坦克動力發展全解析( 下)

田桂軍+虎嘯

坦克燃氣輪機的優勢

迄今，10 000多輛裝有燃氣輪機的主戰坦克經歷36年的作戰使用表明：燃氣輪機坦克行駛的平均速度、行軍的戰術速度、技術速度和沖擊速度均高于裝柴油機的主戰坦克。由于燃氣輪機的排氣是不可見的碳煙，噪聲和排氣溫度均低于柴油機，從而減少了坦克被發現的概率。燃氣輪機坦克的作戰效能、可用性均高于裝柴油機的主戰坦克。同坦克柴油機相比，燃氣輪機具有優異的扭矩特性和起動性能。多燃料的適應性、較高的單位體積功率、單位重量功率和較高的可用性。

扭矩特性與柴油機相比，動力渦輪轉子轉速（或燃氣輪機輸出軸）可從0到最大轉速值，而扭矩值隨轉速下降而遞增。由于燃氣輪機是由其動力渦輪輸出功率，而動力渦輪與燃氣發生器為氣動連系，所以當發動機在低轉速或部分負荷工況下，仍可從燃氣發生器獲取充分能量來提高其扭矩。這一優異性能，使俄羅斯T-80U主戰坦克僅用了4檔的機械行星傳動裝置就能獲得理想的牽引特性。目前坦克柴油機的扭矩儲備系數達1.10～1.32，而燃氣輪機的扭矩儲備系數達1.6～2.2。

因此也使得坦克燃氣輪機與相同（相當）功率的柴油機相比，不僅具有高的行駛速度（平均和越野），如T-80U主戰坦克的平均速度高于T-90主戰坦克10千米/小時。也具有較高的行軍速度，根據俄軍使用統計，坦克成縱隊行軍的戰術速度提高了9%～10%，技術速度提高了17%～18%。根據美軍資料報道，坦克200米的沖擊速度，裝有燃氣輪機的坦克為19秒，而裝配柴油機的坦克則為26秒。

起動性能研制樣機對比試驗的結果表明，在常溫和低溫狀態下，坦克燃氣輪機同柴油機相比較有良好的起動性能。

有效功率、燃油消耗率特性燃氣輪機的小時消耗油量或渦輪進口燃氣的溫度恒定時，有效功率、燃油消耗率與動力渦輪轉子轉速（或發動機輸出軸）的變化關系稱為有效功率、燃油消耗率特性。當小時耗油量最大時，上述關系稱為發動機的外特性（速度特性）。從燃氣輪機的外特性圖可以看出，燃氣輪機有效功率與動力渦輪轉子轉速的變化關系，接近于二次拋物線的曲線關系。

燃氣輪機的燃油消耗率在70%～ 100%發動機轉速內基本不變，這是動力渦輪可調導向器作用的結果。AGT1500燃氣輪機不僅給出100%有效功率曲線，還給出了多條部分負荷的有效功率特性和最佳動力渦輪轉速特性，因而又稱多參數速度特性。

負荷特性負荷特性是指燃氣輪機的轉速恒定時其燃油消耗率與負荷變化的關系。由負荷特性曲線圖可知，AGT1500與GTD燃氣輪機在100%負荷工況時的燃油消耗率相同，在部分負荷時低于GTD發動機。AGT1500在80%～ 100%的負荷范圍內的燃油消耗率卻保持基本不變。

LV100-5燃氣輪機在100%負荷時的燃油消耗率明顯低于AGT1500和GTD發動機，尤其是在部分負荷工況時，燃油消耗率呈顯著下降而至20%負荷往下，才有顯著上升趨勢，這對裝有燃氣輪機的坦克降低其使用耗油量（特別是在怠速運轉時）具有特殊效果。

與現代柴油機相比，可視為LV100-5燃氣輪機有著相同的負荷特性，而突出的是在約45%負荷以后，其燃油消耗率卻低于現代柴油機。

排氣溫度特性通常坦克燃氣輪機在各種負荷下的排氣溫度均在500℃以下，與柴油機相比則降低了坦克的熱特征信號。AGT1500燃氣輪機功率在588～1 119千瓦時，排氣溫度的最高值約482℃。

排氣煙度特性柴油機為間歇燃燒，燃氣輪機為連續燃燒。由于兩種機型燃燒過程的差異，致使柴油機在燃燒的火焰中，含有燃燒產物的硬顆粒，它們具有較高的溫度且是強大的熱輻射源。而燃氣輪機在燃燒時，有著相當大的過余空氣量，以保證燃料幾乎完全燃燒，并且排出氣體的溫度較低而具有低的熱特征。坦克燃氣輪機排出的氣體均是無可見的碳煙，其煙度值均小于2.5波許。

運轉平穩旋轉-往復運動的質量引起活塞往復式發動機出現不平衡力和力矩，并引起扭轉振動的產生。而燃氣輪機所有的運動件都是旋轉件，且都經過預先平衡的高速旋轉件。因此，運轉的高平穩性和良好的平衡性，提高了發動機的工作可靠性。

相對小的動力艙容積沒有滑動摩擦，而僅為滾動摩擦，且燃燒產物不與潤滑油接觸。因此，燃氣輪機的機油消耗量低，機油箱的容積小，為柴油機油箱的1/3。同時，燃氣輪機沒有柴油機所必需的冷卻系統；從而縮小了動力裝置的尺寸，簡化了使用和減少了保養時間和工作量。

燃氣輪機燃燒用空氣流動約為柴油機的2倍，但若將用于發動機冷卻的空氣流量考慮在內，則采用柴油機時所用的空氣量大于燃氣輪機。空氣耗量的差異，影響著車輛動力艙上甲板開窗口面積的大小，安裝燃氣輪機坦克上甲板窗口面積僅為柴油機的30%～40%。

第二代坦克燃氣輪機LV100、GTD-X的動力艙容積達3.8～4.8米3，這一緊湊動力艙的獲得，表明了其集成化設計的水平，更引為關注的是空氣濾、回熱器等技術有著明顯的進步。但無論是第一代，還是第二代坦克燃氣輪機動力艙的容積，俄羅斯（蘇聯）則均優于美國。美國的坦克燃氣輪機突顯在燃油消耗和可靠性均優于俄羅斯的機型，尤其是LV100-5燃氣輪機的負荷特性更為突出。

作戰效能坦克燃氣輪機可在-54℃環境下直接起動并可迅速轉入全負荷工況運行，為坦克集群的快速響應，贏取作戰時間，提供了保證。優異的多種燃料性能和對單一燃油的適應性和較低的滑油消耗量（僅為柴油機的1/10～1/20，如T-80U主戰坦克滑油消耗量為0.15升/100千米，而T-90坦克為5.3～7.2升/100千米），為后勤供應及保障減輕了負擔。

可用性可用性與可靠性、可維修性和耐久性密切相關。與柴油機相比，燃氣輪機的零件少了30%，易損件少了60%，且無往復摩擦運動；因此故障率低，使用的可靠性和耐久性均優于柴油機。坦克燃氣輪機的平均故障間隔時間為400～500小時，首次大修時間為1 000～1 200小時，1臺燃氣輪機的維修時間為4小時，而柴油機為24小時，且燃氣輪機無須按規定時間維護保養。

由于燃氣輪機使用期高于柴油機，加之使用過程幾乎無須保養和添加滑油及非常低的滑油費用，在使用期要求更換的部件亦僅為柴油機的一半。根據美國陸軍坦克機動車輛司令部提供的AGT1500燃氣輪機的全壽命周期費用信息，與AVDS1790柴油機相比要低7%；奧地利的AVL柴油機研究所提供的全壽命周期費用分析，則燃氣輪機要低5%。

根據美軍駐歐洲坦克集群每年使用、演習結果的統計：裝用燃氣輪機的M1坦克的戰備完好率達95%以上，而其它坦克僅為70%～80%。

坦克燃氣輪機的不足

燃料耗量過大臺架試驗表明，帶有回熱器的AGT1500和LV100坦克燃氣輪機的燃油消耗率分別為264克/（千瓦·時）和213克/（千瓦·時），而無回熱器的GTD-1250則為306克/（千瓦·時）。坦克燃氣輪機的燃油消耗率高于柴油機的50%～70%，而至本世紀初LV100的燃油消耗率僅高21%。

根據蘇軍裝備的不帶回熱器的GTD-1000的燃氣輪機T-80坦克和T-64A坦克（裝5TDF二沖程柴油機）和T-72坦克（V-46坦克柴油機）3種車型試驗結果表明：坦克每小時的燃油耗量燃氣輪機高于柴油機65%～68%。行駛每千米的燃油耗量則高40%～45%。這是由于坦克在使用過程中坦克經常處于停車或下坡行駛狀況，而致使燃氣輪機常常怠速或渦輪噴嘴反向轉動實施發動機制動的結果。

俄羅斯專家指出，燃氣輪機的反對者過分夸大了燃氣輪機的缺陷，在介紹發動機的燃料和潤滑油消耗時極力貶低燃氣輪機。但是要準確地說，燃氣輪機的潤滑油的消耗是很少的，而且還不需要冷卻液（燃氣輪機沒有冷卻系統）。同時，為了使燃料消耗量降低25%，研究人員采用了多種措施。其中包括安裝GTA-18A輔助動力裝置，采用轉速自動降低系統，配備停車小油門燃油調節器等。使用試驗表明，燃油消耗量可節省約37%。配備車載信息控制系統能夠降低燃油消耗量（停車怠速時能降低30%，行駛時能降低15%）。試驗表明，借助電子液壓原理來控制工作狀態，依據使用規定以及發動機在坦克停車時的工作時間與在行軍縱隊時的工作時間的比例關系，其燃油消耗量將節省50%。

從美國陸軍使用帶回熱器的燃氣輪機對比試驗可以看出，燃氣輪機燃油消耗率高于柴油機，部分負荷工況和怠速工況下的燃油消耗量高，但總的燃油消耗相似。

功率損失據資料報導，坦克在環境溫度為40℃～50℃下使用，GTD燃氣輪機的功率損失是柴油機的1.6倍。

燃氣輪機的功率隨海拔升高而下降。在海拔高度3 000米的高原使用，AGT1500坦克柴油機的功率損失為9%～ 10%（二沖程機高于四沖程機）。GTD-1000坦克燃氣輪機的功率損失為15%。

美國的AGT1500和LV100坦克燃氣輪機的功率損失未見報導，但由于渦輪葉片可承受的高溫高于GTD機型的渦輪葉片。為此，從理論分析AGT1500和LV100的功率損失要小于GTD燃氣輪機。

柴油發動機的優勢

從20世紀中葉至今，坦克上使用最為廣泛的動力裝置是柴油發動機。柴油機的優勢在于能夠成系列生產，即在一條生產線上研制和生產缸數（3缸和4缸系列，V型6缸、8缸和12缸等）不同的，包括標定功率范圍更大的標準化發動機家族。

與民用發動機通用時，有可能組織大規模生產，即這些發動機可軍用，也可民用（“兩用”發動機）；由于民機軍用型發動機擁有較低的全壽命周期費用，所以隨著民用車輛柴油機技術的發展，坦克選用民機軍用型發動機做動力仍或存有空間。

以25～30千米/小時的平均速度行駛時，安裝柴油機的坦克（裝V-84柴油機的T-72A）比T-80B坦克（20世紀80年代中期部隊試驗的結果）的巡航燃料消耗低（26.8%～44.4%）。

當平均行駛速度提高時，燃氣輪機與柴油機燃料消耗的差距將縮小，當平均行駛速度達到50～55千米/小時時，兩種發動機的巡航燃料消耗實際上是相同的。

在黃沙塵含量高的炎熱氣候條件使用不受限制（保險期將縮短）。在+40℃環境氣溫條件使用時，燃氣輪機的最大功率將下降約20%，柴油機的最大功率將下降10%，此時作用在T-80U主戰坦克主動輪的功率是522千瓦，作用在T-90坦克主動輪的功率是441千瓦。柴油機的功率受到限制是由于冷卻系統的效率不夠造成冷卻液和機油的溫度過高。當環境氣溫下降到+15℃以下時，燃氣輪機的功率將成比例的提升，由于受動力傳動裝置強度的限制，其功率的提升被限制到1 066千瓦。而此時柴油機的功率實際上不會提升。

柴油機生產成本低（60%～ 66.7%），這不僅僅是因為勞動成本低，而且還是因為生產批量大決定的。但是，對動力傳動裝置來說，這個成本差距可以縮小到33.3%～44.5%。

坦克動力未來展望

坦克動力未來發展取決于軍事需求和科學技術的進步。據專家評估，未來對坦克動力需求主要體現在以下幾個方面。

在對坦克的系統、部件通過改進、升級后，俄軍裝備的T-80系列坦克仍采用GTD燃氣輪機使用至2020年，美軍裝備的M1A1、M1A2坦克將更換LV100燃氣輪機繼續使用至2030年。其它各國研制的安裝柴油機的新型坦克和現代化改進現役坦克也將服役到2030年后。

從坦克武器發展的新趨勢看，盡管傳統火炮還沒有過時，但新型超級武器的科學論證工作正在進行之中。可燃液體已經達到可替代炸藥注入武器之中；電磁炮安裝到坦克上，還需要進一步提高發動機的功率，使超級電容器的電能達到飽和。據專家推測，如果電磁炮、電裝甲和主動懸掛等新的系統和設備應用于主戰坦克，則坦克發動機的功率將超過2 000千瓦，與柴油機相比，燃氣輪機仍具有優勢。根據國外研究計算的結果表明，在1分鐘之內發射4～6發電磁炮炮彈需要1 100～1 470千瓦的功率，這將給燃氣輪機帶來擴大使用的空間。

科學技術的進步也將決定坦克動力類型的選擇。石油資源的日趨減少和作戰后勤供應，坦克燃氣輪機燃油耗量大已成為爭論的焦點。但是，美軍卻強調繼續采用燃氣輪機為主戰坦克的動力；俄、美均使用燃氣輪機與電傳動進行試驗研究。加之裝用燃氣輪機的坦克所獲得的高平均速度、集群大縱深行動的戰術、技術速度，較短的沖擊時間和較高的戰場生存能力，這些或許是坦克燃氣輪機繼續使用的原因。

至于說到進一步降低坦克燃氣輪機的燃油消耗量，專家提出了以下2個解決途徑。

第一，從燃氣輪機本身，提高渦輪前燃氣的溫度。提高燃氣輪機的壓比，同時解決與回熱器回熱度的匹配問題。采用中冷、補燃循環。

第二，采用混合動力系統，混合動力系統是向坦克的各部件提供需求能量的動力源。由發動機同帶有自動解脫離合器的高效能發電機、起動電機集成為一體的混合動力裝置、變流器、直流電源總線、驅動電機、緊湊型大容量脈沖電源，控制和熱管理裝置等組成。

21世紀初，德國MTU動力公司在用柴油機、燃氣輪機構成的混合動力系統，在車輛、艦船上做了大量試驗和研究，并獲成功運用，節省燃油消耗量達20%～40%。

有專家指出，由于坦克燃氣輪機具有功率輸出轉速高達8 000～10 000轉/分的特性，如若再配高速發電機組成混合動力系統，在系統緊湊性和節省燃油耗量方面獲取顯著成效，這或許是給繼續使用坦克燃氣輪機留下的空間。

未來坦克發動機的研究工作會依據現實的緊迫性和費用成本核算來展開。例如，坦克配置的自動換檔裝置應嵌入戰斗指揮信息系統中。深入研究能保證實現在行軍中降低坦克駕駛員的疲勞程度的方案，從而使任何技師級坦克駕駛員都能遙控駕駛坦克，而且無需重復傳動裝置操作程序，幾乎還能節約燃料20%。當前最為迫切的任務是研究帶電傳動裝置的混合動力裝置。

發動機約占坦克內部空間（12～18米3）的35%，其重量和體積對提高坦克機動性乃至整體作戰能力有直接影響，因此坦克動力發展的基本原則是：提高發動機功率的同時，盡量減小其體積。電傳動、電磁炮等對電力要求比較高的坦克技術的逐漸發展，單位體積功率更高的燃氣輪機的優勢將更加明顯。比較一致的觀點是，隨著燃氣輪機技術的發展，一些技術缺陷的逐步解決，其性能特點決定了燃氣輪機是一種優秀的坦克動力；電磁炮、激光武器都取得的突破性進展，混合動力和頁巖氣的成功開發，這些都為坦克燃氣輪機的使用和發展繼續開拓空間。

而現代坦克究竟需要什么樣的發動機呢？這是當前迫切需要回答和解決的問題。伴隨著坦克高功率密度柴油機取得的優異成績和燃氣輪機在坦克使用過程出現（或存在）的問題；致使主戰坦克安裝燃氣輪機的問題，至今仍在俄、美等國的軍事和學術界繼續進行著爭論。從哲理而言，爭論亦表明了事物存有發展的空間。在未來坦克發動機選擇問題上，需要拋棄根深蒂固的觀念。技術的發展沒有停滯，問題在于是否有實施革命性新方案的勇氣。

當然，坦克發動機類型的選擇并不僅僅局限于發動機性能本身，其還受到各國經濟、科學技術水平、作戰理論等因素的制約，因此，坦克柴油機和燃氣輪機將在很長一段時間內共存共生，共同發展，而且由于燃氣輪機的技術復雜性，許多國家無力研制高水平的坦克燃氣輪機，因此，坦克柴油機在未來相當長的時期內仍占據優勢地位。