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轻型活塞通用飞机未来的动力趋势会是柴油机?

 2014-08-12 来源:公务与通用航空 作者:胡轶强  [投稿排行榜]
2014-08-12 15:42:59

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[摘要] 汽车发动机工作环境远不如飞机发动机恶劣;汽车发动机的设计寿命为5~10年,飞机发动机为30年;汽车发动机常态功率为30%~50%;飞机发动机为55%~80%,这些都不利于发动机的可靠性。轻型活塞通用飞机未来的技术趋势会是柴油机么?我想在未来10年内,柴油发动机还不会取代汽油发动机。

  2014年7月25日,德事隆公司在奥什科什发布赛斯纳172“天鹰”的最新改进型JT-A型(Cessna172 Turbo Skyhawk JT-A)。这也是德事隆公司在赛斯纳182JT-A之后推出的第二款使用柴油机的机型。

  德事隆公司在发布会上给出了一系列赛斯纳172JT-A的十分具有感性号召力的新特性,比如最大速度由124节提高到131节、执行飞行培训任务时燃油效率提高25%、最大航程增加58%,等等。似乎是,我们很幸运的又遇见了一个革命性的创新。各种风趣幽默的评述接踵而至,比如全球44000架赛斯纳172即将换发、掀起教练机市场的技术革命,等等,很是热闹。有朋友问及此等趣事,便欣然提笔与大家聊聊这个话题。

172JT-A项目的来龙去脉

  航空圈的老人对柴油版的赛斯纳172并不陌生,2008年,同样使用TAE百夫长2.0柴油机(也即现在的大陆CD155)的赛斯纳172TD在国内做过多次的推介,当时的赛斯纳公司、代理商做过很多宣传。故事就从赛斯纳172TD开始。

  赛斯纳172的主要竞争对手之一,钻石DA40在2002年为其柴油型取得了型号合格证。随后的几年中,赛斯纳公司逐渐意识到,172的市场受到了DA40柴油型的严重蚕食。为了应对这一变化,赛斯纳公司将柴油型号的研发提上日程。然而早期的Thielert Centurion1.7发动机只能提供135hp动力,赛斯纳公司对此十分不满,但市场上并没有第二种取证的柴油机可选,所以项目进展一直很慢。直到2007年1月,155hp的Centurion2.0s取证,它的功率十分接近赛斯纳172R的160hp和172SP的180hp,赛斯纳公司决定加速柴油型的研发。

  2007年10月4日,在康涅狄格州哈特福德的AOPA展览上,装配了柴油机的赛斯纳172TD正式对外发布,并接受预定。然而,受到随后经济危机的影响,2008年开始赛斯纳公司的新订单急遽减少、取消订单增加、飞机交付数量大幅度降低。作为赛斯纳172TD项目的关键合作伙伴,德国的柴油发动机供应商Thielert Aircraft Engines AG/TAE,在2008年4月24日经法院判决破产,发动机的供应终止。5月1日,赛斯纳公司宣布赛斯纳172TD项目冻结,此时距离项目正式公布不到7个月。

  然而,赛斯纳172TD项目并没有完全终止,因为赛斯纳公司面临的外部竞争压力没有消失:钻石公司还有备用方案,有使用168 hp Austro AE300柴油发动机的DA40NG继续销售。此外,Thielert在资产重组后还继续销售百夫长(Centurion)系列发动机的,这些技术的确有其核心竞争力,有一定市场需求和厂商利润空间,会吸引到新的投资者。基于这些判断,赛斯纳公司仍然分配了少量资源,维持着赛斯纳172TD项目。

  经过各种完善,赛斯纳172TD最终演化成现在的赛斯纳172JT-A。2013年7月,Thielert被中航工业下属的大陆发动机公司收购,随即注入大量资源,恢复生产。自此,柴油型赛斯纳172项目的重启就水到渠成了。

型号众多而销量不大的柴油飞机

  几乎所有主流轻型飞机制造商都改进或研发了使用柴油发动机的机型,市场上有很多型号可选(具体请参见《公务与通用航空第5期》)。除了掀起柴油飞机潮流的钻石公司之外,赛斯纳(现德事隆航空)、派珀、索柯塔等公司也展开了柴油机的改进研发。几乎所有柴油机型都是由非常成功的型号改进而来的,然而这些改型的总体销量不大,并非全球市场主流。

  因为迄今仅有少数几款柴油机取得型号合格证,实现大批量生产的仅有中航工业的CD155,截至今年4月该厂总产量刚超过4000台;目前,在使用的装配柴油机的飞机约3000架。再扣除STC改装、双发和试验类飞机、备发和维修需求,大致能估算出过去12年中认证轻型柴油通用飞机销售数量:并不是一个很高的数字。

柴油飞机的经济性优势

  柴油机由于压缩比高、燃油燃烧充分,燃油效率更高。比如在今年6月德国施特拉斯堡的第3届绿色速度杯飞行大赛上,使用CD155发动机的DA40,在两天的比赛中分别实现了104kts/4.12GPH和105kts/4.65GPH的油耗。可类比的是Cessna172R的油耗在104kts/6.9GPH(60%发动机输出功率/6000英尺巡航)。航空煤油比航空汽油的售价也要低,它们共同构成了柴油飞机低运行成本优势的基础。

  一般航校对赛斯纳172R/S的小时租赁燃油消耗计算分别为9.5Gal和10Gal(实际油耗数值比它略低)。德事隆公司认为赛斯纳172JT-A在执行飞行培训任务时燃油效率会提高25%,假定赛斯纳172JT-A的小时油耗为7.5Gal。燃油价格以8月10日美国六大区的平均价格计算,JetA为5.605美元、100LL为6.265美元。则两种赛斯纳172的小时燃油成本差价为20.61美元(具体请参见《公务与通用航空》第5期)。

  柴油发动机由于设计和产量的问题,成本要显著高于同功率级别的汽油机。CD155的售价是常见汽油机的1.8~2倍(如大陆O-360、莱康明O-360系列)。因此,赛斯纳172JT-A比其常规汽油型号售价高60000美元,看起来只需要2911小时就能通过燃油成本的降低把这一购置成本升高的影响抵消。然而,考虑到资金成本,也即买柴油版赛斯纳172多支付的6万美元,应当在7年内收回,这些飞机的年飞行小时数不得低于416小时的。根据大陆发动机公司的数据,CD155机队的年均飞行小时数为160左右,按此运行强度估算,靠节约油钱把飞机差价补回来,需要18.2年。结论1,只有高强度使用、年飞行小时数在400~500以上的环境下,柴油飞机才会显示出成本优势。

  维修成本方面,CD155柴油机占劣势。CD155的整机TBR为1200小时,而莱康明和大陆的竞争型号为2000~2400小时;CD155每600小时还要求有一次减速器拆卸检修;CD155的零备件价格比竞争型号汽油机高很多,CD155的综合维修成本要高1.5~2倍。飞机的检修作业次数多,也将影响飞机的签派率和可用性,影响机队的年度可飞天数和盈利能力。结论2.使用柴油机的维修成本问题,会严重影响燃油成本的优势。

  在中国的市场环境下会怎样?由于国内航空汽油暂时供应困难,价格过高,如果使用柴油机则小时燃油成本会大幅度降低。6万美元的飞机差价,在国内飞机零售价格上会引起约50万的提高,赛斯纳172JT-A大约需要1533小时的飞行,可以通过燃油成本优势补偿飞机购置成本的上升(具体请参见《公务与通用航空》第5期)。结论3,在中国这样的匮乏航空汽油的市场中,赛斯纳172JT-A有显著的运行成本优势,在较低的运行强度下即可凸显(300小时/年)。

柴油发动机的性能局限

  柴油发动机在全球通用飞机市场上的渗透速度远不如Thielert公司充满信心的进军航空市场时,其创始人FrankThielert所期望的那样。究其原因,除了在西方发达国家,也即通用飞机的主要销售市场上,其经济性优势不明显外,还有一些固有的性能局限。

  因为是压燃式发动机,柴油发动机普遍较重,功重比低(具体见《公务与通用航空》第5期),它的汽缸、机匣等部件难以做到轻薄。否则将引起结构和可靠性的一系列问题。最近几年某型柴油机在FAA取证过程中一再受挫,主要原因是过于强调减重,造成可靠性不足。发动机过重对飞机的重量分布和重心位置有很大影响,进而影响到飞机的操纵特性,如俯仰操纵,失速特性等。

  柴油机启动困难。例如钻石DA42-VI采用了Austro AE300柴油机,尽管试飞中在FL300高度上发动机仍然工作正常,但EASA限制它的升限为FL180,主要考虑因素就是柴油机在低温稀薄空气环境下,易于熄火,且再次点燃困难;如果飞机迅速下滑,可能造成发动机缸体迅速冷却,发动机内部产生结冰,也会对再次启动产生影响。

  图:钻石DA42-VI 

  柴油机的升限问题还受限于进气总管压力(MAP)。柴油机要输出同等标称功率,相比汽油机要实现更高的进气增压。在CD135/155发动机上,发动机为起飞功率时MAP为2.3~2.4巴,而大陆发动机的涡轮增压汽油机TSIO-360为1.35巴。随着飞机高度上升,外界气压下降,即使安装双重增压,柴油发动机很难继续保持2.4巴的进气压力。这也是为什么CD135/155只能在FL60以下达到最大功率,而同样采用涡轮增压的大陆TSIO-360-EB则可以在FL120上输出最大功率。

  现有认证机型大多数为基于汽车发动机改进的设计(具体见《公务与通用航空》第5期),对于这些发动机而言,尽管降低了项目风险和技术难度,但因为基础平台并非为飞机研发,存在很多问题。汽车发动机工作环境远不如飞机发动机恶劣;汽车发动机的设计寿命为5~10年,飞机发动机为30年;汽车发动机常态功率为30%~50%;飞机发动机为55%~80%,这些都不利于发动机的可靠性。减速器会降低设计的可靠性,CD155、百夫长4.0的最大转速3900RPM,都装有1.69:1的减速器。要维持减速器的可靠性,在现有的结构设计和材料、工艺条件下,只能维持在较高的重量。与汽车汽油机改装航发,减速器前置不同的是,由于柴油机重量更大,减速器前置对整机重心将有十分不利的影响,而后置则造成可靠性不足。这正是百夫长2.0/CD155面临的最大困境。

  172JT-A会取得多大程度的成功?

  基于以下事实,笔者对赛斯纳172JT-A的商业前景持有一定的谨慎态度。

  (1)在赛斯纳172TD项目接受订单的7个月中,当时总计接到超过100架的订单。

  (2)在过去10年中,赛斯纳172年均产量221架,DA40年均产量144架。

  (3)Thielert公司在2006年就获得了使用百夫长1.7/2.0改装赛斯纳172的STC,然而总改装数量十分有限。

  (4)换装柴油机后,赛斯纳172的经济性能大幅度提升是有前提限制的;而其维修、操纵和使用却带来了一些新的问题。

  (5)随着国内汽油通用飞机机队的扩大,市场规模增加,航空汽油供给问题会日益缓解,油价会逐步回落。柴油机在未来的燃油成本优势不会像现在这样明显。

  (6)新出现了以下整机竞争对手,而赛斯纳172JT-A售价为42万美元:

  —Red Bird在去年的EAA大会上展出了翻新的赛斯纳172,已经取得STC,命名为红鹰172,采用CD135/155发动机,售价约20~25万美元。

  —Premier Aircraft在今年2月同样推出了翻新的赛斯纳172,配置与红鹰172类似,售价28.95万美元。

  (7)教练机市场竞争加剧,部分破产重组、停产的公司重新加入竞争,如AA-5;部分运动飞机、超轻型飞机制造商进入这一市场,如TecnamP2010、Flight DesignC4。

  (8)赛斯纳172的几乎所有竞争者都推出了柴油型,如PiperPA-28弓箭手DX、钻石DA40NG。

  关于44000架的改装市场需求的段子,莫名其妙。在过去的20年中(1994-2003年),各型赛斯纳172总产量4975架,而再老旧一些的飞机,实在难以看出有多少余热需要发挥。不计损毁和飞机实际技术状态,改装市场的最大容量就这么多。

  赛斯纳172JT-A对市场的冲击肯定会有的。国内市场上受影响最大的是DA40D和PA-28,现如今换装了与它同型柴油发动机,共同竞争中国市场了。其次,可以培训正常类执照的VLA,如P92,还有低成本教练机如DA20也会受到一定影响。

  对消费者而言,汽油机和柴油机的飞机各有优劣,要根据自身实际情况有所取舍的去选择。像赛斯纳172、PA28、DA40同时有汽油版和柴油版出售,厂家并不会刻意限制。要发挥柴油飞机的性能,关键是把年飞行小时数提高上去,做不到的话建议购买价格较低的汽油版。

  轻型活塞通用飞机未来的技术趋势会是柴油机么?我想在未来10年内,柴油发动机还不会取代汽油发动机。原因很简单,在成熟的西方市场柴油飞机作为替代技术,优势不明显、成本偏高,以它完全替换现有汽油机机队是天方夜谭。而新兴市场虽然增速很快,但容量有限。所以,从全球范围内看,柴油飞机会继续保持稳步增长的态势,然而总体需求仍然有限。

  【信息来源于《公务与通用航空》2014年05期。本文系《公务与通用航空》杂志独家稿件,未经授权,不得转载,否则将追究法律责任。】

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