魚雷水沖壓發(fā)動機發(fā)展淺析

孟凡亮++趙晉宏++孫繼紅

摘 要：本文介紹了水沖壓發(fā)動機的基本原理，論述了非壅塞式和燃氣發(fā)生器式兩種典型的發(fā)動機形式和原理，并對水沖壓發(fā)動機的關鍵技術進行了探討，最后本文分析了水沖壓發(fā)動機的發(fā)展優(yōu)勢，水沖壓發(fā)動機是熱動力魚雷發(fā)展的方向之一。

關鍵詞：魚雷 水沖壓發(fā)動機 金屬燃料 熱動力

中圖分類號：V512 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0087-02

現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭環(huán)境對魚雷的航程和速度要求越來越高，研制新型的大功率、大沖量的推進系統(tǒng)一直是各裝備強國研究的重點。針對動力推進系統(tǒng)的選擇，經(jīng)專家的反復論證得出結(jié)論，只有采用金屬（鋁、鎂或鋰等）作燃料，并利用外部的海水作氧化劑和燃燒生成物的冷卻劑，同時利用高效燃氣輪機或噴氣推進系統(tǒng)所組成的動力裝置，才是真正推進水下武器實現(xiàn)超高速的最佳途徑[1]。

俄羅斯很早就已經(jīng)開始水反應金屬燃料的研究，并且已經(jīng)利用超空泡技術研制出用固體火箭推進的“暴風雪”魚雷，該型魚雷的最高航速已達到100 m/s（約200節(jié)）[2]。美國雖然沒有研制相應的裝備，但在金屬燃料發(fā)動機方面進行了大量的理論研究和實踐探索，美國應用研究實驗室（ARL）以高壓載氣給料方式對Al/H2O、Mg/H2O水反應金屬燃料的性能進行了研究，并進行了原理發(fā)動機的試驗[3]。

1 水沖壓發(fā)動機工作原理

水沖壓發(fā)動機是直接將液態(tài)水引入燃燒室中，通過和燃燒劑中的金屬粉末的劇烈反應，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，燃氣通過噴管噴出時產(chǎn)生的反作用力作為動力的一種動力系統(tǒng)。這種動力系統(tǒng)能充分利用外界的水作為氧化劑，使得推進劑的比沖和能量密度得到大幅提高。

輕金屬與水反應是水沖壓發(fā)動機研究的基礎，金屬燃料是指能與水反應放出大量氫氣和熱量的以金屬為主要成分的燃料。它以活潑金屬為主要成分，在特定條件下能與水或其他液體組分發(fā)生劇烈氧化反應，生成大量的氣體并放出大量熱量。許多金屬都能與水反應，從能量、價格以及反應需要的條件考慮，鋁應是最佳選擇。但是由于鋁外層容易產(chǎn)生一層致密的氧化膜，不利于點火和穩(wěn)定燃燒。

要實現(xiàn)能保證鋁水持續(xù)反應的條件，一方面要保證反應的環(huán)境溫度（一般達1400K以上）；另一方面對鋁進行改性，降低反應難度。由于鋁粉改性技術在降低鋁水反應條件的同時，也會增加燃料儲存的難度。因此，鋁粉改性技術要得到成熟的運用，還需做大量工作，相比而言提高鋁水反應時的環(huán)境溫度相對較容易實現(xiàn)。根據(jù)反應方式不同，水沖壓發(fā)動機的結(jié)構可以分為非壅塞式和燃氣發(fā)生器式。

1.1 非壅塞式

非壅塞式一般選擇利用載氣或載液給料的方式，即將金屬粉末分散在高壓載氣/載液中并隨載氣/載液流入燃燒室與高溫水蒸氣發(fā)生劇烈反應。通常鋁顆粒（粉末）外有一層致密的氧化膜，不利于鋁與水直接接觸，為了觸發(fā)鋁與水的反應，美國應用研究實驗室（ARL）的研究人員設計了一種旋渦燃燒室，如圖1所示。鋁粉顆粒和水由切向高速進入旋渦燃燒室，由于碰撞、摩擦及水的剪切作用，鋁粉顆粒表面氧化膜被逐漸去除，鋁粉顆粒的直徑不斷減小。在渦流中，顆粒的軌跡由顆粒直徑?jīng)Q定，由于鋁顆粒不斷減小，離心力會不斷減小，鋁粉顆粒不斷向燃燒室中心運動。在鋁顆粒表面部分氧化膜被去除的過程中，鋁與水摩擦發(fā)生反應，同時生成新的氧化膜。在焰前反應區(qū)，隨著反應的逐漸進行，溫度大幅提高，當鋁顆粒到達燃燒區(qū)時，已被加熱到沸點（比氧化膜的熔點稍低），發(fā)生氣相燃燒。

1.2 燃氣發(fā)生器式

燃氣發(fā)生器式發(fā)動機采用具有高金屬含量的混合固體燃料，以藥柱形式裝填于燃燒室，使用外部海水作為氧化劑，燃料加熱后開始一次燃燒后，形成富含金屬粉末的高溫燃氣。水在流體動壓作用下進入燃燒室，經(jīng)噴射霧化后受熱蒸發(fā)，在高溫條件下與燃氣中金屬粉末發(fā)生反應，放出的大量熱量保證反應持續(xù)進行。過量進水經(jīng)噴射霧化后吸收部分金屬與水反應產(chǎn)生熱量，并轉(zhuǎn)化為水蒸氣作為工質(zhì)與燃燒產(chǎn)物一起經(jīng)噴管噴出做功，從而使發(fā)動機產(chǎn)生推力。

2 水沖壓發(fā)動機的關鍵技術

2.1 燃料的組織優(yōu)化

水反應金屬燃料的組織形式不僅影響燃燒室內(nèi)金屬與水分之間反應或燃燒的穩(wěn)定性，而且對金屬燃料的制備工藝、儲存條件、點火技術及整個發(fā)動機的性能都有決定性影響。

載氣/載液給料方式中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)點是可以提高燃料中金屬含量，但燃料進入燃燒室的初始燃溫低，因此反應啟動困難，而且金屬顆粒氧化物膜難以去除，影響反應效率。固體藥柱給料方式的優(yōu)點是容易控制燃料組分比例，結(jié)構簡單，制備工藝簡單，因此是離實用化最接近的水反應金屬燃料給料方式。但藥柱不便于長期儲存，危險性大，整個反應過程不便于控制，藥柱成分確定以后不容易控制反應速率。

2.2 點火系統(tǒng)

實現(xiàn)水反應金屬燃料的迅速、可靠點火對水下高速推進具有重要意義。由于低溫下金屬與水反應困難，因此，金屬粉末被加熱至熔化或氣化狀態(tài)，才能與高溫水蒸汽進行瞬間劇烈的反應?？刹扇⊥獠考訜峄蛉剂现性黾悠渌紕┑姆椒?，對載液給料來說，載液一般就是某種燃料，因此，需研究專門的液體燃料點火裝置。

固體推進劑藥柱給料也需要專門的點火裝置來迅速引燃金屬燃料藥柱，啟動發(fā)動機的一次燃燒，保證固體燃料要進入穩(wěn)定的二次燃燒。由于水反應金屬燃料固體藥柱中含有大量的金屬粉末，其氧平衡值非常低，其點火藥與普通的火箭推進劑點火藥不同，需要專門研究其點火機理、點火方式并配制專門的點火藥。

2.3 水燃比以及進水方式

燃氣發(fā)生器式發(fā)動機的一次進水是為了引發(fā)金屬與水的劇烈反應，合理的水燃比用以維持合理的燃燒室的溫度，使金屬燃料持續(xù)的反應，同時霧化水有利于水的汽化和與金屬顆粒的反應。而二次進水主要是增加做功工質(zhì)，同時降低燃氣溫度，不再參與化學反應?？刂坪侠淼乃急扔欣谔岣甙l(fā)動機的比沖和效率，維持燃燒室溫度在合理范圍，使金屬與水的反應能持續(xù)進行。載氣/載液給料方式時，水和金屬燃料同時進入燃燒室，水燃比直接影響燃燒的啟動以及后續(xù)的燃燒。endprint

2.4 燃燒室結(jié)構設計

燃燒室是金屬燃料燃燒的關鍵部位，必須能夠達到并保持金屬與水反應的條件。非壅塞式發(fā)動機要使金屬能夠達到與水燃燒的溫度，并且實現(xiàn)燃料持續(xù)不斷的供應，藥柱給料方式時需要設計一次進水和二次進水的方式，一次進水的霧化必須能夠使金屬與水充分反應。燃燒室的設計必須經(jīng)過大量的理論分析和實驗驗證，充分考慮水下環(huán)境的影響，才能發(fā)揮水下噴氣推進的優(yōu)勢。

3 水沖壓發(fā)動機的優(yōu)勢分析

3.1 高能量高比沖

目前熱動力魚雷的主要燃料仍然是多組分或是帶有氧化劑成分的單組元燃料，水沖壓發(fā)動機利用外部海水作為氧化劑和工質(zhì)，發(fā)動機僅攜帶貧氧燃料，具有非常高的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)高比沖。計算結(jié)果表明，水發(fā)動機的比沖大于常規(guī)火箭發(fā)動機，且發(fā)動機結(jié)構體積大大減小。遠航程是水中兵器一直尚未解決的難題，超遠航程的魚雷可以提供一種新的戰(zhàn)略威懾手段。

3.2 結(jié)構簡單可靠性高

普通的熱動力魚雷動力系統(tǒng)結(jié)構復雜，維護保養(yǎng)成本很高，可靠性卻比較低，給部隊維修保障造成很大困難。水沖壓發(fā)動機大大減少了運動部件，結(jié)構簡單，容易提高發(fā)動機的固有可靠性?？煽啃允俏淦餮b備最重要的指標之一，可靠性的提高能大大節(jié)省后期維護費用和維修難度，降低全壽命周期的使用費用，有利于大量裝備和使用。

3.3 燃料安全可靠無污染

水反應金屬原料尤其鋁一般比較廉價，而且常溫下安全可靠，便于運輸和儲存。相比而言，電動力魚雷需要昂貴的電池，不僅使用成本高昂，而且安全性不容易保證。普通熱動力魚雷使用的OTTO燃料不僅有毒有害，對儲存和運輸?shù)臈l件要求很高，而金屬燃料穩(wěn)定性好，價格相對低廉，對環(huán)境污染少，降低了訓練和使用成本。

參考文獻

[1] Dan S. Kalman filtering with inequality constraints for turbofan engine health estination[R].NASA/TM-2003-21211.

[2] 金建民.粉末式水沖壓發(fā)動機構型研究[D].國防科學技術大學，2010.

[3] 李是良，張煒，朱慧，等.水沖壓發(fā)動機用金屬燃料的研究進展[J].火炸藥學報，2006，29（6）：69-72.endprint

2.4 燃燒室結(jié)構設計

燃燒室是金屬燃料燃燒的關鍵部位，必須能夠達到并保持金屬與水反應的條件。非壅塞式發(fā)動機要使金屬能夠達到與水燃燒的溫度，并且實現(xiàn)燃料持續(xù)不斷的供應，藥柱給料方式時需要設計一次進水和二次進水的方式，一次進水的霧化必須能夠使金屬與水充分反應。燃燒室的設計必須經(jīng)過大量的理論分析和實驗驗證，充分考慮水下環(huán)境的影響，才能發(fā)揮水下噴氣推進的優(yōu)勢。

3 水沖壓發(fā)動機的優(yōu)勢分析

3.1 高能量高比沖

目前熱動力魚雷的主要燃料仍然是多組分或是帶有氧化劑成分的單組元燃料，水沖壓發(fā)動機利用外部海水作為氧化劑和工質(zhì)，發(fā)動機僅攜帶貧氧燃料，具有非常高的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)高比沖。計算結(jié)果表明，水發(fā)動機的比沖大于常規(guī)火箭發(fā)動機，且發(fā)動機結(jié)構體積大大減小。遠航程是水中兵器一直尚未解決的難題，超遠航程的魚雷可以提供一種新的戰(zhàn)略威懾手段。

3.2 結(jié)構簡單可靠性高

普通的熱動力魚雷動力系統(tǒng)結(jié)構復雜，維護保養(yǎng)成本很高，可靠性卻比較低，給部隊維修保障造成很大困難。水沖壓發(fā)動機大大減少了運動部件，結(jié)構簡單，容易提高發(fā)動機的固有可靠性?？煽啃允俏淦餮b備最重要的指標之一，可靠性的提高能大大節(jié)省后期維護費用和維修難度，降低全壽命周期的使用費用，有利于大量裝備和使用。

3.3 燃料安全可靠無污染

水反應金屬原料尤其鋁一般比較廉價，而且常溫下安全可靠，便于運輸和儲存。相比而言，電動力魚雷需要昂貴的電池，不僅使用成本高昂，而且安全性不容易保證。普通熱動力魚雷使用的OTTO燃料不僅有毒有害，對儲存和運輸?shù)臈l件要求很高，而金屬燃料穩(wěn)定性好，價格相對低廉，對環(huán)境污染少，降低了訓練和使用成本。

參考文獻

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[3] 李是良，張煒，朱慧，等.水沖壓發(fā)動機用金屬燃料的研究進展[J].火炸藥學報，2006，29（6）：69-72.endprint

2.4 燃燒室結(jié)構設計

燃燒室是金屬燃料燃燒的關鍵部位，必須能夠達到并保持金屬與水反應的條件。非壅塞式發(fā)動機要使金屬能夠達到與水燃燒的溫度，并且實現(xiàn)燃料持續(xù)不斷的供應，藥柱給料方式時需要設計一次進水和二次進水的方式，一次進水的霧化必須能夠使金屬與水充分反應。燃燒室的設計必須經(jīng)過大量的理論分析和實驗驗證，充分考慮水下環(huán)境的影響，才能發(fā)揮水下噴氣推進的優(yōu)勢。

3 水沖壓發(fā)動機的優(yōu)勢分析

3.1 高能量高比沖

目前熱動力魚雷的主要燃料仍然是多組分或是帶有氧化劑成分的單組元燃料，水沖壓發(fā)動機利用外部海水作為氧化劑和工質(zhì)，發(fā)動機僅攜帶貧氧燃料，具有非常高的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)高比沖。計算結(jié)果表明，水發(fā)動機的比沖大于常規(guī)火箭發(fā)動機，且發(fā)動機結(jié)構體積大大減小。遠航程是水中兵器一直尚未解決的難題，超遠航程的魚雷可以提供一種新的戰(zhàn)略威懾手段。

3.2 結(jié)構簡單可靠性高

普通的熱動力魚雷動力系統(tǒng)結(jié)構復雜，維護保養(yǎng)成本很高，可靠性卻比較低，給部隊維修保障造成很大困難。水沖壓發(fā)動機大大減少了運動部件，結(jié)構簡單，容易提高發(fā)動機的固有可靠性。可靠性是武器裝備最重要的指標之一，可靠性的提高能大大節(jié)省后期維護費用和維修難度，降低全壽命周期的使用費用，有利于大量裝備和使用。

3.3 燃料安全可靠無污染

水反應金屬原料尤其鋁一般比較廉價，而且常溫下安全可靠，便于運輸和儲存。相比而言，電動力魚雷需要昂貴的電池，不僅使用成本高昂，而且安全性不容易保證。普通熱動力魚雷使用的OTTO燃料不僅有毒有害，對儲存和運輸?shù)臈l件要求很高，而金屬燃料穩(wěn)定性好，價格相對低廉，對環(huán)境污染少，降低了訓練和使用成本。

參考文獻

[1] Dan S. Kalman filtering with inequality constraints for turbofan engine health estination[R].NASA/TM-2003-21211.

[2] 金建民.粉末式水沖壓發(fā)動機構型研究[D].國防科學技術大學，2010.

[3] 李是良，張煒，朱慧，等.水沖壓發(fā)動機用金屬燃料的研究進展[J].火炸藥學報，2006，29（6）：69-72.endprint