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单引擎涡桨冲击波

发布时间:2021-06-30 09:06:17 浏览数:

在固定翼飞机族群里,从发动机工作原理的角度区隔了三个不同的类别:活塞发动机飞机、涡桨飞机和喷气飞机。从发动机数量的角度划分了两个类别:单引擎飞机和多引擎飞机。发动机的工作原理和数量直接影响了飞行高速、飞行速度、飞行航程、载重等飞行性能。

2005年的统计显示,美国和加拿大在过去的21年里,双引擎飞机因一个引擎失效而造成的事故死亡人数超过300人。单引擎在其800万的总飞行小时里,无一事故伤亡因引擎失效而酿成。究其原因,一旦双引擎飞机的一个引擎失效,不对称的拉力和阻力、升力和降力造成飞机转向、翻滚、下沉,如果飞行员的技术、经验不足,后果不堪设想。

过去使用双引擎飞机的原因很简单,早期的引擎不够强劲而且稳定性差,需要两个引擎确保飞机有足够的马力及航程的安全。但航空技术发展到今天,发动机的功率和稳定性大大提升,以至于像波音757, 767, 777都减少了其引擎数量。

1988年是单引擎涡桨飞机的里程碑年度,随着Caravan的市场验证和TBM的诞生,单引擎涡桨飞机引来热论。当时的美国如同现在的中国,由于对单引擎涡桨飞机的认识不足,对单引擎飞机的限制很多,如:不能载客使用,不能夜间仪表飞行等。但很快,市场和航空官方组织认识到了PT-6发动机给航空业带来的革命。Caravan在改变单引擎涡桨飞机的命运中功不可没,Caravan的飞行纪录验证了单引擎涡桨不但能够稳定、安全地完成其飞行使命,且从经济效益的角度看,也令人惊叹地帮助FedEx争取了更大的盈利。市场需求的驱动、可靠安全的性能使得单引擎涡桨飞机的官方限制随之解冻。时至今日,单引擎涡桨飞机的全球直接销售额高达126多亿美元。

审视中国的飞机市场,1000公里到2000公里的航程使命占很大比例,选择长距离公务机还是中短距离涡桨飞机自然会成为一个思考的话题,长距离公务机在完成短距离的飞行使命中,节省时间的优势并不十分突出,但是中短距离的涡桨飞机在节省运营成本上的优势却令人惊叹。随着中国通用航空发展,以使命为原则的购买心理将日趋成熟。

不得不说,单引擎涡桨飞机以其出色性能,稳定的安全表现,经济的使用成本,在航空领域占有了重要的一席之地,其中四个制造商的产品更是在单引擎涡桨家族中脱颖而出——Pilatus PC-12 NG,Daher-Socata TBM 850 ,Cessna Grand Caravan,Quest KODIAK。

Pilatus PC-12 NG

公务单引擎

这个来自瑞士的品牌,全然展现瑞士精益求精、追求卓越的制造精神,自1994年Pilatus PC-12通过认证以来,这款单引擎涡桨飞机一直以其令人惊叹的灵活性活跃于多个领域:企业空中的士,区域性航线,救援平台,货物运输,军事执法,特种任务和私人航空等,都被涉猎在PC-12的能力范围。笔者之所以称之为“公务单引擎”,是因为Pilatus PC-12 NG的机舱空间堪比公务机,宽度与Citation CJ4相同,空间立体容积比Hawker Beech-Craft 400XP还要大,而运营成本却远远低于公务机,以美国为例,Pilatus PC-12 NG:907美元/小时,Citation CJ4:1999美元/小时,Hawker Beech-Craft 400XP:2221美元/小时。

2011年11月,Pilatus交付了其1100架PC-12,这是自1994年推出高速单引擎涡桨飞机以来的一个了不起的成就,如今的销售额是塞斯纳Caravan的将近两倍。PC-12累计飞行3.3万小时,显示了PC-12拥有者对飞机使用的高频繁度。

2008年,PC-12 NG问世,升级到液晶面板的航电设备以及集成的数十种改进,使得NG真正超越早期版本的PC-12。自此,市场出现了这样一种速度快、加压舱、起降落跑道相对较短、单引擎、单一飞行员、不需要改装培训、拥有巨大的机舱的涡轮螺旋桨飞机。与Hawker Beechcraft的King Air 200/250(两个PT-6AS引擎)的性能相比,Pilatus的PC-12的市场需求显而易见。

值得一提的是Pilatus在对PC-12 NG进行改进时。大量听取其客户意见并交付了客户所需要的产品;虽然PC-12 NG的蒙皮与PC-12相同,但他们所做出的巨大改善足以让PC-12 NG当之无愧地被称为“崭新的”飞机。

PC-12 NG的改进极具前瞻性:四屏Honeywell Primus Apex航空电子面板。两个PFD和两个MFD集成信息屏,显示包括发动机监测,飞机状态,压力控制,飞行和气象数据、航图,飞机系统信息和航程计划等功能都被集成到系统中。

Apex是与PilatusPC-12 NG合理匹配的航电系统,其许多功能出现在湾流和猎鹰飞机上。Apex系统有4个10.4显示屏幕,一对PFD/无线电,自动驾驶仪(Honeywell数字式自动驾驶仪),一对MFD,采用了SmartView(智能图示),其在提高安全性和姿态感方面是一个革命性的产品。它显示自然地形的3D渲染,为飞行员提供了一个完全不受气候和光照条件影响的虚拟外部景观。

Apex还提供了几个新功能。如果起飞时的飞行状态是不安全的,例如襟翼没有收起,系统会视觉警告飞行员并加以音频警告“不要起飞!”。Apex也能够手控增压系统。所有的PC-12 NG都能够配置RVSM(缩小最低垂直间隔)。

另一处升级是采用了加拿大Pratt&Whitney 的新产品——PT6A-67P涡轮发动机,取代了PT6A,虽然二者都是1200马力,但PT6A-67P的马力是持续的,而不再受限于五分钟的运转。这是因为新发动机具有更高的耐热性,这归功于更好的压缩机和涡轮叶片设计。PT6A-67P最大巡航功率仍然是1200马力,但巡航高度可以更高,从而优化了巡航指标。

PilatusPC-12 NG最大巡航速度为280海里。在保持仪表飞行规定的油料储量的前提下,载有3名乘客并高速巡,其最大航程达到1560海里。如果巡航空速保持218海里,假设实用升限30000英尺的高度,NG每小时仅仅燃烧279磅,这使得PC-12可持续飞行近8小时,1700海里的巡航航程。

如今的PC-12 NG更优化了翼尖,更短、更大倾角、组合形状、右侧翼尖集成了雷达天线。

Pilatus和宝马美国设计工作室合作打造新的内饰。在330立方英尺加压客舱内,豪华和舒适程度极尽期待所及。有足够的房间供乘客在后面放松。机舱5英尺宽,甚至比一些中型喷气飞机更宽敞,各种木质、精致的皮革和音频/视频选配。虽然机舱可设置9个座位,不过行政PC-12 NG六席是最流行的配置。 

让Pilatus觉得自豪的是有其飞机被称为“过度工程化”。一个很好的例子是新的发电机系统的设计,它取代了以前的皮带驱动的备用发电机系统与发动机驱动的300安培发电机,三节电池(两台主用,一台备用),在双总线系统环境下提供足够的冗余电源。

PC-12 NG有一个标准的前端乘客门和可提供叉车携带大物件出入的(53英寸 X 52英寸)超大尾部货舱门,2011年,PC-12 NG被指定运送高敏感、高价值的航天卫星横跨美国大陆。

PC-12 NG是经过认证的可以在已知结冰区域飞行的飞机。飞机的表面是由机翼前缘的气动除冰,而挡风玻璃和螺旋桨是电除冰。

可收放的纵向推力起落架让PC-12 NG可以在草地和非常规场起降,高升力翼形使其短距起降更容易。这一点与TMB 850相似,虽然PC-12 NG不是短距起降飞机,但它对跑道的长度的要求远远小于喷气飞机对跑道长度的要求,这样使得更多的机场对该飞机开放,让乘客出行目的地选择更加灵活。

Daher-Socata TBM 850速度之王

TBM 850是一种高性能,加压机舱的单引擎涡轮螺旋桨飞机。公司坐落在法国塔布的Daher-Socata。TBM 850是目前最快的单引擎涡轮螺旋桨飞机,飞行高度26000英尺时巡航速度为320节,该巡航速度接近轻型喷气飞机,而运使用维护成本仍然是单引擎涡桨飞机的成本。在巡航飞行高于29000英尺的空域里,TBM 850配备有通过认证标准的RVSM(缩小最低垂直间隔)航空电子设备。

TBM850的起源可以追溯到80年代初,美国穆尼飞机公司打算生产的一个单引擎的360马力(268千瓦)活塞发动机加压轻型飞机——穆尼301。1985年,当时的穆尼新业主和法国Socata合作,在穆尼301雏形的基础上生产了 TBM 700。在“TBM”名字中,“TB”代表塔布 (Tarbes),Socata坐落的城市,“M”代表穆尼(Mooney)。

1990年1月,TBM 700首次在法国取得认证,并在同年八月获得美国认证。这款设有6-7个座位的低单翼飞机,主要是铝合金和钢结构,但机尾的表面是复合材料。它有一个可伸缩式三角起落架,加拿大PT6A-64的700马力(522千瓦)的发动机。TMB 700于2006年停产,转而开始生产TBM 850。

TBM850的生产型号名为TBM 700 N,发动机升级成更强劲的PT6A-66D,最大标定功率850马力(634千瓦),保护发动机从不到大其功率极限,从而延长发动机使用寿命和维修周期。TBM850起飞和降落功率限制在700马力(522千瓦)以下,但在巡航飞行时发动机的功率高达850马力(634千瓦)。这部分额外功率赋予了TBM 850较TBM 750更高的巡航速度,尤其是在高海拔高度。

以其强大的引擎,TBM 850带给你的“高速”意味着巡航速度在320节时,航程可达1400海里,在252节的经济巡航速度下航程可达1600海里。20分钟可爬升到RASM空域高度,不过飞行高度26000英尺是TBM 850的节油、高速、性能最好的完美高度,15分钟的爬升便可到达此高度,飞行0.80海里仅消耗燃油1磅。可见TBM 850在提升速度的同时并不提升飞行耗油成本。

在国际标准气候条件下TBM 850的起飞地面滑跑距离是2035英尺,50英尺障碍清除距离是2840英尺,虽然不是短距离起降性能飞机,但这个距离却是轻型喷气飞机望尘莫及的。同时,大型哈泽尔三叶螺旋桨的设计,将TBM近进速度降低到85节甚至更低,让着陆滑跑距离相对缩短。

TBM850的机身设计采用一些安全结构设计技术,包括使用多荷载路径系统最大限度地提高机身构件的可靠性/耐久性,延长机身结构寿命。TBM850的机身与TBM 700C2机身基本一样。TBM 850设计师选用铝合金,高强度钢(包括钛)以及先进的复合材料,在最大限度地提高结构强度和耐久性的同时也最大限度地减少了飞机重量,并降低了维护成本。

自2008年后,TBM850配备了Garmin G1000综合系统。TBM850的G1000集成套件包括双10.4寸液晶主飞行显示器(PFD),15寸液晶多功能显示器(MFD),双数字音频控制器,电晶体地评议、方向指示仪系统,数字式大气数据计算系统,双导航、通话、仪表着陆系统、WAAS系统、全球定位系统接收器,和双三轴磁力仪,另外还集成了数字GFC 700自动驾驶,彩色气象雷达,地形回避系统(TAWS),空中对撞避让系统(TCAS)和航图显示(与卫星气象链接)。

TBM 850机舱设计简单而优雅,注重品质和细节。座舱14.96英尺长,4英尺的高度和宽度,提供6个舒适的可调靠背和可折叠扶手的真皮座椅,一个大的折叠办公桌。

乘客进入驾驶室是通过一个大型电动门、楼梯和坡道。机舱内的矩形舷窗配有下拉式遮阳,圆顶照明,所有席位都配有阅读灯、电源插座和一个完全自动化的双区环境控制系统。

3月底,在美国佛罗里达刚刚结束的Sun n’Fun展览期间,Socata推出了一款新的TBM 850涡轮螺旋桨飞机——“TBM 850精英”——一个全新的可折叠、可变换位置的座椅设计大大提高了载货能力。座椅的变换可在15分钟内完成,850精英也引进了一些新的航电系统,包括Garmin的Iridium卫星收发器和高频无线电选配。

TBM850是一款很有吸引力的飞机,其周到的设计甚至考虑到作为飞行出租使用,飞行员有独立的入机门,不通过客人的机舱过道进入驾驶室。为客人提供较好的私密空间。

截至2011,Daher-Socata已交付超过600架TBM。其中260个模型为850机型。截至2012年1月1日,TBM机群总体累计飞行时间达909921飞行小时。

Cessna 208A Caravan 675

208B Grand Caravan

货运专家

赛斯纳大篷车是美国赛斯纳公司制造的高翼单引擎涡轮螺旋桨飞机,固定轮,短途支线实用型并获得FAA单一飞行员驾驶认证的飞机。截至2011年底,赛斯纳飞机已交付415架Caravan 675,2200架Grand Caravan 208B,机群总体累计11000000飞行小时。2010年,Caravan举行了诞生二十五年庆典。从任何一个角度审视它,无论是坚固性,灵活性,可靠性等,都可以让货运和客运使命变的得心应手。

Caravan原型的第一次飞行是在1982年12月,目的是为了填补活塞发动机赛斯纳206载重不足造成的市场空缺。当飞机工程师开始对206进行“扩展”时,他们做出了一个决定,使用一个更强大的涡轮发动机会更好地适应新的设计,在世界许多地区,航空汽油是稀缺和昂贵的。而涡轮发动机燃烧Jet-A,价格低廉几乎无处不在。1985年第一架Caravan交付使用,1990年载客版的Super Cargomaster——Grand Caravan诞生。

在早期,Caravan业务成功归功于联邦快递货运公司订购了赛斯纳第一个5年内生产的460架飞机中超过了一半数量的飞机。第一批Caravan服役以后,联邦快递发现飞机行使货运使命时,载货受到的局限是体积而不是重量。赛斯纳的解决办法是对208A Cargomaster机身加长,机翼前增加20英寸,机翼后增加28英寸。拉伸又增加了34%的机身体积,诞生了208B——Super Cargomaster。之后,联邦快递208B机群持续拥有250架。

Grand Caravan,大篷车的第四代系列,集合了前三个系列的所有最佳性能,包括更强大的675马力,PT6发动机,更长的机身,机舱硬件的优化使它可以迅速从一个客运飞机变成货运飞机,或者客货两用飞机。飞机通常坐六到八名乘客,最多可容纳十二人。

大篷车有四门:驾驶舱两侧各一个门,右侧客舱登机门,和一个大的左侧货舱门。

飞机爬升空速110节,每分钟900至1000英尺垂直高度。在低空水平巡航空速175节。选配货舱型大约降低巡航速度8节。

332加仑的可用燃料,最多可支持巡航4.6小时燃油外加45分钟储备油量。如果减少一半燃料并设置巡航飞行状态,可以携带2800磅的人和货物巡航3小时,空速147节,每小时耗油47加仑。

大篷车飞行员均称,尽管它尺寸不小但驾驭它就像驾驭一架温顺的类似赛斯纳182 Skylane的小飞机。值得一提的是大篷车可载重连燃油带乘客和货物超过3700磅还能驾驭它如同驾驭小飞机一样轻松!单开缝襟翼,前缘涡流产生器和后缘角(保持气流连贯从而提高襟翼的效力)使大篷车轻松满足单引擎失速空速不高于61节的规定。2008年以后生产的大篷车,标准配置包含Garmin G1000航电系统,包括GFC700自动驾驶仪和两个液晶主飞行显示器。中间一个多功能显示器,显示实时飞行关键数据,包括交通流量信息、姿态、航向、发动机和机组警报。

比较流行的选配是下置肚皮货物吊舱,它提供了一个额外的111立方英尺,1000磅的可用存储空间,空间内区隔了四个独立区域以飞行中防止货物移位。2008年后,大篷车采用通过认证的TKS除冰系统“渗漏机翼”防冰技术取代气动除冰,提供了3½小时反结冰保护。对于大篷车这类附属物较多(起落架、货舱、机翼支柱)表面积较大的飞机,TKS除冰系统的采用是不牺牲飞机性能的前提下一个重大的安全性改进。其他可选项还包括升级的Garmin G1000航空电子设备,各种内部座椅选配和其他高级内部装饰,单点加油和空调。

Quest KODIAK

越野先锋

Quest飞机公司,位于美国爱达荷州桑德波因特的科迪亚克岛,制造新一代十人涡轮螺旋桨飞机KODIAK。Quest一丝不苟地从零开始设计,以布施人道主义救助为飞行使命,满足偏远地区非常规跑道短距离起降性能的需要。可以视KODIAK为现代版的de Havilland Beaver和Otter再生。自2007年投入制造以来,KODIAK旨在制造即使在满负荷载重条件下,创造最短的STOL(短距离起降)性能的飞机,同时KODIAK也是出色的水上飞机和两栖飞机,KODIAK转装成水上飞机不需要任何结构升级。

一眼望去,KODIAK很容易被误认为Grand Caravan,因为外形特点和尺寸有些相似,不过这种错觉是暂时的。尽管Caravan也是货运客运兼顾的机型,而且无庸置疑Caravan也拥有耐用可靠的结构设计,经得起偏远地区恶劣飞行条件的考验,但Caravan从来没有被看作是真正的短距起降性能飞机,STOL(短距离起降性能)是二者区别的关键点,至此两架飞机的区别浮出水面。

Quest KODIAK的设计初衷是为生活在穷乡僻壤的人们提供生活物资和帮助,所以要经常要落在非常规跑道,特别是在山区,可能在着落前需要在山谷间急速转弯,可能避开参天大树后就是极短距离落地。这些性能的设计都要求KODIAK在高载重条件下完成。这远远不止于降落在草地跑道了,这是意味着具备在荒郊野外的着陆能力。这种出色的“越野”能力无意间赋予了KODIAK更广阔的市场空间,喜欢探索自然、享受飞行的爱好者把目光纷纷投向KODIAK。

面对这样一个体积不小,载重可达3535磅的飞机而言,其短距离起降(STOL)的性能的确令人印象深刻。它的最大起飞重量(MGTOW)7225磅,KODIAK被认证的50英尺清障起飞水平距离小于1200英尺,Quest公司的Lynn Thomas先生告诉我,KODIAK可以轻松舒适地做到起飞滑跑小于1000英尺离地,每分钟爬升1300英尺。如果减轻载重,KODIAK可以离地更快。

KODIAK的短距起降性能不仅是来自于额定功率为750轴马力的PT6A-34涡轮发动机(700轴马力最大连续功率),同时也来自于间断的前缘机翼设计。内侧机翼是标准的NACA翼形,外侧翼形采用“下垂”前缘设计,占整个机翼的40%。机翼翼中的设计改变会产生涡流、从而保持气流流动产生升力,在非常低空速的情况下增强副翼作用力。当飞机攻角增加到内侧机翼失速时,外侧机翼的下垂设计使其减少攻角,降低失速速度。随着放下襟翼,失速空速降至59节。

在海拔12000英尺高度,KODIAK最大巡航速度为172节,航程979海里,燃烧Jet-A燃油,每小时50加仑,可飞行5.7小时。设置巡航速度137节时KODIAK航程可以扩展到1113海里,每小时消耗34加仑,可飞行超过8.1小时。

Kodiak是被认证通过的可飞行到已知结冰区(FIKI)的飞机。采用由CAV航天公司生产的TKS™防冰系统,专为防冰设计,也可以在飞行途中除冰,被公认为通用航空飞机最有效的防冰除冰系统。KODIAK现已全面采用这个强大的除冰系统,进而满足所有飞入已知结冰区要求。

KODIAK机舱内的乘客座椅是履带式,当需要运载货物时,座椅易于移动。KODIAK有标准的驾驶员和副驾驶员舱门,机尾处有一个48.5“×50”的大翻盖门,供货物搬入搬出以及乘客进出。(下半部的翻盖门有自动伸缩脚踏台阶)。

KODIAK采用Garmin G1000液晶面板(2 PFD + 1MFD)的综合航电系统。

灵活多样的选配包括TKS™除冰保护系统,豪华舒适的内饰,扩展货舱以及两栖水上飞机。

KODIAK在全世界倍受包机运营商、中小企业、私人拥有者、跳伞运动及美国和国际人道主义组织青睐。Quest也提供了一些KODIAK水上飞,包括美国订购的9架,用于鱼类和野生动物服务。

2012年3月20日,Quest与诺斯洛普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation) 签署协议,开发的空气爪™特殊使命 。协议规定,诺斯洛普·格鲁曼公司将作为KODIAK的美国联邦经销商,经销KODIAK特殊任务执行飞机。该计划帮助KODIAK拓展了特殊任务执行的细分市场,如空中情报,空中探测,执法,搜救和航空医疗。

(本文作者王争 美国FAA多引擎仪表执照飞行员)

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