國(guó)外魚雷動(dòng)力發(fā)展研究

賴 鳴，齊國(guó)英，朱鵬飛

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京100012;2.中船重工物資貿(mào)易有限公司，北京100861)

0 引 言

魚雷動(dòng)力系統(tǒng)主要由能源和發(fā)動(dòng)機(jī)組成，是推動(dòng)魚雷前進(jìn)、提供全雷各系統(tǒng)電源的關(guān)鍵部分，在整個(gè)魚雷構(gòu)成中具有舉足輕重的地位。從魚雷誕生伊始對(duì)水下動(dòng)力的探索就從未停止，因此發(fā)展出多種多樣的動(dòng)力形式，如壓縮空氣、電力、發(fā)條、飛盤、火藥、燃油等。這些動(dòng)力形式的發(fā)展不是盲目出現(xiàn)的，其具有一定的規(guī)律，有多種因素影響著魚雷動(dòng)力發(fā)展的路徑和方向。對(duì)國(guó)外魚雷動(dòng)力發(fā)展進(jìn)行研究和分析，有助于梳理出影響魚雷動(dòng)力形式發(fā)展的關(guān)鍵因素，得到未來魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向，為我國(guó)魚雷動(dòng)力發(fā)展提供參考和借鑒。

1 國(guó)外主要國(guó)家魚雷動(dòng)力發(fā)展歷程

1.1 美國(guó)

最初美國(guó)探索自己的魚雷動(dòng)力系統(tǒng)(如飛輪)，后來接受了壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)。二戰(zhàn)結(jié)束前，美國(guó)魚雷動(dòng)力以跟隨歐洲技術(shù)為主。二戰(zhàn)后，美國(guó)魚雷動(dòng)力的發(fā)展分為2 個(gè)階段:第1 階段從二戰(zhàn)末期到20世紀(jì)60年代，魚雷采用電動(dòng)力技術(shù);第2 階段從20世紀(jì)60年代至今，采用熱動(dòng)力技術(shù)。

20世紀(jì)50年代后，隨著蘇聯(lián)核潛艇的服役，電動(dòng)力魚雷Mk37 由于在使用深度、速度上的不足，已不能滿足作戰(zhàn)需要。同時(shí)，限于當(dāng)時(shí)的電動(dòng)力技術(shù)，魚雷航速和航程大幅增加的可能性不大。因此，為與蘇聯(lián)潛艇展開對(duì)抗，在20世紀(jì)60年代后，美國(guó)開始著手研制熱動(dòng)力魚雷。

1963年，采用固體火藥為能源的MK46 熱動(dòng)力魚雷服役，比采用銀鎂海水電池的MK44 電動(dòng)力魚雷航速提高15%，航程增大80%，航深增加50%。

經(jīng)過投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)，1981年美國(guó)海軍選擇了霍尼韋爾公司的熱動(dòng)力方案。該方案采用鋰加六氟化硫閉式熱循環(huán)系統(tǒng)，廢氣無需排出雷體外，航速不受海水背壓影響，且無航跡，隱蔽性好。采用該動(dòng)力系統(tǒng)的MK50 魚雷，航速達(dá)到55 kn，航程20 km，于1994年服役。盡管有很高的性能，但是該系統(tǒng)的維護(hù)較為復(fù)雜，美國(guó)在新型MK54 魚雷上并沒有采用該動(dòng)力系統(tǒng)。

從型號(hào)發(fā)展上看，從MK46 開始，美國(guó)魚雷從電動(dòng)力型式完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊釀?dòng)力型式。隨著對(duì)魚雷航速航程的要求不斷提高，美國(guó)除了繼續(xù)改進(jìn)“奧托”Ⅱ燃料熱動(dòng)力技術(shù)外，還開發(fā)了鋰/六氟化硫熱動(dòng)力技術(shù)。

1.2 俄羅斯

1877-1905年俄羅斯使用的是“白頭”及其派生型魚雷，利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng);一戰(zhàn)和二戰(zhàn)期間使用熱壓縮空氣和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的熱動(dòng)力魚雷;二戰(zhàn)后，蘇聯(lián)魚雷有了飛速發(fā)展，尤其在動(dòng)力裝置上，采取熱電并舉的策略，并開創(chuàng)性的使用了水下火箭動(dòng)力，取得很高成就。

20世紀(jì)50年代，53-51 型、53-56 型、53-57 型魚雷均采用雙缸往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，以煤油、空氣和海水為能源。PAT-52 型魚雷首次采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以硝酸加煤油為能源，為其后研制的各型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)魚雷奠定了基礎(chǔ);60年代，СЭТ-65КЭ 魚雷采用電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，以一次銀鋅電池為能源。53-65КЭ 魚雷用燃?xì)廨啓C(jī)替代了往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，以煤油、氧氣和海水為能源;70年代，53-68 型魚雷應(yīng)用了汽輪機(jī)，用煤油和過氧化氫為能源;80年代的ДПТ- 65 魚雷仍采用汽輪機(jī)，但ТЭСТ- 71 魚雷采用了銀鋅電池;進(jìn)入90年代，УЭТТ 魚雷采用一次鎂-氯化銅海水電池。АПР 高速空投反潛魚雷采用固體燃料的噴氣或噴水發(fā)動(dòng)機(jī)。УГСТ 魚雷采用“奧托”Ⅱ單元液體燃料，20世紀(jì)末將其發(fā)動(dòng)機(jī)改為開環(huán)式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料采用“奧托”Ⅱ+HAP+海水?！翱耧L(fēng)”魚雷二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，一級(jí)為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)為鎂鋁加水作反應(yīng)燃料的噴水發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.3 英國(guó)

英國(guó)是老牌的魚雷大國(guó)，從生產(chǎn)“白頭”魚雷開始走上魚雷研制生產(chǎn)的道路。英國(guó)的魚雷動(dòng)力發(fā)展經(jīng)歷過壓縮空氣、熱動(dòng)力、電動(dòng)力、以及熱電并存4 個(gè)階段。

英國(guó)最初的魚雷是“白頭”魚雷，其動(dòng)力系統(tǒng)也是壓縮空氣(冷動(dòng)力)。二戰(zhàn)期間主要發(fā)展了熱動(dòng)力技術(shù)。1940年，英國(guó)在作戰(zhàn)中得到德國(guó)G7e-T2 電動(dòng)力魚雷，隨后開始電動(dòng)力魚雷的研制，但由于軍方?jīng)]有明確需求，導(dǎo)致電動(dòng)力魚雷發(fā)展不順利。

二戰(zhàn)后，英國(guó)計(jì)劃采用德國(guó)和美國(guó)的過氧化氫魚雷動(dòng)力技術(shù)改裝MK8 型魚雷，但由于過氧化氫動(dòng)力的不穩(wěn)定性，1955年試驗(yàn)中發(fā)生嚴(yán)重事故，隨后改裝計(jì)劃終止。此后20 余年里，電動(dòng)力魚雷得到重點(diǎn)發(fā)展，形成的典型裝備是80年代服役的“鯆魚”魚雷和MK24-2 “虎魚”魚雷，前者采用銀鎂海水電池，后者采用銀鋅電池。

與美國(guó)類似，由于蘇聯(lián)潛艇航速的提高，英國(guó)在70年代后重新開始發(fā)展熱動(dòng)力技術(shù)。80年代末，英國(guó)馬可尼空間與防務(wù)系統(tǒng)公司研制的“旗魚”魚雷服役，其采用HAP-OTTO 渦輪動(dòng)力系統(tǒng)，速度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的70 kn。

對(duì)于配電線路，相對(duì)于輸電線路輸送距離較短，可以忽略波過程的影響，同時(shí)還可以忽略對(duì)地電容的影響，此時(shí)，配電線路可以等效為線路電阻和電抗，其等效電路如圖1所示。

1.4 法國(guó)

二戰(zhàn)前，法國(guó)研制了M12D，M18，M26V和26DA 等型號(hào)魚雷，均采用熱動(dòng)力(煤油、酒精熱動(dòng)力方案)，航速35 ～44 kn，航程2 ～13 km。二戰(zhàn)開始不久，法國(guó)戰(zhàn)敗，魚雷工業(yè)喪失殆盡。戰(zhàn)后，作為戰(zhàn)勝國(guó)，法國(guó)得到德國(guó)魚雷的裝備和技術(shù)(電動(dòng)力)，并在此基礎(chǔ)上開始發(fā)展自己的電動(dòng)力魚雷裝備。

50年代先后研制了E12，Z12，Z16和K2 型魚雷，采用鉛酸電池;60年代研制出L3，L4，E14，E15，Z13/Z15 等型號(hào)，采用鎳鎘電池;70年代研制了L5，L7，E18 型魚雷，采用銀鋅電池，如L4-2 魚雷采用一次銀鋅電池，比能量為42.68 Wh/kg，工作時(shí)間6.5 min;80年代末的F17-2 魚雷動(dòng)力同樣采用銀鋅電池，但電池和電機(jī)都有了很大提高。F17-2 采用了新的、結(jié)構(gòu)緊湊的雙極堆式電池，使電池艙長(zhǎng)度縮短了近1 m，比能量為82.6 Wh/kg，工作時(shí)間18 min;90年代的MU90 魚雷或目前最先進(jìn)的F21 魚雷均采用一次鋁氧化銀電池，比能量為160 Wh/kg。

1.5 德國(guó)

德國(guó)在19世紀(jì)70年代便開始仿制“白頭”魚雷。一戰(zhàn)失敗后，德國(guó)加快了魚雷的發(fā)展，到第二次世界大戰(zhàn)前和二戰(zhàn)期間，德國(guó)魚雷在種類和性能上都處于領(lǐng)先地位。德國(guó)二戰(zhàn)時(shí)基本使用G7a 與G7e 兩大系列魚雷，包括熱電2 種動(dòng)力形式。G7e為鉛酸電池能源，二戰(zhàn)后期射程為7 500 m，成為戰(zhàn)后多國(guó)的仿制對(duì)象。

1957年4月，德國(guó)海軍決定研發(fā)、生產(chǎn)DM1“海蛇”(Seaschlange)魚雷，其采用銀鋅電池，20 kn速度時(shí)射程12 km。1961年，為打擊水面艦艇，德國(guó)海軍決定研制熱動(dòng)力魚雷，即“水精”魚雷。然而，由于德國(guó)在熱動(dòng)力技術(shù)上出現(xiàn)日益嚴(yán)重的問題，而國(guó)家又不愿意繼續(xù)對(duì)非必要的研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行投資，因此“水精”魚雷的研發(fā)工作在20世紀(jì)70年代被擱置。

1963年4月德國(guó)決定研制過渡裝備DM2 “海豹”(Seal)魚雷。DM2 大量采用了DM1 的相關(guān)配件和組件，但銀鋅電池容量提高1 倍。

1982年1月，潛艇用魚雷研發(fā)項(xiàng)目得到批準(zhǔn)，將以DM2 A1 為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)定位、電子以及制導(dǎo)系統(tǒng)，并提高推進(jìn)系統(tǒng)功率形成DM2 A4 魚雷。由于研發(fā)熱力推進(jìn)系統(tǒng)的時(shí)間更長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)更大，所以德國(guó)仍選擇了電力推進(jìn)系統(tǒng)，采用高速7 相永磁非同步電機(jī)和銀鋅電池。

1.6 意大利

意大利白頭魚雷公司是魚雷技術(shù)的開拓者和先進(jìn)技術(shù)代表，其使用的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曾被多國(guó)模仿，后期的熱動(dòng)力技術(shù)也性能卓越。但二戰(zhàn)失敗阻礙了白頭魚雷的發(fā)展。

戰(zhàn)后，白頭公司面臨遷址、經(jīng)濟(jì)蕭條等不利因素，魚雷工業(yè)幾乎停滯。60年代末，意大利以美國(guó)MK44 魚雷為基礎(chǔ)開始研制A244 魚雷，該魚雷最初采用鉛酸電池，后改為銀鋅電池;1981年服役的A184 重型魚雷使用銀鋅電池，電池功率114 kW，高速條件下放電時(shí)間大于13 min;1984年服役的A244/S 改進(jìn)型魚雷采用了鎂/氯化銀海水電池，電池功率32 ±2 kW，工作時(shí)間不少于6 min，平均儲(chǔ)存壽命為5年。

目前意大利正研制“閃黑”(flashblack)魚雷，其具有先進(jìn)的電力推進(jìn)模塊，采用可充電的鋰聚合物電池，最大航速超過50 kn，射程超過20 km。

2 國(guó)外影響魚雷動(dòng)力發(fā)展的關(guān)鍵因素

2.1 作戰(zhàn)對(duì)象性能不斷提高推動(dòng)魚雷動(dòng)力發(fā)展

一方面，水面艦船、潛艇的航速不斷提高，迫使魚雷不斷增加航速。例如由于核潛艇的使用，使?jié)撏俣却蠓嵘?，?dǎo)致當(dāng)時(shí)美國(guó)的電動(dòng)力主戰(zhàn)魚雷MK37 不堪使用，同時(shí)當(dāng)時(shí)的電動(dòng)力技術(shù)不足以大幅提高魚雷航速，因此，促使美國(guó)轉(zhuǎn)而發(fā)展熱動(dòng)力魚雷。另一方面，艦船反潛能力提高后，迫使魚雷增加航程，以降低潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率。從發(fā)展歷程上看，最初的魚雷射程只有數(shù)百米，目前輕型魚雷航程超過20 km，重型魚雷超過50 km。

2.2 作戰(zhàn)使用的要求影響對(duì)魚雷動(dòng)力的選擇

經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)而廣泛應(yīng)用的動(dòng)力形式只有熱動(dòng)力和電動(dòng)力2 種。在20世紀(jì)90年代之前，這2 種動(dòng)力各有特點(diǎn):熱動(dòng)力能量大，有助于提高魚雷的航程和航速;電動(dòng)力噪聲低、無尾流痕跡，但速度和航程不如電動(dòng)力(當(dāng)前電動(dòng)力和熱動(dòng)力在各項(xiàng)指標(biāo)上已非常接近)。因此，基于作戰(zhàn)使用上的不同考慮，不少國(guó)家有選擇的重點(diǎn)開發(fā)某型動(dòng)力系統(tǒng)，例如德國(guó)側(cè)重隱蔽作戰(zhàn)，重點(diǎn)發(fā)展電動(dòng)力魚雷系統(tǒng);俄羅斯基于降低敵反應(yīng)時(shí)間的需要促進(jìn)了高速水下火箭動(dòng)力的發(fā)展等。

2.3 經(jīng)濟(jì)是制約動(dòng)力發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素

魚雷動(dòng)力系統(tǒng)的研制技術(shù)挑戰(zhàn)大，研制成本高。在魚雷動(dòng)力發(fā)展歷程中，經(jīng)濟(jì)性是關(guān)鍵影響因素。德國(guó)曾在20世紀(jì)60年代和80年代2 次計(jì)劃發(fā)展熱動(dòng)力魚雷，但均由于投入過大而放棄;MU90 魚雷是國(guó)際合作的產(chǎn)物，其原因也是投入成本過大，法、意兩國(guó)獨(dú)立研制的魚雷均面臨經(jīng)費(fèi)不足的問題，因此決定合作研發(fā)魚雷。

2.4 技術(shù)的擴(kuò)散/交流推動(dòng)了魚雷動(dòng)力的發(fā)展

早期的魚雷技術(shù)擴(kuò)散有2 次;一次是懷特壓縮空氣技術(shù)的擴(kuò)散，使美、英、德等國(guó)開始擁有較為實(shí)用的魚雷動(dòng)力系統(tǒng)，為以后的發(fā)展奠定基礎(chǔ);另一次是二戰(zhàn)中德國(guó)電動(dòng)力魚雷技術(shù)被繳獲后的擴(kuò)散，這次擴(kuò)散直接推動(dòng)了美、俄、英、法等國(guó)研制生產(chǎn)電動(dòng)力魚雷。

目前深入的魚雷技術(shù)交流僅限于盟國(guó)之間。如美國(guó)在研究MK48 魚雷時(shí)，最終競(jìng)爭(zhēng)的熱動(dòng)力方案分別是渦輪機(jī)方案和斜盤機(jī)方案，美國(guó)選擇了斜盤機(jī)方案用于MK48，而渦輪機(jī)方案被英國(guó)選中，改進(jìn)后成為“旗魚”魚雷的動(dòng)力系統(tǒng)。

3 魚雷動(dòng)力未來發(fā)展趨勢(shì)

從當(dāng)前的發(fā)展來看，隨著水中兵器作戰(zhàn)領(lǐng)域的擴(kuò)展，特別是以高速超空泡魚雷、反魚雷魚雷等新型武器裝備的出現(xiàn)，對(duì)水下動(dòng)力提出了更高要求，促進(jìn)了以高能量、大功率、低成本、安全性能好為特征的新型動(dòng)力能源技術(shù)的快速發(fā)展。

從動(dòng)力類型來看，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，水下動(dòng)力源將保持熱動(dòng)力和電動(dòng)力共同發(fā)展的格局，兩者的發(fā)展略有不同。

3.1 熱動(dòng)力以現(xiàn)有技術(shù)持續(xù)改進(jìn)為主，缺少變革性

技術(shù)

目前，熱動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展主要集中在改進(jìn)現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)的功率密度、熱效率、安靜性和安全性能上，今后一段時(shí)間內(nèi)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)仍是熱動(dòng)力系統(tǒng)的主要形式。使用金屬燃料的熱動(dòng)力系統(tǒng)因?yàn)楣β拭芏雀?，受到較大關(guān)注，未來可能應(yīng)用在更廣的領(lǐng)域，其代表動(dòng)力系統(tǒng)有先進(jìn)型Li/SF6 閉式循環(huán)熱動(dòng)力、水反應(yīng)金屬燃料動(dòng)力等。

3.2 電動(dòng)力技術(shù)發(fā)展活躍，存在技術(shù)突破點(diǎn)

20世紀(jì)90年代前后，電動(dòng)力技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步。以鋁氧化銀電池、鋰離子電池、鋰和亞硫酰氯電池等為代表的技術(shù)獲得良好發(fā)展，一些新型電動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用到水中兵器上。如意大利最新推出的“閃黑”魚雷已經(jīng)采用了新型的鋰聚合物電池。

電動(dòng)力技術(shù)未來仍將處于快速發(fā)展階段，高比功率、高效率、低噪聲、集成化、模塊化、組合化將是未來魚雷電動(dòng)力發(fā)展趨勢(shì)。其中高能密度的電化學(xué)系統(tǒng)、新型電動(dòng)機(jī)(如軸流盤式電動(dòng)機(jī)、永磁直流電動(dòng)機(jī)、無軸電力推進(jìn)集成電機(jī))等是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。除了已經(jīng)開始應(yīng)用于魚雷的鋰離子動(dòng)力系統(tǒng)外，還有其他一些電動(dòng)力系統(tǒng)有望在魚雷上應(yīng)用，包括硼氫化鈉電池動(dòng)力、固體氧化物燃料電池動(dòng)力等。

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