歷久彌新

劉曉峰

當(dāng)今世界上的坦克，動(dòng)力單元基本上采用的是大功率柴油機(jī)，僅有美國M1坦克與俄羅斯T-80坦克采用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力單元。而俄羅斯T-80坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、在綜合工況中的表現(xiàn)，以及展現(xiàn)出來的戰(zhàn)技指標(biāo)等，導(dǎo)致美國M1坦克成為了世界上惟一可靠、耐用的采用燃?xì)廨啓C(jī)的坦克。

M1坦克為什么不用柴油機(jī)？

美國坦克選用燃?xì)廨啓C(jī)，與當(dāng)時(shí)對于坦克技術(shù)要求的發(fā)展有很密切的關(guān)系。在M1坦克進(jìn)行預(yù)研的時(shí)期，正值美國坦克動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展到第三代的歷史階段。與前兩代坦克動(dòng)力系統(tǒng)相比，按照當(dāng)時(shí)計(jì)劃的新型坦克總體重量達(dá)到55噸的目標(biāo)計(jì)算，坦克發(fā)動(dòng)機(jī)本身重量將控制在總體重量的5%左右，而在此之前，坦克發(fā)動(dòng)機(jī)占用的車內(nèi)體積一直呈逐漸增加的趨勢，這直接導(dǎo)致車輛體積增加、總體重量隨之增加。為扭轉(zhuǎn)這一趨勢，美國從研制第三代坦克動(dòng)力系統(tǒng)開始，對發(fā)動(dòng)機(jī)的要求是必須減小尺寸，但在重量要求上可以適當(dāng)放寬。根據(jù)美國陸軍對軍工企業(yè)提出的戰(zhàn)技要求，新研制的主戰(zhàn)坦克單位功率必須達(dá)到18～22千瓦/噸，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率將達(dá)到1100千瓦，根據(jù)米制馬力換算，約為1500馬力。這是20世紀(jì)60年代美國陸軍提出的指標(biāo)要求。

美國陸軍對自己提出的戰(zhàn)技指標(biāo)的難度，也有一定了解，所以在研制之初就采用兩條腿走路的辦法，同時(shí)批準(zhǔn)了一款柴油機(jī)和一款燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)方案，兩款方案齊頭并進(jìn)，柴油機(jī)因技術(shù)成熟的特點(diǎn)成為保底方案，確保新型主戰(zhàn)坦克能夠在規(guī)定期限內(nèi)完成設(shè)計(jì)定型；燃?xì)廨啓C(jī)作為高指標(biāo)方案。該計(jì)劃一旦研制成功，將改變世界主戰(zhàn)坦克動(dòng)力系統(tǒng)的格局。

1968年，美國軍工企業(yè)對著名的AVCR1100型柴油機(jī)企圖通過改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升性能，在每一個(gè)氣缸之間距離不變的情況下，增加每一個(gè)氣缸的缸徑，行話稱之為“缸心距不變、缸徑加大”，結(jié)果導(dǎo)致每個(gè)氣缸之間的距離縮短。最終出來的樣機(jī)在試驗(yàn)中表現(xiàn)出了瞬間響應(yīng)不良等缺點(diǎn)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)方案被命名為AVCR1100-3。后來，研制人員在這款即將宣告失敗的發(fā)動(dòng)機(jī)上增加了一部壓氣機(jī)，并且與原有發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，這一改變使得新型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在達(dá)到AVCR1100-3發(fā)動(dòng)機(jī)的70%時(shí)，就可以提供幾乎相同的扭矩，且發(fā)動(dòng)機(jī)功率超過1500馬力，其余各項(xiàng)工況測試表現(xiàn)良好。在經(jīng)過北約400小時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)后，它被定名為AVCR1360-2。

AVCR1360-2作為一款性能卓越、品質(zhì)優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)，最終卻沒有成為M1坦克的主要?jiǎng)恿Γ⒉皇沁@款發(fā)動(dòng)機(jī)本身不好，而是當(dāng)時(shí)要讓工廠達(dá)到生產(chǎn)這款柴油機(jī)的能力，需要數(shù)年的準(zhǔn)備時(shí)間，這無法滿足當(dāng)時(shí)美國陸軍對M1坦克盡快定型并裝備部隊(duì)的需求，再加上燃?xì)廨啓C(jī)從名稱上看上去顯得更加先進(jìn)，正好迎合了當(dāng)時(shí)美軍在裝備發(fā)展方面極力推求技術(shù)先進(jìn)性的指導(dǎo)思想。而且，早在AVCR1360-2誕生以前的1965年6月，美國陸軍就提出了坦克和重型軍用車輛均采用1500馬力燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展計(jì)劃。

1976年，2輛XM1坦克樣車分別搭載AVCR1360-2柴油機(jī)和AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)，在阿伯丁試驗(yàn)場進(jìn)行了比較測試。在各項(xiàng)測試中，有一項(xiàng)是“0～32千米加速度試驗(yàn)”，這項(xiàng)試驗(yàn)的目的從名稱中就能夠看出，而其戰(zhàn)術(shù)意義在于當(dāng)時(shí)世界各坦克技術(shù)強(qiáng)國正在爭相研發(fā)獵-殲式火控系統(tǒng)，這需要瞄準(zhǔn)并追蹤目標(biāo)完成射擊，美國根據(jù)當(dāng)時(shí)以及下一個(gè)階段可能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，當(dāng)坦克時(shí)速能在12秒內(nèi)從0加速到32千米/小時(shí)，就可以擺脫敵方的瞄準(zhǔn)。在這項(xiàng)測試中，雖然搭載AVCR1360-2柴油機(jī)的樣車性能達(dá)標(biāo)，但搭載AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)的樣車加速時(shí)間僅為6.1秒。

生不逢時(shí)的AVCR1360-2柴油機(jī)，最終在1976年正式被AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)取代，沒能成為M1坦克的主要?jiǎng)恿Α?h3>燃?xì)廨啓C(jī)

1965年10月，TACOM與AVCO Lycoming公司合作，拿出了以PLT27直升機(jī)采用的T53型燃?xì)廨啓C(jī)作為即將誕生的AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)的樣本。燃?xì)廨啓C(jī)的最大特點(diǎn)，是旋轉(zhuǎn)式葉片器械，而柴油機(jī)是往復(fù)式活塞機(jī)械。燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹的做功過程均在葉片機(jī)中進(jìn)行，而葉片機(jī)與機(jī)體并不發(fā)生接觸，甚至有些部件之間僅為氣動(dòng)聯(lián)系。這樣的結(jié)構(gòu)使得燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到柴油機(jī)的10倍左右。同時(shí)，又降低了摩擦性和實(shí)現(xiàn)了連續(xù)做功。因此，燃?xì)廨啓C(jī)的功率密度、扭矩特性、加速性、低溫啟動(dòng)性、噪聲和排煙等，均優(yōu)于柴油機(jī)。

在AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)過程中，貫徹了模塊化的設(shè)計(jì)思路，這在60年代中期的技術(shù)背景下，是十分難得的。AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)由機(jī)頭組件、機(jī)尾組件、輸出模塊和附件模塊四大部分組成。機(jī)頭組件包括進(jìn)氣口、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪，機(jī)尾組件中包含了低壓渦輪、高壓渦輪和一部回?zé)崞?，輸出模塊主要是一部行星減速器和相應(yīng)的法蘭盤；最后，將液壓泵、燃燒控制器、起動(dòng)器、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器等部件通過一個(gè)綜合齒輪箱連接，集中安裝在機(jī)頭組件下端。

AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)不僅整體體現(xiàn)了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，而且在一些細(xì)節(jié)上也頗具匠心。為能擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作范圍，動(dòng)力渦輪進(jìn)氣口風(fēng)扇的葉片采用可調(diào)節(jié)式設(shè)計(jì)，這其中蘊(yùn)含著一項(xiàng)復(fù)雜而且極具創(chuàng)意的設(shè)計(jì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)壓力油進(jìn)入油缸，通過杠桿操縱一個(gè)環(huán)形齒條，扇葉頭部有一個(gè)連接桿，與齒條嚙合連接，通過燃油調(diào)節(jié)器—油缸—杠桿—環(huán)形齒條—連接桿—扇葉這一套機(jī)械裝置，使動(dòng)力渦輪風(fēng)扇的扇葉實(shí)現(xiàn)了30°的可調(diào)式結(jié)構(gòu)，而連接葉片的連桿是其中技術(shù)要求較高的一個(gè)零件，它的工作溫度約為900℃，為了確保葉片能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，使這種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)不會(huì)造成較大的漏氣量，扇葉連接桿與安裝這套設(shè)備的機(jī)匣之間的縫隙控制在0.08毫米以內(nèi)，這樣的加工精度成本和難度太大，不是一般國家能玩得起的。葉片可調(diào)式結(jié)構(gòu)的主要作用，是能夠在高溫條件下補(bǔ)償熱應(yīng)力，能夠適當(dāng)改善發(fā)動(dòng)機(jī)在部分工況下工作的經(jīng)濟(jì)性。

先進(jìn)的液力傳動(dòng)裝置

要將發(fā)動(dòng)機(jī)巨大的馬力轉(zhuǎn)化為超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，就需要一套先進(jìn)、可靠，并且與發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的傳動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)多國發(fā)展坦克工業(yè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)由于機(jī)械復(fù)雜程度較高、部件加工和組裝生產(chǎn)難度大，往往成為制約坦克定型時(shí)間的一項(xiàng)難題。為使傳動(dòng)系統(tǒng)的研制不拖延M1坦克的后腿，在動(dòng)力單元采用兩種方案并進(jìn)的同時(shí)，傳動(dòng)方案也在X-1100這一個(gè)主體方案基礎(chǔ)上，衍生出分別適應(yīng)柴油機(jī)的3A和適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的3B兩種方案。兩套系統(tǒng)與兩種動(dòng)力方案能夠連接成動(dòng)力傳動(dòng)一體化裝置，并采用常規(guī)布局，安裝于車體后部動(dòng)力艙內(nèi)。

X-1100-3B型傳動(dòng)裝置，由底特律柴油機(jī)公司阿里遜分公司生產(chǎn)，是一種液力機(jī)械式全自動(dòng)變速箱，共有4個(gè)前進(jìn)檔和2個(gè)倒檔，共分為液力變矩器、行星變速裝置、液力泵、液壓馬達(dá)、液壓制動(dòng)氣5個(gè)主要部分。其中，液壓泵和液力馬達(dá)控制車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種雙流傳動(dòng)裝置可以使轉(zhuǎn)彎半徑連續(xù)變化，最終實(shí)現(xiàn)以坦克中心點(diǎn)為軸的原地轉(zhuǎn)向，這就是被稱為M1坦克絕活的“中樞轉(zhuǎn)向”。

M1坦克的操縱方式是一大創(chuàng)新。雖然在M48坦克上，美國已經(jīng)淘汰了兩根操縱桿的駕駛方式，采用了至今很多國家都在使用的方向盤駕駛方式，但M1坦克采用了更為簡便的類似于摩托車的T型操縱桿，駕駛員通過扭動(dòng)手中的把手，就可以實(shí)現(xiàn)對坦克兩個(gè)履帶行駛方向和速度的控制。當(dāng)駕駛員需要“中樞轉(zhuǎn)向”時(shí)，只需將兩個(gè)把手同時(shí)向相反方向擰，坦克就會(huì)在原地旋轉(zhuǎn)。這種T型操縱桿用起來比方向盤靈活得多，但基本原理卻與檔桿式操縱桿類似，只不過是把搬動(dòng)檔桿的動(dòng)作變成扭動(dòng)把手，而這個(gè)看似無關(guān)緊要的小改進(jìn)，卻讓坦克變得十分容易駕駛，極大節(jié)省了駕駛員的體力，讓駕駛員能夠把精力更集中于觀察周圍情況，對提升坦克的作戰(zhàn)能力有較大的幫助。

燃?xì)廨啓C(jī)與

液力傳動(dòng)的創(chuàng)新組合

M1坦克的動(dòng)力系統(tǒng)雖稱不上系統(tǒng)工程的典范，因?yàn)樗鼉H僅是先進(jìn)技術(shù)的累積產(chǎn)物，并不像俄羅斯那樣，在性能上實(shí)現(xiàn)了1+1>；2的效果，但畢竟在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力集成設(shè)計(jì)領(lǐng)域開創(chuàng)了成功的先例。

20世紀(jì)70年代，西方坦克的設(shè)計(jì)思路開始逐漸注重坦克發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的作用關(guān)系，動(dòng)力系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)理念開始嶄露頭角。

AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)與X-1100-3B傳動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)力集成設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下組成的動(dòng)力包，與過去美國坦克的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，具有十分明顯的優(yōu)勢。

集成設(shè)計(jì)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)兩大單元從結(jié)構(gòu)繼承和性能匹配兩個(gè)方面形成一個(gè)整體，每個(gè)部件都將與整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)整體，而不是追求某一個(gè)功能或者某一項(xiàng)指標(biāo)的單獨(dú)“高水平提升”。將動(dòng)力包的設(shè)計(jì)思路從過去以部件為基礎(chǔ)、以性能和匹配參數(shù)為目標(biāo)，變成了以動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)、以提高整車性能為目標(biāo)。這樣的轉(zhuǎn)變落實(shí)在每一個(gè)部件上，表現(xiàn)出極高的匹配性。

比如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的間壁式回?zé)崞?，它是提高燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件?；?zé)崞饔赏獠繗んw和內(nèi)部芯體組成。芯體是由600片經(jīng)過沖壓加工形成的波形板片組成的，每個(gè)板片厚度在0.153～0.2毫米之間，兩個(gè)板片為一組，由激光焊接形成一個(gè)外徑680毫米、內(nèi)徑370毫米、長度580毫米的整體。這其中學(xué)問最大的是波形板片的形狀與尺寸，既要兼顧散熱效率，又要考慮使用效率。

根據(jù)試驗(yàn)得出，在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的功率越低時(shí)，回?zé)崞魇谷加拖牡男式档偷镁驮蕉?，但這并不是無限量的降低，而是無限趨近于節(jié)油40%，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作的功率逐漸加大，節(jié)油效果也呈函數(shù)曲線的規(guī)律逐漸下降，到AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)能夠達(dá)到的1500馬力峰值時(shí)，回?zé)崞鞯墓?jié)油效率不足10%。

這樣的部件雖然在坦克高速行駛時(shí)作用并不大，但如果將其納入M1坦克的整車環(huán)境中進(jìn)行綜合匹配，在坦克起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)和液力綜合傳動(dòng)的工作特點(diǎn)，會(huì)造成極高的油耗，而被納入整車綜合性能考慮的間壁式回?zé)崞鳎统蔀榱私档陀秃?、在一定程度上提升車輛整體性能的合理部件。

于是，AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)與X-1100-3B傳動(dòng)系統(tǒng)的這次結(jié)合，不僅使M1A1坦克如期成功定型，同時(shí)也為美國將燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)推向一個(gè)更高的臺(tái)階奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

開創(chuàng)性的動(dòng)力系統(tǒng)集成化理念

想要實(shí)現(xiàn)M1坦克的動(dòng)力集成化設(shè)計(jì)，并不是將各個(gè)部件拼接起來那么簡單，而是要將動(dòng)力系統(tǒng)下面的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、液流系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化的分析和優(yōu)化，從動(dòng)力系統(tǒng)的層面分析部件特性對整體的影響規(guī)律。比如AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)的回?zé)嵫h(huán)、雙轉(zhuǎn)子、三軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就是采用壓氣機(jī)、壓氣機(jī)渦輪、動(dòng)力渦輪、燃燒室、回?zé)崾?、減速齒輪箱、燃油系統(tǒng)、附件傳動(dòng)箱、起動(dòng)電機(jī)等可靠性和性能都處于當(dāng)時(shí)的世界領(lǐng)先或先進(jìn)水平的單個(gè)部件，所以在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師只要通過最基本的總體設(shè)計(jì)，就可以達(dá)到比較理想的狀態(tài)。這一點(diǎn)在M1坦克的動(dòng)力系統(tǒng)中貫徹較好，而在很多工業(yè)基礎(chǔ)較薄弱的國家研制坦克的過程中，設(shè)計(jì)師最痛苦的階段不是某一項(xiàng)指標(biāo)沒有上去，而是為了遷就某一個(gè)零部件可能出現(xiàn)的短板或者干涉等問題，而使得性能較高的部件沒有發(fā)揮出應(yīng)有的水平。

檢驗(yàn)證明，M1坦克在沙塵、高溫等極端惡劣環(huán)境中，仍能保持較高的性能和可靠性。然而，這樣的良好表現(xiàn)卻依賴于美軍強(qiáng)大的后勤保障，并且只能在非對稱戰(zhàn)爭條件下才能有望實(shí)現(xiàn)。AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)由于其工作原理的優(yōu)勢，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速可提高至3000轉(zhuǎn)/分，功率超過1500馬力。雖然馬力大，但轉(zhuǎn)速接近其他類似性能的坦克用柴油機(jī)的1.5倍，所以燃油的燃燒效率并不高，其油耗相當(dāng)于類似性能柴油機(jī)的1.4倍左右。這就使得M1坦克為了達(dá)到戰(zhàn)技指標(biāo)考核要求的最大里程數(shù)，不得不犧牲車內(nèi)空間和總體重量，攜帶1907升燃油。而與此同期、性能接近的德國豹2坦克，在最大里程比M1坦克高出60千米的情況下，僅需要攜帶1200升燃油。

綜合M1坦克動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展沿革、設(shè)計(jì)特點(diǎn)等因素來看，以AGT-1500燃?xì)廨啓C(jī)作為主要?jiǎng)恿Γ钆鋁-1100-3B液力傳動(dòng)的集成化動(dòng)力方案，形成了美國首套具有集成化設(shè)計(jì)理念的M1A1動(dòng)力系統(tǒng)，同時(shí)也是符合美國對于研制一款新型主戰(zhàn)坦克需求的正確選擇。

有了以上的成功實(shí)踐，美國于20世紀(jì)80年代初年開始實(shí)施先進(jìn)整體式動(dòng)力包的研制。

20世紀(jì)80年代中期，M1坦克的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)步入正軌，并完全接受了集成化動(dòng)力艙的設(shè)計(jì)理念。使發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)裝置深度融合，“動(dòng)力集成化”的概念也成為M1坦克的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想之一。1987年8月，美國通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司通過重新設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)，成功推出LV-100動(dòng)力系統(tǒng)，并進(jìn)行了首次試驗(yàn)。不到1年后進(jìn)行了整機(jī)裝車試驗(yàn)。由于試驗(yàn)效果理想，1990年12月完成了系統(tǒng)測試并與美國陸軍簽訂了正式的研制合同，該系統(tǒng)后來成為全新的美國陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛先進(jìn)整體式推進(jìn)系統(tǒng)。最終于1995年正式通過軍方驗(yàn)收，宣告研制成功。

根據(jù)LV-100動(dòng)力系統(tǒng)在測試中的表現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到同等性能時(shí)，在集成化理念指導(dǎo)下研制出的動(dòng)力系統(tǒng)，單位體積功率和噸馬力均高于傳統(tǒng)思路研發(fā)的產(chǎn)品。LV-100動(dòng)力系統(tǒng)在實(shí)際使用當(dāng)中，一個(gè)戰(zhàn)斗日通常只需要1046升燃油，其綜合工況行駛和怠速時(shí)的油耗分別是M1A1動(dòng)力系統(tǒng)的40%和50%。由此可見，M1坦克全新的動(dòng)力系統(tǒng)在集成化理念的指導(dǎo)下，性能方面取得了巨大的進(jìn)步。而LV-100動(dòng)力系統(tǒng)也成為了M1A2坦克的主要?jiǎng)恿Α?/p>

經(jīng)過集成化設(shè)計(jì)，LV-100動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，無效空間所占比例由原先的24%降低到10%，總體積僅相當(dāng)于舊系統(tǒng)的42%。發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)、燃油三者的總重量被限制在5.5噸以下。而節(jié)省出來的大量體積與重量，為整車未來的性能提升提供了較為充足的升級空間?？梢哉f，LV-100動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)異性能，是貫徹集成化設(shè)計(jì)理念取得的成功；而正是先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和雄厚的技術(shù)實(shí)力，成就了M1坦克優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性能。

責(zé)任編輯：葛 妍