魚雷動力系統(tǒng)發(fā)展綜述

袁 鵬，馬悅飛,2

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710054；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

當今，世界各國都把緊湊、高效型魚雷作為水下武器裝備的重點研究發(fā)展方向之一。動力系統(tǒng)是魚雷的重要組成部分，對魚雷的航速、航程、航深、安靜性、可靠性和可維修性等性能都有著決定性的影響。按照輸出結(jié)構(gòu)與形式的不同，動力系統(tǒng)分為熱動力和電動力2種。

熱動力系統(tǒng)是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，利用熱能做功，推動本體航行，其能量轉(zhuǎn)化的主要形式為燃燒。根據(jù)燃料物態(tài)的不同，熱動力系統(tǒng)又分為固體燃料動力推進和氣液燃料動力推進2種。固體燃料動力推進系統(tǒng)采用固體火箭發(fā)動機作為動力系統(tǒng)，其燃燒室、推力室與固體燃料儲箱一體化設(shè)計，一般在超高航速、短時大推力、無需進行二次熱電轉(zhuǎn)換等工況場景下使用。燃料動力推進系統(tǒng)由能供裝置、燃燒室、發(fā)動機、推進器、輔機等組成，各裝置獨立成套后聯(lián)調(diào)成為系統(tǒng)。熱動力系統(tǒng)的特點是啟動速度快、輸出功率高，但振動噪聲較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護性能相對較差，且動力性能受航行深度影響較大。

電動力系統(tǒng)是將電池組貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并持續(xù)供給推進電機轉(zhuǎn)動做功、產(chǎn)生推力，推動本體航行，其能量轉(zhuǎn)化的主要形式為電化學(xué)反應(yīng)。與熱動力系統(tǒng)相比，電動力系統(tǒng)振動噪聲小、結(jié)構(gòu)簡單、易維護，工作平順性好，能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速，性能不受航行深度影響，但輸出功率相對較低，啟動但輸出航速與航行性能穩(wěn)定、使用維護性好，但輸出能量相對較低，啟動時間相對較長。

1 二戰(zhàn)前動力系統(tǒng)的演變

早期魚雷的出現(xiàn)得益于工業(yè)革命成果的工程化應(yīng)用，大都為純機械式結(jié)構(gòu)。自1866年世界第1枚自航魚雷（“白頭”魚雷）發(fā)明后的近40年間，英、法、美、德、蘇等主要軍事強國裝備的魚雷武器均為熱動力形式，相繼出現(xiàn)V型、星型、臥式活塞機及立式、對轉(zhuǎn)渦輪發(fā)動機等結(jié)構(gòu)。發(fā)動機所采用的能源也從壓縮空氣逐漸演變，先是出現(xiàn)了“干熱式”空氣、后來又發(fā)明了將空氣、水與煤油混合的化學(xué)能燃料，并陸續(xù)出現(xiàn)了萘烷、液氧等高能量燃燒劑和氧化劑在魚雷中的工程化應(yīng)用[1-8]。

電動力技術(shù)在一戰(zhàn)后得到了一定程度的發(fā)展。美國于1915年開展了EL電雷研究，但受制于經(jīng)費不足最終不得不放棄。德國于1917年成功開發(fā)了早期電動力魚雷的雛形—Jocaby魚雷，并在此基礎(chǔ)上進行不斷改進，于1935年研制成世界上第一型鉛酸蓄電池電動力魚雷G7e魚雷，成為其后續(xù)的主戰(zhàn)魚雷裝備[9-11]。

綜合來看，因工業(yè)革命而快速發(fā)展的發(fā)動機技術(shù)加速了魚雷技術(shù)的發(fā)展，使得二戰(zhàn)之前魚雷主要為熱動力結(jié)構(gòu)形式。其研究進展快、結(jié)構(gòu)類型多、工程化應(yīng)用廣，研究方向主要集中在提高燃料的能量密度、選取更高效的發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式等方面。而受限于化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)換這一科學(xué)領(lǐng)域的突破不多，這一階段電動力技術(shù)的發(fā)展并沒有受到高度重視，僅德國實現(xiàn)了高能量電池在魚雷中的工程化應(yīng)用，推動了電動力的緩慢發(fā)展。

2 二戰(zhàn)期間動力系統(tǒng)的演變

二戰(zhàn)爆發(fā)后，主要參戰(zhàn)國以軍事需求為牽引，投入了大量的人力和資源進行大規(guī)模魚雷生產(chǎn)和新型魚雷技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。僅美國就先后開展了20種魚雷型號的研制。

期間，日本、法國、意大利、英國、蘇聯(lián)等國家始終延續(xù)并不斷優(yōu)化蒸汽、燃氣等熱動力技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，燃料和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖有一定變化，但基本以煤油或酒精為能源，以外燃式活塞或渦輪機為動力形式。而隨著新型能源技術(shù)的發(fā)展，德國研制了十氫化萘渦輪機并最終裝備于1941年服役的F5b空投魚雷。此外，美國和德國還分別開展了以高濃度過氧化氫為氧化劑的熱動力魚雷系統(tǒng)研制，美國采用這種動力形式進行了MK16魚雷部分小批量試制和MK17魚雷基礎(chǔ)研究，但局限于當時的技術(shù)應(yīng)用還不夠成熟，作戰(zhàn)使用還存在一定的安全性問題，直到戰(zhàn)后進行多輪改進才大范圍列裝，而德國則因為戰(zhàn)敗原因終止了后續(xù)研究工作[6-12]。

電動力魚雷技術(shù)在此期間獲得了長足的進步。戰(zhàn)前，僅有德國研制的G7e始終處于世界領(lǐng)先水平。1943年，美國成功研制MK18魚雷并批量裝備，戰(zhàn)時生產(chǎn)約9 000枚，成為潛艇的主要武器；隨后適用于飛機空投的MK24、潛用MK27、潛用MK28等魚雷型號相繼完成研制并在二戰(zhàn)期間服役。蘇聯(lián)在1942-1943年研制成功首型電動力ЭT-80魚雷。總體來看，這個時期列裝的電動力魚雷均以當時技術(shù)較為成熟的鉛酸蓄電池為能源，圖1為早期的電動力魚雷系統(tǒng)簡圖。與此同時，隨著材料技術(shù)的突破，其他形式電池的應(yīng)用也取得了一定程度的進展。美國在MK26魚雷的研制過程中即首次采用了鎂/氯化銀海水電池，并生產(chǎn)了25枚樣雷（未列裝），對后續(xù)魚雷的發(fā)展起到了示范作用[9-11]。

圖1 早期電動力魚雷系統(tǒng)簡圖Fig.1 Power system basic diagram of eariler electirc torpedo

從總體來看，二戰(zhàn)期間美國通過英國獲得了1枚德國U-570潛艇裝載的G7e魚雷，在對其研仿的基礎(chǔ)上，進行批量生產(chǎn)和系列化發(fā)展，促進了電動力技術(shù)的快速發(fā)展，使得電動力魚雷追趕到與熱動力性能基本相當?shù)募夹g(shù)水平。雖然魚雷發(fā)展型號數(shù)量多，但還是處在探索、嘗試、能有什么就用什么的階段，并沒有形成成系統(tǒng)、成建制、系列化的思想意識和發(fā)展理念。

3 現(xiàn)代魚雷動力系統(tǒng)的發(fā)展

3.1 熱動力系統(tǒng)的研究進展

二戰(zhàn)后的一段時期內(nèi)，熱動力魚雷仍然是以優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和提高常規(guī)多組元燃料的能量密度為技術(shù)發(fā)展方向，最典型的代表是蘇聯(lián)在這一時期出現(xiàn)了53-56氧氣活塞機、53-57過氧化氫渦輪機和53-65氧氣渦輪機魚雷（見圖2），而美國則在過氧化氫原型雷的基礎(chǔ)上延續(xù)發(fā)展：MK17魚雷在戰(zhàn)前的基礎(chǔ)上陸續(xù)生產(chǎn)到1950年，MK16魚雷系列化發(fā)展的MK16-8生產(chǎn)了約1 400枚，并服役至20世紀70年代[10,12]。

圖2 53-65魚雷動力系統(tǒng)原理圖Fig.2 Power system basic diagram of 53-65 torpedo

20世紀50年代以后，隨著空間機構(gòu)動力學(xué)的快速發(fā)展，在魚雷中出現(xiàn)了采用結(jié)構(gòu)更為緊湊、比功率更高、做功與扭矩輸出方向一致的筒型活塞機。同時美籍德國人奧托斯特林格發(fā)明了以液態(tài)硝酸酯、鈍感劑和稀釋劑為主要成分的單組元液體燃料（OTTO燃料），這種燃料比熱高、安全性好，加速了筒型發(fā)動機的推廣應(yīng)用。美國對燃料和發(fā)動機研究所取得的重大技術(shù)突破不僅引領(lǐng)了熱動力系統(tǒng)的新的快速發(fā)展，更奠定了當今熱動力魚雷的總體格局。輕型雷方面，1960年開始研制的MK46-0型魚雷首次采用了擺盤式發(fā)動機[13]，后隨MK46-1型改為五缸凸輪式發(fā)動機（見圖3）。該凸輪發(fā)動機在后續(xù)6次改型及MK54魚雷中得到不斷的繼承應(yīng)用[14]，堪稱魚雷發(fā)動機最為經(jīng)典的設(shè)計之作。重型雷方面，1963年開始研制的MK48型魚雷最終選定了采用擺盤機結(jié)構(gòu)方式的MK48-1型[15]，于1971年服役，并派生出MK48-3以后的5型魚雷。俄羅斯于1990年列裝的УГCT魚雷同樣采用了OTTO燃料和擺盤發(fā)動機。

圖3 MK46魚雷凸輪發(fā)動機Fig.3 MK46 Cam engine

這一時期，在液體燃料快速發(fā)展的同時，固體推進劑也在空投魚雷中進行探索性應(yīng)用，其中比較典型的有美國的MK40魚雷和前蘇聯(lián)的PAT-52魚雷，MK64-0型也曾采用過。但隨著艦空導(dǎo)彈技術(shù)的快速發(fā)展，海軍航空部隊對空投魚雷的需求不再迫切，固體推進劑并未得到大范圍推廣。

20世紀80年代以后，熱動力系統(tǒng)又在之前的基礎(chǔ)上衍生出一些新的應(yīng)用。其中主要有：瑞典研制的開式循環(huán)TP617魚雷和半閉式循環(huán)T62魚雷（見圖4），均采用7缸凸輪式發(fā)動機，以高濃度過氧化氫為氧化劑；英國研制的開式循環(huán)旗魚魚雷[16]，采用了單機沖壓式渦輪機和OTTO-Ⅱ+HAP（85.2%羥基過氯酸胺水溶液）+海水三組元燃料[17,18]；美國研制的閉式循環(huán)系統(tǒng)MK48-6和MK50魚雷，采用了雙回路系統(tǒng)和蒸汽渦輪機，以鋰和六氟化硫化學(xué)反應(yīng)熱為能源[19]；德國、俄羅斯等國在開展高速及超高速魚雷研究時，還重新考慮選用了固體推進劑水沖壓發(fā)動機[20-21]。

圖4 TP62魚雷動力系統(tǒng)原理圖Fig.4 Power system basic diagram of TP62 torpedo

3.2 電動力系統(tǒng)的研究進展

電動力系統(tǒng)在二戰(zhàn)后進入了發(fā)展的快車道，主要得益于電池領(lǐng)域的技術(shù)突破。大致經(jīng)歷了3個發(fā)展階段[22-23]。

第1階段主要是對戰(zhàn)前成熟技術(shù)的延續(xù)應(yīng)用，采用鉛酸、鎳鉻蓄電池，典型應(yīng)用有蘇聯(lián)的ЭT-46，CAЭT-50魚雷以及美國的MK37-0型魚雷，受限于電池的結(jié)構(gòu)類型，其比功率僅維持在20～30 Wh/kg，航速一般不超過30 kn，動力系統(tǒng)的總體性能并沒有本質(zhì)性的提升。這一階段一直持續(xù)到20世紀50年代初。

圖5 F17魚雷電池注液系統(tǒng)原理圖Fig.5 Basic diagram of F17 topedo′s battery electrolyte injection system

自20世紀50年代起，世界主要海軍強國國家基本都成功應(yīng)用了鎂/氯化銀海水電池、銀鋅電池、鎂/氯化亞銅海水電池等新一代電池，普遍采用了外加注電解液的方式進行電池激活（見圖5），將比功率提升至50 Wh/kg以上，航速提升至40 kn左右，動力性能大幅度躍升，電動力魚雷發(fā)展進入第2階段。這一階段持續(xù)時間長、應(yīng)用裝備種類多，如：美國的MK37-2魚雷，蘇聯(lián)的CAЭT-60，CЭT-56，TЭCT-71，УCЭT-80魚雷，英國的MK24魚雷、意大利的A184魚雷、法國的F17魚雷、德國的SUT魚雷等均采用了鋅/氧化銀電池，使用范圍最廣；美國的MK44輕型魚雷、英國的鯆魚魚雷、意大利的A244系列魚雷等輕型魚雷均采用了鎂/氯化銀電池。此外，蘇聯(lián)還成功以銅代替銀研制了鎂/氯化亞銅海水電池，并在CЭT-72，TЭCT-71M等后續(xù)電動力魚雷中廣泛應(yīng)用。

80年代以后，電動力技術(shù)發(fā)展迎來了第3階段。法國SAFT公司研制了鋁/氧化銀電池并用于法國的“海鱔”、意大利的A290及歐洲MU90等輕型魚雷，比功率突破100 Wh/kg，最高航速超過50 kn，顯示出電動力趕超熱動力魚雷的前景趨勢。

3.3 現(xiàn)代魚雷動力系統(tǒng)發(fā)展小結(jié)

二戰(zhàn)后，世界各國對2種不同動力形式的優(yōu)缺點各有取舍，走上了不同的發(fā)展道路。基于電池技術(shù)的重大突破，英、法、意、蘇（俄）等國均選擇了電動力魚雷的發(fā)展道路，電動力技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)了百花齊放的格局。而自從OTTO燃料和新型發(fā)動機問世，美國認為熱動力航程、航速的優(yōu)勢更加明顯，走上了熱動力系列化發(fā)展道路，并在此基礎(chǔ)上形成了獨具特色的動力發(fā)展體系[24]。表1列出了現(xiàn)代主要國家魚雷裝備的動力系統(tǒng)性能。

4 動力系統(tǒng)的發(fā)展方向

從世界魚雷裝備的發(fā)展趨勢看，熱動力與電動力在體積、重量、能量密度、安全性等方面的差距正在逐漸縮小，但熱電并舉仍是當今發(fā)展的主流[25-27]。

熱動力方面，重點的發(fā)展方向有：開展新型發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式研究，優(yōu)化現(xiàn)有的發(fā)動機結(jié)構(gòu)布局，增加氣缸數(shù)量，增大氣缸孔徑，提高動力系統(tǒng)性能；降低機械振動和輻射噪聲，進行全新的動平衡設(shè)計、消除激振力，對輔機系統(tǒng)進行優(yōu)化并采用多速航行體制；進行新型燃料技術(shù)研究，提升燃料能量密度，開展進行3組元燃料的工程化應(yīng)用；開展動力系統(tǒng)集成化設(shè)計，提升魚雷保障性能，降低全壽命周期費用；開展閉式循環(huán)技術(shù)研究其工程化，降低航行深度對動力性能的限制影響；突破現(xiàn)有魚雷總體結(jié)構(gòu)布局，研究以固體燃料發(fā)動機為能源的技術(shù)可行性。

電動力方面，重點發(fā)展方向有：開展新型電機技術(shù)研究，加強大功率、高比功率、集成化、無級變速等方面的研究；深化高比功率電池研究，探討鋰離子電池、鋰氧化銀電池、熱電池等新型電池用于魚雷的可行性；重視電動力系統(tǒng)的安全性研究，高度關(guān)注高比能電池的穩(wěn)定性，開展電池的快速激活技術(shù)研究，降低發(fā)射安全風(fēng)險。

5 結(jié) 語

從1866年第1枚魚雷成功問世以來，魚雷動力系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程。在之前的150年發(fā)展歷程中，2種動力形式始終相伴、迭代而行，至今形成了“熱電并舉”的總體基本格局。這種格局將在今后的一段時間內(nèi)鞏固和發(fā)展，成為開展新型先進魚雷動力系統(tǒng)研究、實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展突破的基礎(chǔ)。

表1 現(xiàn)代先進魚雷主要動力性能Tab.1 Main power performance of contemporary advanced torpedo