坦克動(dòng)力系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢展望

摘 要：以當(dāng)前坦克裝甲車輛動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域的柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)之爭為切入點(diǎn)，分別闡述了柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、液力傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)等技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢。考慮到坦克裝甲車輛的戰(zhàn)略地位，針對(duì)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)可有效改善坦克的整車動(dòng)力性能及作戰(zhàn)能力，對(duì)陸地武備力量的提升有著顯著功效與現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：坦克;裝甲車輛;柴油機(jī);燃?xì)廨啓C(jī);電傳動(dòng)

0? ? 引言

在坦克裝甲車輛動(dòng)力裝置領(lǐng)域，柴油機(jī)長期占有主導(dǎo)地位，其主要競爭對(duì)手是燃?xì)廨啓C(jī)。但由于柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)各有優(yōu)勢及劣勢，二者競爭的局面將會(huì)長期持續(xù)下去[1-4]。不可否認(rèn)的是，增加動(dòng)力裝置的比功率和減少動(dòng)力艙的體積，是為提高坦克機(jī)動(dòng)性而長期有待實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)[5-6]。

1? ? 采用新技術(shù)提高柴油機(jī)性能

柴油機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)非常成熟，現(xiàn)已研制的一系列機(jī)型具有同燃?xì)廨啓C(jī)相競爭的實(shí)力。例如，德國MTU公司發(fā)展的MT880系列柴油機(jī)，其中883型功率已達(dá)到1 200 kW，其體積比MB873型柴油機(jī)減少35%，重量減輕15%，燃油消耗量降低12%，冷卻系耗功減少20%，功率密度卻提高一倍。同現(xiàn)裝備坦克的柴油機(jī)相比，耗油量降低30%，體積減小40%，重量減輕40%。

1.1? ? 柴油機(jī)增壓技術(shù)

美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)曾對(duì)先進(jìn)兩棲突擊車的柴油機(jī)提出苛刻的使用要求：陸上行駛時(shí)能輸出低速大扭矩，水上行駛時(shí)能發(fā)出4倍于陸上行駛的功率。為此，MTU公司采用高增壓技術(shù)，為MT883 Ka-523型柴油機(jī)設(shè)計(jì)了4個(gè)體積小、重量輕的渦輪增壓器，由同軸安裝的單級(jí)排氣渦輪驅(qū)動(dòng)低壓渦輪和高壓渦輪，在低壓渦輪和高壓渦輪之間裝有中冷器，從而使該機(jī)的額定功率達(dá)到1 911 kW。4個(gè)渦輪增壓器分為兩組，陸上行駛時(shí)一組增壓器工作，水上行駛時(shí)兩組同時(shí)工作。

1.2? ? 采用二沖程機(jī)型

在追求高功率柴油機(jī)方面，法國Melchior技術(shù)公司選擇二沖程機(jī)型。該公司研制的MT135二沖程柴油機(jī)，在氣缸蓋內(nèi)采用相互垂直的提動(dòng)式進(jìn)氣門，從而形成封閉式換氣系統(tǒng)。采用一根凸輪軸控制多個(gè)凸輪方式改變供油角、供氣角和壓比，使得該機(jī)具有良好的低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)性能和冷啟動(dòng)性能。該柴油機(jī)還可以采取中冷措施，使進(jìn)氣壓力約提高3倍，達(dá)到1.5～2.0 MPa，燃燒壓力達(dá)到30 MPa。通過安裝渦輪增壓器，從排氣中回收部分功率，最終使只有1 m3體積的柴油機(jī)輸出1 139 kW功率，升功率達(dá)到147 kW/L。

1.3? ? 柴油機(jī)隔熱技術(shù)

柴油機(jī)的“隔熱”，是指采用耐高溫材料隔離柴油機(jī)的燃燒室、氣缸頭、氣缸套和活塞，以使燃燒室在很少或幾乎不向柴油機(jī)機(jī)體散發(fā)熱量的工況下工作，最大限度地降低柴油機(jī)的摩擦功，同時(shí)利用排氣管中的排氣能量推動(dòng)渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪，從排氣中回收部分能量。由于排氣能量的大量回收及冷卻系統(tǒng)功率消耗的大幅減少，柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。未來有望實(shí)現(xiàn)使燃油消耗量降低30%、體積減小40%、重量減輕40%的目標(biāo)。

2? ? 研制新型燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)因其重量輕、體積小、噪聲低、振動(dòng)小、冷啟動(dòng)性能好、可以使用多種燃料等優(yōu)勢，已成功地應(yīng)用于美國的M1坦克和俄羅斯的T-80坦克。然而，燃?xì)廨啓C(jī)的燃油消耗量高、采購費(fèi)用昂貴，致使未能廣泛使用。

LV100燃?xì)廨啓C(jī)是AGT1500燃?xì)廨啓C(jī)的后繼機(jī)型，在設(shè)計(jì)時(shí)除了首先考慮緊湊性和利用熱交換器加熱進(jìn)氣外，還利用軸向壓氣機(jī)和動(dòng)力渦輪提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，使得該機(jī)的油耗特性特別是部分負(fù)荷時(shí)的耗油特性得到明顯改善。按照計(jì)劃，LV100燃?xì)廨啓C(jī)有望達(dá)到210 g/kWh的燃油消耗指標(biāo)，輸出功率達(dá)到1 008 kW，仍有再提高20%功率的技術(shù)潛能。

燃?xì)廨啓C(jī)搭配電傳動(dòng)方式，既能發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)扭矩特性佳、外特性狀態(tài)下工作燃油經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，還能為坦克總體設(shè)計(jì)帶來更優(yōu)越的靈活性[7-8]。

3? ? 改善綜合式液力機(jī)械傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)性能

綜合式液力機(jī)械傳動(dòng)集液力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)于一體，還可以通過閉鎖變矩器、減少變矩器工作時(shí)間以及增加排擋數(shù)量提高傳動(dòng)裝置的效率，當(dāng)轉(zhuǎn)向功率從變矩器前輸出時(shí)更有利于提高整個(gè)傳動(dòng)系的總效率，使用液力減速制動(dòng)器時(shí)還有助于提高車輛的制動(dòng)性能。具有功率傳遞、變速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和操縱等5種功能的綜合式液力機(jī)械傳動(dòng)，既適合與燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成先進(jìn)整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，又適合與柴油機(jī)構(gòu)成先進(jìn)整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是與柴油機(jī)相匹配的最佳傳動(dòng)形式之一。

機(jī)械傳動(dòng)雖是較為傳統(tǒng)的坦克裝甲車輛傳動(dòng)形式，但其以高傳動(dòng)效率一直廣受關(guān)注。隨著微機(jī)換擋操縱技術(shù)的發(fā)展，增加排擋數(shù)目不僅已成為現(xiàn)實(shí)，而且成為改善傳動(dòng)品質(zhì)的途徑之一。如果能繼續(xù)保持機(jī)械傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能達(dá)到像液力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)一樣的傳動(dòng)性能，且不會(huì)給駕駛員帶來操作負(fù)擔(dān)，那么機(jī)械傳動(dòng)將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

4? ? 推廣裝甲車輛電傳動(dòng)技術(shù)

“全電坦克”概念的出現(xiàn)，再次引起了對(duì)坦克電傳動(dòng)技術(shù)的關(guān)注。電傳動(dòng)的大容量發(fā)電機(jī)可以輸出電能，除供電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛外，可為電炮提供所需電能，同時(shí)電裝甲也需消耗電能，所以，電傳動(dòng)是發(fā)展全電坦克的基礎(chǔ)[9]。

早期，由于尚不成熟的電傳動(dòng)技術(shù)導(dǎo)致傳動(dòng)裝置體積龐大、重量過大，電傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)未能充分發(fā)揮，因此各國一直致力于發(fā)展體積小、重量輕的新型電機(jī)與控制器的研究開發(fā)工作。

電傳動(dòng)具有諸多優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，具有較好加速性，制動(dòng)能量可以回收利用，更重要的是其總體布置上的靈活性，為坦克方案設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。對(duì)輪式戰(zhàn)車而言，電機(jī)可以布置在車輪輪轂里，不僅可以有效節(jié)省裝甲戰(zhàn)車的車內(nèi)空間，而且便于實(shí)現(xiàn)“全輪驅(qū)動(dòng)”。

5? ? 動(dòng)力艙整體化設(shè)計(jì)

動(dòng)力艙包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置及各種輔助系統(tǒng)。動(dòng)力艙整體化設(shè)計(jì)是將上述部件作為一個(gè)整體進(jìn)行的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)時(shí)是從整個(gè)系統(tǒng)考慮各部件的設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)性能達(dá)到最佳以及部件間的協(xié)調(diào)匹配，因而設(shè)計(jì)出的動(dòng)力艙占用車內(nèi)空間最小，重量最輕，功率利用效率最高。

6? ? 開展液氣懸掛和主動(dòng)懸掛的研究與應(yīng)用

液氣懸掛的特性呈雙曲線，可有效滿足裝甲車輛的行駛需求，在公路行駛狀態(tài)下可確保乘員的舒適感，越野行駛時(shí)能有效避免剛性沖擊，同時(shí)也可減輕乘員的操作強(qiáng)度并保護(hù)機(jī)件的安全。液氣懸掛便于控制車體距地高度，實(shí)現(xiàn)車輛姿態(tài)的調(diào)整，在要求調(diào)節(jié)姿態(tài)的車輛上已獲得應(yīng)用，同時(shí)也為主動(dòng)和半主動(dòng)懸掛奠定了基礎(chǔ)。

電子器件和數(shù)字式信號(hào)處理設(shè)備體積的減小以及液壓技術(shù)的發(fā)展，為主動(dòng)懸掛系統(tǒng)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的懸掛高度可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，既能提高車輛越野行駛速度和改善乘員乘坐舒適性，又能為武器提供更加平穩(wěn)的射擊平臺(tái)，代表著未來戰(zhàn)車懸掛的發(fā)展方向。然而，主動(dòng)懸掛裝置需要耗功，成本高、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，限制了其在裝甲車輛上的應(yīng)用。簡化的半主動(dòng)懸掛，由于不需要外加動(dòng)力，較容易實(shí)現(xiàn)裝車使用。

7? ? 結(jié)論及展望

坦克作為陸地武備力量的重要組成部分之一，其在紛繁多變的未來陸地戰(zhàn)場中依然保有一席之地。在該前提下，不斷改良及優(yōu)化坦克動(dòng)力及傳動(dòng)裝置的技術(shù)水平，依然有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 伍賽特.主戰(zhàn)坦克動(dòng)力裝置展望研究[J].機(jī)電技術(shù)，2018（6）：118-120.

[2] 伍賽特.主戰(zhàn)坦克用柴油機(jī)應(yīng)用前景展望及技術(shù)發(fā)展趨勢研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2019（2）：51-54.

[3] 伍賽特.燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用可行性研究綜述[J].輕工科技，2019，35（12）：52-54.

[4] 伍賽特.燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用于坦克動(dòng)力裝置的前景展望[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2018，31（6）：54-56.

[5] 伍賽特.裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢展望[J].傳動(dòng)技術(shù)，2019，33（2）：44-50.

[6] 伍賽特.裝甲車輛動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程研究綜述[J].機(jī)電信息，2019（27）：146-147.

[7] 伍賽特.坦克裝甲車輛電傳動(dòng)技術(shù)研究綜述[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2019（1）：34-35.

[8] 伍賽特.燃料電池應(yīng)用于坦克動(dòng)力裝置的前景展望[J].裝備制造技術(shù)，2018（12）：91-94.

[9] 鄭慕僑，馮崇植，藍(lán)祖佑.坦克裝甲車輛[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

收稿日期：2020-01-20

作者簡介：伍賽特（1990—），男，湖南邵陽人，工學(xué)碩士，助理工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置。