鱼雷热动力与电动力系统的比较

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1、鱼雷热动力与电动力系统的发展现状及比较宋润华 （西北工业大学 航海学院 710072）1 引言鱼 雷 是 用 以 攻 击 、 摧 毁 潜 艇 和 水 面 舰 船 的 重 要 海 战 武 器 。 作 为 海 战 的 主要 武 器 ， 鱼 雷 武 器 具 有 多 方 面 的 战 术 技 术 性 能 指 标 ， 其 中 主 要 的 有 航 速 、 航程 、 最 大 航 深 、 噪 声 和 无 迹 性 等 。 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 高 新 科 学 技 术 不 断地 应 用 到 战 争 中 来 ， 为 了 在 未 来 海 战 中 占 据 更 大 的 优 势 ， 鱼 雷 正 朝 着 高

2、航 速 、远 航 程 、 大 航 深 、 低 噪 声 方 向 发 展 。鱼 雷 动 力 系 统 是 鱼 雷 的 主 要 组 成 部 分 之 一 ， 无 论 从 重 量 和 体 积 的 角 度 来看 在 全 雷 中 都 占 有 很 大 比 例 。 且 鱼 雷 主 要 的 战 术 性 能 指 标 直 接 取 决 于 鱼 雷 的动 力 系 统 。 鱼 雷 动 力 系 统 一 般 有 能 源 储 备 与 供 应 系 统 、 发 动 机 、 推 进 器 等 部分 组 成 。 鱼 雷 动 力 系 统 可 分 为 热 动 力 系 统 和 电 动 力 系 统 两 大 类 。 热 动 力 系 统的 能 源 是

3、推 进 剂 ， 利 用 推 进 剂 燃 烧 反 应 释 放 的 热 能 来 做 功 ， 故 其 发 动 机 是 热力 发 动 机 。 电 动 力 系 统 的 能 源 是 动 力 电 池 ， 利 用 动 力 电 池 放 电 释 放 的 电 能 来做 功 ， 故 其 发 动 机 是 推 进 电 动 机 。2 鱼雷先进动力的发展能源是决定动力发展的最主要因素，下面以能源为纲说明鱼雷先进动力的发展概况。21 二氧化物JP5燃料热动力瑞典TP2000鱼雷使用浓H 0 柴油、活塞发动机、半闭式循环动力系统的成功，使得美国决定发展类似的“二氧化物JP5动力”以代替单组元燃料OTIO动力。这种能源的比能量比O

4、TIO II动力高，废气可溶于水、环保良好、隐蔽性好、一次维修多次使用。美国计划用“二氧化物JP5能源，依次发展：(1)开式循环的活塞发动机动力系统，(2)闭式循环的活塞发动机动力系统，(3)闭式循环的涡轮发动机动力系统，以提高鱼雷航速、航程和装药量。JP5是一种喷气燃料，我国有类似成分且比能量更高的JPl0燃料。“二氧化物”的成分还没有资料报道，如果是“浓H 0 ”，则解决其使用安全性是难题。虽然瑞典解决了“浓H 0 ”的安全使用问题，但美国、英国和俄罗斯都没能很好解决。俄“库尔斯克”号潜艇的沉没就是鱼雷采用“浓H，0，”造成的。22 HAP0rFr0燃料热动力 这种能源是高氯酸羟胺和orI

5、3O-II，它的比能量是orI3OII燃料动力的15倍，航迹很小，使用安全 英国“旗鱼”鱼雷使用HAPOrI3O、涡轮机、开式循环动力系统，其航速和航程达到了世界领先水平，英国“旗鱼”HAPOrlqO能源涡轮机开式循环动力系统。23 ALAgO电池电动力AIAgO电池比能量高，理论值1 090 Whkg，目前可达100180 Whkg。AIAgO电池是美国最先研究的一种可用于鱼雷的高能堆式电池，曾希望用于先进的轻型鱼雷(ALWT)，但该雷最终选用了LiSF 闭式循环(该雷后称MK50)。后来意大利想在A290轻型鱼雷上应用，法国想在“海鳝”轻型鱼雷上应用。由于需要丰富的发展经验和大量经费，导致

6、意大利和法国联合发展，结果使用这种电池的MU90鱼雷在1996年达到了预期的初始作战能力，其电动力系统为无级变速，使用单转永磁无刷电机。MU90鱼雷动力系统性能超过了MK46鱼雷的OTID 动力，接近MK50鱼雷的LiSF 闭式循环动力。这种动力的高性能需要复杂的电池电解液系统作保证，图1是法国ALAgO电池的电解液系统。该系统的功能是：(1)供应浓度基本不变(最佳30)的电解液到电池堆的正、负极板之间，电解液在正、负极板之间必须均匀流动；(2)把电池堆化学反应的热量带出来，保持温度在7O。C9O。C内；(3)把电池堆化学反应的的氢气和其他反应产物分离并排出去。法国SAFF公司现在正将AIAg

7、O电池用于重型“黑鲨”IF21鱼雷，预期航速50 kn、航程150 km，电机为双转永磁无刷直流电机，无级变速，为减小辐射噪声未使用齿轮减速器。德国也在研制使用AIAgO-电池的重型鱼雷DM2A4，预期航速150 kn、航程150 km，电机为单转永磁无刷同步电机，无级变速。估计完善的电解液系统和电极材料的微量元素是研制难题的一部分。24 高性能Li电池电动力高性能Li电池有LiSOC1 、LiH 0和LiAgO等。其中取得进展最大的是LiSOC1 电池，该电池理论比能量高达1 474 Whkg，实际值250 Whkg，是各种电池中最高的，高的放电速率可使鱼雷航速达60 kn。1984年前后美

8、国就开始研制了轻型鱼雷用LiSOC1 电池，但因电池堆内部短路或放电过程中热积累引起热失控产生爆炸而未能成功。法国也研制过用于重型鱼雷的这种电池，输出功率600 kW，比能量200250 whkg，工作时间12 min，电池组总长度2 m。法国在研制中遇到的主要问题也是热失控产生的爆炸问题。LiSOC1：电池的热失控爆炸问题已研究了2O多年，但机理仍不十分清楚，估计短时间内难以解决。25 SCEPS和ADSCEPS闭式循环热动力SCEPS为“储存化学能推进系统”的英文缩写，即LiS 闭式循环。1992年l0月完成研制并用于美国MK50轻型鱼雷。该系统氧化剂为sF、燃烧剂为金属Li，能量密度高达

9、34 whl；其反应产物的密度大于燃料的密度，这就允许组成闭式循环动力系统。反应热量用于产生过热蒸汽以驱动一个涡轮机。鱼雷具有很高的航速和航程，不受航深影响，航行很安静，接近目标时不会由于动力系统的辐射噪声而惊动目标。这种动力系统的技术难度大，因为熔融的Li和SF6以数千度的温度进行反应，而且释放出的未燃烧的氟易引起腐蚀。使用实践表明，SCEPS具有稳定的性能和高的可靠性，因此在其基础上又发展了ADSCEPS(先进型LiSF 闭式循环)，ADSCEPS用在MK50鱼雷上具有更高的速度和航程，较低的费用 由于冷战结束终止了进一步研制，使得ADSCEPS仅进行了较少的实航试验，但试验证实了这种动力

10、系统的比功率和比能量是可以达到的，只需要进行适当的工程改进即可实用。由于这种动力系统的优点突出，美国海军将其列为重点发展方向之一。美国也在发展用于无人水下航行器(UUV)的小功率LiSF 闭式循环动力系统，由斯特林发动机和油芯燃烧室组成(见图2)，油芯燃烧室用毛细管原理分配液体金属Li与S 燃烧。26 水反应金属燃料喷射推进热动力俄罗斯超空泡“暴风雪”鱼雷应用镁基水反应金属燃料火箭发动机，得到200 kn的速度和10km的航程 西方各鱼雷大国也在研究水反应金属燃料喷射推进动力，在美国宾州大学应用研究实验室，正在研究可用于超空泡鱼雷的一种AIH，O涡流燃烧室的冲压式发动机，原理是将Al粉送人涡流

11、燃烧室中和海水发生放热反应，同时产生的高温蒸汽通过喷管排出。高速旋转的海水可清除Al粉表面的氧化物以提高Al的燃烧效率。A1H O涡流燃烧室能源系统也可用于鱼雷涡轮机，以提高航速和航程。27 HYDROX热动力HYDROX，即H +O 能源。美国宾州大学应用研究实验室在努力研究目前比能量最高的HYDROX闭式循环动力系统，用金属LiAl合金和水反应产生H：，用LiC10。等产生O ，H：和O按化学比例组成的燃料燃烧放出热量，生成水蒸汽驱动发动机工作。由于工作过的废水蒸汽可用海水完全冷凝成水，发动机感受的背压是水蒸汽很低的饱和压力，这使得动力系统具有高的热效率，而且性能对深度不敏感。这种能源可用

12、于喷射推进动力、普通热机和为燃料电池提供H 、O 。这种能源可用于需要大功率的鱼雷，也可用于需要小功率的无人水下航行器。用于无人水下航行器的一种油芯式燃烧系统正在研究中。这种动力系统由于技术复杂，要进人工程应用阶段还需要进行大量的工作3 鱼雷热动力和电动力的主要特性比较31 比能量和比功率“比能量”决定着鱼雷航程。“比功率”指动力系统(包括相应的鱼雷壳体)的单位质量提供给推进器的功率。“比功率”决定着鱼雷航速。A1AgO电动力系统的“比能量”和“比功率”与MKS0闭式循环热动力系统相近，“比能量”明显超过了oTro和HAPOTO热动力系统，“比功率”和HAPOTO热动力系统系统相近，明显超过了

13、OTO热动力系统；“比能量”和“比功率”超过A1AgO电动力系统的热动力系统是ADSCEPS和HYDROX动力系统。32 安静性电动力系统曾是提供安静型鱼雷并推迟目标警觉的唯一选择，但现在电动力系统已不再是唯一选择。安静型动力系统的范围已包括了一些热动力系统，它们和电动力鱼雷一样安静，甚至有更安静的。例如，瑞典的TP2000、美国的MK50和英国的“旗鱼”鱼雷热动力系统都是很安静的，在同样航速时“旗鱼”的噪声只是电动力“虎鱼”鱼雷的80 。动力系统的振动强度因使用的运动机构和工作参数而不同，热动力包含的高速旋转体、往复运动体、高速齿轮减速器和高速泵等运动机构，作为振源往往振动强度比较高。鱼雷辐

14、射噪声取决于雷壳振动，雷壳振动的大小即与动力系统振动的强度有关、也与振动传递到雷壳过程的阻尼和隔离有关。例如，由于隔振方法得当某热动力鱼雷的发动机传递到雷壳的振动很小，而由于隔振方法的漏洞传递到雷壳的振动主要是海水泵和辅机齿轮系。“旗鱼”鱼雷使用了高速涡轮机、高速齿轮减速器和多个高速大功率泵，其振动强度很高，但由于振动噪声控制得法，在同样航速时辐射噪声比电雷“虎鱼”还小。“旗鱼”鱼雷动力系统通过弹性支架装在雷壳上以减小振动传向雷壳，实现了有效的整机隔振。因此，不能简单的说是热动力辐射噪声大还是电动力辐射噪声大，这取决于振动噪声控制措施是否有效。33 技术复杂性因热动力系统必然要涉及高温、高压问

15、题，故往往比较复杂，除这些固有原因外，也和热动力系统追求高性能而使用新技术密切相关。随着电动力系统为提高性能而采用新技术，其复杂性也在增加，如A1AgO电池的电解液系统就很复杂。为降低操雷应用的复杂性和减少全寿命周期工作费用，操雷可使用好用且便宜的能源，如“旗鱼”鱼雷的操雷只使用OTOII燃料，不使用HAP；“黑鲨”鱼雷的操雷拟使用ZnAgO电池，IJi离子电池等。为了克服技术复杂性带来可靠性和使用性方面的问题，除了研制时要重视维修性和可靠性外，需要改变维修体制由工业部门负责。34 实现多速制或无级变速电动力由于电子逆变器的应用实现了10一100转速范围内的无级变速。活塞发动机热动力系统可以实

16、现大范围的无级变速，例如，瑞典TP2000鱼雷的动力系统已实现了无级变速。涡轮机热动力系统实现大范围无级变速时经济性下降较大，但仍可实现小范围的无级变速。35 全寿命周期工作费用全寿命周期工作费用，包括(1)武器采购费用，试验和维修设备采购费用；(2)为了熟悉武器的准备和使用技能的武器操演费用；(3)操演发射后维修、定期维修和超期搁置的维修费用。由于MKS0鱼雷采用的LiSF6闭式循环动力系统的费用高且维修不方便，使得美国又研发MK54鱼雷。而MU90鱼雷的研发总费用已超过了MK50鱼雷，一次发射到另一次发射的费用是MK50鱼雷的若干倍。因此，不能仅根据鱼雷的全周期工作寿命费用来判断是电动力鱼雷的费用高，还是热动力鱼雷的费用高。4 总 结热 动 力 鱼 雷 虽 然 在 航 速 和 航 程 方 面 都 优 于 电 动 力 鱼 雷 ， 但 其 技 术 难 度 大 ，研 制 周 期 长 ， 航