魚雷動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及未來(lái)趨勢(shì)研究

摘 ?要：介紹了魚雷熱動(dòng)力系統(tǒng)及電動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，并重點(diǎn)闡述了其技術(shù)發(fā)展史，對(duì)其未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了展望。作為魚雷重要組成部件之一，動(dòng)力系統(tǒng)的戰(zhàn)略價(jià)值不言而喻，針對(duì)其開(kāi)展的技術(shù)研究將一定程度上影響著未來(lái)海防事業(yè)的戰(zhàn)略走向。

關(guān)鍵詞：魚雷;動(dòng)力系統(tǒng);技術(shù)發(fā)展史;熱動(dòng)力魚雷;電動(dòng)力魚雷

中圖分類號(hào)：TJ630 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0159-02

Abstract： This paper introduces the technical characteristics of torpedo thermal power system and electric power system， focuses on its technical development process， and forecasts its future trends. As one of the important components of the torpedo， the strategic value of the power system is self-evident， and the technical research carried out for it will affect the strategic direction of the future coastal defense industry to some extent.

Keywords： torpedo; power system; history of technology development; thermodynamic torpedo; electric power torpedo

引言

魚雷是用以攻擊、摧毀潛艇和水面艦船的重要海戰(zhàn)武器。動(dòng)力系統(tǒng)的功用是將魚雷自身攜帶的能源轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)魚雷前行所必需的機(jī)械功[1-2]。魚雷武器具有多方面的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)，其中直接取決于動(dòng)力系統(tǒng)的主要指標(biāo)有航程、航速、最大航行深度、無(wú)跡性及魚雷的輻射噪聲。

任何一條魚雷，無(wú)論從質(zhì)量還是體積的角度來(lái)看，動(dòng)力系統(tǒng)在全雷中都占有很大的比例。因此，動(dòng)力系統(tǒng)與魚雷武器的性能之間有著深刻的、直接或間接的聯(lián)系。動(dòng)力系統(tǒng)的品質(zhì)對(duì)魚雷武器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能產(chǎn)生重大的影響。

1 魚雷動(dòng)力系統(tǒng)組成及分類

魚雷動(dòng)力系統(tǒng)可分電動(dòng)力系統(tǒng)和熱動(dòng)力系統(tǒng)兩大類。

熱動(dòng)力系統(tǒng)的能源是推進(jìn)劑，利用推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)釋放的熱能來(lái)做功，故其發(fā)動(dòng)機(jī)也稱作熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。電動(dòng)力系統(tǒng)的能源是動(dòng)力電池，利用動(dòng)力電池釋放的電能來(lái)做功，其發(fā)動(dòng)機(jī)是推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。兩種動(dòng)力系統(tǒng)所用的推進(jìn)器均為螺旋槳或泵噴射推進(jìn)器。使用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣魚雷動(dòng)力系統(tǒng)和使用水反應(yīng)金屬推進(jìn)劑的魚雷動(dòng)力系統(tǒng)是熱動(dòng)力系統(tǒng)中的特殊類型，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)以較大的動(dòng)量從位于雷尾的噴管中噴出，從而產(chǎn)生反作用力推動(dòng)魚雷前進(jìn)，所以無(wú)需額外配置推進(jìn)器[3-5]。

已確定外形和尺寸的魚雷，在既定的速度和深度航行時(shí)，魚雷的航程取決于其能源儲(chǔ)備量和動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)總效率。魚雷中用來(lái)儲(chǔ)備推進(jìn)劑（或電池）的容積和質(zhì)量都是有限的，而且因?yàn)轸~雷在水中航行，其動(dòng)力系統(tǒng)不可能像陸用或航空動(dòng)力系統(tǒng)那樣以大氣作氧化劑，所以魚雷除了要自身攜帶燃燒劑以外，還要攜帶所需的氧化劑。由此不難理解，魚雷推進(jìn)劑（或電池）不但要求有良好的安全性能和使用性能，而且還要具有盡可能高的能量密度。熱動(dòng)力系統(tǒng)使用的推進(jìn)劑能量密度可用單位體積或單位質(zhì)量推進(jìn)劑經(jīng)燃燒反應(yīng)釋放的理論熱量或所做的功來(lái)度量，電動(dòng)力系統(tǒng)使用的電池組的能量密度可用單位體積或單位質(zhì)量電池組反應(yīng)釋放的電能來(lái)度量[6]。

例如，目前熱動(dòng)力魚雷普遍使用的奧托-II（OTTO-II）單組元液體推進(jìn)劑，但由于奧托-II本身為貧氧，作為單組元推進(jìn)劑進(jìn)行熱分解時(shí)，化學(xué)能不能充分釋放，故其能量密度較低。

為了綜合評(píng)價(jià)熱動(dòng)力魚雷的推進(jìn)劑能量特性和發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的有效性，可以采用動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)劑單位消耗率這一參數(shù)。將其定義為動(dòng)力系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出單位有效功率所需的推進(jìn)劑質(zhì)量。顯然，推進(jìn)劑單位消耗率是動(dòng)力系統(tǒng)的一項(xiàng)綜合性能指標(biāo)，其值越小越好，因?yàn)閷?duì)外形和尺寸已定的魚雷，這就意味著既定航速時(shí)有較大的航程，或既定航程時(shí)可以有較大的航速。

2 魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

在魚雷上的一切裝置，都要求質(zhì)量輕、體積小、工作可靠、性能良好、使用方便，這些要求使得魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有自身的特點(diǎn)。魚雷的設(shè)計(jì)、制造或使用都不是作為一次發(fā)射使用的，目前各國(guó)服役的魚雷從出廠經(jīng)部隊(duì)訓(xùn)練后列為戰(zhàn)雷，其試驗(yàn)、使用次數(shù)一般為10次左右。

整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)工作的總時(shí)間一般不超過(guò)10h，屬短壽命、短時(shí)工作制，因此裝置允許有較高的電、熱及機(jī)械負(fù)荷。魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的相對(duì)質(zhì)量比地面裝置更為輕捷。根據(jù)現(xiàn)役魚雷的情況，魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量和體積約占全雷質(zhì)量和體積的50%，因此提高質(zhì)量功率比是魚雷動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)研究的首要任務(wù)。

例如，美國(guó)的MK46型魚雷動(dòng)力系統(tǒng)（凸輪式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)）的總質(zhì)量?jī)H26kg，而其有效輸出功率為50kW，質(zhì)量比功率約為1.92kW/kg，相對(duì)質(zhì)量比功率約為0.52kg/kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面使用的活塞機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

3 魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展歷程

魚雷動(dòng)力系統(tǒng)是隨著科技進(jìn)步而不斷向前發(fā)展的，其動(dòng)力系統(tǒng)在技術(shù)上是經(jīng)過(guò)了幾次質(zhì)的飛躍才發(fā)展到當(dāng)前的技術(shù)水平。

最初的魚雷動(dòng)力系統(tǒng)是直接利用壓縮空氣作工質(zhì)，并采用V形雙缸活塞式冷氣機(jī)。這類冷動(dòng)力系統(tǒng)雖只利用了工質(zhì)的位能，但其一直用到20世紀(jì)初，使用期達(dá)40年之久。在這期間為了滿足提高魚雷航速與航程的要求，曾采取了增大氣艙容積，提高充氣壓強(qiáng)和發(fā)展星型多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。

魚雷動(dòng)力系統(tǒng)在20世紀(jì)初躍進(jìn)了第一步。因?yàn)榘l(fā)明了加熱器（即燃燒室），壓縮空氣就可在加熱器中同與煤油或酒精燃燒生成的燃?xì)庾鳛楣べ|(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)工作。這種動(dòng)力系統(tǒng)已是采用多組元推進(jìn)劑的熱動(dòng)力系統(tǒng)，由于其所利用的能源不單是壓縮空氣的機(jī)械能，而且還有能量密度更大的推進(jìn)劑化學(xué)能，能源儲(chǔ)備量得以顯著增大，因此使魚雷的航速和航程有了顯著提高。但是由于工質(zhì)溫度受材料高溫強(qiáng)度性能的限制，因此后來(lái)又發(fā)明了向加熱器中噴淡水降低燃?xì)鉁囟?，以充分利用壓縮空氣進(jìn)行完全燃燒的方法。因?yàn)樵诠べ|(zhì)中的水蒸氣成分較大，所以把這種魚雷稱為蒸汽瓦斯（燃?xì)猓~雷。第二次世界大戰(zhàn)中使用的主要是這種魚雷。

使用單組元推進(jìn)劑的動(dòng)力系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是推進(jìn)劑的輸送和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，便于魚雷小型化。以過(guò)氧化氫為基礎(chǔ)的單組元推進(jìn)劑雖然早已研究，但這種推進(jìn)劑易于發(fā)生自燃和爆炸的危險(xiǎn)，因而需要另尋新的推進(jìn)劑。美國(guó)在20世紀(jì)50年代研究了由液態(tài)硝酸脂、鈍感劑和稀釋劑等3種成分混合而成的奧托推進(jìn)劑系列，其中尤以?shī)W托-Ⅱ?yàn)樽罴?，這種單組元推進(jìn)劑的能量密度較高，蒸汽壓低，適于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，對(duì)沖擊不敏感，而且無(wú)毒，是一種性能比較好的推進(jìn)劑。美國(guó)在60年代和70年代中新裝備部隊(duì)的小型和大型反潛魚雷MK46和MK48都是使用這種推進(jìn)劑。奧托推進(jìn)劑的缺點(diǎn)是燃燒生成物中有不溶于水的成分而使魚雷產(chǎn)生航跡，另外它的能量密度還不夠高，因此國(guó)外仍在研究新的推進(jìn)劑，有希望的如HAP推進(jìn)劑和鋰一六氟化硫推進(jìn)劑等。

在20世紀(jì)60年代以前，熱動(dòng)力魚雷主要用于攻擊水面艦艇，魚雷的航速在50kn以內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率不超過(guò)370kW。除汽油機(jī)外，陸地上用的各種發(fā)動(dòng)機(jī)都有投入使用的可能性，各國(guó)則根據(jù)自己的優(yōu)勢(shì)而采用其中的一種發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，蘇聯(lián)采用縱臥雙缸往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，英國(guó)和日本采用星型多缸活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)采用渦輪機(jī)，德國(guó)也以渦輪機(jī)為主。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后各國(guó)都十分重視發(fā)展反潛魚雷，而電動(dòng)力系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)航跡、低噪聲、航深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率不產(chǎn)生影響等優(yōu)點(diǎn)，很適于自導(dǎo)反潛魚雷采用，因而得到了較大的發(fā)展。魚雷上的電池最先采用的是鉛酸蓄電池，20世紀(jì)50年代研制成功了能量?jī)?chǔ)備比鉛酸電池高數(shù)倍的銀鋅電池，60年代采用了比銀鋅電池能量更高的銀鎂海水激活電池，70年代以后出現(xiàn)的鋰電池和鋁氧化銀電池，使魚雷的能量?jī)?chǔ)備接近了熱動(dòng)力魚雷的水平。

但是電動(dòng)力技術(shù)在20世紀(jì)50年代末還很難滿足反潛魚雷在航速和航程方面不斷提高的要求，于是開(kāi)展了反潛魚雷使用熱動(dòng)力系統(tǒng)的研究，美國(guó)MK46和MK48熱動(dòng)力反潛魚雷的出現(xiàn)標(biāo)志著在這方面已取得了相當(dāng)大的成就。在大深度反潛魚雷上，已有的各型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)均因承受不了大背壓排氣和高壓高溫進(jìn)氣的影響而逐漸退出了歷史舞臺(tái)，而活塞呈筒形布置以便采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的轉(zhuǎn)閥配氣的新機(jī)型則得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。這類新機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)是便于在魚雷上布置，結(jié)構(gòu)十分緊湊，能夠進(jìn)行同心雙軸輸出而直接驅(qū)動(dòng)魚雷的前、后螺旋槳，發(fā)動(dòng)機(jī)易于完全平衡，而且振動(dòng)和噪聲較小。根據(jù)工作機(jī)構(gòu)的不同，其可分為筒型活塞式凸輪機(jī)和筒型活塞式周轉(zhuǎn)斜盤機(jī)兩種類型，前一種機(jī)型對(duì)小型魚雷較為適用。根據(jù)目前情況來(lái)看，使用單組元推進(jìn)劑和筒型發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)在近期內(nèi)將是魚雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

綜上所述，魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展是隨著對(duì)魚雷戰(zhàn)術(shù)性能要求的提高而向前發(fā)展的，主要采取的途徑是增大能量?jī)?chǔ)備，使用能量高和安全性好的新推進(jìn)劑，提高功率和效率，使用高壓進(jìn)氣，發(fā)展結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單質(zhì)量又小的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，提高可靠性和適用性，研制和發(fā)展適合魚雷特點(diǎn)與要求的輔機(jī)以及啟動(dòng)、燃燒的器件與功率調(diào)節(jié)的裝置等。在技術(shù)上，現(xiàn)代魚雷動(dòng)力系統(tǒng)已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，但由于反潛魚雷的作戰(zhàn)深度還需要進(jìn)一步增大，各國(guó)又在研究適于大深度（1km以上）工作的魚雷動(dòng)力系統(tǒng)，如閉式循環(huán)的熱動(dòng)力系統(tǒng)和高容量電池的電動(dòng)力系統(tǒng)等。

我國(guó)的魚雷科技工作者在自力更生的方針指引下，從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始研制魚雷，生產(chǎn)出了我國(guó)自己的蒸汽瓦斯魚雷和電動(dòng)自導(dǎo)魚雷。進(jìn)入70年代后，我國(guó)開(kāi)始了新型熱動(dòng)力自導(dǎo)魚雷的研制。經(jīng)過(guò)20多年的研究，我國(guó)的熱動(dòng)力魚雷技術(shù)已接近世界先進(jìn)水平。

4 魚雷動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）熱動(dòng)力在提高魚雷航速和航程方面將繼續(xù)保持優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也在不斷提高安靜性和使用性。電動(dòng)力在保持高的安靜性和好的使用性優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，在提高魚雷航速和航程方面也將有大的進(jìn)展。

（2）化學(xué)貯能推進(jìn)系統(tǒng)（SCEPS）、水反應(yīng)金屬推進(jìn)劑、先進(jìn)型閉式循環(huán)熱動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)（ADSCEPS）的高比能量，都是因?yàn)橐圆煌姆椒☉?yīng)用金屬推進(jìn)劑的結(jié)果。因此，可以認(rèn)為金屬推進(jìn)劑，特別是水反應(yīng)金屬推進(jìn)劑熱動(dòng)力系統(tǒng)是魚雷動(dòng)力技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展方向[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

魚雷作為一類重要的水中兵器，其具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值，并將長(zhǎng)期在兵器工業(yè)中扮演著重要角色。動(dòng)力系統(tǒng)作為魚雷的重要部件之一，針對(duì)其開(kāi)展的技術(shù)研究將一定程度上影響著未來(lái)海防事業(yè)的業(yè)務(wù)走向。

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