鱼雷动力系统发展综述

2019-06-03马悦飞

舰船科学技术 2019年5期

袁鹏，马悦飞,2

(1.海军装备部，陕西西安 710054；2.西安现代控制技术研究所，陕西西安 710065)

0 引言

当今，世界各国都把紧凑、高效型鱼雷作为水下武器装备的重点研究发展方向之一。动力系统是鱼雷的重要组成部分，对鱼雷的航速、航程、航深、安静性、可靠性和可维修性等性能都有着决定性的影响。按照输出结构与形式的不同，动力系统分为热动力和电动力2种。

热动力系统是将燃料的化学能转化为热能，利用热能做功，推动本体航行，其能量转化的主要形式为燃烧。根据燃料物态的不同，热动力系统又分为固体燃料动力推进和气液燃料动力推进2种。固体燃料动力推进系统采用固体火箭发动机作为动力系统，其燃烧室、推力室与固体燃料储箱一体化设计，一般在超高航速、短时大推力、无需进行二次热电转换等工况场景下使用。燃料动力推进系统由能供装置、燃烧室、发动机、推进器、辅机等组成，各装置独立成套后联调成为系统。热动力系统的特点是启动速度快、输出功率高，但振动噪声较大、结构复杂，维护性能相对较差，且动力性能受航行深度影响较大。

电动力系统是将电池组贮存的化学能转化为电能，并持续供给推进电机转动做功、产生推力，推动本体航行，其能量转化的主要形式为电化学反应。与热动力系统相比，电动力系统振动噪声小、结构简单、易维护，工作平顺性好，能够实现无级变速，性能不受航行深度影响，但输出功率相对较低，启动但输出航速与航行性能稳定、使用维护性好，但输出能量相对较低，启动时间相对较长。

1 二战前动力系统的演变

早期鱼雷的出现得益于工业革命成果的工程化应用，大都为纯机械式结构。自1866年世界第1枚自航鱼雷（“白头”鱼雷）发明后的近40年间，英、法、美、德、苏等主要军事强国装备的鱼雷武器均为热动力形式，相继出现V型、星型、卧式活塞机及立式、对转涡轮发动机等结构。发动机所采用的能源也从压缩空气逐渐演变，先是出现了“干热式”空气、后来又发明了将空气、水与煤油混合的化学能燃料，并陆续出现了萘烷、液氧等高能量燃烧剂和氧化剂在鱼雷中的工程化应用[1-8]。

电动力技术在一战后得到了一定程度的发展。美国于1915年开展了EL电雷研究，但受制于经费不足最终不得不放弃。德国于1917年成功开发了早期电动力鱼雷的雏形—Jocaby鱼雷，并在此基础上进行不断改进，于1935年研制成世界上第一型铅酸蓄电池电动力鱼雷G7e鱼雷，成为其后续的主战鱼雷装备[9-11]。

综合来看，因工业革命而快速发展的发动机技术加速了鱼雷技术的发展，使得二战之前鱼雷主要为热动力结构形式。其研究进展快、结构类型多、工程化应用广，研究方向主要集中在提高燃料的能量密度、选取更高效的发动机结构形式等方面。而受限于化学能与电能转换这一科学领域的突破不多，这一阶段电动力技术的发展并没有受到高度重视，仅德国实现了高能量电池在鱼雷中的工程化应用，推动了电动力的缓慢发展。

2 二战期间动力系统的演变

二战爆发后，主要参战国以军事需求为牵引，投入了大量的人力和资源进行大规模鱼雷生产和新型鱼雷技术的开发应用。仅美国就先后开展了20种鱼雷型号的研制。

期间，日本、法国、意大利、英国、苏联等国家始终延续并不断优化蒸汽、燃气等热动力技术的发展应用，燃料和系统结构虽有一定变化，但基本以煤油或酒精为能源，以外燃式活塞或涡轮机为动力形式。而随着新型能源技术的发展，德国研制了十氢化萘涡轮机并最终装备于1941年服役的F5b空投鱼雷。此外，美国和德国还分别开展了以高浓度过氧化氢为氧化剂的热动力鱼雷系统研制，美国采用这种动力形式进行了MK16鱼雷部分小批量试制和MK17鱼雷基础研究，但局限于当时的技术应用还不够成熟，作战使用还存在一定的安全性问题，直到战后进行多轮改进才大范围列装，而德国则因为战败原因终止了后续研究工作[6-12]。

电动力鱼雷技术在此期间获得了长足的进步。战前，仅有德国研制的G7e始终处于世界领先水平。1943年，美国成功研制MK18鱼雷并批量装备，战时生产约9 000枚，成为潜艇的主要武器；随后适用于飞机空投的MK24、潜用MK27、潜用MK28等鱼雷型号相继完成研制并在二战期间服役。苏联在1942-1943年研制成功首型电动力ЭT-80鱼雷。总体来看，这个时期列装的电动力鱼雷均以当时技术较为成熟的铅酸蓄电池为能源，图1为早期的电动力鱼雷系统简图。与此同时，随着材料技术的突破，其他形式电池的应用也取得了一定程度的进展。美国在MK26鱼雷的研制过程中即首次采用了镁/氯化银海水电池，并生产了25枚样雷（未列装），对后续鱼雷的发展起到了示范作用[9-11]。

图1 早期电动力鱼雷系统简图Fig.1 Power system basic diagram of eariler electirc torpedo

从总体来看，二战期间美国通过英国获得了1枚德国U-570潜艇装载的G7e鱼雷，在对其研仿的基础上，进行批量生产和系列化发展，促进了电动力技术的快速发展，使得电动力鱼雷追赶到与热动力性能基本相当的技术水平。虽然鱼雷发展型号数量多，但还是处在探索、尝试、能有什么就用什么的阶段，并没有形成成系统、成建制、系列化的思想意识和发展理念。

3 现代鱼雷动力系统的发展

3.1 热动力系统的研究进展

二战后的一段时期内，热动力鱼雷仍然是以优化结构形式和提高常规多组元燃料的能量密度为技术发展方向，最典型的代表是苏联在这一时期出现了53-56氧气活塞机、53-57过氧化氢涡轮机和53-65氧气涡轮机鱼雷（见图2），而美国则在过氧化氢原型雷的基础上延续发展：MK17鱼雷在战前的基础上陆续生产到1950年，MK16鱼雷系列化发展的MK16-8生产了约1 400枚，并服役至20世纪70年代[10,12]。

图2 53-65鱼雷动力系统原理图Fig.2 Power system basic diagram of 53-65 torpedo

20世纪50年代以后，随着空间机构动力学的快速发展，在鱼雷中出现了采用结构更为紧凑、比功率更高、做功与扭矩输出方向一致的筒型活塞机。同时美籍德国人奥托斯特林格发明了以液态硝酸酯、钝感剂和稀释剂为主要成分的单组元液体燃料（OTTO燃料），这种燃料比热高、安全性好，加速了筒型发动机的推广应用。美国对燃料和发动机研究所取得的重大技术突破不仅引领了热动力系统的新的快速发展，更奠定了当今热动力鱼雷的总体格局。轻型雷方面，1960年开始研制的MK46-0型鱼雷首次采用了摆盘式发动机[13]，后随MK46-1型改为五缸凸轮式发动机（见图3）。该凸轮发动机在后续6次改型及MK54鱼雷中得到不断的继承应用[14]，堪称鱼雷发动机最为经典的设计之作。重型雷方面，1963年开始研制的MK48型鱼雷最终选定了采用摆盘机结构方式的MK48-1型[15]，于1971年服役，并派生出MK48-3以后的5型鱼雷。俄罗斯于1990年列装的УГCT鱼雷同样采用了OTTO燃料和摆盘发动机。

图3 MK46鱼雷凸轮发动机Fig.3 MK46 Cam engine

这一时期，在液体燃料快速发展的同时，固体推进剂也在空投鱼雷中进行探索性应用，其中比较典型的有美国的MK40鱼雷和前苏联的PAT-52鱼雷，MK64-0型也曾采用过。但随着舰空导弹技术的快速发展，海军航空部队对空投鱼雷的需求不再迫切，固体推进剂并未得到大范围推广。

20世纪80年代以后，热动力系统又在之前的基础上衍生出一些新的应用。其中主要有：瑞典研制的开式循环TP617鱼雷和半闭式循环T62鱼雷（见图4），均采用7缸凸轮式发动机，以高浓度过氧化氢为氧化剂；英国研制的开式循环旗鱼鱼雷[16]，采用了单机冲压式涡轮机和OTTO-Ⅱ+HAP（85.2%羟基过氯酸胺水溶液）+海水三组元燃料[17,18]；美国研制的闭式循环系统MK48-6和MK50鱼雷，采用了双回路系统和蒸汽涡轮机，以锂和六氟化硫化学反应热为能源[19]；德国、俄罗斯等国在开展高速及超高速鱼雷研究时，还重新考虑选用了固体推进剂水冲压发动机[20-21]。

图4 TP62鱼雷动力系统原理图Fig.4 Power system basic diagram of TP62 torpedo

3.2 电动力系统的研究进展

电动力系统在二战后进入了发展的快车道，主要得益于电池领域的技术突破。大致经历了3个发展阶段[22-23]。

第1阶段主要是对战前成熟技术的延续应用，采用铅酸、镍铬蓄电池，典型应用有苏联的ЭT-46，CAЭT-50鱼雷以及美国的MK37-0型鱼雷，受限于电池的结构类型，其比功率仅维持在20～30 Wh/kg，航速一般不超过30 kn，动力系统的总体性能并没有本质性的提升。这一阶段一直持续到20世纪50年代初。

图5 F17鱼雷电池注液系统原理图Fig.5 Basic diagram of F17 topedo′s battery electrolyte injection system

自20世纪50年代起，世界主要海军强国国家基本都成功应用了镁/氯化银海水电池、银锌电池、镁/氯化亚铜海水电池等新一代电池，普遍采用了外加注电解液的方式进行电池激活（见图5），将比功率提升至50 Wh/kg以上，航速提升至40 kn左右，动力性能大幅度跃升，电动力鱼雷发展进入第2阶段。这一阶段持续时间长、应用装备种类多，如：美国的MK37-2鱼雷，苏联的CAЭT-60，CЭT-56，TЭCT-71，УCЭT-80鱼雷，英国的MK24鱼雷、意大利的A184鱼雷、法国的F17鱼雷、德国的SUT鱼雷等均采用了锌/氧化银电池，使用范围最广；美国的MK44轻型鱼雷、英国的鯆鱼鱼雷、意大利的A244系列鱼雷等轻型鱼雷均采用了镁/氯化银电池。此外，苏联还成功以铜代替银研制了镁/氯化亚铜海水电池，并在CЭT-72，TЭCT-71M等后续电动力鱼雷中广泛应用。

80年代以后，电动力技术发展迎来了第3阶段。法国SAFT公司研制了铝/氧化银电池并用于法国的“海鳝”、意大利的A290及欧洲MU90等轻型鱼雷，比功率突破100 Wh/kg，最高航速超过50 kn，显示出电动力赶超热动力鱼雷的前景趋势。

3.3 现代鱼雷动力系统发展小结

二战后，世界各国对2种不同动力形式的优缺点各有取舍，走上了不同的发展道路。基于电池技术的重大突破，英、法、意、苏（俄）等国均选择了电动力鱼雷的发展道路，电动力技术进一步发展，出现了百花齐放的格局。而自从OTTO燃料和新型发动机问世，美国认为热动力航程、航速的优势更加明显，走上了热动力系列化发展道路，并在此基础上形成了独具特色的动力发展体系[24]。表1列出了现代主要国家鱼雷装备的动力系统性能。

4 动力系统的发展方向

从世界鱼雷装备的发展趋势看，热动力与电动力在体积、重量、能量密度、安全性等方面的差距正在逐渐缩小，但热电并举仍是当今发展的主流[25-27]。

热动力方面，重点的发展方向有：开展新型发动机结构形式研究，优化现有的发动机结构布局，增加气缸数量，增大气缸孔径，提高动力系统性能；降低机械振动和辐射噪声，进行全新的动平衡设计、消除激振力，对辅机系统进行优化并采用多速航行体制；进行新型燃料技术研究，提升燃料能量密度，开展进行3组元燃料的工程化应用；开展动力系统集成化设计，提升鱼雷保障性能，降低全寿命周期费用；开展闭式循环技术研究其工程化，降低航行深度对动力性能的限制影响；突破现有鱼雷总体结构布局，研究以固体燃料发动机为能源的技术可行性。

电动力方面，重点发展方向有：开展新型电机技术研究，加强大功率、高比功率、集成化、无级变速等方面的研究；深化高比功率电池研究，探讨锂离子电池、锂氧化银电池、热电池等新型电池用于鱼雷的可行性；重视电动力系统的安全性研究，高度关注高比能电池的稳定性，开展电池的快速激活技术研究，降低发射安全风险。