浅谈中国无人机的（重油）活塞发动机.中国篇（上）

　　一、中国航空活塞发动机的燃料

　　欧美对航空汽油已经不感冒了。2012-2013年，FAA采取了多项措施以达到其2018年航空业全面使用无铅燃料的目标。最常用的航空汽油Avgas 100LL的产量也仅有航空煤油(比如Jet A)的1%，或者汽车汽油的不到0.2%。这样小的产量，以及相较于汽车汽油更严苛的生产标准，使得世界上只有很少几家公司愿意或者能够生产航空汽油。由于生产难度和规模小，航空汽油一般比航空煤油等柴油类燃料要贵10%。至于无铅航空汽油，由于航空发动机要求燃料有较高的辛烷值，符合这样标准的无铅汽油要付出更高的价格，从而进一步减小需求。这就是为什么，UL 91这种无铅汽油已经被研发出来几十年，至今仍未广泛使用。
　　

在中国，一直到2011年只有国石油兰州石化公司，即兰炼，这一家公司还在生产航空汽油，而且也并不符合Avgas 100LL每加仑最大含铅量为2克的标准。
　　

这位朋友问了，那么中国有没有无铅航空汽油呢？
　　

要是2年前问这个问题，还真没有。但从去年开始，还真有了——就是我们上边刚谈到的UL91。
　　

2014年11月，民航局航空器适航审定司正式受理了燕山石化UL91无铅航空汽油适航审定申请，并成立了航空汽油适航审定委员会。民航航油航化适航审定中心成立了审查组，严格按照《民用航空油料适航管理规定》(CCAR-55)和《民用航空汽油合格审定及证后监管程序》(AP-55-AA-2014-04)的要求，进行适航审定，确认该公司生产的UL91无铅航空汽油符合国际通行的无铅航空汽油标准，质量控制体系符合适航规章要求。
　　

2015年6月9日，中国民航局航空器适航审定司向UL91无铅航空汽油生产企业：中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司(以下简称燕山石化)颁发了适航批准书。该公司是国内首家获得适航批准的UL91无铅航空汽油生产企业，填补了国内无铅航空汽油生产的空白。中航通用是燕山石化航空汽油的唯一销售商。
　　

图1：中国UL91无铅汽油获民航局适航批准
　　

官方资料说：油料UL91无铅航空汽油具有清洁环保、无铅沉积、硫含量超低、氧化安定性好、无腐蚀、热值高等特点，符合美国ASTM7547标准，可用于多种通用航空器。
　　

那么，中国航空重油的情况又如何呢？
　　

和国际市场一样，中国航空的主力油料是重油——航空煤油。2011年全国民航航煤消费量达到1748万吨(不含港澳台地区)，同比增长9.2%。其中(进口)保税油417万吨。2012年上半年航煤消费达到918万吨，同比增长10.1%，其中保税油272万吨国内航煤产量2011年达到1853万吨，同比增长8.6%，其中来进料加工365万吨;2012年上半年达到1000万吨，同比增长11.5%，其中来进料加工198万吨。
　　

总体来看，中国航空煤油的生产入不敷出，到2012年进口油占国内航煤消费量的30%以上。值得注意的是，中国航空煤油的缺口，本来在华东华南地区，但近年来资源存在富余的西北地区近年来也出现了缺口。公开资料上说原因是“消费量或军需增长较快”，大家自己琢磨其中的含义吧，呵呵。
　　

因此，如果中国无人机和通用航空未来需要大的发展，航空(重油)煤油是合适的燃料。航空汽油的价格高，产量小。无铅汽油目前又只有燕化这一家，价格更高，产量也高不到哪里去，可选择性太受限了。
　　

二、1950年代中国航空活塞发动机的起步
　　

中国第一款自行制造的航空活塞发动机，也是新中国第一台航空发动机，是湖南株洲的311厂仿制的苏联M-11型，国内型号50号发动机。
　　

话说331厂，原来仅仅是一家炮弹生产厂，第一代中国航空人在极端艰苦的环境下，将炮弹工厂改成了发动机工厂，一边修理M11发动机，一边试制简单部件。在从前苏联运回来的技术资料抵达311厂后，就开始着手整机仿制。M11是一款星型活塞式发动机，主要由曲轴、连杆、活塞、汽缸、分气机构和机匣等部件组成，运作原理是用燃料燃烧产生的能量推动活塞产生动力，因汽缸以星型环绕的方式围绕传动轴进行布置，这种发动机也因此得名星型发动机。仿制M11最大的难点是发动机机匣，因为M11的机匣是铝合金制造的，而当时中国没有掌握电解铝技术和铝合金制造技术，只好自己造电炉，冶炼铝合金，期间还发生过事故。
　　

1954年8月16日，在苏联专家帮助下，中国人自己制造的第一台仿制活塞航空发动机M11试制成功。功率118千瓦(160马力)，质量180千克，后装备于初教-5。
　　

图2： M11星型发动机
　　

还是这一家331厂，1957年仿制苏联A山-62NP型发动机生产活塞-5发动机，800马力，装备运-5运输机，1958年批产。后来，311厂于1962年研制成功了活塞-6星形气冷9缸活塞发动机，1962年6月4日通过国家鉴定。活塞-6功率为260马力，发动机重199千克，装备初教-6教练机。后期生产的活塞-6甲发动机，功率为285马力，发动机机重200千克，装备初教6甲教练机。再后来改进的活塞-6丙发动机，装备于701号、延安2号试验型小型直升机。活塞-6发动机的改型还用在哈飞的运-11上。问题是，活塞6仍然是仿制的，即苏联AI-14P发动机的仿制型号。
　　

M11，活塞-5，活塞-6……都是仿制。那么，中国第一款是自主研制的航空活塞发动机，又是哪一款呢？
　　

兵器迷查到的资料，勉强称得上是自主研制的第一个国产机型，可能是活塞8发动机。1961年9月，航空部和空军下达联合指示，提出了以俄罗斯Аш-82В(690)发动机为主体与Аш-82Т发动机减速器等成熟部件的基础上，组合设计出一种活塞发动机，安装在ИЛ-14等四种飞机上，达到“一机多用”，适应西藏高原飞行的需要。
　　

插一句，从时间上看，这个需求应该和西藏平叛后的形势有关吧。
　　

扯远了。
　　

1963年10月，651(活塞八)发动机研制成功。虽然仍是以苏联发动机为基础，但这次因为需要将二种发动机的不同部件相结合，因此从需求到研制总算是有自己的设计成分在里面，不算是完全仿制的。
　　

三、1960—2010年代的中国航空活塞发动机
　　

活塞8研制成功快半个世纪后，中国的小型航空活塞发动机，大部分仍然是功率很小的汽油机。北航、南航和西工大都是研制无人机的主力，但在动力上，西北工业大学曾长期是中国唯一的小型航空活塞发动机的自主研制单位，。主要产品包括二冲程发动机和转子发动机，如HS-280、HS-350、HS-510、HS-700、Z2G系列发动机。功率从15hp到55hp，全部是化油器方式，无一采用直喷供油，也无一具有涡轮增压功能(复习《技术篇》)。仅能满足全机质量350公斤(原文如此)的低空短程无人机飞行的要求，技术水准可想而知。
　　

其中比较为人熟知的，如早期国内的无人靶机靶-2，采用的是HS-280二冲程活塞发动机，功率只有15马力，续航时间只有60分钟，升限2000米。
　　

图3：靶-2无人机装备HS-280活塞发动机
　　

此外，ASN-104无人机装备的是HS-510发动机。这是一款四缸二冲程气冷活塞式发动机，最大功率22千瓦(30马力)。ASN-104的最大平飞速度205千米/小时，巡航速度150千米/小时，实用升限3200米，遥控半径60千米，续航时间仅2小时。其发展型ASN-105的遥控距离为100千米。该机型出口代号D-4。2014年4月1日韩国《朝鲜日报》称，韩军方人士证实，朝鲜曾引入中国的D-4无人机，并进行改良，制造出“方岘”无人机并投入部署。
　　

图4 ：ASN-104无人机装备HS-510活塞发动机
　　

再有就是装备量很大的ASN-206无人机，最大时速210公里，航程150公里，飞行时间4～8小时;飞行高度5000～6000米。其动力是2冲程51马力的HS-700型活塞发动机。ASN的后继型号ASN-207，ASN-208无人机，也同样采用了HS-700的改型发动机。
　　

图5：ANS-206无人机装备HS-700活塞发动机
　　

一直到2003年左右，西北工业大学才开始研制80hp的二冲程发动机。
　　

一直到2005年左右，国内还没有开展涡轮增压器匹配工作和涡轮增压控制系统研究。
　　

而国内航空活塞重油发动机，进展甚至不如汽油机。虽然早在1980年代，国内曾经开始研究煤油或其他燃料的发动机，设想出了低压缩比的单级内风冷柴油转子发动机的研发方案，但这一方案仅仅停留在了设想节点，并没有得到后续的实施。从国内的文献来看，在2013年之前，航空重油活塞发动机的研制基本处于基础理论研究阶段，很难查到定型并大规模生产的重油活塞航机的产品。
　　

看到上面介绍的情况，我们就不难明白，为什么这两年中国军用无人机的发展突飞猛进，但作为珠海航展出口明星的翼龙-1无人机和彩虹-4无人机，性价比这么高，察打效果这么好，其发动机却都是来自奥地利的ROTAX914活塞发动机。
　　

ROTAX914UL，这款翼龙、彩虹-4(甚至网传也包括彩虹-3)与捕食者A同型的四冲程涡轮增压活塞发动机，燃料为航空汽油，100马力输出@5500转速，重量64公斤功重比1.5625hp/kg。(另有115马力/78公斤，功重比1.4743数据，估计与型号批次、转速、附件重量有关)。
　　

图6: Rotax914发动机
　　

对比之下，国产的活塞9发动机，也就是中航工业的HS-133活塞发动机，2006年立项，2012年11月28日完成300小时耐久试验考核。功率只有82 马力(转速未知)，重量却有80公斤，功重比仅1.025hp/kg。
　　

图7：活塞9/HS-133H活塞发动机
　　

看到差距了吧，我们2012年底刚通过耐久性考核的活塞9，功率82马力。人家Rotax912也是80马力，Rotax914是100马力，1989年到2011年两型累计生产了大约4000台。这还不算咱的功重比差了三分之一。
　　

如果说涡喷、涡扇、涡轴、涡桨这些发动机，中国自有产品多少患有心脏病，是性能好坏问题的话;那么在2010年之前，6000-10000米中空、超过10小时航时的无人机所需的80-160马力活塞发动机，甚至没有可用的机型，是有无问题，也就是说，没有自己的心脏。
　　

彩虹-3，彩虹-4，翼龙-1……主力机型的动力全都寄托在ROTAX914上——这就是为什么，兵器迷在2014年发帖《平心不敢稍偏倚，慧眼才得细参详》中，提出中国无人机的两大隐忧之一，就是动力无法自主。按说Rotax占据了小型航空活塞发动机80%的国际市场，中国无人机用这样的发动机，可靠性高也有利于出口。今天中美关系还过得去，大家都可以用，不是大问题。然而，一旦双方陷入紧张(看目前这个架势，明后年啥情况还真不好说)，谁能说美国一定不会限制中国进口Rotax和其他出口动力?届时别说出口市场可能全灭，关键是中国自己的军用无人机没有合适的动力，如何在战场上发挥作用
　　

身体(机体)、大脑(航电)、眼睛(传感器)、拳头(弹药)、神经(信号传输)、血液(燃料）……都有了，还都不赖。就是这动力，要命啊。
　　

什么叫心腹之患?中国中空无人机的心脏缺失，才真真叫一个心腹之患。（作者：兵器迷的天空）

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