國外魚雷動力發(fā)展研究

賴 鳴，齊國英，朱鵬飛

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京100012;2.中船重工物資貿(mào)易有限公司，北京100861)

0 引 言

魚雷動力系統(tǒng)主要由能源和發(fā)動機(jī)組成，是推動魚雷前進(jìn)、提供全雷各系統(tǒng)電源的關(guān)鍵部分，在整個魚雷構(gòu)成中具有舉足輕重的地位。從魚雷誕生伊始對水下動力的探索就從未停止，因此發(fā)展出多種多樣的動力形式，如壓縮空氣、電力、發(fā)條、飛盤、火藥、燃油等。這些動力形式的發(fā)展不是盲目出現(xiàn)的，其具有一定的規(guī)律，有多種因素影響著魚雷動力發(fā)展的路徑和方向。對國外魚雷動力發(fā)展進(jìn)行研究和分析，有助于梳理出影響魚雷動力形式發(fā)展的關(guān)鍵因素，得到未來魚雷動力系統(tǒng)的發(fā)展方向，為我國魚雷動力發(fā)展提供參考和借鑒。

1 國外主要國家魚雷動力發(fā)展歷程

1.1 美國

最初美國探索自己的魚雷動力系統(tǒng)(如飛輪)，后來接受了壓縮空氣動力系統(tǒng)。二戰(zhàn)結(jié)束前，美國魚雷動力以跟隨歐洲技術(shù)為主。二戰(zhàn)后，美國魚雷動力的發(fā)展分為2 個階段:第1 階段從二戰(zhàn)末期到20世紀(jì)60年代，魚雷采用電動力技術(shù);第2 階段從20世紀(jì)60年代至今，采用熱動力技術(shù)。

20世紀(jì)50年代后，隨著蘇聯(lián)核潛艇的服役，電動力魚雷Mk37 由于在使用深度、速度上的不足，已不能滿足作戰(zhàn)需要。同時，限于當(dāng)時的電動力技術(shù)，魚雷航速和航程大幅增加的可能性不大。因此，為與蘇聯(lián)潛艇展開對抗，在20世紀(jì)60年代后，美國開始著手研制熱動力魚雷。

1963年，采用固體火藥為能源的MK46 熱動力魚雷服役，比采用銀鎂海水電池的MK44 電動力魚雷航速提高15%，航程增大80%，航深增加50%。

經(jīng)過投標(biāo)競爭，1981年美國海軍選擇了霍尼韋爾公司的熱動力方案。該方案采用鋰加六氟化硫閉式熱循環(huán)系統(tǒng)，廢氣無需排出雷體外，航速不受海水背壓影響，且無航跡，隱蔽性好。采用該動力系統(tǒng)的MK50 魚雷，航速達(dá)到55 kn，航程20 km，于1994年服役。盡管有很高的性能，但是該系統(tǒng)的維護(hù)較為復(fù)雜，美國在新型MK54 魚雷上并沒有采用該動力系統(tǒng)。

從型號發(fā)展上看，從MK46 開始，美國魚雷從電動力型式完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊釀恿π褪健ｋS著對魚雷航速航程的要求不斷提高，美國除了繼續(xù)改進(jìn)“奧托”Ⅱ燃料熱動力技術(shù)外，還開發(fā)了鋰/六氟化硫熱動力技術(shù)。

1.2 俄羅斯

1877-1905年俄羅斯使用的是“白頭”及其派生型魚雷，利用壓縮空氣驅(qū)動;一戰(zhàn)和二戰(zhàn)期間使用熱壓縮空氣和活塞發(fā)動機(jī)的熱動力魚雷;二戰(zhàn)后，蘇聯(lián)魚雷有了飛速發(fā)展，尤其在動力裝置上，采取熱電并舉的策略，并開創(chuàng)性的使用了水下火箭動力，取得很高成就。

20世紀(jì)50年代，53-51 型、53-56 型、53-57 型魚雷均采用雙缸往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)，以煤油、空氣和海水為能源。PAT-52 型魚雷首次采用固體火箭發(fā)動機(jī)，以硝酸加煤油為能源，為其后研制的各型火箭發(fā)動機(jī)魚雷奠定了基礎(chǔ);60年代，СЭТ-65КЭ 魚雷采用電動力推進(jìn)系統(tǒng)，以一次銀鋅電池為能源。53-65КЭ 魚雷用燃?xì)廨啓C(jī)替代了往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)，以煤油、氧氣和海水為能源;70年代，53-68 型魚雷應(yīng)用了汽輪機(jī)，用煤油和過氧化氫為能源;80年代的ДПТ- 65 魚雷仍采用汽輪機(jī)，但ТЭСТ- 71 魚雷采用了銀鋅電池;進(jìn)入90年代，УЭТТ 魚雷采用一次鎂-氯化銅海水電池。АПР 高速空投反潛魚雷采用固體燃料的噴氣或噴水發(fā)動機(jī)。УГСТ 魚雷采用“奧托”Ⅱ單元液體燃料，20世紀(jì)末將其發(fā)動機(jī)改為開環(huán)式渦輪發(fā)動機(jī)，燃料采用“奧托”Ⅱ+HAP+海水。“狂風(fēng)”魚雷二級火箭發(fā)動機(jī)，一級為固體火箭發(fā)動機(jī)，二級為鎂鋁加水作反應(yīng)燃料的噴水發(fā)動機(jī)。

1.3 英國

英國是老牌的魚雷大國，從生產(chǎn)“白頭”魚雷開始走上魚雷研制生產(chǎn)的道路。英國的魚雷動力發(fā)展經(jīng)歷過壓縮空氣、熱動力、電動力、以及熱電并存4 個階段。

英國最初的魚雷是“白頭”魚雷，其動力系統(tǒng)也是壓縮空氣(冷動力)。二戰(zhàn)期間主要發(fā)展了熱動力技術(shù)。1940年，英國在作戰(zhàn)中得到德國G7e-T2 電動力魚雷，隨后開始電動力魚雷的研制，但由于軍方?jīng)]有明確需求，導(dǎo)致電動力魚雷發(fā)展不順利。

二戰(zhàn)后，英國計劃采用德國和美國的過氧化氫魚雷動力技術(shù)改裝MK8 型魚雷，但由于過氧化氫動力的不穩(wěn)定性，1955年試驗中發(fā)生嚴(yán)重事故，隨后改裝計劃終止。此后20 余年里，電動力魚雷得到重點發(fā)展，形成的典型裝備是80年代服役的“鯆魚”魚雷和MK24-2 “虎魚”魚雷，前者采用銀鎂海水電池，后者采用銀鋅電池。

與美國類似，由于蘇聯(lián)潛艇航速的提高，英國在70年代后重新開始發(fā)展熱動力技術(shù)。80年代末，英國馬可尼空間與防務(wù)系統(tǒng)公司研制的“旗魚”魚雷服役，其采用HAP-OTTO 渦輪動力系統(tǒng)，速度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的70 kn。

對于配電線路，相對于輸電線路輸送距離較短，可以忽略波過程的影響，同時還可以忽略對地電容的影響，此時，配電線路可以等效為線路電阻和電抗，其等效電路如圖1所示。

1.4 法國

二戰(zhàn)前，法國研制了M12D，M18，M26V和26DA 等型號魚雷，均采用熱動力(煤油、酒精熱動力方案)，航速35 ～44 kn，航程2 ～13 km。二戰(zhàn)開始不久，法國戰(zhàn)敗，魚雷工業(yè)喪失殆盡。戰(zhàn)后，作為戰(zhàn)勝國，法國得到德國魚雷的裝備和技術(shù)(電動力)，并在此基礎(chǔ)上開始發(fā)展自己的電動力魚雷裝備。

50年代先后研制了E12，Z12，Z16和K2 型魚雷，采用鉛酸電池;60年代研制出L3，L4，E14，E15，Z13/Z15 等型號，采用鎳鎘電池;70年代研制了L5，L7，E18 型魚雷，采用銀鋅電池，如L4-2 魚雷采用一次銀鋅電池，比能量為42.68 Wh/kg，工作時間6.5 min;80年代末的F17-2 魚雷動力同樣采用銀鋅電池，但電池和電機(jī)都有了很大提高。F17-2 采用了新的、結(jié)構(gòu)緊湊的雙極堆式電池，使電池艙長度縮短了近1 m，比能量為82.6 Wh/kg，工作時間18 min;90年代的MU90 魚雷或目前最先進(jìn)的F21 魚雷均采用一次鋁氧化銀電池，比能量為160 Wh/kg。

1.5 德國

德國在19世紀(jì)70年代便開始仿制“白頭”魚雷。一戰(zhàn)失敗后，德國加快了魚雷的發(fā)展，到第二次世界大戰(zhàn)前和二戰(zhàn)期間，德國魚雷在種類和性能上都處于領(lǐng)先地位。德國二戰(zhàn)時基本使用G7a 與G7e 兩大系列魚雷，包括熱電2 種動力形式。G7e為鉛酸電池能源，二戰(zhàn)后期射程為7 500 m，成為戰(zhàn)后多國的仿制對象。

1957年4月，德國海軍決定研發(fā)、生產(chǎn)DM1“海蛇”(Seaschlange)魚雷，其采用銀鋅電池，20 kn速度時射程12 km。1961年，為打擊水面艦艇，德國海軍決定研制熱動力魚雷，即“水精”魚雷。然而，由于德國在熱動力技術(shù)上出現(xiàn)日益嚴(yán)重的問題，而國家又不愿意繼續(xù)對非必要的研發(fā)項目進(jìn)行投資，因此“水精”魚雷的研發(fā)工作在20世紀(jì)70年代被擱置。

1963年4月德國決定研制過渡裝備DM2 “海豹”(Seal)魚雷。DM2 大量采用了DM1 的相關(guān)配件和組件，但銀鋅電池容量提高1 倍。

1982年1月，潛艇用魚雷研發(fā)項目得到批準(zhǔn)，將以DM2 A1 為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)定位、電子以及制導(dǎo)系統(tǒng)，并提高推進(jìn)系統(tǒng)功率形成DM2 A4 魚雷。由于研發(fā)熱力推進(jìn)系統(tǒng)的時間更長，風(fēng)險更大，所以德國仍選擇了電力推進(jìn)系統(tǒng)，采用高速7 相永磁非同步電機(jī)和銀鋅電池。

1.6 意大利

意大利白頭魚雷公司是魚雷技術(shù)的開拓者和先進(jìn)技術(shù)代表，其使用的壓縮空氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)曾被多國模仿，后期的熱動力技術(shù)也性能卓越。但二戰(zhàn)失敗阻礙了白頭魚雷的發(fā)展。

戰(zhàn)后，白頭公司面臨遷址、經(jīng)濟(jì)蕭條等不利因素，魚雷工業(yè)幾乎停滯。60年代末，意大利以美國MK44 魚雷為基礎(chǔ)開始研制A244 魚雷，該魚雷最初采用鉛酸電池，后改為銀鋅電池;1981年服役的A184 重型魚雷使用銀鋅電池，電池功率114 kW，高速條件下放電時間大于13 min;1984年服役的A244/S 改進(jìn)型魚雷采用了鎂/氯化銀海水電池，電池功率32 ±2 kW，工作時間不少于6 min，平均儲存壽命為5年。

目前意大利正研制“閃黑”(flashblack)魚雷，其具有先進(jìn)的電力推進(jìn)模塊，采用可充電的鋰聚合物電池，最大航速超過50 kn，射程超過20 km。

2 國外影響魚雷動力發(fā)展的關(guān)鍵因素

2.1 作戰(zhàn)對象性能不斷提高推動魚雷動力發(fā)展

一方面，水面艦船、潛艇的航速不斷提高，迫使魚雷不斷增加航速。例如由于核潛艇的使用，使?jié)撏俣却蠓嵘瑢?dǎo)致當(dāng)時美國的電動力主戰(zhàn)魚雷MK37 不堪使用，同時當(dāng)時的電動力技術(shù)不足以大幅提高魚雷航速，因此，促使美國轉(zhuǎn)而發(fā)展熱動力魚雷。另一方面，艦船反潛能力提高后，迫使魚雷增加航程，以降低潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率。從發(fā)展歷程上看，最初的魚雷射程只有數(shù)百米，目前輕型魚雷航程超過20 km，重型魚雷超過50 km。

2.2 作戰(zhàn)使用的要求影響對魚雷動力的選擇

經(jīng)過實踐檢驗而廣泛應(yīng)用的動力形式只有熱動力和電動力2 種。在20世紀(jì)90年代之前，這2 種動力各有特點:熱動力能量大，有助于提高魚雷的航程和航速;電動力噪聲低、無尾流痕跡，但速度和航程不如電動力(當(dāng)前電動力和熱動力在各項指標(biāo)上已非常接近)。因此，基于作戰(zhàn)使用上的不同考慮，不少國家有選擇的重點開發(fā)某型動力系統(tǒng)，例如德國側(cè)重隱蔽作戰(zhàn)，重點發(fā)展電動力魚雷系統(tǒng);俄羅斯基于降低敵反應(yīng)時間的需要促進(jìn)了高速水下火箭動力的發(fā)展等。

2.3 經(jīng)濟(jì)是制約動力發(fā)展的一個關(guān)鍵因素

魚雷動力系統(tǒng)的研制技術(shù)挑戰(zhàn)大，研制成本高。在魚雷動力發(fā)展歷程中，經(jīng)濟(jì)性是關(guān)鍵影響因素。德國曾在20世紀(jì)60年代和80年代2 次計劃發(fā)展熱動力魚雷，但均由于投入過大而放棄;MU90 魚雷是國際合作的產(chǎn)物，其原因也是投入成本過大，法、意兩國獨立研制的魚雷均面臨經(jīng)費不足的問題，因此決定合作研發(fā)魚雷。

2.4 技術(shù)的擴(kuò)散/交流推動了魚雷動力的發(fā)展

早期的魚雷技術(shù)擴(kuò)散有2 次;一次是懷特壓縮空氣技術(shù)的擴(kuò)散，使美、英、德等國開始擁有較為實用的魚雷動力系統(tǒng)，為以后的發(fā)展奠定基礎(chǔ);另一次是二戰(zhàn)中德國電動力魚雷技術(shù)被繳獲后的擴(kuò)散，這次擴(kuò)散直接推動了美、俄、英、法等國研制生產(chǎn)電動力魚雷。

目前深入的魚雷技術(shù)交流僅限于盟國之間。如美國在研究MK48 魚雷時，最終競爭的熱動力方案分別是渦輪機(jī)方案和斜盤機(jī)方案，美國選擇了斜盤機(jī)方案用于MK48，而渦輪機(jī)方案被英國選中，改進(jìn)后成為“旗魚”魚雷的動力系統(tǒng)。

3 魚雷動力未來發(fā)展趨勢

從當(dāng)前的發(fā)展來看，隨著水中兵器作戰(zhàn)領(lǐng)域的擴(kuò)展，特別是以高速超空泡魚雷、反魚雷魚雷等新型武器裝備的出現(xiàn)，對水下動力提出了更高要求，促進(jìn)了以高能量、大功率、低成本、安全性能好為特征的新型動力能源技術(shù)的快速發(fā)展。

從動力類型來看，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，水下動力源將保持熱動力和電動力共同發(fā)展的格局，兩者的發(fā)展略有不同。

3.1 熱動力以現(xiàn)有技術(shù)持續(xù)改進(jìn)為主，缺少變革性

技術(shù)

目前，熱動力技術(shù)的發(fā)展主要集中在改進(jìn)現(xiàn)有動力系統(tǒng)的功率密度、熱效率、安靜性和安全性能上，今后一段時間內(nèi)活塞發(fā)動機(jī)和渦輪發(fā)動機(jī)仍是熱動力系統(tǒng)的主要形式。使用金屬燃料的熱動力系統(tǒng)因為功率密度高，受到較大關(guān)注，未來可能應(yīng)用在更廣的領(lǐng)域，其代表動力系統(tǒng)有先進(jìn)型Li/SF6 閉式循環(huán)熱動力、水反應(yīng)金屬燃料動力等。

3.2 電動力技術(shù)發(fā)展活躍，存在技術(shù)突破點

20世紀(jì)90年代前后，電動力技術(shù)有了長足進(jìn)步。以鋁氧化銀電池、鋰離子電池、鋰和亞硫酰氯電池等為代表的技術(shù)獲得良好發(fā)展，一些新型電動力技術(shù)應(yīng)用到水中兵器上。如意大利最新推出的“閃黑”魚雷已經(jīng)采用了新型的鋰聚合物電池。

電動力技術(shù)未來仍將處于快速發(fā)展階段，高比功率、高效率、低噪聲、集成化、模塊化、組合化將是未來魚雷電動力發(fā)展趨勢。其中高能密度的電化學(xué)系統(tǒng)、新型電動機(jī)(如軸流盤式電動機(jī)、永磁直流電動機(jī)、無軸電力推進(jìn)集成電機(jī))等是當(dāng)前研究的重點。除了已經(jīng)開始應(yīng)用于魚雷的鋰離子動力系統(tǒng)外，還有其他一些電動力系統(tǒng)有望在魚雷上應(yīng)用，包括硼氫化鈉電池動力、固體氧化物燃料電池動力等。

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