美海軍三型魚雷最新研發進展及技術途徑

張 萌, 譚思煒, 張林森

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美海軍三型魚雷最新研發進展及技術途徑

張 萌, 譚思煒, 張林森

(海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033)

美國魚雷技術處于世界領先水平, 其發展動向一直是世界各國海軍關注的焦點。文中通過對美海軍報告以及相關資料中收集到的2017財年美國在役MK 54 Mod 1型輕型魚雷、MK 48 Mod 7重型魚雷以及正在研發的反魚雷魚雷(ATT)這3型魚雷的發展動向和具體技術動態的梳理, 簡要分析了其研發現狀及未來發展趨勢。2017財年, 美海軍對MK 54 Mod 1型輕型魚雷繼續改進聲吶硬件和戰術軟件進行了多次研發性水中測試; 開展了“魚雷先進動力推進系統(TAPS)”計劃, 以增大現有MK 48 Mod 7重型魚雷的射程; 同時, 在3艘航母上部署了ATT, 并進行了快速反應評估。文中所做研究可為國內相關裝備的發展提供參考。

魚雷; 研發進展; 技術途徑; 美國海軍

0 引言

美國魚雷技術處于世界領先水平, 發展動向一直是世界各國海軍關注的焦點。

美國海軍現役魚雷有MK 54輕型和MK 48重型魚雷以及正在研發的反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)。文中梳理了以上3型魚雷在2017財年的發展動向和技術狀態, 以供國內同行借鑒。

1 MK 54魚雷的發展

由于MK 50魚雷的采購與使用成本過高, 冷戰結束后美國海軍無法大量采購。于是, 美國海軍開始研發輕型混合魚雷(lightweight hybrid torpedo, LHT), 這種魚雷結合了MK 46魚雷的戰斗部和動力系統(速度控制閥來自MK 48)、MK 50魚雷的自導和控制系統以及MK 48魚雷的戰術軟件, 對美國海軍來說是一種成本比較合理的先進輕型魚雷[1], 即MK 54魚雷。

MK 54魚雷的設計工作始于1999年7月, 同年11月通過關鍵設計審查, 2002年進行技術評估與測試, 并在2003年2月完成[2]。相較于應對大航深、高速潛艇的MK 50魚雷, MK 54魚雷重點強化了近岸淺海環境下的作戰能力[3], 這是因為美國海軍認為冷戰結束后的主要作戰環境是敵對國家的近海海域[4]。在動力系統上, MK 54魚雷引進MK 48魚雷的變速閥, 可以通過調節燃料流量對魚雷進行變速, 使魚雷可在低速時搜尋目標, 從而提高自導系統發現目標的概率[5], 同時提高魚雷攻擊范圍。該變速閥結構簡單緊湊, 占用空間較少, 質量較小可靠性高, 如圖1所示。

圖1 MK 54魚雷變速閥

美國海軍于2007財年開始進行MK 54 Mod 1魚雷的研發, 并于2015年11月開始研發性水中測試。硬件方面, MK 54 Mod 1魚雷將聲吶陣列從52個陣元升級到112個陣元, 以增強對虛假目標的識別, 提供更強的分辨能力, 并克服MK 54 Mod 0魚雷的缺陷[1,3]。在軟件方面則是配合硬件改動, 進行性能升級。在2017財年, 美國海軍繼續改進MK 54 Mod 1魚雷聲吶部分硬件和戰術軟件。

MK 54 Mod 1魚雷總的研發計劃要求在深水和淺水條件下進行6大項測試, 共需要發射84枚魚雷。由于天氣惡劣以及魚雷和靶雷丟失等問題, 在2017年只進行了17枚魚雷的發射, 加上以前的測試, 共計發射了43枚魚雷。美國海軍計劃在2018和2019財年完成剩余的研發性測試, 并于2020財年進行作戰測試與評估[1]。

2017年8月, 美國海軍進行了戰斗部縮比模型的測試, 以評估MK 54 Mod 1魚雷對典型目標的殺傷力。另外, 美國海軍還計劃測試引信和戰斗部裝藥的可靠性和MK 54全雷的安全性, 但由于測試設備發生了一系列故障, 測試被迫取消。

2017年, 美軍開展了2項MK 54 Mod 1魚雷作戰性能測試設備的研發。一項是研發模擬敵方潛艇的靶標, 一項是對位于海軍水下戰中心的武器評估設施(weapon assessment facility, WAF)的模擬試驗臺的改進。美國海軍計劃通過改進靶標和海洋環境模型來提升評估手段, 以更貼近實戰的環境來測試魚雷的性能。

高空反潛作戰能力(high-altitude anti-subma- rine warfare capability, HAAWC)計劃是美國海軍對MK 54 Mod 1魚雷的一項重要的配套研究[1]。其含義是, 通過為MK 54魚雷增添滑行機翼, 使P-8A飛機在巡航高度時對魚雷進行遠程、高空部署, 落點則由GPS導航精確控制[3]。HAAWC基本型不提供飛行途中改變攻擊彈道的功能, 但會在未來添加。在2017年, 海軍進行了P-8A和HAAWC套件的一體化測試, 并進行了P-8A攜帶飛行試驗, 以收集P-8A武器系統的數據并評估操作員的人機界面。2017年12月完成了HAAWC套件的安全分離測試。滑行機翼由波音公司研發, 如圖2所示。

圖2 波音公司研發的滑行機翼

2017財年, 美軍作戰測試與評估中心認為MK 54 Mod 1魚雷尚未形成戰斗力, 原因是測試仍不能貼近實戰環境及測試次數不足。美國海軍對潛艇的安全規定限制了MK 54 Mod 1測試魚雷對現役潛艇進行射擊, 再加上沒有模擬潛艇的逼真靶標, 因而無法充分評估MK 54 Mod 1魚雷的實際作戰能力。為解決上述問題, 美國海軍計劃下一步采取兩步走的方法: 首先讓魚雷對潛艇進行搜索與跟蹤, 以測試其目標搜索能力及抗干擾能力, 但在接近潛艇時進行規避操作; 然后利用靜態靶標測試魚雷攻擊爆破能力。這樣就對魚雷工作的全過程進行了完整而貼近實戰化的測評。

2017年, 美軍作戰測試與評估中心對MK 54 Mod1魚雷的具體使用也提出了改進建議, 主要通過3個方面: 一是通過培訓等提升使用人員在目標探測、定位和跟蹤方面的技能; 二是修改MK 54的使用策略、操作規程以提升反潛效率; 三是在技術上降低MK 54參數設置的復雜性, 降低對魚雷落水點的要求。

2 MK 48魚雷TAPS計劃

美國現役的重型魚雷為MK 48 Mod 7魚雷。該型魚雷以MK 48 Mod 6為基礎, 結合了通用自導與控制機箱(advanced common torpedo guidance and control box, ACOT-GCB)和通用寬帶先進聲吶系統(common broadband advanced sonar system, CBASS)技術。CBASS技術可以使魚雷在淺海嚴重的背景噪聲干擾中有效追蹤目標, 并增強了抗敵方干擾的能力[7]。

在2016年8月, 美國海軍宣布啟動一項關于MK 48 Mod 7魚雷動力系統的升級研究, 從2017財年起由海軍研究辦公室(office of naval research, ONR)執行魚雷先進動力推進系統(torpedo advanced propulsion system, TAPS)計劃[8], 目標是增大現有MK 48魚雷的射程。TAPS有兩大研究方向: 一是對現有活塞式斜盤發動機進行改進, 二是研究鋁-氧化銀海水電池電動力技術。

第1個研究方向的技術途徑包括降低發動機輸出功率和提高燃燒效率, 以此對魚雷增程。在降低發動機輸出功率方面, 做法是研發新型發動機, 要求在低功率輸出下也能高效地工作。在提升燃燒效率方向上, 做法是改進燃燒室, 包括: 1)更換燃燒室材料, 減少燃燒室的散熱; 2) 增加燃料在燃燒室內的停留時間, 使其充分燃燒; 3) 改進霧化裝置, 在不同的發動機功率輸出下都能使燃料有良好的霧化效果。目前, ONR已與Aerojet Rockdyne公司在第1個研究方向上簽訂了合同, Aerojet Rockdyne公司早在20世紀50年代就進行過魚雷發動機的研發[9]。

第2個研究方向是研究鋁-氧化銀海水電池電動力技術以替換目前的MK 48熱動力系統。ONR在該方向上列出的關鍵技術如下: 1) 鋁-氧化銀海水電池需要進行低漏電設計, 保證在低功率輸出時具有高能量密度和效率; 2) 鋁-氧化銀海水電池需要具備大功率輸出能力; 3) 鋁-氧化銀海水電池要通過長期存儲和潛艇安全認證; 4) 有效的電解質管理系統。要求通過傳感器, 實時監測關鍵電解質參數, 如電導率、粘度和溫度等; 通過受控的、可變速率的技術手段, 補充高濃度電解質; 通過氫氣-液體分離器, 及時將產生的氫氣排出; 通過熱交換器和熱控制閥, 及時排出廢熱; 通過設計安靜的電解液循環泵和電機, 最大限度地減少流體噪音; 5) 低噪聲和低電磁輻射推進電動機技術, 防止對魚雷其他系統產生干擾, 同時在低功率輸出下具有大扭矩。在第2個研究方向上, ONR已與意大利Lenardo公司美國子公司DRS System簽訂了合同, 而意大利Lenardo公司即是黑鯊魚雷的供貨商。

3 反魚雷魚雷

美國于20世紀90年代初開始開展反魚雷魚雷(ATT)的研究工作, 于2010年朝韓“天安艦”事件后加速[10]。ATT的直徑為6.75英寸, 具有高速特性與高機動性, 可快速打擊敵方來襲魚雷, 屬于硬殺傷方式[11]。

ATT是美國海軍水面艦艇魚雷防御(surface ship torpedo defense, SSTD)系統的一部分, 其結構布局如圖3所示。SSTD系統包含2個子系統: 魚雷報警系統和反魚雷武器系統。魚雷報警系統用于對來襲魚雷探測、定位、分類和報警; 反魚雷武器系統則對來襲魚雷實施硬殺傷, 以消除危險, 它包括ATT及其發射裝置。SSTD系統目前在美國航母的艦艏、艦艉的左右舷各安裝一套, 每套系統里含有6枚ATT。

圖3 反魚雷魚雷結構布局

ATT由賓夕法尼亞大學應用研究實驗室研發, 采用了儲存化學能動力系統(stored chemical energy propulsion system, SCEPS)[12], 該系統組成復雜, 如圖4所示。

圖4 反魚雷魚雷內部組件

儲存化學能動力系統使用閉式循環蒸汽渦輪發動機, 以鋰金屬作為燃燒劑, 六氟化硫作為氧化劑, 而水則是熱交換工質。六氟化硫以加壓液態方式儲存在燃料艙中, 金屬鋰澆注在鍋爐反應器內部, 鍋爐外壁則是金屬螺旋管作為熱交換器。工作時, 熱電池先點燃火藥柱, 將鍋爐內的鋰加熱成為液態, 六氟化硫則在其飽和蒸汽壓力下從儲存氣瓶中經控制閥減壓釋放, 成為氣體, 注入鍋爐反應器。氣態六氟化硫與液態鋰在鍋爐中接觸并反應生成大量熱, 鍋爐產生的高溫將四周水管內的水加熱為過熱蒸汽, 累積壓力后推動渦輪, 渦輪通過齒輪箱帶動泵噴射推進器推動魚雷前進。工作過的蒸汽進入一個螺旋管冷凝器, 經由魚雷殼體外的海水冷凝回液態水, 并由饋水泵送回鍋爐反應器四周的熱交換器中進行新的循環。整個循環過程只對周圍海水釋放熱能, 而沒有排出任何物質, 屬于閉式循環[12]。

2017年, 美國海軍在艾森豪威爾號、尼米茲號和喬治·布什號航空母艦上安裝了反魚雷武器系統[11]。在2017年10月, 美國國防部作戰測試與評估中心結合廠家試驗進行了快速反應評估。結果表明, 在理想條件下, 由訓練有素的艦員或由制造商的技術人員操作時, 魚雷報警系統能夠成功對進入威脅范圍內的魚雷報警, 反魚雷武器也能夠對來襲魚雷實施有效攔截。但受限于測試設備、測試的廣度和次數等, 尚無法確定反魚雷武器系統能否攔截齊射魚雷。另外, 對于水面艦艇來說, 實際來襲魚雷工作深度通常貼近海面, ATT也需要工作在該深度, 美國海軍尚未進行該深度下的測試, 因此, 這是ATT將來測試的重點之一。

4 結束語

2017年, 美國海軍對各型魚雷開展持續漸進的研發: 1) 由對MK 54 Mod 1型輕型魚雷的研發重點可以看出, 美國海軍重視近岸淺海條件下的作戰, 重視魚雷對虛假目標的識別與對抗能力, 并通過增加聲吶基陣陣元等方法來具體實現。2) 美國海軍對MK 48 Mod 7重型魚雷開展了TAPS計劃, 表明優化動力系統以增程是未來魚雷發展的一個重要方向。3) 美國海軍在3艘航母上部署了ATT, 并進行了快速反應評估。試驗結果顯示, 美軍的ATT已具備初步作戰能力。4) 由美軍對各型魚雷作戰測試與評估的重點可以看出, 貼近實戰環境的性能測評應是魚雷列裝考核的重點。文中梳理的美國海軍3型魚雷的發展動向和具體技術途徑可為國內相關裝備的發展提供參考。

[1] U.S. Navy. FY2017 MK 54 Lightweight Torpedo and High-altitude Anti-submarine Warfare Capability[R]// DOT&E FY 2017 Annual Report. Washington USA: U.S. Navy, 2018: 195-198.

[2] Jane’s Defense. MK 46 NEARTIP(MOD 5)/MK 54 Torpedo[R]//Unmanned Vehicles Forecast-Land & Sea Systems. London UK: Jane’s Defense, 2013: 20-31.

[3] U.S. Navy. FY2016 MK 54 Lightweight Torpedo and High-altitude Anti-submarine Warfare Capability[R]// DOT&E FY 2016 Annual Report. Washington USA: U.S. Navy, 2017: 287-290.

[4] Burke A E. Torpedo and Their Impact on Naval Warfare[R]//Naval Undersea Warfare Center Division.Rhode Island, USA: U.S. Navy, 2017: 166-176.

[5] Jane’s Defense. Mk 54 Mod 0(LHT)[R]//Jane’s Underwater Warfare Systems. London UK: Jane’s Defense, 2013: 19-27.

[6] Baciocco A J. An Assessment of Undersea Weapons Science and Technology[M]. Washington D C, USA: National Academy Press, 2000.

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[8] ONR. Torpedo Advanced Propulsion System(TAPS)[R]// Announcement N00014. Washington DC, USA: USA ONR BAA, 2017: 3-11.

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U.S. Navy. FY2015 Navy Programs: Surface Ship Torpedo Defense System: Torpedo Warning System and Countermeasure Anti-torpedo Torpedo[R]//DOT&E FY 2015 Annual Report. Washington D C, USA: U.S. Navy, 2016: 303-306.

[10] U.S. Navy. FY2017 Navy Programs: Surface Ship Torpedo Defense System: Torpedo Warning System and Countermeasure Anti-torpedo Torpedo[R]//DOT&E FY 2017 Annual Report. Washington D C, USA: U.S. Navy, 2018: 223-226.

[11] Shah M S. Development of Closed Cycle Thermal System[J/OL]. BARC Newsletter, 2010(10): 132-136. [2018-10- 05]. http://barc.gov.in/publications/nl/2010/founderday/pdf/ DAE%20EA/Paper%2025.pdf

Latest Development Progress and Technical Approach of U.S. Navy’s Three Types of Torpedoes

ZHANG Meng, TAN Si-wei, ZHANG Lin-sen

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The torpedo technology of the United States is at leading level in the world, and its development has always been the focus of foreign navies’ attentions. In this paper, the development technical trends of the U.S. Navy’s three types of torpedoes, i.e., the MK 54 Mod 1 lightweight torpedo and MK 48 Mod 7 heavyweight torpedo in service, and the developing torpedo——the anti-torpedo torpedo(ATT), are reviewed and briefly analyzed based on the U.S. Navy report and the relative information in the fiscal year 2017. In this fiscal year, the U.S. Navy: 1) continued to improve the sonar hardware and the tactical software of the MK 54 Mod 1 torpedo, and conducted several developmental in-water tests; 2) carried out torpedo’s advanced propulsion system(TAPS) program to extend the range of MK 48 Mod7 torpedo; 3) completed deployments of ATTs on three aircraft carriers, and conducted the quick reaction assessment. The purpose of this paper is to provide a reference for the development of relative weapons in China.

torpedo; development progress; technical approach; U.S. Navy

張萌, 譚思煒, 張林森. 美海軍三型魚雷最新研發進展及技術途徑[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(1): 10-13.

TJ63; E87

R

2096-3920(2019)01-0010-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.002

2018-10-09;

2018-10-18.

張 萌(1978-), 男, 博士, 講師. 主要研究方向為魚雷熱動力技術、魚雷發射技術.

(責任編輯: 許 妍)