑪合作采用3D打印LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，將其耐久性提高了4倍，燃油效率提高15%，重量降低25%。同時(shí)，GE公司還通過(guò)3D打印了一臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)33000 RPM的小型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)將打印大型發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)。

2.3.7 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)

VCE逐漸成熟。下一代可轉(zhuǎn)換的渦噴/渦扇/沖壓/渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)在不同速度范圍內(nèi)達(dá)到高的推進(jìn)效率，在降低耗油率的同時(shí)，在提高飛機(jī)飛行速度等方面取得突破性進(jìn)展。

2.3.8 減速器

重載、高速、高效、輕質(zhì)是其發(fā)展目標(biāo)。其中新結(jié)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)/零件(如面齒輪)、軸承/齒輪軸一體化設(shè)計(jì)、超高強(qiáng)度傳動(dòng)零件新材料和復(fù)合材料機(jī)匣等是研究方向。此外，國(guó)外已開(kāi)始研究噴氣旋翼和翼尖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及液壓傳動(dòng)減速系統(tǒng)。

2.3.9 螺旋槳

先進(jìn)風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)將逐步應(yīng)用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高渦槳飛機(jī)在高速飛行條件下的性能。螺旋槳的結(jié)構(gòu)由鋁合金大梁、玻璃鋼外殼結(jié)構(gòu)發(fā)展到碳纖維大梁、泡沫填充、玻璃鋼外殼結(jié)構(gòu)，成形工藝有預(yù)浸料層鋪和編織外殼整體注射成形，從而使螺旋槳重量大幅度減輕。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著通用航空的發(fā)展需要，通航發(fā)動(dòng)機(jī)要在保證性能的前提下朝著輕量化，環(huán)境友好化和智能化發(fā)展。針對(duì)通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議和思考。

大力發(fā)展重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著國(guó)家的重視和投入加大，我國(guó)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)逐步得到提升。但是在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于缺乏足夠的重視和投入，人才短缺，缺乏自主創(chuàng)新，技術(shù)遠(yuǎn)落后于航空發(fā)達(dá)國(guó)家，嚴(yán)重制約了通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須提高對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作用的認(rèn)識(shí)，大力發(fā)展重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，為通用航空發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。

大力推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)改型?；诔墒斓陌l(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)或者核心機(jī)改進(jìn)改型是周期短、見(jiàn)效快的一種研制模式，是世界各航空大國(guó)普遍采用的模式。我們要在保證新研型號(hào)的同時(shí)，大力發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)改型，包括不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的改型。如在結(jié)構(gòu)上相近的渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，在成熟渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上“軸改槳”快速發(fā)展渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)就是一種常見(jiàn)的方式。

通過(guò)軍民融合與體制機(jī)制改革，整合各行業(yè)資源優(yōu)勢(shì)，形成相對(duì)獨(dú)立的協(xié)作研發(fā)機(jī)制。借鑒航空發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，集中力量，形成拳頭，優(yōu)化資源配置，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)化協(xié)作。避免無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)航空動(dòng)力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 曲景文主編.世界通用飛機(jī)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2014:1-10.

[2] General Aviation Manufactures Association.2016 General Aviation Statistical Databook & 2017 Industry Outlook[R/OL].[2017-06-06] https://gama.aero/facts-and-statistics/statistical-databook-and-industry-outlook/.

[3] 羅安陽(yáng),周輝華,申余兵. 航空渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].航空科學(xué)技術(shù),2013(5):1-5.

[4] HUNECKE K.Jet Engines:Fundamentals of Theory,Design and Operation[M].Ramsbury:The Crowood Press Ltd,1997:8-10.

[5] ROLLS ROYCE.The Jet Engine[M].Derby:Technical Publications Department,Rolls-Royce plc,1996:6-9.

[6] 劉紅霞.GE公司變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2015,41(2):93-98.

[7] 梁春華,索德軍,孫明霞.美國(guó)第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2016,42(2):93-97.

[8] DENNEY R K,TAI J C,KESTNER B K,et al.Variable Cycle Optimization for Supersonic Commercial Applications[C]// Aerospace Technology Conference and Exposition,2005,DOI:10.4271/2005-01-3400.

[9] VARELIS A G.Variable Cycle Engine for Combat STOVL Aircraft[D].London:Cranfield University,2007:127.

[10] 潘鐘鍵,何清華,楊晶.活塞航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀[J].科技導(dǎo)報(bào),2013,31(34):65-68.

[11] 顧誦芬.關(guān)于使用航空煤油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的評(píng)估[R].北京:中國(guó)航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)通用航空委員會(huì),2008.

[12] 乞征,向克胤,劉彥雪.渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展研究綜述[J].飛航導(dǎo)彈,2016(7):83-86.

[13] 焦華賓,莫松.航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展綜述[J].航空制造技術(shù),2015,(12):62-65.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：梁春燕]

Abstract：Firstly,this paper introduces the concept and classification of general aviation and general aviation engines;then it puts forward the characteristics of general aviation engine development in the light of statistical data,analyzes the application scope of different types of aircraft engines,and points out that only a fixed type of engines cannot guarantee high propulsive efficiency in a wide speed range.Finally,the paper predicts the development trend of general aviation engine technology,and brings forth the development proposal.

Keywords：general aviation;aero engine;piston engine;gas turbine engine

OverviewoftheDevelopmentofGeneralAviationEngines

DONGYan-fei,HUANGMing,LIRui-qi

(School of Aircraft,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

V23

A

1008-9233(2017)05-0008-06

2017-07-25

陜西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016JM1014)；陜西省教育廳自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)課題(16JK1396)；通用航空工程技術(shù)中心基金(XHY-2016084)

董彥非(1970-)，男，河南開(kāi)封人，教授，博士，主要從事航空裝備仿真與效費(fèi)分析研究。