美海軍三型魚雷最新研發(fā)進展及技術(shù)途徑

張 萌, 譚思煒, 張林森

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美海軍三型魚雷最新研發(fā)進展及技術(shù)途徑

張 萌, 譚思煒, 張林森

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033)

美國魚雷技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平, 其發(fā)展動向一直是世界各國海軍關(guān)注的焦點。文中通過對美海軍報告以及相關(guān)資料中收集到的2017財年美國在役MK 54 Mod 1型輕型魚雷、MK 48 Mod 7重型魚雷以及正在研發(fā)的反魚雷魚雷(ATT)這3型魚雷的發(fā)展動向和具體技術(shù)動態(tài)的梳理, 簡要分析了其研發(fā)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。2017財年, 美海軍對MK 54 Mod 1型輕型魚雷繼續(xù)改進聲吶硬件和戰(zhàn)術(shù)軟件進行了多次研發(fā)性水中測試; 開展了“魚雷先進動力推進系統(tǒng)(TAPS)”計劃, 以增大現(xiàn)有MK 48 Mod 7重型魚雷的射程; 同時, 在3艘航母上部署了ATT, 并進行了快速反應(yīng)評估。文中所做研究可為國內(nèi)相關(guān)裝備的發(fā)展提供參考。

魚雷; 研發(fā)進展; 技術(shù)途徑; 美國海軍

0 引言

美國魚雷技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平, 發(fā)展動向一直是世界各國海軍關(guān)注的焦點。

美國海軍現(xiàn)役魚雷有MK 54輕型和MK 48重型魚雷以及正在研發(fā)的反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)。文中梳理了以上3型魚雷在2017財年的發(fā)展動向和技術(shù)狀態(tài), 以供國內(nèi)同行借鑒。

1 MK 54魚雷的發(fā)展

由于MK 50魚雷的采購與使用成本過高, 冷戰(zhàn)結(jié)束后美國海軍無法大量采購。于是, 美國海軍開始研發(fā)輕型混合魚雷(lightweight hybrid torpedo, LHT), 這種魚雷結(jié)合了MK 46魚雷的戰(zhàn)斗部和動力系統(tǒng)(速度控制閥來自MK 48)、MK 50魚雷的自導(dǎo)和控制系統(tǒng)以及MK 48魚雷的戰(zhàn)術(shù)軟件, 對美國海軍來說是一種成本比較合理的先進輕型魚雷[1], 即MK 54魚雷。

MK 54魚雷的設(shè)計工作始于1999年7月, 同年11月通過關(guān)鍵設(shè)計審查, 2002年進行技術(shù)評估與測試, 并在2003年2月完成[2]。相較于應(yīng)對大航深、高速潛艇的MK 50魚雷, MK 54魚雷重點強化了近岸淺海環(huán)境下的作戰(zhàn)能力[3], 這是因為美國海軍認為冷戰(zhàn)結(jié)束后的主要作戰(zhàn)環(huán)境是敵對國家的近海海域[4]。在動力系統(tǒng)上, MK 54魚雷引進MK 48魚雷的變速閥, 可以通過調(diào)節(jié)燃料流量對魚雷進行變速, 使魚雷可在低速時搜尋目標(biāo), 從而提高自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率[5], 同時提高魚雷攻擊范圍。該變速閥結(jié)構(gòu)簡單緊湊, 占用空間較少, 質(zhì)量較小可靠性高, 如圖1所示。

圖1 MK 54魚雷變速閥

美國海軍于2007財年開始進行MK 54 Mod 1魚雷的研發(fā), 并于2015年11月開始研發(fā)性水中測試。硬件方面, MK 54 Mod 1魚雷將聲吶陣列從52個陣元升級到112個陣元, 以增強對虛假目標(biāo)的識別, 提供更強的分辨能力, 并克服MK 54 Mod 0魚雷的缺陷[1,3]。在軟件方面則是配合硬件改動, 進行性能升級。在2017財年, 美國海軍繼續(xù)改進MK 54 Mod 1魚雷聲吶部分硬件和戰(zhàn)術(shù)軟件。

MK 54 Mod 1魚雷總的研發(fā)計劃要求在深水和淺水條件下進行6大項測試, 共需要發(fā)射84枚魚雷。由于天氣惡劣以及魚雷和靶雷丟失等問題, 在2017年只進行了17枚魚雷的發(fā)射, 加上以前的測試, 共計發(fā)射了43枚魚雷。美國海軍計劃在2018和2019財年完成剩余的研發(fā)性測試, 并于2020財年進行作戰(zhàn)測試與評估[1]。

2017年8月, 美國海軍進行了戰(zhàn)斗部縮比模型的測試, 以評估MK 54 Mod 1魚雷對典型目標(biāo)的殺傷力。另外, 美國海軍還計劃測試引信和戰(zhàn)斗部裝藥的可靠性和MK 54全雷的安全性, 但由于測試設(shè)備發(fā)生了一系列故障, 測試被迫取消。

2017年, 美軍開展了2項MK 54 Mod 1魚雷作戰(zhàn)性能測試設(shè)備的研發(fā)。一項是研發(fā)模擬敵方潛艇的靶標(biāo), 一項是對位于海軍水下戰(zhàn)中心的武器評估設(shè)施(weapon assessment facility, WAF)的模擬試驗臺的改進。美國海軍計劃通過改進靶標(biāo)和海洋環(huán)境模型來提升評估手段, 以更貼近實戰(zhàn)的環(huán)境來測試魚雷的性能。

高空反潛作戰(zhàn)能力(high-altitude anti-subma- rine warfare capability, HAAWC)計劃是美國海軍對MK 54 Mod 1魚雷的一項重要的配套研究[1]。其含義是, 通過為MK 54魚雷增添滑行機翼, 使P-8A飛機在巡航高度時對魚雷進行遠程、高空部署, 落點則由GPS導(dǎo)航精確控制[3]。HAAWC基本型不提供飛行途中改變攻擊彈道的功能, 但會在未來添加。在2017年, 海軍進行了P-8A和HAAWC套件的一體化測試, 并進行了P-8A攜帶飛行試驗, 以收集P-8A武器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并評估操作員的人機界面。2017年12月完成了HAAWC套件的安全分離測試?；袡C翼由波音公司研發(fā), 如圖2所示。

圖2 波音公司研發(fā)的滑行機翼

2017財年, 美軍作戰(zhàn)測試與評估中心認為MK 54 Mod 1魚雷尚未形成戰(zhàn)斗力, 原因是測試仍不能貼近實戰(zhàn)環(huán)境及測試次數(shù)不足。美國海軍對潛艇的安全規(guī)定限制了MK 54 Mod 1測試魚雷對現(xiàn)役潛艇進行射擊, 再加上沒有模擬潛艇的逼真靶標(biāo), 因而無法充分評估MK 54 Mod 1魚雷的實際作戰(zhàn)能力。為解決上述問題, 美國海軍計劃下一步采取兩步走的方法: 首先讓魚雷對潛艇進行搜索與跟蹤, 以測試其目標(biāo)搜索能力及抗干擾能力, 但在接近潛艇時進行規(guī)避操作; 然后利用靜態(tài)靶標(biāo)測試魚雷攻擊爆破能力。這樣就對魚雷工作的全過程進行了完整而貼近實戰(zhàn)化的測評。

2017年, 美軍作戰(zhàn)測試與評估中心對MK 54 Mod1魚雷的具體使用也提出了改進建議, 主要通過3個方面: 一是通過培訓(xùn)等提升使用人員在目標(biāo)探測、定位和跟蹤方面的技能; 二是修改MK 54的使用策略、操作規(guī)程以提升反潛效率; 三是在技術(shù)上降低MK 54參數(shù)設(shè)置的復(fù)雜性, 降低對魚雷落水點的要求。

2 MK 48魚雷TAPS計劃

美國現(xiàn)役的重型魚雷為MK 48 Mod 7魚雷。該型魚雷以MK 48 Mod 6為基礎(chǔ), 結(jié)合了通用自導(dǎo)與控制機箱(advanced common torpedo guidance and control box, ACOT-GCB)和通用寬帶先進聲吶系統(tǒng)(common broadband advanced sonar system, CBASS)技術(shù)。CBASS技術(shù)可以使魚雷在淺海嚴重的背景噪聲干擾中有效追蹤目標(biāo), 并增強了抗敵方干擾的能力[7]。

在2016年8月, 美國海軍宣布啟動一項關(guān)于MK 48 Mod 7魚雷動力系統(tǒng)的升級研究, 從2017財年起由海軍研究辦公室(office of naval research, ONR)執(zhí)行魚雷先進動力推進系統(tǒng)(torpedo advanced propulsion system, TAPS)計劃[8], 目標(biāo)是增大現(xiàn)有MK 48魚雷的射程。TAPS有兩大研究方向: 一是對現(xiàn)有活塞式斜盤發(fā)動機進行改進, 二是研究鋁-氧化銀海水電池電動力技術(shù)。

第1個研究方向的技術(shù)途徑包括降低發(fā)動機輸出功率和提高燃燒效率, 以此對魚雷增程。在降低發(fā)動機輸出功率方面, 做法是研發(fā)新型發(fā)動機, 要求在低功率輸出下也能高效地工作。在提升燃燒效率方向上, 做法是改進燃燒室, 包括: 1)更換燃燒室材料, 減少燃燒室的散熱; 2) 增加燃料在燃燒室內(nèi)的停留時間, 使其充分燃燒; 3) 改進霧化裝置, 在不同的發(fā)動機功率輸出下都能使燃料有良好的霧化效果。目前, ONR已與Aerojet Rockdyne公司在第1個研究方向上簽訂了合同, Aerojet Rockdyne公司早在20世紀50年代就進行過魚雷發(fā)動機的研發(fā)[9]。

第2個研究方向是研究鋁-氧化銀海水電池電動力技術(shù)以替換目前的MK 48熱動力系統(tǒng)。ONR在該方向上列出的關(guān)鍵技術(shù)如下: 1) 鋁-氧化銀海水電池需要進行低漏電設(shè)計, 保證在低功率輸出時具有高能量密度和效率; 2) 鋁-氧化銀海水電池需要具備大功率輸出能力; 3) 鋁-氧化銀海水電池要通過長期存儲和潛艇安全認證; 4) 有效的電解質(zhì)管理系統(tǒng)。要求通過傳感器, 實時監(jiān)測關(guān)鍵電解質(zhì)參數(shù), 如電導(dǎo)率、粘度和溫度等; 通過受控的、可變速率的技術(shù)手段, 補充高濃度電解質(zhì); 通過氫氣-液體分離器, 及時將產(chǎn)生的氫氣排出; 通過熱交換器和熱控制閥, 及時排出廢熱; 通過設(shè)計安靜的電解液循環(huán)泵和電機, 最大限度地減少流體噪音; 5) 低噪聲和低電磁輻射推進電動機技術(shù), 防止對魚雷其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾, 同時在低功率輸出下具有大扭矩。在第2個研究方向上, ONR已與意大利Lenardo公司美國子公司DRS System簽訂了合同, 而意大利Lenardo公司即是黑鯊魚雷的供貨商。

3 反魚雷魚雷

美國于20世紀90年代初開始開展反魚雷魚雷(ATT)的研究工作, 于2010年朝韓“天安艦”事件后加速[10]。ATT的直徑為6.75英寸, 具有高速特性與高機動性, 可快速打擊敵方來襲魚雷, 屬于硬殺傷方式[11]。

ATT是美國海軍水面艦艇魚雷防御(surface ship torpedo defense, SSTD)系統(tǒng)的一部分, 其結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。SSTD系統(tǒng)包含2個子系統(tǒng): 魚雷報警系統(tǒng)和反魚雷武器系統(tǒng)。魚雷報警系統(tǒng)用于對來襲魚雷探測、定位、分類和報警; 反魚雷武器系統(tǒng)則對來襲魚雷實施硬殺傷, 以消除危險, 它包括ATT及其發(fā)射裝置。SSTD系統(tǒng)目前在美國航母的艦艏、艦艉的左右舷各安裝一套, 每套系統(tǒng)里含有6枚ATT。

圖3 反魚雷魚雷結(jié)構(gòu)布局

ATT由賓夕法尼亞大學(xué)應(yīng)用研究實驗室研發(fā), 采用了儲存化學(xué)能動力系統(tǒng)(stored chemical energy propulsion system, SCEPS)[12], 該系統(tǒng)組成復(fù)雜, 如圖4所示。

圖4 反魚雷魚雷內(nèi)部組件

儲存化學(xué)能動力系統(tǒng)使用閉式循環(huán)蒸汽渦輪發(fā)動機, 以鋰金屬作為燃燒劑, 六氟化硫作為氧化劑, 而水則是熱交換工質(zhì)。六氟化硫以加壓液態(tài)方式儲存在燃料艙中, 金屬鋰澆注在鍋爐反應(yīng)器內(nèi)部, 鍋爐外壁則是金屬螺旋管作為熱交換器。工作時, 熱電池先點燃火藥柱, 將鍋爐內(nèi)的鋰加熱成為液態(tài), 六氟化硫則在其飽和蒸汽壓力下從儲存氣瓶中經(jīng)控制閥減壓釋放, 成為氣體, 注入鍋爐反應(yīng)器。氣態(tài)六氟化硫與液態(tài)鋰在鍋爐中接觸并反應(yīng)生成大量熱, 鍋爐產(chǎn)生的高溫將四周水管內(nèi)的水加熱為過熱蒸汽, 累積壓力后推動渦輪, 渦輪通過齒輪箱帶動泵噴射推進器推動魚雷前進。工作過的蒸汽進入一個螺旋管冷凝器, 經(jīng)由魚雷殼體外的海水冷凝回液態(tài)水, 并由饋水泵送回鍋爐反應(yīng)器四周的熱交換器中進行新的循環(huán)。整個循環(huán)過程只對周圍海水釋放熱能, 而沒有排出任何物質(zhì), 屬于閉式循環(huán)[12]。

2017年, 美國海軍在艾森豪威爾號、尼米茲號和喬治·布什號航空母艦上安裝了反魚雷武器系統(tǒng)[11]。在2017年10月, 美國國防部作戰(zhàn)測試與評估中心結(jié)合廠家試驗進行了快速反應(yīng)評估。結(jié)果表明, 在理想條件下, 由訓(xùn)練有素的艦員或由制造商的技術(shù)人員操作時, 魚雷報警系統(tǒng)能夠成功對進入威脅范圍內(nèi)的魚雷報警, 反魚雷武器也能夠?qū)硪u魚雷實施有效攔截。但受限于測試設(shè)備、測試的廣度和次數(shù)等, 尚無法確定反魚雷武器系統(tǒng)能否攔截齊射魚雷。另外, 對于水面艦艇來說, 實際來襲魚雷工作深度通常貼近海面, ATT也需要工作在該深度, 美國海軍尚未進行該深度下的測試, 因此, 這是ATT將來測試的重點之一。

4 結(jié)束語

2017年, 美國海軍對各型魚雷開展持續(xù)漸進的研發(fā): 1) 由對MK 54 Mod 1型輕型魚雷的研發(fā)重點可以看出, 美國海軍重視近岸淺海條件下的作戰(zhàn), 重視魚雷對虛假目標(biāo)的識別與對抗能力, 并通過增加聲吶基陣陣元等方法來具體實現(xiàn)。2) 美國海軍對MK 48 Mod 7重型魚雷開展了TAPS計劃, 表明優(yōu)化動力系統(tǒng)以增程是未來魚雷發(fā)展的一個重要方向。3) 美國海軍在3艘航母上部署了ATT, 并進行了快速反應(yīng)評估。試驗結(jié)果顯示, 美軍的ATT已具備初步作戰(zhàn)能力。4) 由美軍對各型魚雷作戰(zhàn)測試與評估的重點可以看出, 貼近實戰(zhàn)環(huán)境的性能測評應(yīng)是魚雷列裝考核的重點。文中梳理的美國海軍3型魚雷的發(fā)展動向和具體技術(shù)途徑可為國內(nèi)相關(guān)裝備的發(fā)展提供參考。

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[2] Jane’s Defense. MK 46 NEARTIP(MOD 5)/MK 54 Torpedo[R]//Unmanned Vehicles Forecast-Land & Sea Systems. London UK: Jane’s Defense, 2013: 20-31.

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U.S. Navy. FY2015 Navy Programs: Surface Ship Torpedo Defense System: Torpedo Warning System and Countermeasure Anti-torpedo Torpedo[R]//DOT&E FY 2015 Annual Report. Washington D C, USA: U.S. Navy, 2016: 303-306.

[10] U.S. Navy. FY2017 Navy Programs: Surface Ship Torpedo Defense System: Torpedo Warning System and Countermeasure Anti-torpedo Torpedo[R]//DOT&E FY 2017 Annual Report. Washington D C, USA: U.S. Navy, 2018: 223-226.

[11] Shah M S. Development of Closed Cycle Thermal System[J/OL]. BARC Newsletter, 2010(10): 132-136. [2018-10- 05]. http://barc.gov.in/publications/nl/2010/founderday/pdf/ DAE%20EA/Paper%2025.pdf

Latest Development Progress and Technical Approach of U.S. Navy’s Three Types of Torpedoes

ZHANG Meng, TAN Si-wei, ZHANG Lin-sen

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The torpedo technology of the United States is at leading level in the world, and its development has always been the focus of foreign navies’ attentions. In this paper, the development technical trends of the U.S. Navy’s three types of torpedoes, i.e., the MK 54 Mod 1 lightweight torpedo and MK 48 Mod 7 heavyweight torpedo in service, and the developing torpedo——the anti-torpedo torpedo(ATT), are reviewed and briefly analyzed based on the U.S. Navy report and the relative information in the fiscal year 2017. In this fiscal year, the U.S. Navy: 1) continued to improve the sonar hardware and the tactical software of the MK 54 Mod 1 torpedo, and conducted several developmental in-water tests; 2) carried out torpedo’s advanced propulsion system(TAPS) program to extend the range of MK 48 Mod7 torpedo; 3) completed deployments of ATTs on three aircraft carriers, and conducted the quick reaction assessment. The purpose of this paper is to provide a reference for the development of relative weapons in China.

torpedo; development progress; technical approach; U.S. Navy

張萌, 譚思煒, 張林森. 美海軍三型魚雷最新研發(fā)進展及技術(shù)途徑[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(1): 10-13.

TJ63; E87

R

2096-3920(2019)01-0010-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.002

2018-10-09;

2018-10-18.

張 萌(1978-), 男, 博士, 講師. 主要研究方向為魚雷熱動力技術(shù)、魚雷發(fā)射技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)