水下攻防武器能源動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

史小鋒, 黨建軍, 梁 躍, 胡利民, 路 駿, 喬 宏

水下攻防武器能源動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

史小鋒1, 黨建軍2, 梁 躍1, 胡利民1, 路 駿1, 喬 宏1

(1. 中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西西安, 710072)

能源動力系統(tǒng)是水下攻防武器的心臟, 其性能很大程度上影響了水下攻防武器的任務(wù)范圍和作戰(zhàn)效能。文中從分析水下攻防武器對能源動力技術(shù)的需求出發(fā), 以魚雷和無人水下航行器為重點, 梳理了水下攻防武器能源動力技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀, 介紹了美國、俄羅斯、日本以及歐洲各國在能源動力技術(shù)方面的特點, 從熱動力能源、電動力能源、熱機(jī)和電機(jī)4個方面探討了水下攻防武器能源動力技術(shù)的發(fā)展趨勢?？偨Y(jié)得出, 水下攻防作戰(zhàn)逐漸顯示出無人化和體系化的特點, 要求水下攻防武器具備遠(yuǎn)航程、寬速域、大深度的能力, 而能源動力技術(shù)則相應(yīng)地圍繞高能量密度能源、高功率密度動力2個主題持續(xù)發(fā)展。

水下攻防武器; 能源動力系統(tǒng); 魚雷; 無人水下航行器

0 引言

水下攻防武器主要是指魚雷、反魚雷魚雷、無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)、反UUV武器等用于水下攻防作戰(zhàn)的各類武器, 主要承擔(dān)反潛、反艦、魚雷防御、UUV反制等任務(wù), 是執(zhí)行水下攻防作戰(zhàn)的必要裝備, 也是海軍水下攻防裝備體系中的重要組成部分。

根據(jù)未來水下攻防作戰(zhàn)任務(wù)需求, 水下攻防武器的典型作戰(zhàn)模式包括遠(yuǎn)程快速精確打擊、超遠(yuǎn)程巡航隱蔽攻擊、大深度反潛等, 要求水下攻防武器具備遠(yuǎn)航程、寬速域、大深度的能力。

重型魚雷作戰(zhàn)一般分為中低速線導(dǎo)隱蔽接敵段和末端高速攻擊段, 為保證快速接敵和對敵目標(biāo)的有效打擊, 導(dǎo)引接敵段速度一般不小于25 kn, 末端高速攻擊段不小于50 kn, 且要求魚雷的最大航速為目標(biāo)航速的1.5倍以上。隨著現(xiàn)代大型艦艇編隊對潛探測距離的進(jìn)一步擴(kuò)大, 重型魚雷要進(jìn)一步提高打擊半徑, 滿足反潛防區(qū)外精確打擊要求, 需要魚雷航程由目前的50 km提高到80～100 km; 隨著現(xiàn)代大型艦艇的航速不斷提升, 如美國瀕海戰(zhàn)斗艦的最高航速可達(dá)45 kn, 需要魚雷最大航速由目前的50 kn提高到70 kn。

超遠(yuǎn)程巡航打擊是一種非接觸自主作戰(zhàn)形式, 以海區(qū)控制、水下定點打擊為目的, 對航母編隊、海上兵力集團(tuán)以及運(yùn)輸船隊等實施打擊的新型水下作戰(zhàn)方式。以兵器深入替代兵力深入, 實現(xiàn)對航母編隊的威懾和打擊, 也可在有限時間內(nèi)封鎖港口和航道。攻擊型UUV從敵防區(qū)外釋放, 以中低速(4～12 kn)航渡上千公里至預(yù)定的控制或封鎖海域; 到達(dá)就位點后, 以低速(4 kn左右)巡航模式搜索目標(biāo); 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后解算目標(biāo)運(yùn)動要素并占領(lǐng)攻擊陣位, 變高速(35 kn以上)攻擊模式直接對目標(biāo)實施打擊。

為滿足大深度反潛作戰(zhàn)需求, 魚雷最大作戰(zhàn)深度應(yīng)覆蓋目標(biāo)潛艇最大下潛深度。例如, 美國“海狼”級核潛艇航深達(dá)到610 m, 前蘇聯(lián)“阿爾法”級核潛艇航深達(dá)到900 m[1]。

能源動力系統(tǒng)作為水下攻防武器的心臟, 是將水下攻防武器自身攜帶能源的化學(xué)能或電能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)其航行的機(jī)械功, 其性能和特點不僅決定了魚雷武器主要戰(zhàn)技指標(biāo)(航程、航速及航深), 同時也決定了其隱蔽性、維修性和安全性等方面的性能。為滿足上述作戰(zhàn)任務(wù)需求, 并適應(yīng)于水下特殊環(huán)境(海水阻力和壓力等), 對水下攻防武器的能源動力系統(tǒng)提出了以下獨(dú)特要求:

1) 在有限的體積和質(zhì)量約束下, 所用的能源形式具有高能量密度的特點, 所用的動力形式具有高比功率和高效率的特點, 以滿足水下攻防武器的航速和航程需求;

2) 能夠不依賴大氣中的氧氣獨(dú)立工作, 克服航行深度變化帶來的海水背壓影響, 保證推進(jìn)功率基本穩(wěn)定;

3) 具備多速制工作能力, 以增大航程, 提高隱蔽性等, 滿足多任務(wù)功能需求;

4) 具有盡可能低的振動能級與輻射噪聲, 具有寬頻域的聲隱身性能, 既不影響自導(dǎo)系統(tǒng)工作, 又避免被敵方探測, 如有廢工質(zhì)排出, 應(yīng)盡可能溶解于海水, 降低航跡影響;

5) 可多次重復(fù)使用;

6) 存儲周期長, 儲存后能快速可靠啟動工作;

7) 具有高安全性, 攜帶無腐蝕和無毒(或低毒)能源;

8) 工作可靠, 便于維護(hù)操作和使用。

上述特殊要求使得水下攻防武器的能源動力技術(shù)獨(dú)具特色、自成體系, 其他行業(yè)成熟的能源動力形式難以采用, 因此一直是困擾水下攻防武器性能大幅提升的重大技術(shù)瓶頸。

文中以魚雷和UUV為重點, 分析了水下攻防武器能源動力系統(tǒng)的特點, 介紹了國外在水下攻防武器能源動力領(lǐng)域的研究歷程和最新進(jìn)展, 結(jié)合水下攻防作戰(zhàn)需求, 探討了水下攻防武器能源動力技術(shù)的發(fā)展趨勢, 并對我國水下攻防武器能源動力技術(shù)未來發(fā)展的重點方向提出建議。

1 水下攻防武器能源動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 魚雷能源動力技術(shù)

1.1.1 美國

美國擁有雄厚的經(jīng)濟(jì)實力、工業(yè)生產(chǎn)能力以及科技后盾, 是魚雷能源動力領(lǐng)域的頭號強(qiáng)國。20世紀(jì)50年代之前, 美國魚雷以電動力為主。具體來說, 除MK16和MK17魚雷使用烴燃料+H2O2為能源、渦輪機(jī)為動力, MK40魚雷使用固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)外, 其余如MK27～MK45、MK47等十多個型號均為電動力。20世紀(jì)50年代以后, 美國魚雷逐漸轉(zhuǎn)為以熱動力為主。圖1歸納了美國魚雷裝備及其能源動力技術(shù)的發(fā)展歷程。

在輕型魚雷方面, 采用OTTO-II單組元燃料、凸輪活塞式發(fā)動機(jī)研制了63 kW功率的熱動力系統(tǒng), 用于MK46 Mod1～Mod7和MK54高性能輕型反潛魚雷, 構(gòu)建了美國半個多世紀(jì)的輕型反潛魚雷發(fā)展基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代后, 為對抗前蘇聯(lián)1000 m大深度雙層核動力潛艇, 歷經(jīng)20多年發(fā)展了以Li/SF6金屬能源、高速蒸汽渦輪機(jī)為標(biāo)志的閉式循環(huán)熱動力系統(tǒng), 使輕型魚雷航速達(dá)到50 kn, 航深達(dá)到1100m, 該熱動力系統(tǒng)應(yīng)用于MK50魚雷。

圖1 美國魚雷裝備及其能源動力技術(shù)發(fā)展歷程

在重型魚雷方面, 自20世紀(jì)60年代中期提出發(fā)展OTTO-II燃料的MK48熱動力通用重型魚雷, 奠定了活塞發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)在MK48系列魚雷上的應(yīng)用基礎(chǔ), 之后在減振降噪、增加速制、降低低速下限和提升高速上限等方面不斷改進(jìn), 形成Mod3、Mod4、Mod4M、Mod5(ADCAP)、Mod6AT和Mod7等系列產(chǎn)品[2]。

1) OTTO-II單組元燃料活塞機(jī)動力系統(tǒng)

為滿足324 mm直徑輕型反潛魚雷需求, 美國研發(fā)了采用OTTO-II單組元燃料, 功率為63～ 120 kW的一系列對轉(zhuǎn)輸出的筒型軸向活塞發(fā)動機(jī), 其動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)分為雙向凸輪和周轉(zhuǎn)斜盤式兩類。功率63 kW的動力裝置采用單速制和雙速制工作模式, 使用5缸對轉(zhuǎn)軸向活塞發(fā)動機(jī), 雙向正弦凸輪式動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及固定燃燒室, 應(yīng)用于MK46和MK54魚雷。

為滿足533 mm直徑重型魚雷需求, 美國研發(fā)了采用OTTO-II單組元燃料、功率150～400 kW的一系列單軸輸出的斜盤活塞發(fā)動機(jī)。動力系統(tǒng)為雙速制或三速制, 旋轉(zhuǎn)燃燒室最大工作壓力為35 MPa, 大功率發(fā)動機(jī)采用單轉(zhuǎn)輸出, 低功率發(fā)動機(jī)采用單轉(zhuǎn)或?qū)D(zhuǎn)輸出, 應(yīng)用于MK48魚雷。MK48魚雷能源動力系統(tǒng)在其后續(xù)改進(jìn)的重點是滿足55 kn高速制和28 kn低速制的三速制工作和減振降噪改進(jìn), 其改進(jìn)過程及要點見圖2。

2) OTTO-II單組元燃料渦輪機(jī)動力系統(tǒng)

美國重型魚雷用燃?xì)鉁u輪機(jī)動力系統(tǒng)1962年開始立項, 并由美國西屋電氣公司研制, 使用OTTO-II單組元燃料, 開式循環(huán)工作, 單軸輸出功率260 kW。在與活塞發(fā)動機(jī)動力競標(biāo)失敗后, 西屋電氣公司提出了具有噪聲小、功率大特點的渦輪機(jī)動力改進(jìn)方案, 最終應(yīng)用于英國“旗魚”魚雷。

圖2 MK48魚雷能源動力系統(tǒng)研制及改進(jìn)歷程

3) Li/SF6能源閉式循環(huán)動力系統(tǒng)

貯存化學(xué)能推進(jìn)系統(tǒng)(stored chemical energy propulsion system, SCEPS)是一種基于Li/SF6能源的閉式循環(huán)汽輪機(jī)動力系統(tǒng), 具有無乏工質(zhì)航跡、工作效率與深度無關(guān)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、能量密度和功率密度高等優(yōu)點, 其采用的閉式蘭金循環(huán)的理想轉(zhuǎn)換效率為33%, 實際轉(zhuǎn)換效率為21%。該系統(tǒng)首先由美國TRW公司提出并研制, 之后由賓夕法尼亞州立大學(xué)接管繼續(xù)研究, 可稱之為魚雷能源動力領(lǐng)域的劃時代發(fā)明。在此基礎(chǔ)上, 美國進(jìn)一步開發(fā)了更先進(jìn)的ADSCEPS(advanced SCEPS)系統(tǒng), 大幅提高了蘭金循環(huán)效率, 并應(yīng)用于MK50輕型反潛魚雷。但是, 該系統(tǒng)比MK46魚雷能源動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 制造和使用成本相對較高, 加之國際形勢發(fā)生變化, 因而未大批量裝備部隊。

近年來, 以“緊湊型快速攻擊武器”計劃為背景, 美國重拾Li/SF6能源閉式循環(huán)汽輪機(jī)動力系統(tǒng)的研發(fā), 以替代高成本零部件, 并提高系統(tǒng)可靠性。2020年, 美國諾斯羅普·格魯曼公司將該技術(shù)應(yīng)用于171 mm口徑超輕型魚雷原型樣機(jī)并測試成功。目前, 該超輕型魚雷項目已列入美海軍研制計劃, 裝備“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇。

1.1.2 俄羅斯

俄羅斯繼承了前蘇聯(lián)的雄厚基礎(chǔ), 緊跟世界技術(shù)發(fā)展潮流, 形成獨(dú)有的技術(shù)發(fā)展道路。20世紀(jì)30～40年代, 前蘇聯(lián)以重型反艦魚雷為目標(biāo), 自主研發(fā)煤油+空氣(氧氣)為能源的活塞發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng), 同時引進(jìn)德國技術(shù)和人才發(fā)展煤油+ H2O2為能源的渦輪發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)。50～60年代, 在將上述技術(shù)形成多型魚雷裝備的同時, 開始反潛/反艦通用魚雷能源及動力技術(shù)的探索。70～80年代, 發(fā)展了單組元燃料斜盤活塞發(fā)動機(jī)和金屬水反應(yīng)燃料閉式循環(huán)動力技術(shù), 并系統(tǒng)開展了魚雷振動噪聲特性及控制措施的研究。進(jìn)入90年代, 由于國家局勢動蕩, 其魚雷能源動力技術(shù)發(fā)展速度放緩, 但也減少了海軍不切實際需求的干擾, 憑借雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)在斜盤活塞發(fā)動機(jī)、HAP三組元渦輪機(jī)技術(shù)研究和相應(yīng)魚雷裝備研制中取得了突破, 在滿足俄羅斯海軍需求的同時進(jìn)入國際市場。圖３歸納了俄羅斯魚雷裝備及其能源動力技術(shù)的發(fā)展歷程。

圖3 俄羅斯魚雷裝備及其能源動力技術(shù)發(fā)展歷程

1) H2O2+煤油+海水三組元燃料渦輪機(jī)動力系統(tǒng)

以H2O2+煤油+海水為能源的燃?xì)鉁u輪機(jī)動力系統(tǒng)是前蘇聯(lián)在20世紀(jì)40～70年代重點研究的魚雷能源動力技術(shù), 研制了3型反艦魚雷用渦輪機(jī)動力系統(tǒng), 其輸出功率由320 kW增加到1070 kW, 支撐了8型魚雷型號, 使得魚雷最高航速達(dá)到70 kn, 最大航程達(dá)到50 km。解決的重大技術(shù)問題和取得的標(biāo)志性成果有:

a. 掌握了使用固體催化劑分解H2O2, 使用分解產(chǎn)物點燃碳?xì)浠衔锶剂?

b. 使用海水作為渦輪發(fā)動機(jī)工質(zhì)成分, 在寬溫度范圍確保海水噴入條件下H2O2與煤油的有效燃燒;

c. 可變傳動比減速器的魚雷渦輪發(fā)動機(jī);

d. 含2個燃燒室和噴嘴的渦輪機(jī)調(diào)控系統(tǒng), 保證任何深度下雙速制恒定功率輸出;

e. H2O2的長期貯存和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng);

f. 通過采取減震降噪措施, 渦輪機(jī)動力的振動能級比活塞機(jī)動力低20～30 dB。

2) OTTO-II單組元燃料活塞機(jī)動力系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代末～80年代, 為了發(fā)展大深度通用型魚雷, 在深入了解和掌握美英等國魚雷動力技術(shù)的基礎(chǔ)上, 前蘇聯(lián)研究了OTTO-II單組元燃料和高比功率活塞發(fā)動機(jī)等技術(shù), 研制出仿美國MK46魚雷的ДП-294凸輪活塞發(fā)動機(jī)、200 kW的ДПО-14對置式凸輪活塞發(fā)動機(jī)、510 kW斜盤活塞發(fā)動機(jī)。上述研究成果雖然大部分未形成裝備, 但為后續(xù)通用型魚雷發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

進(jìn)入90年代國家動蕩的艱難時期, 俄羅斯研發(fā)了345 kW和460 kW斜盤活塞發(fā)動機(jī), 形成了50 kn和55 kn通用重型魚雷裝備, 其最大航深達(dá)到500 m, 滿足40～50 km的作戰(zhàn)航程需求。在輕型反潛魚雷方面, 研發(fā)了110 kW的斜盤活塞發(fā)動機(jī), 裝備于30～50 kn雙速制輕型反潛魚雷, 最大航程達(dá)到20 km, 最大航深達(dá)到600 m。

3) OTTO-II+HAP+海水三組元燃料渦輪機(jī)動力系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代末～80年代, 前蘇聯(lián)研制了直徑650 mm反艦魚雷用920 kW和1 060 kW兩型大功率雙速制渦輪機(jī)動力系統(tǒng), 采用OTTO-II單組元燃料, 完成了陸上臺架和實航驗證, 最大航速時航行深度600 m, 降速后最大航行深度可達(dá)800 m。雖然直徑650 mm魚雷最終選擇了H2O2+煤油+海水三組元燃料渦輪機(jī)動力系統(tǒng)方案, 但上述研究工作為渦輪機(jī)動力系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

進(jìn)入90年代國家動蕩的艱難時期, 為彌補(bǔ)經(jīng)費(fèi)的不足, 俄羅斯研制了面向國際市場的線導(dǎo)通用重型魚雷UGST, 其采用OTTO-II單組元燃料和斜盤活塞發(fā)動機(jī)[3]。為提升UGST魚雷性能以獲得更多國際訂單, 隨后將其動力系統(tǒng)升級為HAP+OTTO-II+海水三組元燃料的渦輪機(jī)動力系統(tǒng), 可實現(xiàn)最高航速65 kn, 最大航深400 m, 混合航程60 km。

4) 半閉式與閉式循環(huán)動力系統(tǒng)

在1966～1968年期間, 前蘇聯(lián)開發(fā)了異丙基碳硼烷+92%～95% H2O2能源的大深度、大功率半閉式循環(huán)渦輪機(jī)動力系統(tǒng), 其能量密度比煤油+ H2O2高30%, 燃燒產(chǎn)物中不可凝氣體減小3/5。該型動力系統(tǒng)僅完成部分參數(shù)的功率試驗, 可滿足500～600 m最大航深范圍內(nèi)55 kn的魚雷航速需求, 但未達(dá)到800 kW的預(yù)定功率指標(biāo)。1969～ 1985年, 前蘇聯(lián)開發(fā)了金屬水反應(yīng)能源的多速制、1 000 kW閉式循環(huán)渦輪機(jī)動力系統(tǒng)。其顯著特點是采用已在超空泡魚雷驗證、30～40 mm/s燃燒速度的鎂金屬藥柱, 實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的閉式循環(huán)工作, 不受海水背壓影響; 采用了魚雷頭部排出燃燒產(chǎn)物的排氣方式, 實現(xiàn)了輻射噪聲的屏蔽, 沒有明顯的航跡。在研制過程中共完成近900次的陸上臺架和實航試驗, 僅燃料燃燒系統(tǒng)試驗就進(jìn)行了110次, 形成了幾十項技術(shù)發(fā)明。但是由于研制周期過長、國家財政經(jīng)濟(jì)困難等因素影響, 特別是受OTTO-II單組元燃料活塞發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)研制進(jìn)展順利的影響, 上述項目在進(jìn)入國家發(fā)展計劃前被取消。

5) 金屬燃料水反應(yīng)發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)

金屬水反應(yīng)沖壓發(fā)動機(jī)是俄羅斯獨(dú)具創(chuàng)新的魚雷能源動力技術(shù), 應(yīng)用于世界首創(chuàng)的超空泡反艦魚雷“暴風(fēng)雪”[3]。該發(fā)動機(jī)是以Mg基金屬燃料與海水反應(yīng)生成工質(zhì), 以推動魚雷在水下空泡流場中以200 kn以上航速高速航行, 其航程可達(dá)10 000 m。

6) 渦輪噴水發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)

渦輪噴水發(fā)動機(jī)也是俄羅斯獨(dú)具創(chuàng)新的魚雷能源動力技術(shù), 應(yīng)用于直徑400 mm輕型反潛魚雷A3。該發(fā)動機(jī)在水下點燃固體藥柱產(chǎn)生燃?xì)? 燃?xì)鈳訙u輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動泵噴推進(jìn)器, 可使A3魚雷實現(xiàn)60 kn的航速, 最大深度為400～800 m, 最大航程為900～3400 m。

7) 核動力系統(tǒng)

2018年, 俄羅斯總統(tǒng)普京在國情咨文中公開了“波塞冬”核動力魚雷。同年, 俄羅斯國防部首次公開了“波塞冬”核動力魚雷的測試畫面。據(jù)稱該雷直徑為1.5 m, 長24 m, 采用核動力推進(jìn), 攜帶核戰(zhàn)斗部, 具備跨洲際打擊敵方沿岸目標(biāo)和航母編隊的能力。分析公開資料可知, “波塞冬”核動力魚雷采用了尺寸小、啟動快、功率密度高的核反應(yīng)堆, 其中液態(tài)金屬冷卻核反應(yīng)堆可能性較大, 且與亞歷山德羅研究所研制的AMB-8型核反應(yīng)堆密切相關(guān)。

1.1.3 歐洲

20世紀(jì)50年代, 由于核動力潛艇的發(fā)展, 潛艇航行深度大大增加, 不受背壓影響的電動力魚雷成為反潛的主要武器, 法、德、意等歐洲海軍強(qiáng)國開始大力發(fā)展魚雷電動力技術(shù), 重點解決高能量密度和使用安全的魚雷動力電池。20世紀(jì)50年代以前, 電動力魚雷均采用傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池。60年代前后, 重型魚雷先后采用Ag-Zn二次電池和一次電池, 輕型魚雷則采用Mg/AgCl海水電池。80年代末又成功研制輕型和重型魚雷用的Al/AgO電池。另一方面, 英國和瑞典對熱動力技術(shù)有較強(qiáng)的自主研發(fā)能力, 逆勢研制了OTTO- II+HAP+海水三組元燃料渦輪機(jī)動力系統(tǒng)和煤油+ H2O2雙組元燃料凸輪活塞發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng), 走出了具有自己特色的獨(dú)立發(fā)展道路。

1) Al/AgO電池+無刷直流電機(jī)動力系統(tǒng)

Al/AgO電池是戰(zhàn)雷用一次電池, 以鋁合金為負(fù)極, AgO為正極, 電解液以固態(tài)儲存的NaOH為溶質(zhì), 以海水為溶劑, 采用雙極性堆式結(jié)構(gòu)。Al/AgO電池最初由美國海軍水下戰(zhàn)中心于20世紀(jì)70年代按相關(guān)專利開展應(yīng)用研究, 原擬作為先進(jìn)輕型魚雷(advanced lightweight torpedo, ALWT)的備選方案, 后由于選用SCEPS而中斷了發(fā)展。法國海軍裝備技術(shù)局于1977年委托SAFT公司繼續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究, 1980年正式按新一代輕型魚雷的要求進(jìn)行研制, 并于1986年首次進(jìn)行海上實航試驗, 為1990年服役的法國“海蟮”輕型反潛魚雷和1999年服役的法國、意大利兩國共同研制的MU90輕型反潛魚雷所采用[4]。在重型魚雷方面, 意大利的“黑鯊”魚雷[5]、法國的F21魚雷以及德國的DM2A4魚雷[6]均采用了Al/AgO電池。

2) OTTO-II+HAP+海水三組元燃料渦輪機(jī)動力系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代末, 馬可尼公司按英國海軍參謀部第7525項要求決定研制一種可與美國MK48 ADCAP型魚雷競爭的新型自導(dǎo)熱動力重型魚雷——“旗魚”魚雷。該魚雷以O(shè)TTO-II+ HAP+海水三組元燃料為能源, 采用從美國購買的MK48 Mod2型魚雷的渦輪機(jī)技術(shù), 研發(fā)了可變速的21TP01渦輪機(jī), 采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制, 通過改變變量泵斜盤角的方法調(diào)節(jié)燃料供應(yīng), 實現(xiàn)動力系統(tǒng)的速制轉(zhuǎn)換以及變條件下的恒功率輸出。通過使用HAP氧化劑極大地提高了魚雷的航速, 其最大航速達(dá)到70 kn, 航程40～54 km, 最大作戰(zhàn)深度約900 m。

3) H2O2+煤油雙組元燃料活塞機(jī)動力系統(tǒng)

瑞典一直以H2O2為氧化劑發(fā)展能源動力技術(shù), 在研究多種燃料的基礎(chǔ)上, 選擇了85% H2O2和15%煤油配比的雙組元燃料, 研制了七缸軸向凸輪活塞發(fā)動機(jī), 并應(yīng)用于TP62和TP2000重型魚雷。為減小發(fā)動機(jī)的振動傳遞, 整個發(fā)動機(jī)安裝在魚雷殼體內(nèi)的隔振元件上, 并選擇較低的工作轉(zhuǎn)速, 使得與活塞相連的滾子與凸輪在運(yùn)動過程始終接觸。排出的廢氣經(jīng)包圍在發(fā)動機(jī)外圍的冷凝器凝結(jié)成液態(tài)水和氣, 冷卻水被回收利用, 剩余的CO2經(jīng)兩級壓縮排除雷外。由于CO2溶于海水, 因而魚雷航跡不明顯, 有利于隱身。

1.1.4 日本

日本是世界上較早使用魚雷和自行研制魚雷的國家之一。19世紀(jì)末, 日本在中日甲午戰(zhàn)爭和日俄海戰(zhàn)中首先大量使用了從國外購買的魚雷。 1910年, 其自行研制的第一型43式魚雷問世, 使日本進(jìn)入世界魚雷生產(chǎn)國之列。第二次世界大戰(zhàn)前, 日本魚雷有了較大發(fā)展, 研制出了20多種新型魚雷。其中, 1933年研制的93式氧氣魚雷, 直徑為610 mm, 航速49 kn, 航程為20 km, 是當(dāng)時直徑最大、速度最快、航程最遠(yuǎn)的魚雷。二戰(zhàn)后, 日本戰(zhàn)敗, 魚雷事業(yè)一度蕭條。20世紀(jì)50年代中期, 日本建立海上自衛(wèi)隊, 靠購買美國魚雷供部隊使用。雖確立了自行開發(fā)國產(chǎn)魚雷的方針, 但自行研制僅處于起步摸索階段。60年代初, 日本經(jīng)濟(jì)逐漸恢復(fù), 在美國的支持下開始重建魚雷工業(yè), 在防衛(wèi)廳下成立了第五(魚雷)研究所承擔(dān)魚雷研制工作, 并確立長崎制造廠、日立制造廠、神戶制鋼廠、日本電氣和三中電氣等為魚雷及其發(fā)射裝置的生產(chǎn)基地, 又在相模灣建立了魚雷靶場, 從而形成魚雷科研、生產(chǎn)和試驗一條龍體系。

縱觀日本戰(zhàn)后幾十年魚雷的發(fā)展, 一方面緊跟美國, 盡可能引進(jìn)美國當(dāng)時先進(jìn)的魚雷; 另一方面在消化、借鑒美國先進(jìn)魚雷技術(shù)的基礎(chǔ)上開展獨(dú)立研制, 力圖在動力等關(guān)鍵性能方面趕超美國。例如日本89式魚雷, 它是一型反潛反艦通用重型魚雷, 于70年代初參照美國MK48Mod1型魚雷研制, 于1989年定型小批量生產(chǎn)并服役, 其能源動力系統(tǒng)采用酒精+H2O2、具有強(qiáng)制排氣功能的斜盤活塞機(jī)動力系統(tǒng), 滿足航速40 kn和55 kn雙速制工作, 最大工作深度為900 m, 混合航程50 km。由于酒精+H2O2雙組元燃料比OTTO-II單組元燃料能量密度更高, 使得89式魚雷的性能甚至優(yōu)于MK48Mod1型魚雷。又如日本97式魚雷, 它是一型輕型反潛魚雷, 于80年代初參照美國MK50魚雷研制, 采用Li+SF6能源閉式循環(huán)動力系統(tǒng)。2012年, 日本開始研發(fā)新一代GRX-6潛用重型魚雷, 其最突出的特點在于能源動力技術(shù), 由于采用了氫氧能源, 可使航程提高至80 km, 航深提高至1 200 m。

1.2 UUV能源動力技術(shù)

1.2.1 美國

美國海軍迄今已開展多項裝備攻擊型核潛艇的UUV項目計劃, 包括近期水雷偵察系統(tǒng)(near- term mine reconnaissance system, NMRS)、遠(yuǎn)期水雷偵察系統(tǒng)(long-term mine reconnaissance system, LMRS)、任務(wù)重組式UUV(mission reconfigurable UUV, MRUUV)、大直徑MRUUV(large diameter MRUUV, LDMRUUV)以及“曼塔”(Manta)探索型UUV等。圖4為美國研制的各型UUV。

圖4 美國研制的各型UUV

進(jìn)入21世紀(jì)后, 美國海軍提出“21世紀(jì)海上力量”戰(zhàn)略構(gòu)想, 計劃將在2030年前組建一支由2 000艘不同級別UUV組成的水下艦隊, 主要用于淺海、近岸、港口處對敵情報搜索和偵查監(jiān)視, 進(jìn)行反潛戰(zhàn)和反水雷作戰(zhàn), 滿足國防和反恐需求[7]。2004年, 美國海軍又發(fā)布了新的UUV發(fā)展規(guī)劃, 提出為適應(yīng)長期情報監(jiān)視、偵查或作戰(zhàn)需求, 需研發(fā)長續(xù)航力、高可靠性的能源動力系統(tǒng), 將現(xiàn)有UUV續(xù)航力從10～40 h提高至幾天甚至幾周[8]。在上述需求的刺激下, 美國的民用UUV公司開始涉足軍用UUV領(lǐng)域并獲得成功, 例如Remus系列、Bluefin系列UUV均是從民用成熟產(chǎn)品改進(jìn)而來, 其動力電池普遍采用鋰離子電池。但鋰離子電池的能量密度提升空間有限, 為滿足UUV未來發(fā)展需求, 可實現(xiàn)更高能量密度的燃料電池逐漸受到美國海軍重視[9]。

1) 鋰離子電池

鋰離子電池是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的電池之一, 其具有比能量高、電動勢高、循環(huán)使用壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。自1990年日本將鋰離子電池商品化以來, 其優(yōu)越的性能獲得了世界各國的關(guān)注。21世紀(jì)初, UUV開始應(yīng)用鋰離子電池, 其航速和續(xù)航力都得到了一定程度的提高。隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步, 其性能提升的同時成本進(jìn)一步降低, 并逐步替代銀鋅電池等成為UUV普遍使用的電池。例如美國的REMUS系列和Bluefin系列UUV(見圖5)均采用了鋰離子電池[10]。

圖5 Bluefin-12D UUV及其鋰離子電池

2) 燃料電池

2011年, 美國發(fā)布了2項燃料電池動力UUV項目, 分別為大直徑UUV(large displacement UUV, LDUUV)創(chuàng)新性海軍樣機(jī)項目和長航時UUV (long endurance UUV, LEUUV)未來海軍能力項目。LDUUV項目旨在研制一型直徑48 inch(約1.22 m)的大排水量UUV, 通過港口布放和回收, 可在公海潛航或在近海執(zhí)行超視距任務(wù)。LDUUV項目要求燃料電池容量達(dá)到1.8 MWh, 比能量達(dá)到1 000 Wh/L, 從而將續(xù)航力增加至70 d, 期間可加注燃料實現(xiàn)多次啟停[11]。LEUUV項目旨在研制一型直徑21 inch(約0.53 m) UUV, 要求其燃料電池動力系統(tǒng)比能量達(dá)到300～500 Wh/L, 續(xù)航力30 h, 期間可加注燃料實現(xiàn)多次啟停[12]。2012年, 美國海軍研究局分別向General Atomics公司、Sierra Lobo公司、UTC公司、Nextech材料公司、Lynntech公司、Fuel cell Energy公司等多家公司和研究機(jī)構(gòu)授予合同, 為LDUUV和LEUUV項目研發(fā)燃料電池動力系統(tǒng), 相關(guān)研究進(jìn)展歸納如下。

a. 20世紀(jì)90年代, United Technologies Cor- poration公司(后更名為International Fuel Cells公司)在美國國防部高級研究計劃局的資助下研制了由4個質(zhì)子交換膜燃料電池組成的15 kW推進(jìn)系統(tǒng), 擬應(yīng)用于48 inch(約1.22 m)直徑的UUV。該系統(tǒng)已完成了500 h實驗室測試, 但未進(jìn)行海上實航試驗[13-14]。

b. 2012年, 美國海軍研究署授子Fuel cell Energy公司380萬美元研發(fā)合同, 用于為LDUUV研制固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)以JP-l0燃油和液氧為燃料, 可產(chǎn)生1 800 kWh的電能, 滿足LDUUV航行70 d的需求。Fuel cell Energy公司已完成280 kW固體氧化物燃料電池研制和28 000 h壽命測試[15]。

c. General Atomic公司和Infinity公司聯(lián)合研制了用于LDUUV的5 kW質(zhì)子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)。其中: Infinity公司負(fù)責(zé)研制燃料電池, 其特點是采用了先進(jìn)的被動排水技術(shù)和簡化的輔機(jī)設(shè)計[16]; General Atomic公司負(fù)責(zé)研制鋁水反應(yīng)制氫裝置, 已完成40 h不間斷測試[17]。

d. 2014年, Nextech公司(后更名為Nexceris公司)研制了用于LEUUV的固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng), 采用JP-l0燃油和液氧為燃料, 可提供2.5 kW輸出功率和40 h續(xù)航時間[18]。

e. Lynntech公司研制了用于LEUUV的質(zhì)子交換膜燃料電池動力系統(tǒng), 采用硼氫化鈉和H2O2作為燃料。燃料電池產(chǎn)生的水可與硼氫化鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣[19]。

f. 2011年, API公司研制了氯酸鈉制氧裝置, 可產(chǎn)生50 kg氧氣。該制氧裝置隨后與Nextech公司的固體氧化物燃料電池動力系統(tǒng)集成, 并應(yīng)用于LEUUV[20-21]。

g. Sierra Lobo公司在LEUUV項目資助下研制了質(zhì)子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)(見圖6), 采用液氫和液氧作為能源, 燃料電池輸出功率10 kW, 續(xù)航時間85 h。 Sierra Lobo公司針對液態(tài)氫氧能源突破了套管式反應(yīng)預(yù)熱、多層絕熱、低溫液體質(zhì)量傳感器、脈沖管式冷卻等關(guān)鍵技術(shù), 結(jié)合Teledyne公司專門研發(fā)的質(zhì)子交換膜燃料電池, 使燃料電池動力系統(tǒng)的比能量達(dá)到350 Wh/kg以上[22]。

圖6 Sierra Lobo公司研制的LEUUV及其燃料電池

1.2.2 德國

德國ATLAS Elektronik公司研發(fā)了著名的“海鰭”魚雷。2001年, 該公司啟動了DeepC UUV的研制工作[23]。DeepC UUV有3個相連的艙室, 1個是載荷艙, 另外2個動力艙各裝有1個質(zhì)子交換膜燃料電池(見圖7)。該燃料電池由ZSW公司研制, 每個燃料電池含30個電池單體, 輸出功率1.8 kW。氫氣和氧氣分別儲存在35 MPa和25 MPa的氣瓶中, 可提供140 kWh的總能量[24]。

1.2.3 法國

法國HELION公司是核電巨頭AREVA集團(tuán)的子公司。2005年, 該公司啟動了IDEF UUV的研制工作(見圖8)。該UUV采用的質(zhì)子交換膜燃料電池由63個電池單體組成, 輸出功率1.5 kW, 額定工況下效率約為55%。該燃料電池安裝在一個充滿氮?dú)獾拿芊馊萜鲀?nèi), 使其在惰性環(huán)境中工作, 以防止氣體泄漏和氫氧混合爆炸。氫氣和氧氣分別儲存在30 MPa和25 MPa的氣瓶中, 可提供36 kWh的總能量。2009年10月, IDEF UUV共進(jìn)行了7次下潛航行試驗, 2次試驗間隙采用標(biāo)準(zhǔn)的氫氧氣瓶為其加注燃料, 氫氧加注時間均不超過1 h, 顯著小于電池充電所需時間[25]。

圖7 DeepC UUV及其燃料電池

圖8 IDEF UUV及其燃料電池

1.2.4 日本

日本三菱重工從1998年開始研制Urashima UUV(見圖9)[26]。該UUV采用2個2 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池, 利用金屬氫化物為燃料電池供氫[27]。為防止氫氣泄露, 采用2個鈦金屬殼體的壓力容器將燃料電池和金屬氫化物分別包裹。氧氣儲存在容積0.5 m3、壓力為14.7 MPa的高壓罐中。在2005年2月的海試中, Urashima UUV創(chuàng)造了單次航行317 km的新紀(jì)錄, 所用航時為56 h, 平均航速約為3 kn, 航深800 m[28]。

圖9 Urashima UUV及其燃料電池

2 水下攻防武器能源動力技術(shù)發(fā)展趨勢

從未來水下攻防作戰(zhàn)任務(wù)需求出發(fā), 水下攻防武器正朝著“更快、更遠(yuǎn)、更深、更靜”的方向發(fā)展, 同時也對能源動力系統(tǒng)提出了獨(dú)特的要求。分析水下攻防武器能源動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀, 其技術(shù)發(fā)展目標(biāo)始終圍繞尋求更高能量密度的新能源和更高功率密度的新動力。其中, 新能源必將受到格外的重視, 新能源的應(yīng)用必將牽引新動力的開發(fā), 從而帶來水下攻防武器新的變革。

2.1 高能量密度新能源技術(shù)

2.1.1 熱動力能源技術(shù)

各種熱動力能源性能參數(shù)及優(yōu)缺點分析如表1所示。通過分析得到熱動力能源的發(fā)展趨勢如下。

表1 熱動力能源性能參數(shù)及優(yōu)缺點

1) 魚雷

OTTO-II單組元燃料一直是魚雷使用的主要能源, 其有利于簡化能源供應(yīng)系統(tǒng), 但能量密度提升空間有限。

三組元燃料(H2O2+煤油+海水、OTTO-II+HAP +海水)的能量密度高于單組元燃料, 且具有良好的航跡隱身性, 但會增加能源供應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。三組元燃料的未來發(fā)展重點是安全性較好的OTTO- II+HAP+海水三組元燃料。

Li+SF6(鍋爐反應(yīng)器)、金屬水反應(yīng)燃料均是以活潑金屬為基礎(chǔ), 其能量密度比三組元燃料更高, 且可實現(xiàn)動力系統(tǒng)的閉式循環(huán)工作, 降低成本后是未來魚雷新能源開發(fā)的主攻方向。

核能源具有近乎無限的能量密度, 是戰(zhàn)略型魚雷的終極能源, 可使魚雷具備跨洲際打擊能力。

2) UUV

Li+SF6韋克(Wick)燃燒的熱管反應(yīng)器, 可與蘭金循環(huán)汽輪機(jī)、布雷頓循環(huán)渦輪機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)等組成閉式循環(huán)動力系統(tǒng), 適用于UUV小功率、長時間工作的應(yīng)用場合, 其能量密度比較高, 是UUV能源的發(fā)展方向之一。

2.1.2 電動力能源技術(shù)

各種電動力能源的理論比能量如表2所示。通過分析得到電動力能源的發(fā)展趨勢如下。

表2 電動力能源性能參數(shù)

1) 魚雷

各國海軍現(xiàn)役的魚雷動力電源主要為水系貯備一次動力電池, 如Mg/AgCl電池、Mg/CuCl電池、Zn/AgO電池、Al/AgO電池等。雖然水系貯備一次動力電池受制于穩(wěn)定工作電壓偏低, 導(dǎo)致其質(zhì)量比能量較有機(jī)體系能量密度低; 但水系電池電導(dǎo)率較高、熱容大的優(yōu)勢能幫助其在大功率成組時具備更高的體積比能量, 且較易實現(xiàn)電池組的熱管控。

以Li/CFx電池、貯備式金屬氧化物鋰電池等為代表的有機(jī)體系高能電池雖然具有更高的能量密度, 但其在有限體積內(nèi)大功率電池組高速工況下容易熱聚集, 進(jìn)一步解決熱管理問題后, 可能成為未來魚雷動力電源的主要發(fā)展方向。

2) UUV

各國海軍現(xiàn)役的UUV電源主要為鋰離子電池, 具有比能量高、電動勢高、循環(huán)使用壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點, 將會長期用于UUV。

燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比熱機(jī)高2～3倍, 而氫氧能源是目前可預(yù)見的能量密度最高的非核能源, 燃料電池結(jié)合氫氧能源可實現(xiàn)高于一次電池和二次電池的能量密度, 是極具潛力的UUV動力電源。

2.1.3 混合能源技術(shù)

1) 熱-電混合能源

熱動力能源和電動力能源可構(gòu)成熱-電混合能源, 具有技術(shù)成熟度高、使用成本便宜等優(yōu)點, 是UUV的能源方案之一, 例如美國海軍近期采購的波音公司“虎鯨”UUV即采用了柴油/鋰電池混合能源系統(tǒng)。

2) 電-電混合能源

燃料電池和大倍率一次電池可構(gòu)成電-電混合能源, 充分利用氫氧能源能量密度高、燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高的特點, 提高航程; 另一方面, 利用一次電池功率密度高、放電倍率大的特點, 提高航速。這種電-電混合能源既有高能量密度高, 又有高功率密度, 是水下攻防武器動力電源的重要發(fā)展方向。

2.2 高功率密度新動力技術(shù)

2.2.1 熱機(jī)技術(shù)

熱機(jī)發(fā)展重點在于開發(fā)體積緊湊、質(zhì)量輕、功率大、效率高的原動機(jī), 其具體發(fā)展趨勢分析如下。

1) 魚雷

活塞發(fā)動機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性和深度特性較好, 對深度的變化不敏感, 但受魚雷尺寸、質(zhì)量和材料機(jī)械性能等限制, 進(jìn)一步提高功率十分困難。目前, 輕型魚雷活塞發(fā)動機(jī)功率可達(dá)100 kW級, 重型魚雷活塞發(fā)動機(jī)功率可達(dá)500 kW級。

渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、輸出功率大、工作可靠, 可大幅提高魚雷航速。目前, 重型魚雷渦輪發(fā)動機(jī)功率可達(dá)1 000 kW級, 采取減振降噪措施后渦輪發(fā)動機(jī)的振動能級將顯著低于活塞發(fā)動機(jī)。另外, CO2超臨界工質(zhì)渦輪發(fā)動機(jī)采用布雷頓熱力循環(huán), 可大幅提高功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率, 是未來渦輪發(fā)動機(jī)的重點發(fā)展方向。

金屬燃料水反應(yīng)發(fā)動機(jī)屬于固液混合的火箭發(fā)動機(jī), 可直接推動魚雷在水下航行, 使魚雷航速達(dá)到200 kn以上, 適用于超空泡魚雷。

2) UUV

蘭金循環(huán)汽輪機(jī)、布雷頓循環(huán)渦輪機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)等可構(gòu)成閉式循環(huán)動力系統(tǒng), 結(jié)合Li+SF6(熱管反應(yīng)器)等新型能源, 可以實現(xiàn)比鋰電池+電機(jī)更高的能量密度和功率密度, 是UUV動力系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

2.2.2 電機(jī)技術(shù)

1) 魚雷

永磁同步電機(jī)具有功率密度高、效率高、噪聲低等優(yōu)點, 功率密度可實現(xiàn)3.0 kW/kg以上, 將成為未來5～10年甚至更長的一段時間內(nèi)魚雷推進(jìn)電機(jī)的主要發(fā)展方向。

集成電機(jī)推進(jìn)器是一種將電機(jī)移出魚雷殼體外直接同推進(jìn)器組合的新型推進(jìn)裝置, 具有高功率密度、高效率、安靜等特點, 其功率密度可達(dá)5.0 kW/kg, 是極具潛力的發(fā)展方向之一。

2) UUV

低速、大扭矩的永磁同步電機(jī)是目前國外無人潛航器普遍采用的推進(jìn)電機(jī)方案, 相較于無刷直流電動機(jī), 永磁同步電機(jī)在低速性能、噪聲特性、轉(zhuǎn)矩脈動等方面均表現(xiàn)更出色, 因此在未來一段時間內(nèi)仍是UUV推進(jìn)電機(jī)的主要發(fā)展方向。

集成電機(jī)推進(jìn)器的高功率密度、高效率、安靜等特點也適用于UUV, 故也是UUV推進(jìn)電機(jī)的重點發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

進(jìn)入21 世紀(jì), 水下攻防作戰(zhàn)逐漸顯示出無人化和體系化的特點, 要求水下攻防武器具備遠(yuǎn)航程、寬速域和大深度的能力。相應(yīng)的, 水下攻防武器能源動力技術(shù)則圍繞高能量密度能源、高功率密度動力兩大主題發(fā)展。此外, 水下攻防武器的聲隱身與維修保障性也與能源動力系統(tǒng)密切相關(guān)。

1) 遠(yuǎn)航程: 遠(yuǎn)航程可以充分保證發(fā)射平臺的安全性, 提升對敵威懾效能。實現(xiàn)遠(yuǎn)航程的根本在于高能量密度的能源, 應(yīng)著重開發(fā)高能電池、氫氧燃料電池等新型能源, 并探索微型核能源在水下攻防武器的應(yīng)用。

2) 寬速域: 寬速域可使水下攻防武器適應(yīng)不同作戰(zhàn)任務(wù)需求, 滿足水下攻防作戰(zhàn)的體系化、網(wǎng)絡(luò)化及協(xié)同化要求。因此, 應(yīng)積極開發(fā)高能電池動力系統(tǒng)、渦輪發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)以及適應(yīng)超高速需求的金屬水反應(yīng)沖壓發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)。

3) 大深度: 深海是地球上未被充分開發(fā)利用的區(qū)域, 必將成為未來海上軍事斗爭的主戰(zhàn)場。應(yīng)積極開發(fā)適應(yīng)大深度的半閉式循環(huán)、閉式循環(huán)動力系統(tǒng), 以及全海深電池。

4) 聲隱身: 聲隱身對水下攻防武器的作戰(zhàn)效能有著決定性的影響, 因而是當(dāng)前水下攻防武器最為關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)之一, 而能源動力系統(tǒng)是最主要的振動噪聲源之一。隨著探測技術(shù)的發(fā)展, 振動噪聲控制頻率應(yīng)進(jìn)一步向低頻、高頻延伸, 實現(xiàn)全頻域的聲學(xué)定量設(shè)計。

5) 維修保障性: 通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)不同水下攻防武器的能源動力系統(tǒng)通用化可以減小維修保障負(fù)擔(dān)。此外, 能源動力系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)充分考慮維修保障性, 盡可能延長大中期檢修周期, 實現(xiàn)一次維修多次循環(huán)使用。

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Development Status and Trend of Energy and Power Technology for Underwater Attack and Defensive Weapon

SHI Xiao-feng1, DANG Jian-jun2, LIANG Yue1, HU Li-min1, LU Jun1, QIAO Hong1

(1. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China; 2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

As the heart of underwater attack and defensive weapons, energy and power systems have a significant impact on mission scope and operational effectiveness. In this study, the requirements of underwater attack and defensive weapons on energy and power systems are analyzed. The development progress of energy and power technology is summarized with emphasis on the torpedo and unmanned undersea vehicle(UUV). The technical expertise of the USA, Russia, Japan, and European countries is introduced. Finally, the trends of the energy and power technologies are discussed in terms of thermal propulsion energy, electrical propulsion energy, thermal engines, and electrical motors. In general, modern underwater attack and defensive warfare involve unmanned and systematized operations, which require a long cruise range, wide speed range, and large diving depth of underwater weapons. Accordingly, energy and power technologies are being developed with an emphasis on high energy density and high power density.

underwater attack and defensive weapon; energy and power system; torpedo; unmanned undersea vehicle

TJ630.32

R

2096-3920(2021)06-0634-14

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.001

史小鋒, 黨建軍, 梁躍, 等. 水下攻防武器能源動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2021, 29(6): 634-647.

2021-10-20;

2021-11-02.

史小鋒(1965-), 男, 研究員, 中國船舶集團(tuán)高級專家、中國船舶集團(tuán)有限公司第705研究所科技委主任, 主要研究方向為水下航行器能源與動力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)