燃氣輪機應用于坦克動力裝置的前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

0 引言

坦克是現代陸地作戰的主要武器之一，是一種具備強大火力、完備裝甲防護力及高度機動性的履帶式裝甲戰斗車輛。坦克主要由武器系統、火控系統、通信系統、裝甲車體及動力系統組成[1]。為保證坦克的作戰能力，除了直觀意義上的武器系統及防護能力之外，其動力裝置的重要性也可謂不言而喻。

1 坦克動力裝置的技術要求

坦克動力裝置通常有著如下技術要求：

（1）有著較好的可靠性與耐久性，以此可確保坦克在運行及作戰時的機動性。

（2）具備較好的適應性，在寒區易于啟動[2]，在高溫區不易過熱，因地制宜，同時可適應多種燃料。

（3）單位體積功率大，單位體積功率越大，意味著動力裝置在一定功率下在坦克內部所占的體積就越小，坦克的外形尺寸也可能越小，降低了車體被炮火擊中的可能性。

（4）比重量小，通常比重量越小，則意味著動力裝置自身較輕，可確保坦克自身的機動性，在戰時有著較好的加速性能。

（5）有著寬廣的轉速及扭矩變化范圍[3，4]，可滿足坦克的動力性需求。

2 坦克用燃氣輪機的應用現狀

燃氣輪機是一類連續燃燒的高速旋轉式熱力渦輪機械，于20世紀40年代末在航空領域得以運用，并取得了重大成功[5]，逐漸促成了發達國家將燃氣輪機作為坦克動力裝置的研究、設計、制造及試驗工作。

目前燃氣輪機在坦克動力裝置領域的應用可分為兩類，第一類為采用燃氣輪機作為單一動力裝置，如美國的M1坦克；第二類是采用柴油機+燃氣輪機的組合式雙動力裝置，如瑞典的Strv103型坦克。

2.1 單一燃氣輪機動力裝置

1976年12月，美國陸軍將AGT-1500燃氣輪機用作XM-1型主戰坦克的動力裝置，1978年，XM-1型坦克開始進行可靠性及耐久性試驗，并于1979年正式投產[6，7]。

該款AGT-1500型燃氣輪機為三軸式結構，帶有固定回熱器，采用模塊化設計，并應用了電子控制裝置、燃油控制裝置、壓氣機進口和動力渦輪進口可調導向葉片等相關技術，后續的M1、M1A1、M1A2都使用AGT-1500燃氣輪機的改進型動力。

2.2 組合式雙動力裝置

瑞典Strv103型坦克動力裝置采用前置方案，燃氣輪機位于左側，柴油機位于右側，該兩臺發動機可單獨驅動車輛，也可聯合工作，以適應坦克對動力的需求[8]。

該雙動力裝置具備顯著的優勢，有著較好的加速性能、扭矩特性、冷啟動性能、燃油經濟性及其他性能，并且使用功率范圍較寬。一方面利用了柴油機良好的部分功率油耗特性，一方面又利用了燃氣輪機優秀的加速性能、扭矩特性及冷啟動性能，并且也可降低發動機與車體的總高度。

3 坦克用燃氣輪機的優勢

采用燃氣輪機作為坦克動力裝置，具有一系列的顯著優勢[9]。

3.1 加速性好

燃氣輪機可以輸出較高的功率作用于主動輪，可使50～60t的坦克從靜止加速至32km/h僅需6.1s，從空載至最大功率也僅需2.5s，比柴油機快2～3倍，提升了坦克的機動性。

3.2 功率密度高

通常而言，一臺柴油機約占坦克總質量的4%，而燃氣輪機僅占坦克總質量的2%。燃氣輪機比柴油機更為輕小，同樣情況下節省了車內空間。

3.3 啟動方便

燃氣輪機可在-35℃的低溫下啟動，并且無需任何輔助加溫系統，并于數分鐘內達到最大功率。而柴油機在-16℃以下即需進行預熱，并需經相當時間的溫車方可以全功率進行運轉。

3.4 隱蔽性高

燃氣輪機的排氣溫度低、噪聲低、排煙紅外特征較弱，具備更強的隱蔽性、減少了被敵方偵測到的可能性，該特點在夜間作戰時尤為必要。

3.5 燃料適應性強

燃氣輪機可采用多種燃料維持運轉，包括汽油、煤油、柴油等，就其燃料適應性而言，明顯優于柴油機。

3.6 自身消耗功率較低

燃氣輪機內部摩擦副較少，無需水冷卻系統，煤油大型散熱器及消耗功率較多的冷卻風扇，可以采用煤油變矩器的傳動裝置，燃氣輪機輔助動力裝置消耗功率較少。

3.7 維護性好

燃氣輪機采用單元體模塊化結構，便于檢測及換件修理，維修簡便。維護保養所需時間僅為柴油機的1/4～1/2。同樣其輔助設備亦相對簡易，維護工作量也相對較低。

3.8 扭矩特性好

由于燃氣輪機的燃氣發生器及動力渦輪采用兩個轉子（燃氣發生器渦輪+自由渦輪）[10]，動力渦輪隨負荷不同變化影響燃氣發生器的工作并不顯著，因此其扭矩特性較為出色。當外界負荷發生變化時，可由動力渦輪吸收負荷并且進行制動，并不會像柴油機一般由于超載而導致熄火。

3.9 功率高

坦克用燃氣輪機的性能除了燃油消耗率高于柴油機之外，其余各項均優于柴油機[11，12]，從表1中所示，以燃氣輪機為動力的推進系統的綜合性能顯著優于柴油機。

表1 坦克用燃氣輪機與坦克用渦輪增壓中冷柴油機單機性能對比

4 坦克用燃氣輪機的劣勢

4.1 燃油消耗率高

燃氣輪機尤其是處于低轉速、部分負荷時，熱效率低、油耗更高。行駛同樣的里程，燃氣輪機將耗油更多，以燃氣輪機為動力的坦克作戰半徑會明顯更小[13]。

4.2 空氣消耗率大

燃氣輪機的空氣消耗率通常比柴油機高2倍以上，一定程度上加大了空氣濾清器濾清空氣的難度。

4.3 制造成本高

燃氣輪機制造成本約為柴油機的2倍，加工難度及精度要求均較高、需要采用高檔次的多軸數控機床加工設備。

4.4 制動困難

由于燃氣輪機的壓氣機及動力渦輪轉速均較高（20000～50000 r/min），具有較大的慣性，制動困難，因此如采用燃氣輪機需配備有效的制動器。但由于制動裝置的機械負荷及熱負荷較高，會影響到其可靠性。

5 坦克用燃氣輪機面臨的相關技術問題

5.1 燃油經濟性問題

如上文所述，坦克用燃氣輪機盡管優勢明顯，但仍存在著一定的劣勢。油耗高是其目前面臨的最大問題，影響到其作戰半徑，因此降低油耗是目前正在不斷研發的目標。目前為了改善該問題，可采用如下措施：

（1）加裝回熱器，并提高回熱器的回熱效率。

（2）提高渦輪進口速度。

（3）提高壓氣機壓比。

（4）提高壓氣機和渦輪的熱效率，尤其是在低轉速、部分負荷工況下。

目前影響坦克用燃氣輪機燃油經濟性的主要有如下幾大因素：

（1）燃氣輪機整機效率。

（2）燃氣輪機的工作負荷狀態。

（3）輔助裝置的傳動效率。

（4）輔助裝置的功率消耗。

（5）油耗需要考慮到全程，包括戰斗狀態及待機運轉狀態。

盡管燃氣輪機額定工況下的油耗通常高于柴油機，但考慮到坦克用燃氣輪機大部分時間處于惰轉狀態，待機時間是大部分。考慮到戰斗全程，其實際油耗并沒比柴油機高出太多。在當前的后勤保障條件下，尚可完成燃料供給。

5.2 空氣過濾問題

燃氣輪機的空氣消耗較大，但通常只對進氣進行過濾，對冷卻空氣則并無過濾要求。燃氣輪機采用的慣性濾清器空氣流量較高，但其尺寸、體積較小，一定程度上可彌補燃氣輪機需要大空氣流量的要求。同時而慣性濾清器沉積的塵土大部分時候可以采用電泵除塵的方式派出車外，具備自清潔的功能[14]。

5.3 潛渡問題

考慮到復雜的戰場地形，坦克有時需潛渡過河，對于燃氣輪機的進排氣具有一定影響。但潛渡并非坦克的主要戰術需求，現役坦克的大部分作戰任務在陸地上開展，跨越江河可采用舟渡，跨越溝渠可采用橋渡，因此該類問題繼而可得以有效解決。

5.4 生產制造成本問題

坦克用燃氣輪機的制作由于需要昂貴的耐高溫合金，其工藝精度要求較高，需增設精度較高的柔性加工設備，用以滿足復雜及嚴格的工藝流程，投資較高，會導致采購費用較高。但由于此類高精度的加工設備與航空燃氣輪機基本相同，對擁有航空燃氣輪機制造能力的國家并不存在重復購置問題。

6 坦克用燃氣輪機的技術發展趨勢

坦克用燃氣輪機目前的主要技術發展趨勢如下：

高參數、高性能：不斷提升坦克用燃氣輪機的相關熱力參數，以相應提升其動力性能。

采用耐高溫材料：為適應越來越高的渦輪前氣體溫度，目前趨向于采用非金屬耐高溫材料，如陶瓷等復合材料作為熱端部件。

先進葉輪設計、制造技術：坦克用燃氣輪機壓氣機致力于提升增壓比，改進葉型設計方法；渦輪則致力于高效率、大焓降、耐高溫的技術趨勢。

不斷提升可靠性：智能燃氣輪機的控制技術將會進一步發展，并采用視情維修方式，燃氣輪機的可靠性、可用性及耐久性將會進一步得以改善。

7 未來坦克用燃氣輪機的前景展望

7.1 燃氣輪機+柴油機的雙動力裝置

瑞典Strv103型坦克使用的雙動力裝置可謂別具一格，其使用功能類似于水面艦艇聯合動力裝置中的柴油機和燃氣輪機聯合動力裝置 （Combined Diesel Engines and Gas Turbine，CODAG），可有效解決平時巡航工況下的低油耗要求與戰時高機動性的矛盾。該動力裝置的具體應用與瑞典當地的高寒氣候及多湖泊沼澤的地理環境存在千絲萬縷的聯系。

盡管該動力裝置綜合而言，性能較為均衡，但由于將柴油機及燃氣輪機兩類運行特征存在一定差異的動力裝置直接進行聯合，會導致齒輪箱等相關部件結構復雜，影響到其傳動效率及操控效果，同時其可靠性及耐久性亦難以得到保障，油耗亦高于單一柴油機動力裝置。因此該類動力裝置目前并未得以大規模推廣，前景相比傳統的單一坦克動力裝置而言，則較為有限。

7.2 單一燃氣輪機動力裝置

如上文所述，相比于傳統柴油機，燃氣輪機在動力性、啟動性、適應性等方面具備顯著優勢，其劣勢主要存在于燃油經濟性及制造成本方面。現代戰爭中，武備力量的重要性不言而喻，因此不同于公路運輸領域，軍用車輛對于的動力性的要求一定程度上并不亞于經濟性。換言之，經濟性方面的劣勢可通過加強后勤保障運營來實現，但動力裝置自身動力性能的缺陷導致的戰斗劣勢則無從補償，因此坦克用燃氣輪機尚無法為坦克用柴油機所全面取代。由此可見，盡管目前坦克用燃氣輪機的目前應用廣泛程度相比坦克用柴油機而言并不具備優勢，但隨著燃氣輪機相關技術的不斷完善，坦克用燃氣輪機仍在未來的陸地戰場上有著一定的應用前景。

8 結論

目前采用柴油機+燃氣輪機雙動力裝置盡管性能較為均衡，可有效解決平時巡航工況下的低油耗要求與戰時高機動性的矛盾，但由于仍存在著可靠性較低及操控復雜等方面的問題，其應用前景尚不如單一動力裝置的形式。

盡管目前柴油機在主戰坦克動力裝置領域的應用中仍有著絕對優勢，但燃氣輪機仍有著在動力性、啟動性、適應性等方面不可取代的優勢，隨著相關技術的不斷發展以及后勤保障措施的不斷完善，其在坦克動力裝置領域仍有著一定的應用前景。