魚雷動(dòng)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(dāng)今，世界各國(guó)都把緊湊、高效型魚雷作為水下武器裝備的重點(diǎn)研究發(fā)展方向之一。動(dòng)力系統(tǒng)是魚雷的重要組成部分，對(duì)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(dòng)力系統(tǒng)分為熱動(dòng)力和電動(dòng)力2種。

熱動(dòng)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(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)又分為固體燃料動(dòng)力推進(jìn)和氣液燃料動(dòng)力推進(jìn)2種。固體燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，其燃燒室、推力室與固體燃料儲(chǔ)箱一體化設(shè)計(jì)，一般在超高航速、短時(shí)大推力、無需進(jìn)行二次熱電轉(zhuǎn)換等工況場(chǎng)景下使用。燃料動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)由能供裝置、燃燒室、發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)器、輔機(jī)等組成，各裝置獨(dú)立成套后聯(lián)調(diào)成為系統(tǒng)。熱動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)是啟動(dòng)速度快、輸出功率高，但振動(dòng)噪聲較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)性能相對(duì)較差，且動(dòng)力性能受航行深度影響較大。

電動(dòng)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)做功、產(chǎn)生推力，推動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)相比，電動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)，工作平順性好，能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)變速，性能不受航行深度影響，但輸出功率相對(duì)較低，啟動(dòng)但輸出航速與航行性能穩(wěn)定、使用維護(hù)性好，但輸出能量相對(duì)較低，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

1 二戰(zhàn)前動(dòng)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(jī)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(qiáng)國(guó)裝備的魚雷武器均為熱動(dòng)力形式，相繼出現(xiàn)V型、星型、臥式活塞機(jī)及立式、對(duì)轉(zhuǎn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力技術(shù)在一戰(zhàn)后得到了一定程度的發(fā)展。美國(guó)于1915年開展了EL電雷研究，但受制于經(jīng)費(fèi)不足最終不得不放棄。德國(guó)于1917年成功開發(fā)了早期電動(dòng)力魚雷的雛形—Jocaby魚雷，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷改進(jìn)，于1935年研制成世界上第一型鉛酸蓄電池電動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)力結(jié)構(gòu)形式。其研究進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)力技術(shù)的發(fā)展并沒有受到高度重視，僅德國(guó)實(shí)現(xiàn)了高能量電池在魚雷中的工程化應(yīng)用，推動(dòng)了電動(dòng)力的緩慢發(fā)展。

2 二戰(zhàn)期間動(dòng)力系統(tǒng)的演變

二戰(zhàn)爆發(fā)后，主要參戰(zhàn)國(guó)以軍事需求為牽引，投入了大量的人力和資源進(jìn)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(guó)就先后開展了20種魚雷型號(hào)的研制。

期間，日本、法國(guó)、意大利、英國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家始終延續(xù)并不斷優(yōu)化蒸汽、燃?xì)獾葻釀?dòng)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(jī)為動(dòng)力形式。而隨著新型能源技術(shù)的發(fā)展，德國(guó)研制了十氫化萘渦輪機(jī)并最終裝備于1941年服役的F5b空投魚雷。此外，美國(guó)和德國(guó)還分別開展了以高濃度過氧化氫為氧化劑的熱動(dòng)力魚雷系統(tǒng)研制，美國(guó)采用這種動(dòng)力形式進(jìn)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(dāng)時(shí)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(jìn)行多輪改進(jìn)才大范圍列裝，而德國(guó)則因?yàn)閼?zhàn)敗原因終止了后續(xù)研究工作[6-12]。

電動(dòng)力魚雷技術(shù)在此期間獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。戰(zhàn)前，僅有德國(guó)研制的G7e始終處于世界領(lǐng)先水平。1943年，美國(guó)成功研制MK18魚雷并批量裝備，戰(zhàn)時(shí)生產(chǎn)約9 000枚，成為潛艇的主要武器；隨后適用于飛機(jī)空投的MK24、潛用MK27、潛用MK28等魚雷型號(hào)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(dòng)力ЭT-80魚雷。總體來看，這個(gè)時(shí)期列裝的電動(dòng)力魚雷均以當(dāng)時(shí)技術(shù)較為成熟的鉛酸蓄電池為能源，圖1為早期的電動(dòng)力魚雷系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。與此同時(shí)，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(jìn)展。美國(guó)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(duì)后續(xù)魚雷的發(fā)展起到了示范作用[9-11]。

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

從總體來看，二戰(zhàn)期間美國(guó)通過英國(guó)獲得了1枚德國(guó)U-570潛艇裝載的G7e魚雷，在對(duì)其研仿的基礎(chǔ)上，進(jìn)行批量生產(chǎn)和系列化發(fā)展，促進(jìn)了電動(dòng)力技術(shù)的快速發(fā)展，使得電動(dòng)力魚雷追趕到與熱動(dòng)力性能基本相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。雖然魚雷發(fā)展型號(hào)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(shí)和發(fā)展理念。

3 現(xiàn)代魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展

3.1 熱動(dòng)力系統(tǒng)的研究進(jìn)展

二戰(zhàn)后的一段時(shí)期內(nèi)，熱動(dòng)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(shí)期出現(xiàn)了53-56氧氣活塞機(jī)、53-57過氧化氫渦輪機(jī)和53-65氧氣渦輪機(jī)魚雷（見圖2），而美國(guó)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(jì)70年代[10,12]。

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

20世紀(jì)50年代以后，隨著空間機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jī)。同時(shí)美籍德國(guó)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(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用。美國(guó)對(duì)燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)研究所取得的重大技術(shù)突破不僅引領(lǐng)了熱動(dòng)力系統(tǒng)的新的快速發(fā)展，更奠定了當(dāng)今熱動(dòng)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(dòng)機(jī)[13]，后隨MK46-1型改為五缸凸輪式發(fā)動(dòng)機(jī)（見圖3）。該凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)最為經(jīng)典的設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)機(jī)。

圖3 MK46魚雷凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 MK46 Cam engine

這一時(shí)期，在液體燃料快速發(fā)展的同時(shí)，固體推進(jìn)劑也在空投魚雷中進(jìn)行探索性應(yīng)用，其中比較典型的有美國(guó)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(duì)對(duì)空投魚雷的需求不再迫切，固體推進(jìn)劑并未得到大范圍推廣。

20世紀(jì)80年代以后，熱動(dòng)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(dòng)機(jī)，以高濃度過氧化氫為氧化劑；英國(guó)研制的開式循環(huán)旗魚魚雷[16]，采用了單機(jī)沖壓式渦輪機(jī)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(guó)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(jī)，以鋰和六氟化硫化學(xué)反應(yīng)熱為能源[19]；德國(guó)、俄羅斯等國(guó)在開展高速及超高速魚雷研究時(shí)，還重新考慮選用了固體推進(jìn)劑水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[20-21]。

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

3.2 電動(dòng)力系統(tǒng)的研究進(jìn)展

電動(dòng)力系統(tǒng)在二戰(zhàn)后進(jìn)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(gè)發(fā)展階段[22-23]。

第1階段主要是對(duì)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(guó)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(dòng)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(jì)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(jì)50年代起，世界主要海軍強(qiáng)國(guó)國(guó)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(jìn)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(dòng)力性能大幅度躍升，電動(dòng)力魚雷發(fā)展進(jìn)入第2階段。這一階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)用裝備種類多，如：美國(guó)的MK37-2魚雷，蘇聯(lián)的CAЭT-60，CЭT-56，TЭCT-71，УCЭT-80魚雷，英國(guó)的MK24魚雷、意大利的A184魚雷、法國(guó)的F17魚雷、德國(guó)的SUT魚雷等均采用了鋅/氧化銀電池，使用范圍最廣；美國(guó)的MK44輕型魚雷、英國(guó)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(dòng)力魚雷中廣泛應(yīng)用。

80年代以后，電動(dòng)力技術(shù)發(fā)展迎來了第3階段。法國(guó)SAFT公司研制了鋁/氧化銀電池并用于法國(guó)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(dòng)力趕超熱動(dòng)力魚雷的前景趨勢(shì)。

3.3 現(xiàn)代魚雷動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展小結(jié)

二戰(zhàn)后，世界各國(guó)對(duì)2種不同動(dòng)力形式的優(yōu)缺點(diǎn)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(guó)均選擇了電動(dòng)力魚雷的發(fā)展道路，電動(dòng)力技術(shù)進(jìn)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(dòng)機(jī)問世，美國(guó)認(rèn)為熱動(dòng)力航程、航速的優(yōu)勢(shì)更加明顯，走上了熱動(dòng)力系列化發(fā)展道路，并在此基礎(chǔ)上形成了獨(dú)具特色的動(dòng)力發(fā)展體系[24]。表1列出了現(xiàn)代主要國(guó)家魚雷裝備的動(dòng)力系統(tǒng)性能。

4 動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向

從世界魚雷裝備的發(fā)展趨勢(shì)看，熱動(dòng)力與電動(dòng)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(dāng)今發(fā)展的主流[25-27]。

熱動(dòng)力方面，重點(diǎn)的發(fā)展方向有：開展新型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式研究，優(yōu)化現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局，增加氣缸數(shù)量，增大氣缸孔徑，提高動(dòng)力系統(tǒng)性能；降低機(jī)械振動(dòng)和輻射噪聲，進(jìn)行全新的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)、消除激振力，對(duì)輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并采用多速航行體制；進(jìn)行新型燃料技術(shù)研究，提升燃料能量密度，開展進(jìn)行3組元燃料的工程化應(yīng)用；開展動(dòng)力系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)，提升魚雷保障性能，降低全壽命周期費(fèi)用；開展閉式循環(huán)技術(shù)研究其工程化，降低航行深度對(duì)動(dòng)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(dòng)機(jī)為能源的技術(shù)可行性。

電動(dòng)力方面，重點(diǎn)發(fā)展方向有：開展新型電機(jī)技術(shù)研究，加強(qiáng)大功率、高比功率、集成化、無級(jí)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(dòng)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(xiǎn)。

5 結(jié) 語

從1866年第1枚魚雷成功問世以來，魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程。在之前的150年發(fā)展歷程中，2種動(dòng)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(shí)間內(nèi)鞏固和發(fā)展，成為開展新型先進(jìn)魚雷動(dòng)力系統(tǒng)研究、實(shí)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(jìn)魚雷主要?jiǎng)恿π阅躎ab.1 Main power performance of contemporary advanced torpedo