高速魚雷水沖壓發(fā)動機用金屬/水反應燃料研究進展

張亞俊，王 祎，李吉禎，劉芳莉，齊曉飛

(1.西安近代化學研究所，西安 710065;2.中國船泊重工集團公司 第七〇五研究所，西安 710075)

魚雷，以其便捷的發(fā)射方式、優(yōu)異的戰(zhàn)技性能和驕人的戰(zhàn)績，成為當前海戰(zhàn)中的反潛和反艦的最主要武器品種之一，也常被用來封鎖港口和狹窄水道，按其攜載平臺和攻擊對象可分為反艦魚雷(艦艦、潛艦、空艦)和反潛魚雷(艦潛、潛潛、空潛)等［1-3］。鑒于當今世界的局勢及武器科技的發(fā)展，世界各國在魚雷技術方面的發(fā)展特點均為航速快、航程遠、隱蔽性好、命中率高、破壞性大，但由于水阻力遠超過空氣阻力(水下航行體受到的阻力約為空中飛行器受到阻力的1 000多倍)，致使航速、航程和精度成為常規(guī)動力魚雷的“軟肋”。因此，世界軍事強國均在爭相研究高速魚雷技術，主要包括超空泡技術、水沖壓發(fā)動機技術和金屬/水反應燃料技術［4-5］。

金屬/水反應燃料是指能與水發(fā)生反應放出大量氫氣和熱量的以金屬為主要成分的燃料。該類燃料以活潑金屬材料為主要成分，能與水或其他液體組分發(fā)生劇烈反應，生成大量的小分子氣體(以氫氣為主)，同時釋放出大量的熱量，能量水平較高;該類燃料以從外界吸入的水作為氧化劑，為水下航行體爭取了更多燃料儲存空間，可大幅度增加水下航行體動力系統(tǒng)的能量密度［6］。金屬/水反應燃料類似于空氣沖壓發(fā)動機用的富燃料推進劑，以它為推進劑的發(fā)動機稱為水沖壓發(fā)動機，主要用作水下高速武器的動力源。

我國在高速魚雷技術方面的研究起步較晚，技術成熟度相對較低，本文以高速魚雷的發(fā)展及相關技術的應用研究為基礎，闡述金屬/水反應燃料的特點、工作原理、配方體系及其研究重點，以期為相關技術的研究提供一定的幫助。

1 國內(nèi)外金屬/水反應燃料的應用研究

俄羅斯是最早開展高速魚雷研究的國家之一，也是最早開展金屬/水反應固體燃料技術的國家之一。前蘇聯(lián)的烏克蘭流體力學研究所自1960 年即開始研究高速魚雷，1977 年設計定型第一代超空泡火箭推進魚雷“暴風雪”(Shkval E)，并于1997 年裝備部隊?！氨╋L雪”魚雷長8.23 m、重2 697 kg，采用鎂基金屬/水反應固體燃料，最大航速可達200 kn(約100 m/s)，超過傳統(tǒng)魚雷的3 ～5 倍(傳統(tǒng)魚雷的航速僅為30 ～75 kn)，航程為10 km，無自導系統(tǒng)，攻擊彈道為直航，具有很高的航向精度;此后，俄羅斯研制了第二代、第三代M系列的高速魚雷M7 和M9，航速超過300 kn(約150 m·s-1)，射程50 km。1999 年，在阿布扎比舉行的國際防務武器博覽會上，俄羅斯展出了超高速魚雷“疾風”出口型，該型魚雷航速約200 kn(約100 m/s)，其動力裝置采用鎂/水反應推進水沖壓發(fā)動機［4，7-9］。目前，俄羅斯在研的新一代金屬/水反應固體推進超高速魚雷采用發(fā)動機推力矢量控制，具有較強的機動性，并利用發(fā)動機燃氣回流頭部進行超空泡補氣，航速可達400 kn(約200 m/s)，射程可達100 km。

美國早于20 世紀40 年代就開始了金屬/水反應燃料技術及超空泡技術的研究工作，主要工作由美國國防研究計劃局(DARPA)和美國海軍研究所(ONR)負責，致力于探索和發(fā)展高速魚雷技術。據(jù)報道，美國也研制出了超高速魚雷樣機，外觀上和俄羅斯“暴風雪”魚雷很相像，最大速度可達200 kn。美國賓夕法尼亞大學一直從事鋁/金屬/水反應燃料發(fā)動機的研究，目前已經(jīng)設計出旋渦燃燒器式水沖壓發(fā)動機系統(tǒng)，并進行了大量的試驗，其原理是將鋁粉注入水的高速渦流中，高速渦流與鋁顆粒之間的高速剪切作用、鋁顆粒之間的相互刮擦作用，破壞了鋁粒子表面的氧化膜，使鋁粉和水劇烈燃燒，最終形成大量的高溫、高壓氣體［10，11］。

德國是世界上從事水下高速航行體研究最早的國家，早在二戰(zhàn)前，德國就已開展了高速魚雷用超空泡技術的理論和實驗研究，20 世紀90 年代末期又與美國共同開發(fā)超空泡水下航行體［12］。目前德國已對航速在100 kn 以上的魚雷技術(包括空泡形成及控制技術、彈體設計技術、彈體運動穩(wěn)定機理、金屬/水反應燃料應用技術等)進行了系統(tǒng)研究，針對現(xiàn)役超高速魚雷的弱點(無自導功能、只能在淺深度下作定深巡航)，其研究重點調整為可能作為未來反魚雷或反潛戰(zhàn)系統(tǒng)基礎的小型、快速、機動的輕型超高速反魚雷魚雷(Anti-Torpedo Torpedo，ATT)，該武器的各主要功能和構件均在德國梅爾多夫和杰滕堡的試驗場進行了演示實驗［12，13］。另據(jù)報道，2001 年年底，德國成功試驗了第一枚超高速魚雷試驗樣機，其航速為400 kn。

法國、日本等國家也在開展水沖壓發(fā)動機技術及金屬/水反應燃料技術等方面的研究，試圖在高速魚雷技術方面取得突破［14-16］。

我國對于高速魚雷方面的相關技術研究起步較晚，20世紀90 年代初開始水下兵器超空泡技術的開發(fā)，2000 年以后才開始進入金屬/水反應燃料技術、水沖壓發(fā)動機技術的試驗研究階段。目前，西北工業(yè)大學、國防科技大學、航天、兵器等研究單位開展的相關工作主要集中在超空泡的形成及數(shù)值模擬技術、水沖壓發(fā)動機的工作原理機理論性能模擬以及金屬/水反應燃料的理論預估等基礎性的理論和實驗研究［17-19］。

國防科技大學與某研究所合作以Mg/H2O 體系為研究對象，進行了理論研究和實驗驗證，采用壓裝固化藥柱端面燃燒實現(xiàn)了水沖壓原理發(fā)動機的熱試車，驗證了理論研究的結果，但金屬/水反應燃料的綜合性能還有待于進一步優(yōu)化。孫展鵬和張運剛等［20，21］用高金屬(Al)含量富燃料推進劑開展了Al/H2O 體系金屬/水反應燃料的研究，進行了水沖壓原理發(fā)動機熱試車，盡管其金屬/水反應燃料中金屬含量偏低，但卻驗證了該類發(fā)動機的理論可行性。

李芳等［22］對Al/H2O 體系及其他體系的金屬/水反應燃料進行了理論研究，結合化學反應過程對其熱力學特性進行了分析，初步研究了燃料配方對發(fā)動機性能的影響;鄭邯勇等［23］研究了燃料中鋁粉粒度、黏合劑和鋁水反應起始階段助燃劑對鋁水反應的影響，初步分析了Al/H2O 體系的反應機理，為深入研究該類發(fā)動機提供了參考;趙衛(wèi)兵等［24］通過熱力學計算，分析了金屬/水反應燃料的能量特性及其影響因素，并探討了金屬/水反應燃料應用于超高速魚雷推進系統(tǒng)的可能性。

2 金屬/水反應燃料的工作原理

目前研究的金屬/水反應燃料的配方體系多為以水反應金屬材料為主要成分，含有少量氧化劑、粘合劑和添加劑等組分，類似于空氣沖壓發(fā)動機用的富燃料推進劑。金屬/水反應燃料的優(yōu)點是充分利用雷外海水作為能源，能量水平高、單位體積的能量密度高，且具有更多燃料儲存空間，使魚雷超高速、遠航程航行成為可能。

金屬/水反應燃料的工作過程大致如下:水下航行體外的海水在速度頭作用下噴入燃燒室，與燃燒室中以一定形態(tài)存在的金屬燃料發(fā)生強烈放熱反應，生成大量的高溫高壓氣體(以H2為主)，且反應放出的熱量同時使未參與反應的海水加熱蒸發(fā)，并以高壓蒸汽形式膨脹做功，混合氣體通過發(fā)動機噴管排出，產(chǎn)生推力推動水下航行體高速前行。

金屬/水反應燃料體系中所選用的水反應金屬材料必須具有反應活性高、能量密度高、與水反應成器量大、與水反應速度快等特點，近年來所研究的金屬/水反應燃料配方中選用水反應金屬材料的主要有Al、Mg、B、Ti、Ca、Li、Na、K、Zr、W等活性金屬、AlH3、MgH2、B2H6、ZrH2、LiAlH4等金屬氫化物以及一些活性較高的金屬氧化物、金屬碳化物等。部分活性金屬與水反應的能量密度見表1 所示。

表1 所列金屬中，鈹?shù)哪芰棵芏茸罡?，但是毒性較大;鎂與水反應較容易啟動，但能量密度較小;鈣、鋰、鈉、鉀很活潑，易與水反應，但存儲條件較為苛刻;鋁具有較高的能量密度，且存放穩(wěn)定、無毒性、來源廣、成本低，若能降低它與水的反應條件，是最適合與水反應并用于水沖壓發(fā)動機的活性金屬材料。

表1 金屬與水反應的體積能量密度

計算結果表明，當Al/H2O、Mg/H2O 燃料的水燃比達到4 ～5 時，金屬/水反應燃料的比沖達最大值，此時，Mg/H2O燃料的質量比沖和體積比沖分別為5 600 N·s·kg-1和1.00 ×107N·s·m-3，Al/H2O 燃料的體積比沖則達1.77 ×107N·s·m-3。由此可見，金屬/水反應燃料的質量比沖是目前固體推進劑的3 倍左右，體積比沖則達4 ～5 倍。

在金屬/水燃燒反應機理研究方面，俄羅斯、美國、日本等國家的研究人員自20 世紀70 年代起就開始了大量的研究工作。俄羅斯Gorbunov V V 等［25］研究了高能金屬粉(主要為Al 和Mg)與水的燃燒反應，研究表明，高能金屬與水的混合物的燃燒性能主要取決于金屬粉末被氧化的難易程度;氧化程度取決于混合物種金屬材料與水的比例;改變水的聚集狀態(tài)(凝相或氣相)不影響金屬的氧化程度。

在Al/H2O、Mg/H2O 等燃料體系燃燒反應過程中，均存在氣相反應(氣態(tài)金屬與水蒸汽的反應)、液相反應(熔融態(tài)金屬與水蒸汽的反應)、凝相反應(金屬顆粒與水蒸汽的反應)等多種形式，主要反應方程式為

對于采用高壓載氣/載液方式給料的水沖壓發(fā)動機來說，在一次燃燒反應區(qū)，氣相、液相和凝相反應基本同時進行、互相轉化，各相反應之間互相傳遞、反饋熱量;未燃燒的固體顆粒被吹離凝相反應表面，期間經(jīng)過熾熱的一次燃燒火焰區(qū)，大部分轉化為熔融態(tài)，少量氣化，在二次燃燒反應區(qū)與水蒸汽發(fā)生強烈的氧化-還原反應，最終產(chǎn)生高溫高壓輕質氣體和大量的熱。對于采用固體推進劑藥柱給料的水沖壓發(fā)動機，其一次燃燒室主要是推進劑體系中氧化劑與少量金屬顆粒的燃燒，噴射出大量的熔融態(tài)金屬液滴(部分氣化)送入二次燃燒室，并在二次燃燒室與霧化水發(fā)生劇烈的反應，最終轉化為水下航行體的推動力。

在發(fā)動機內(nèi)部受溫度、壓強、兩相流等多方面因素的影響，實際的反應機理可能更為復雜，需要根據(jù)燃料體系、發(fā)動機結構、發(fā)動機實際工況的不同而進行系統(tǒng)深入的研究。

3 金屬/水反應燃料的研究重點

水沖壓發(fā)動機的工作原理在于金屬/水反應燃料體系中的活性金屬與水反應產(chǎn)生大量高溫、高壓的小分子量氣體反應產(chǎn)物(主要是氫氣)，以其為推進工質實現(xiàn)水下航行體的高速前行。與之相對應，金屬/水反應燃料的研究重點包括以下幾個方面:

1)金屬顆粒的供給方式

金屬顆粒的供給方式也稱為金屬/水反應燃料的組織形式，它不僅影響燃燒室內(nèi)金屬與水蒸汽之間的反應或燃燒穩(wěn)定性，而且對金屬/水反應燃料的制備工藝、儲存條件、點火技術及整個水沖壓發(fā)動機的性能調節(jié)技術都有決定性的影響。目前的研究結果主要形成了載氣/載液給料和固體推進劑藥柱給料兩種金屬顆粒的供給方式，其中載氣/載液給料方式主要被用于實驗室或理論研究，固體推進劑藥柱給料方式則多用于實際水下推進研究。

采用載氣/載液給料方式的水沖壓發(fā)動機工作時，金屬粉末分散在高壓載氣/載液中并隨載氣/載液流入燃燒室與水蒸汽發(fā)生劇烈反應或燃燒。該方式的最大優(yōu)點是燃料金屬含量高、發(fā)動機能量高，但進入燃燒室的初始燃溫低，因此反應速度低、金屬顆粒氧化物膜去除困難、反應效率低。美國應用研究實驗室(ARL)以高壓載氣給料方式對Al/H2O 和Mg/H2O 體系的金屬/水反應燃料性能進行了研究，并成功進行了原理發(fā)動機試驗;Kerry 等人利用噴氣燃料JP-5、JP-10以及RP-1 作為載液也成功進行了原理發(fā)動機試車，對金屬/水反應燃料性能進行了研究。

在實際水下推進系統(tǒng)中主要采用固體推進劑藥柱給料方式，該方式的優(yōu)點是組分分散均勻、結構簡單、貯存方便、供料穩(wěn)定可靠、制備工藝簡單?？梢哉J為，固體推進劑藥柱給料是最有可能實用化的金屬/水反應燃料的組織方式。

2)金屬與水反應的啟動

對于載氣/載液方式給料的水沖壓發(fā)動機，金屬與水反應的起始為載液的點火。金屬顆粒進入燃燒室前需要被加熱至熔融或氣化狀態(tài)(低溫下金屬與水反應效率很低)才能與高溫水蒸汽進行劇烈的反應，而其載液一般為某種燃料，載液點燃后對金屬顆粒產(chǎn)生一個加熱過程，因此，必須進行液料燃料點火裝置研究。

對于固體推進劑藥柱方式給料的水沖壓發(fā)動機，金屬與水反應的起始為固體推進劑藥柱的點火，藥柱點燃后，啟動發(fā)動機的一次燃燒和二次燃燒反應。由于金屬/水反應燃料體系中含有大量的金屬粉末。其氧平衡值非常低，致使其點火方式和點火機制與常規(guī)固體推進劑明顯不同，也需進行專門的研究。

金屬/水反應燃料體系中的金屬顆粒與水反應啟動的是否順利，還與金屬顆粒的活性、粒度、純度及其顆粒表面特性等有關，活性與粒度是決定其點火溫度的主要因素。在二次燃燒反應過程中，金屬發(fā)生反應的難易程度及點火可靠性均與金屬顆粒的點火溫度有著必然的聯(lián)系，必須制備出活性較高且活性易于保持的超細金屬顆粒(包括微米、亞微米或納米級顆粒)。

3)金屬與水反應過程的控制

水沖壓發(fā)動機工作過程中，水的噴注、撞擊、霧化、高速湍流流動，金屬/水反應燃料體系的燃燒，固相、液相和氣相金屬與水蒸汽的摻混、反應以及燃燒，大量固態(tài)金屬氧化物、氣態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)生、混合等過程相互耦合，構成了復雜的多相反應燃燒體系。

金屬/水反應燃料體系金屬含量高、氧化劑含量很低，致使該燃料燃速低、燃速壓強指數(shù)小(相對于火箭推進劑氣態(tài)產(chǎn)物少);金屬/水反應燃料燃燒過程中既包括金屬與水蒸汽之間的劇烈反應，也包括反應產(chǎn)物的進一步燃燒，其能量釋放過程以金屬與水的反應為主。因此，金屬/水反應燃料體系中活性金屬與水反應的反應活性、反應速率、反應充分度等都是燃料體系應用研究中的研究重點，與之相對應，燃料體系的燃速、壓強指數(shù)、燃溫、燃氣、噴射效率等特性則是其實際應用的研究重點之一。由此可知，金屬與水反應過程的控制技術對提高燃料比沖和燃燒效率具有重要意義，這將是金屬/水反應燃料應用研究的關鍵技術。

4 結束語

在世界軍事格局不斷發(fā)展、國家海防形勢風云變幻的大背景下，大力發(fā)展高速水下武器已成為當前軍工研究任務的重中之重。作為高速魚雷水沖壓發(fā)動機推進系統(tǒng)主燃料的金屬/水反應燃料，其基礎技術研究對水沖壓發(fā)動機的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用，其應用技術研究則具有重要的現(xiàn)實意義，在水下高速魚雷等武器系統(tǒng)方面具有良好的應用前景。

國外對金屬/水反應燃料及水沖壓發(fā)動機技術研究已經(jīng)進入實用階段，而我國對金屬/水反應燃料的研究剛剛起步，相關研究基礎比較落后，極大程度上制約了超高速魚雷巡航動力推進系統(tǒng)研究的進展，必須加快金屬/水反應燃料的配方設計、成型工藝、性能調節(jié)、實驗驗證等各項技術研究，從理論和實踐各方面真正掌握高速水下推進的核心技術，早日實現(xiàn)我國高速水下武器的實際應用。

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