國外地面機動平臺動力技術發展研究

賈喜花，仲崇慧，王桂芝

（北方科技信息研究所，北京100089）

當今世界范圍內，地面機動平臺動力以柴油發動機為主。德國的高功率密度柴油機技術處于世界領先地位，其中MTU公司MT890系列柴油機改進后升功率到達100kW／dm3，FEV公司也開發出功率密度為105 kW／dm3的柴油機。目前，只有俄羅斯的T－80系列和美國的M1系列主戰坦克采用了燃氣輪機。但是受燃油經濟性、采購價格和采購批量的影響，燃氣輪機在地面機動平臺領域的應用前景不甚樂觀。由于燃料電池裝甲車輛不僅有優化的人機環境，而且具有良好的戰場隱蔽性，一些國家開始研究采用燃料電池的武器裝備，以提高武器裝備性能，降低燃油消耗，此外混合動力推進技術備受各國關注。

一些新型動力技術正在探索研究之中，如澳大利亞潘柏系統公司100kW和450kW的液壓自由活塞發動機樣機，單位體積功率高達1 923kW／m3，比質量為1 kg／kW；美國推出了“旋風”Mark II水冷外燃發動機樣機、雙盤式擺盤發動機樣機，但是這些動力技術還沒有正式在地面機動平臺上應用。

1 重大發展動向及其影響

近年來，國外地面機動平臺動力技術取得巨大進步，技術水平有了大幅度提高。縱觀國外2000年以來動力技術的發展，值得關注的重大發展動向主要有高功率密度發動機開始生產應用；美國陸軍規劃未來20年動力能源技術發展重點；燃料電池在“布雷德利”戰車上試驗；外燃發動機的軍事應用受到重視。

1.1 高功率密度發動機開始生產應用

德國MTU公司的高功率密度柴油機開始在批量生產的“美洲獅”步兵戰車上使用。“美洲獅”步兵戰車的整體式動力傳動系統由MT892柴油機、HSWL 284C全自動變速箱、啟動電機、冷卻和排氣系統組成，如圖1所示。其中MT892柴油機功率為800kW，升功率達到92kW／dm3，質量為860kg。

圖1 “美洲獅”動力傳動系統

（1）高功率密度發動機的升功率、單位功率質量、燃油消耗率等性能指標都有明顯改善

高功率密度發動機比現有同功率范圍發動機的功率密度大幅增加，而質量、單位功率質量、油耗明顯降低，冷卻系統更加緊湊。MT890系列柴油機中MT893功率為1 103kW，升功率為92kW／dm3，遠遠高于相同功率的現役主戰坦克發動機，如“豹”2坦克發動機為23 kW／dm3，“勒克萊爾”坦克發動機為67kW／L。MT890柴油機與同功率范圍的軍用卡車柴油機如8V199相比，質量、體積、單位功率質量分別下降約60%。MT890系列柴油機的高壓共軌噴射系統最高噴射壓力可達180MPa，即使發動機低轉速時仍可獲得高的噴射壓力，因此在整個轉速范圍可以實現高效燃燒，燃油消耗率達到了217g／（kW·h）。

（2）高功率密度發動機的應用解決了地面機動平臺因增強防護而引起的質量增加與機動性之間的矛盾

地面機動平臺采用反應裝甲、主動裝甲和主動防護系統等，能夠改善地面機動平臺的防護能力，但是同時增加了地面機動平臺的質量，從而引起功率消耗增加，要滿足地面機動平臺因增強防護而不降低機動性引起的所需功率增加，采用普通發動機勢必增加體積和質量，占用更大的車內空間，而高功率密度發動機將以較小體積的動力獲得更大的機動性，能夠有效縮小地面機動平臺外形尺寸、減輕其戰斗全重，解決了地面機動平臺因增強防護而引起的質量增加與機動性之間的矛盾，增強了戰斗力。

（3）高功率密度發動機可以為車輛設計提供更大的靈活性

高功率密度發動機結構緊湊，比現有同功率范圍發動機質量和體積大幅減少，節省的空間和質量能夠裝載額外的燃油、防護裝甲、自動裝彈機以及其他設備。高功率密度發動機適用于常規液力機械傳動和混合電傳動，為車輛設計提供更大的靈活性。

1.2 美國陸軍規劃未來20年動力能源技術發展重點

2010年美國陸軍正式發布《動力與能源戰略白皮書》。白皮書中對于地面車輛的要求包括在行駛中和停車時為車載系統提供足夠的電力和冷卻，包括戰斗車輛停車時有3h以上的“安靜”動力，輸出動力以降低營地中獨立發電機的需求；提供脈沖動力，支持新系統如定向能武器、電磁炮和其他脈沖系統；限制整車質量和車載系統動力需求，以減少運輸與機動性要求相當的燃油消耗。

（1）白皮書針對陸軍近期、中期和遠期需求，提出了指導陸軍動力與能源領域能力發展的框架

動力與能源戰略白皮書分析目前以及未來（2030＋）陸軍在動力與能源領域存在的問題和挑戰，討論了陸軍未來對動力與能源的需求，對現有和未來的技術進行了評估，提出各領域具體的動力和能源解決方案，展望了陸軍動力與能源戰略實施的前景。美軍推出動力與能源戰略白皮書，不僅對美國陸軍動力與能源技術的發展和應用具有重要指導作用，對世界其他國家也具有重要的參考和借鑒作用，將對世界動力與能源的發展產生重要影響。

（2）指出地面車輛動力傳動技術未來20年的發展重點

近期和中期，地面機動平臺變速箱和發動機開發應當集中在傳統機械結構，采用多個增量改進。混合電傳動系統需要進一步開發和作戰測試。到2020年重點發展混合電傳動戰術車輛和專業車輛，2030年發展重點為混合電傳動戰車。對于地面車輛替代動力，2014年燃料電池用于低負荷，到2020年將拓寬燃料電池應用范圍，用于較高負荷，2030年考慮燃料電池作為地面車輛主動力的研究。未來20年美國在地面車輛動力傳動技術領域的發展重點將推動動力傳動技術的發展走向，同時對其他國家制定該技術領域發展規劃計劃也有一定參考意義。

1.3 燃料電池在“布雷德利”戰車上試驗

美國陸軍在“布雷德利”M2A3戰車上采用帶整體式JP－8燃油重整裝置的德國德爾福公司固態氧化物燃料電池作為輔助電源試驗。“布雷德利”M2A3戰車在采用該燃料電池輔助電源之后，提高了車輛的燃油效率，降低了車輛的熱信號，減少了排放，降低了振動和噪聲，特別是在靜默觀察時，降低了86%的燃油消耗率，延長了車輛的靜默觀察時間，大幅減輕了軍方的后勤負擔。

（1）燃料電池能夠滿足靜默觀察需求，降低目標特征

戰場感知、目標捕獲和通信設備的進步使安裝有大量電氣／電子設備的裝甲車輛電力負荷需求增加，這些車輛一般通過配備有發電機的主內燃發動機提供動力，在發動機熄火時采用電池組在有限時間內供電。在發動機熄火時車內戰場電子設備工作，即靜默觀察模式。但是此模式下由于電池容量原因，作戰行動時間有限，除非采用輔助動力單元或重新啟動發動機為電池充電。而采用燃料電池輔助動力單元的軍用車輛可以大大延長靜默觀察時間，節省燃油，而且聲和熱特征低。

（2）提高燃油效率，降低后勤負擔

與傳統的內燃機相比，燃料電池燃油效率高，使用時間長，用于戰地車輛可減少戰場上的燃料備品供應，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區活動更長的時間。這樣，戰地所需的支持車輛、人員和裝備的數量便可以顯著的減少，降低了后勤負擔。特別是靜默觀察時，發動機怠速運轉，發動機不是在怠速工況優化的，因而怠速燃油效率不高，而采用燃料電池可明顯降低燃油消耗，如“布雷德利”戰車采用燃料電池在靜默觀察情況下燃油消耗可降低86%。燃料電池為減輕陸軍的運輸燃料負擔提供了良好的前景。

（3）提高乘員舒適性，優化人機環境

傳統內燃機熱輻射大，噪聲高，惡劣的人機環境給士兵造成嚴重的心理傷害，而燃料電池機械部件很少，工作過程中運行噪聲低，克服了內燃機的沖擊振動，降低了車輛噪聲，大大提高了乘員舒適性，燃料電池反應產物為水和CO2，若以純氫氣為燃料，其化學反應產物僅為水，無任何煙氣排放，有效地減少動力系統的排氣熱輻射，優化了人機環境，提高了隱形性能，可以使地面機動平臺接近敵人而不易被發現。

1.4 外燃發動機的軍事應用受到重視

美陸軍坦克機動車輛研發和工程中心研究將小型“旋風”外燃機（30cm×30cm×43cm）裝在“艾布拉姆斯”主戰坦克、“斯特賴克”和“布雷德利”等裝甲車輛內，在車輛主發動機關機時，用其驅動發電機發電，以維持車載用電設備的運行，從而極大降低燃油消耗。美國防高級研究計劃局則在研究利用以廣泛多樣的天然資源作為燃料的“旋風”外燃機驅動機器人執行長時間的軍事任務。

（1）外燃機可用任何可燃物作為燃料，經濟性好，解決燃油后勤負擔問題

傳統的汽油機或柴油機在氣缸內點燃高壓混合氣，需要精確的空燃比。而“旋風”外燃機由于燃燒是在大氣壓力下在外部燃燒室進行的，因而所用燃料非常靈活，在燃燒試驗中曾使用從桔子皮、棕櫚油和雞肉脂肪中得到的燃料。由于“旋風”外燃機可利用多種燃料運轉，減少對傳統燃料的依賴，如果應用在各種軍用車輛、發電機方面，將解決“提供多種專用級別和類型的燃料而帶來的巨大的后勤負擔問題”，具有良好的軍事應用前景。

（2）燃燒干凈、安靜，有利于保護環境

由于“旋風”外燃機可以使用100%的生物燃料（沒有最低15%的石化燃料要求），燃料和空氣在燃燒室內以類似旋風的渦流形式混合，燃燒比較完全，廢氣中除了二氧化碳之外其他產物很少。“旋風”發動機幾乎不排放類似內燃機所產生的燃燒不完全的碳氫化合物、一氧化碳和氮氧化物等。“旋風”外燃機的惟一潤滑劑是水，沒有廢機油需要更換、處理或泄漏到地面。“旋風”外燃機的排氣是無噪聲的。所有這些都不需要昂貴的和復雜的尾氣處理裝置如催化式排氣凈化器。“旋風”外燃機的出現為緩解傳統內燃機造成的環境污染問題提供一種新的選擇。

（3）效率高、成本較低，便于維修保養

“旋風”外燃機熱效率接近目前市場上柴油機的最高熱效率。通過熱量回收、采用超臨界流體、高度緊湊結構等方法提高熱效率，“旋風”外燃機升功率達到114.8kW／dm3。

“旋風”外燃機是整體式裝置，沒有復雜的附件與子系統，如催化式排氣凈化器、消聲器、油泵、變速箱等，從而降低了成本、尺寸與總重，提高了總效率和發動機的可靠性。總之，“旋風”外燃機需要制造、裝配的零件較少，相應地磨損或消耗的零件少。“旋風”外燃機的零部件由便宜的非稀有材料制成，預計在同等輸出功率情況下，“旋風”外燃機制造和保養成本比傳統汽油機或柴油機低。

2 動力技術發展趨勢

未來高功率密度發動機技術將成為重要的發展領域，根據未來地面機動平臺總體設計和傳動型式的要求，動力傳動系統將向高度集成和分散布置方向發展。此外各國繼續積極探索發展新原理、新概念動力技術，滿足未來新型地面機動平臺對動力技術的需求。

2.1 高功率密度發動機技術成為未來發展的重要領域

高功率密度發動機結構緊湊，升功率、燃油消耗率等性能指標比同功率范圍的普通發動機都有明顯改善，適用于常規液力機械傳動和混合電傳動，可以滿足未來新型地面機動平臺對動力的需求，同時滿足現役裝備改造對高功率發動機的需求。高功率密度發動機采用的整體式曲軸箱技術、高壓共軌燃油噴射技術、高溫冷卻技術、可變幾何渦輪增壓技術和發動機電子管理技術等將成為未來地面機動平臺動力技術發展的重要領域。

2.2 燃料電池技術有望實現在地面機動平臺上的廣泛應用

燃料電池的開發利用受到各國重視，質子交換膜燃料電池可以用作坦克動力源，使坦克在整個速度范圍實現理想的牽引力，同時取消了變速箱、操縱轉向機構等一系列傳統的耗能部件，因此質子交換膜燃料電池將是未來地面機動平臺動力的理想選擇。美國陸軍計劃到2020年將燃料電池用于地面車輛較高負荷，2030年考慮燃料電池作為地面車輛主動力的研究。燃料電池在地面機動平臺上廣泛應用為期不遠。

2.3 動力傳動系統向高度集成和分散布置方向發展

動力傳動系統是坦克裝甲車輛的核心部件，未來的發展有高度集成和分散布置兩種趨勢，主要取決于未來地面機動平臺總體設計的要求和傳動的型式。如果推進系統采用電傳動，則各部分可根據需要靈活布置，如果推進系統采用機械傳動形式（或不需要分散布置），則應采用高度集成式布置。動力傳動系統高度集成是未來地面機動平臺動力傳動系統的優選方案，為未來動力傳動系統發展指明了方向。

2.4 探索發展新型動力技術

許多國家積極致力于開發采用新結構、新原理的新型動力技術，并取得較大技術進展。美國探索研究的邦納發動機與擺盤發動機、奧地利的整體式柴油機等具有較大發展潛力，應用前景良好，將成為地面機動平臺未來發展的重要候選技術。

3 結束語

我國地面機動平臺動力技術研制經過幾代人的努力，攻克了許多技術難關，已經取得一定進展，但與發達國家相比，產品性能和技術水平仍然存在著不小的差距，嚴重制約著地面機動平臺的快速發展，隨著我軍裝備升級改造以及裝備現代化進程推進，未來對先進動力技術的需求更加明顯和迫切。為此應密切關注國外動力技術的發展動向，積極發展與我國中長期國防戰略相適應的輕量化、快速部署武器平臺用高功率密度柴油機，面向2030年長期發展需求，開展新概念創新動力技術探索研究。

［1］ Power and Energy Strategy White Paper.

［2］ “Puma”，the new German armored personnel carrier，uses innovative diesel drive system from Tognum.http：／／www.tognum.com／press／press－releases／presse－detail／news／.

［3］ 賈喜花，等.地面機動平臺動力傳動技術發展對策研究.國防科技情報研究報告，BQB2011－0675.