高速鱼雷水冲压发动机用金属/水反应燃料研究进展

2013-07-03张亚俊李吉祯刘芳莉齐晓飞

兵器装备工程学报 2013年5期

张亚俊，王祎，李吉祯，刘芳莉，齐晓飞

(1.西安近代化学研究所，西安 710065;2.中国船泊重工集团公司第七〇五研究所，西安 710075)

鱼雷，以其便捷的发射方式、优异的战技性能和骄人的战绩，成为当前海战中的反潜和反舰的最主要武器品种之一，也常被用来封锁港口和狭窄水道，按其携载平台和攻击对象可分为反舰鱼雷(舰舰、潜舰、空舰)和反潜鱼雷(舰潜、潜潜、空潜)等［1-3］。鉴于当今世界的局势及武器科技的发展，世界各国在鱼雷技术方面的发展特点均为航速快、航程远、隐蔽性好、命中率高、破坏性大，但由于水阻力远超过空气阻力(水下航行体受到的阻力约为空中飞行器受到阻力的1 000多倍)，致使航速、航程和精度成为常规动力鱼雷的“软肋”。因此，世界军事强国均在争相研究高速鱼雷技术，主要包括超空泡技术、水冲压发动机技术和金属/水反应燃料技术［4-5］。

金属/水反应燃料是指能与水发生反应放出大量氢气和热量的以金属为主要成分的燃料。该类燃料以活泼金属材料为主要成分，能与水或其他液体组分发生剧烈反应，生成大量的小分子气体(以氢气为主)，同时释放出大量的热量，能量水平较高;该类燃料以从外界吸入的水作为氧化剂，为水下航行体争取了更多燃料储存空间，可大幅度增加水下航行体动力系统的能量密度［6］。金属/水反应燃料类似于空气冲压发动机用的富燃料推进剂，以它为推进剂的发动机称为水冲压发动机，主要用作水下高速武器的动力源。

我国在高速鱼雷技术方面的研究起步较晚，技术成熟度相对较低，本文以高速鱼雷的发展及相关技术的应用研究为基础，阐述金属/水反应燃料的特点、工作原理、配方体系及其研究重点，以期为相关技术的研究提供一定的帮助。

1 国内外金属/水反应燃料的应用研究

俄罗斯是最早开展高速鱼雷研究的国家之一，也是最早开展金属/水反应固体燃料技术的国家之一。前苏联的乌克兰流体力学研究所自1960 年即开始研究高速鱼雷，1977 年设计定型第一代超空泡火箭推进鱼雷“暴风雪”(Shkval E)，并于1997 年装备部队。“暴风雪”鱼雷长8.23 m、重2 697 kg，采用镁基金属/水反应固体燃料，最大航速可达200 kn(约100 m/s)，超过传统鱼雷的3 ～5 倍(传统鱼雷的航速仅为30 ～75 kn)，航程为10 km，无自导系统，攻击弹道为直航，具有很高的航向精度;此后，俄罗斯研制了第二代、第三代M系列的高速鱼雷M7 和M9，航速超过300 kn(约150 m·s-1)，射程50 km。1999 年，在阿布扎比举行的国际防务武器博览会上，俄罗斯展出了超高速鱼雷“疾风”出口型，该型鱼雷航速约200 kn(约100 m/s)，其动力装置采用镁/水反应推进水冲压发动机［4，7-9］。目前，俄罗斯在研的新一代金属/水反应固体推进超高速鱼雷采用发动机推力矢量控制，具有较强的机动性，并利用发动机燃气回流头部进行超空泡补气，航速可达400 kn(约200 m/s)，射程可达100 km。

美国早于20 世纪40 年代就开始了金属/水反应燃料技术及超空泡技术的研究工作，主要工作由美国国防研究计划局(DARPA)和美国海军研究所(ONR)负责，致力于探索和发展高速鱼雷技术。据报道，美国也研制出了超高速鱼雷样机，外观上和俄罗斯“暴风雪”鱼雷很相像，最大速度可达200 kn。美国宾夕法尼亚大学一直从事铝/金属/水反应燃料发动机的研究，目前已经设计出旋涡燃烧器式水冲压发动机系统，并进行了大量的试验，其原理是将铝粉注入水的高速涡流中，高速涡流与铝颗粒之间的高速剪切作用、铝颗粒之间的相互刮擦作用，破坏了铝粒子表面的氧化膜，使铝粉和水剧烈燃烧，最终形成大量的高温、高压气体［10，11］。

德国是世界上从事水下高速航行体研究最早的国家，早在二战前，德国就已开展了高速鱼雷用超空泡技术的理论和实验研究，20 世纪90 年代末期又与美国共同开发超空泡水下航行体［12］。目前德国已对航速在100 kn 以上的鱼雷技术(包括空泡形成及控制技术、弹体设计技术、弹体运动稳定机理、金属/水反应燃料应用技术等)进行了系统研究，针对现役超高速鱼雷的弱点(无自导功能、只能在浅深度下作定深巡航)，其研究重点调整为可能作为未来反鱼雷或反潜战系统基础的小型、快速、机动的轻型超高速反鱼雷鱼雷(Anti-Torpedo Torpedo，ATT)，该武器的各主要功能和构件均在德国梅尔多夫和杰滕堡的试验场进行了演示实验［12，13］。另据报道，2001 年年底，德国成功试验了第一枚超高速鱼雷试验样机，其航速为400 kn。

法国、日本等国家也在开展水冲压发动机技术及金属/水反应燃料技术等方面的研究，试图在高速鱼雷技术方面取得突破［14-16］。

我国对于高速鱼雷方面的相关技术研究起步较晚，20世纪90 年代初开始水下兵器超空泡技术的开发，2000 年以后才开始进入金属/水反应燃料技术、水冲压发动机技术的试验研究阶段。目前，西北工业大学、国防科技大学、航天、兵器等研究单位开展的相关工作主要集中在超空泡的形成及数值模拟技术、水冲压发动机的工作原理机理论性能模拟以及金属/水反应燃料的理论预估等基础性的理论和实验研究［17-19］。

国防科技大学与某研究所合作以Mg/H2O 体系为研究对象，进行了理论研究和实验验证，采用压装固化药柱端面燃烧实现了水冲压原理发动机的热试车，验证了理论研究的结果，但金属/水反应燃料的综合性能还有待于进一步优化。孙展鹏和张运刚等［20，21］用高金属(Al)含量富燃料推进剂开展了Al/H2O 体系金属/水反应燃料的研究，进行了水冲压原理发动机热试车，尽管其金属/水反应燃料中金属含量偏低，但却验证了该类发动机的理论可行性。

李芳等［22］对Al/H2O 体系及其他体系的金属/水反应燃料进行了理论研究，结合化学反应过程对其热力学特性进行了分析，初步研究了燃料配方对发动机性能的影响;郑邯勇等［23］研究了燃料中铝粉粒度、黏合剂和铝水反应起始阶段助燃剂对铝水反应的影响，初步分析了Al/H2O 体系的反应机理，为深入研究该类发动机提供了参考;赵卫兵等［24］通过热力学计算，分析了金属/水反应燃料的能量特性及其影响因素，并探讨了金属/水反应燃料应用于超高速鱼雷推进系统的可能性。

2 金属/水反应燃料的工作原理

目前研究的金属/水反应燃料的配方体系多为以水反应金属材料为主要成分，含有少量氧化剂、粘合剂和添加剂等组分，类似于空气冲压发动机用的富燃料推进剂。金属/水反应燃料的优点是充分利用雷外海水作为能源，能量水平高、单位体积的能量密度高，且具有更多燃料储存空间，使鱼雷超高速、远航程航行成为可能。

金属/水反应燃料的工作过程大致如下:水下航行体外的海水在速度头作用下喷入燃烧室，与燃烧室中以一定形态存在的金属燃料发生强烈放热反应，生成大量的高温高压气体(以H2为主)，且反应放出的热量同时使未参与反应的海水加热蒸发，并以高压蒸汽形式膨胀做功，混合气体通过发动机喷管排出，产生推力推动水下航行体高速前行。

金属/水反应燃料体系中所选用的水反应金属材料必须具有反应活性高、能量密度高、与水反应成器量大、与水反应速度快等特点，近年来所研究的金属/水反应燃料配方中选用水反应金属材料的主要有Al、Mg、B、Ti、Ca、Li、Na、K、Zr、W等活性金属、AlH3、MgH2、B2H6、ZrH2、LiAlH4等金属氢化物以及一些活性较高的金属氧化物、金属碳化物等。部分活性金属与水反应的能量密度见表1 所示。

表1 所列金属中，铍的能量密度最高，但是毒性较大;镁与水反应较容易启动，但能量密度较小;钙、锂、钠、钾很活泼，易与水反应，但存储条件较为苛刻;铝具有较高的能量密度，且存放稳定、无毒性、来源广、成本低，若能降低它与水的反应条件，是最适合与水反应并用于水冲压发动机的活性金属材料。

表1 金属与水反应的体积能量密度

计算结果表明，当Al/H2O、Mg/H2O 燃料的水燃比达到4 ～5 时，金属/水反应燃料的比冲达最大值，此时，Mg/H2O燃料的质量比冲和体积比冲分别为5 600 N·s·kg-1和1.00 ×107N·s·m-3，Al/H2O 燃料的体积比冲则达1.77 ×107N·s·m-3。由此可见，金属/水反应燃料的质量比冲是目前固体推进剂的3 倍左右，体积比冲则达4 ～5 倍。

在金属/水燃烧反应机理研究方面，俄罗斯、美国、日本等国家的研究人员自20 世纪70 年代起就开始了大量的研究工作。俄罗斯Gorbunov V V 等［25］研究了高能金属粉(主要为Al 和Mg)与水的燃烧反应，研究表明，高能金属与水的混合物的燃烧性能主要取决于金属粉末被氧化的难易程度;氧化程度取决于混合物种金属材料与水的比例;改变水的聚集状态(凝相或气相)不影响金属的氧化程度。

在Al/H2O、Mg/H2O 等燃料体系燃烧反应过程中，均存在气相反应(气态金属与水蒸汽的反应)、液相反应(熔融态金属与水蒸汽的反应)、凝相反应(金属颗粒与水蒸汽的反应)等多种形式，主要反应方程式为

对于采用高压载气/载液方式给料的水冲压发动机来说，在一次燃烧反应区，气相、液相和凝相反应基本同时进行、互相转化，各相反应之间互相传递、反馈热量;未燃烧的固体颗粒被吹离凝相反应表面，期间经过炽热的一次燃烧火焰区，大部分转化为熔融态，少量气化，在二次燃烧反应区与水蒸汽发生强烈的氧化-还原反应，最终产生高温高压轻质气体和大量的热。对于采用固体推进剂药柱给料的水冲压发动机，其一次燃烧室主要是推进剂体系中氧化剂与少量金属颗粒的燃烧，喷射出大量的熔融态金属液滴(部分气化)送入二次燃烧室，并在二次燃烧室与雾化水发生剧烈的反应，最终转化为水下航行体的推动力。

在发动机内部受温度、压强、两相流等多方面因素的影响，实际的反应机理可能更为复杂，需要根据燃料体系、发动机结构、发动机实际工况的不同而进行系统深入的研究。

3 金属/水反应燃料的研究重点

水冲压发动机的工作原理在于金属/水反应燃料体系中的活性金属与水反应产生大量高温、高压的小分子量气体反应产物(主要是氢气)，以其为推进工质实现水下航行体的高速前行。与之相对应，金属/水反应燃料的研究重点包括以下几个方面:

1)金属颗粒的供给方式

金属颗粒的供给方式也称为金属/水反应燃料的组织形式，它不仅影响燃烧室内金属与水蒸汽之间的反应或燃烧稳定性，而且对金属/水反应燃料的制备工艺、储存条件、点火技术及整个水冲压发动机的性能调节技术都有决定性的影响。目前的研究结果主要形成了载气/载液给料和固体推进剂药柱给料两种金属颗粒的供给方式，其中载气/载液给料方式主要被用于实验室或理论研究，固体推进剂药柱给料方式则多用于实际水下推进研究。

采用载气/载液给料方式的水冲压发动机工作时，金属粉末分散在高压载气/载液中并随载气/载液流入燃烧室与水蒸汽发生剧烈反应或燃烧。该方式的最大优点是燃料金属含量高、发动机能量高，但进入燃烧室的初始燃温低，因此反应速度低、金属颗粒氧化物膜去除困难、反应效率低。美国应用研究实验室(ARL)以高压载气给料方式对Al/H2O 和Mg/H2O 体系的金属/水反应燃料性能进行了研究，并成功进行了原理发动机试验;Kerry 等人利用喷气燃料JP-5、JP-10以及RP-1 作为载液也成功进行了原理发动机试车，对金属/水反应燃料性能进行了研究。

在实际水下推进系统中主要采用固体推进剂药柱给料方式，该方式的优点是组分分散均匀、结构简单、贮存方便、供料稳定可靠、制备工艺简单。可以认为，固体推进剂药柱给料是最有可能实用化的金属/水反应燃料的组织方式。

2)金属与水反应的启动

对于载气/载液方式给料的水冲压发动机，金属与水反应的起始为载液的点火。金属颗粒进入燃烧室前需要被加热至熔融或气化状态(低温下金属与水反应效率很低)才能与高温水蒸汽进行剧烈的反应，而其载液一般为某种燃料，载液点燃后对金属颗粒产生一个加热过程，因此，必须进行液料燃料点火装置研究。

对于固体推进剂药柱方式给料的水冲压发动机，金属与水反应的起始为固体推进剂药柱的点火，药柱点燃后，启动发动机的一次燃烧和二次燃烧反应。由于金属/水反应燃料体系中含有大量的金属粉末。其氧平衡值非常低，致使其点火方式和点火机制与常规固体推进剂明显不同，也需进行专门的研究。

金属/水反应燃料体系中的金属颗粒与水反应启动的是否顺利，还与金属颗粒的活性、粒度、纯度及其颗粒表面特性等有关，活性与粒度是决定其点火温度的主要因素。在二次燃烧反应过程中，金属发生反应的难易程度及点火可靠性均与金属颗粒的点火温度有着必然的联系，必须制备出活性较高且活性易于保持的超细金属颗粒(包括微米、亚微米或纳米级颗粒)。

3)金属与水反应过程的控制

水冲压发动机工作过程中，水的喷注、撞击、雾化、高速湍流流动，金属/水反应燃料体系的燃烧，固相、液相和气相金属与水蒸汽的掺混、反应以及燃烧，大量固态金属氧化物、气态产物的产生、混合等过程相互耦合，构成了复杂的多相反应燃烧体系。

金属/水反应燃料体系金属含量高、氧化剂含量很低，致使该燃料燃速低、燃速压强指数小(相对于火箭推进剂气态产物少);金属/水反应燃料燃烧过程中既包括金属与水蒸汽之间的剧烈反应，也包括反应产物的进一步燃烧，其能量释放过程以金属与水的反应为主。因此，金属/水反应燃料体系中活性金属与水反应的反应活性、反应速率、反应充分度等都是燃料体系应用研究中的研究重点，与之相对应，燃料体系的燃速、压强指数、燃温、燃气、喷射效率等特性则是其实际应用的研究重点之一。由此可知，金属与水反应过程的控制技术对提高燃料比冲和燃烧效率具有重要意义，这将是金属/水反应燃料应用研究的关键技术。

4 结束语

在世界军事格局不断发展、国家海防形势风云变幻的大背景下，大力发展高速水下武器已成为当前军工研究任务的重中之重。作为高速鱼雷水冲压发动机推进系统主燃料的金属/水反应燃料，其基础技术研究对水冲压发动机的发展起到决定性的作用，其应用技术研究则具有重要的现实意义，在水下高速鱼雷等武器系统方面具有良好的应用前景。

国外对金属/水反应燃料及水冲压发动机技术研究已经进入实用阶段，而我国对金属/水反应燃料的研究刚刚起步，相关研究基础比较落后，极大程度上制约了超高速鱼雷巡航动力推进系统研究的进展，必须加快金属/水反应燃料的配方设计、成型工艺、性能调节、实验验证等各项技术研究，从理论和实践各方面真正掌握高速水下推进的核心技术，早日实现我国高速水下武器的实际应用。

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