魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)研究及趨勢展望

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

魚雷是一類自行推進(jìn)的水中兵器，通常用于攻擊水面艦船或潛艇。迄今為止，魚雷被用作海戰(zhàn)武器已有一百余年的歷史。由于此前導(dǎo)彈武器也被應(yīng)用于海戰(zhàn)，使魚雷在海戰(zhàn)中的地位有所提高，與其他海戰(zhàn)武器相比，魚雷依然具有諸多優(yōu)勢。

魚雷與其他武器協(xié)調(diào)配合，能在海戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中仍是海軍的重要武備之一。各國海軍對魚雷武器的研制和發(fā)展十分重視，特別是在反潛作戰(zhàn)領(lǐng)域，魚雷技術(shù)得到了快速發(fā)展。按制導(dǎo)方法的不同，魚雷通常有自控魚雷和自導(dǎo)魚雷之分。

1 魚雷的結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)代魚雷種類繁多，但在結(jié)構(gòu)上大體相同，魚雷所執(zhí)行的戰(zhàn)斗任務(wù)，都是為了攻擊水中目標(biāo)。通常而言，任何一種魚雷均會配備有戰(zhàn)斗部、能源儲備系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、操縱機(jī)構(gòu)及制導(dǎo)系統(tǒng)，以上機(jī)構(gòu)均安裝在魚雷殼體內(nèi)部。

1）雷頭：雷頭也稱戰(zhàn)斗部，裝有擊毀目標(biāo)的烈性炸藥及引爆器。對于自導(dǎo)魚雷，其內(nèi)部還裝有自導(dǎo)裝置。

2）魚雷中段：屬于能源儲備段，在其水密圓柱形殼體內(nèi)裝有蓄電池或燃料與氧化劑等。

3）魚雷后段：配裝有魚雷發(fā)動機(jī)（或推進(jìn)電機(jī)）、推進(jìn)軸及操縱裝置。

4）雷尾：配裝有用于固定魚雷的鰭和舵，推進(jìn)軸末端的螺旋槳。

動力系統(tǒng)可將其他形式的能源換為機(jī)械能，為魚雷的自動航行提供動力來源。根據(jù)能源形式的不同，魚雷動力系統(tǒng)可分熱動力系統(tǒng)與電動力系統(tǒng)兩大類[1］。熱動力系統(tǒng)可將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并驅(qū)動推進(jìn)器以產(chǎn)生推力，使魚雷向前運(yùn)動。電動力系統(tǒng)則將蓄電池提供的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而為魚雷提供前進(jìn)動力。采用熱動力系統(tǒng)的魚雷即為熱動力魚雷，而采用電動力系統(tǒng)的魚雷即為電動力魚雷。重點(diǎn)針對魚雷的熱動力系統(tǒng)及電動力系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

2 魚雷熱動力系統(tǒng)及其組成

2.1 魚雷熱動力系統(tǒng)的循環(huán)模式及組成

魚雷熱動力系統(tǒng)按運(yùn)行方式可分為開式循環(huán)動力系統(tǒng)、半開式循環(huán)動力系統(tǒng)和閉式循環(huán)動力系統(tǒng)[2］。在開式循環(huán)動力系統(tǒng)中，魚雷推進(jìn)劑燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)猓颗湃牒Ｋ?，會產(chǎn)生明顯的航跡，而發(fā)動機(jī)功率同樣也受潛航深度限制；在半開式循環(huán)動力系統(tǒng)中，魚雷推進(jìn)劑燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)?，部分儲存在雷體內(nèi)，部分排入海水中，使魚雷航跡得以明顯減弱，但發(fā)動機(jī)功率依然受到潛航深度影響；在閉式循環(huán)動力系統(tǒng)中，魚雷推進(jìn)劑燃燒后產(chǎn)生的廢氣全部儲存在雷體內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，發(fā)動機(jī)自身功率不受潛航深度限制且不產(chǎn)生航跡，適用于深水反潛魚雷，但由此將增加相應(yīng)的冷凝系統(tǒng)。目前，魚雷熱動力系統(tǒng)主要分為四部分，包括儲能系統(tǒng)、能量供應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、分解燃燒與點(diǎn)火系統(tǒng)，以及主機(jī)。

2.2 儲能系統(tǒng)

就能源結(jié)構(gòu)形態(tài)可分為固、液、氣三態(tài)，按組分單組元、雙組元及三組元。能源的儲存方式主要決定于能源組分。能源包括了氣體組分，需要采用儲氣的高壓容器。如果能源主要為液體或固體形態(tài)，儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就會更為簡易。

魚雷除主機(jī)所用能源（或稱主能源）外，還有輔助能源，如控制系統(tǒng)、啟動用的高壓空氣、電源等。電源一般由蓄電池來提供，也可通過主機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)來供應(yīng)部分能源。為充分利用高壓空氣，魚雷通常需要自備小型氣瓶，氣瓶因為體積較小，采用玻璃鋼等材料來減輕重量。

2.3 能量供應(yīng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

能量供應(yīng)系統(tǒng)主要分為能量供應(yīng)系統(tǒng)與能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在能量供應(yīng)系統(tǒng)中，需要采用各種類型的泵，其中，液體能源的輸送方式主要包括泵吸法及擠壓法。就擠壓法而言，主要可通過另一種介質(zhì)（例如海水）來擠壓能源，而這種介質(zhì)也需通過泵來輸送。歷史上用于魚雷的泵品種也較多，包括柱塞泵、離心泵及齒輪泵等。隨著潛航深度的加大，高壓泵有著最好的前景，從而簡化了泵的類型。泵不但可用于供應(yīng)燃料，而且還用于供應(yīng)滑油、冷卻劑（海水或滑油）?？傮w而言，研制體積小、重量輕、功率大、壓力高的新型泵，成為制約熱動力魚雷發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

除此以外，能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)也有著較高的重要性，其主要用于調(diào)節(jié)燃料的壓力及流量，以確保魚雷航速的穩(wěn)定性。對于主要在淺水區(qū)航行以攻擊水面艦船的魚雷而言，其潛航深度通常較為固定，即只在較小的范圍內(nèi)變化。因此，這種魚雷的動力系統(tǒng)較易于實(shí)現(xiàn)控制。此外，該類魚雷雖能采用多速制，但通常會在發(fā)射之前對航速予以設(shè)定。因此，在其航行途中，速度往往不會發(fā)生較大變化。

而對于潛航深度較大的反潛魚雷而言，情況則有所不同。一方面，該類魚雷的潛航深度會有較大的變化，同時由于自導(dǎo)系統(tǒng)的需要，會隨時進(jìn)行增速或減速。在部分情況下，該類魚雷可能會同時需要改變深度與速度。由于發(fā)動機(jī)對背壓通常較為敏感，因此調(diào)節(jié)過程的復(fù)雜性大幅增加。不僅如此，在變化如此劇烈的環(huán)境條件下，發(fā)動機(jī)不應(yīng)出現(xiàn)熄火及停止運(yùn)行的現(xiàn)象。同時，發(fā)動機(jī)應(yīng)盡可能確保魚雷航速的穩(wěn)定性，因為航速是彈道計算的必要參數(shù)，不應(yīng)出現(xiàn)頻繁變化。由此，能快速反饋背壓數(shù)值的高靈敏度壓力傳感器是提升調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)水平的關(guān)鍵部件。

2.4 分解燃燒及點(diǎn)火系統(tǒng)

由于需要在較深的海域內(nèi)航行，其背壓會對熱動力魚雷的燃燒過程帶來影響。由此需要優(yōu)化燃燒室的結(jié)構(gòu)，并采用能確保燃燒過程安全性的控制裝置。為了確保燃燒過程的有序進(jìn)行，必須將燃料預(yù)熱至一定溫度，且需要對燃料的燃燒特性開展相關(guān)研究。

2.5 發(fā)動機(jī)

可用于魚雷的發(fā)動機(jī)主要有活塞式發(fā)動機(jī)、渦輪發(fā)動機(jī)及噴射發(fā)動機(jī)等。具體技術(shù)特點(diǎn)如下：

2.5.1 活塞式發(fā)動機(jī)

按結(jié)構(gòu)不同魚雷的活塞式發(fā)動機(jī)可分為往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、擺盤式發(fā)動機(jī)、斜盤發(fā)動機(jī)及凸輪發(fā)動機(jī)。往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)一般具有兩個氣缸、雙向作用活塞和曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其氣缸呈臥式或星形式布置，由滑閥實(shí)現(xiàn)配氣，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將活塞的往復(fù)運(yùn)動變?yōu)橥七M(jìn)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以驅(qū)動推進(jìn)器。擺盤式發(fā)動機(jī)及斜盤發(fā)動機(jī)，可分別利用擺盤機(jī)構(gòu)及斜盤機(jī)構(gòu)，將活塞的往復(fù)運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。其氣缸軸線與魚雷縱軸平行，且繞縱軸按圓周分布，由轉(zhuǎn)閥配氣，利用該空間傳輸機(jī)構(gòu)，以驅(qū)動推進(jìn)器。其中，擺盤式發(fā)動機(jī)采用單軸輸出方案，斜盤發(fā)動機(jī)采用反向雙軸輸出的方案[3］，凸輪發(fā)動機(jī)可利用凸輪機(jī)構(gòu)將活塞的往復(fù)運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動[4］。凸輪發(fā)動機(jī)的氣缸布置情況與斜盤發(fā)動機(jī)相似，由轉(zhuǎn)閥配氣，借助圓柱凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動主軸，可作單軸或雙軸輸出，且具有結(jié)構(gòu)簡單、功率大與噪音小的特點(diǎn)，是小型熱動力魚雷的新型發(fā)動機(jī)。目前，53-66 型魚雷的發(fā)動機(jī)為臥式內(nèi)燃機(jī)，MK46 型和MK48 型魚雷為斜盤發(fā)動機(jī)。

2.5.2 渦輪發(fā)動機(jī)

用于魚雷的渦輪發(fā)動機(jī)主要包括汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)兩類。歷史上曾有部分魚雷采用過汽輪機(jī)，但近年來，在熱動力魚雷上得到廣泛應(yīng)用的主要為燃?xì)廨啓C(jī)。在該類發(fā)動機(jī)中，高溫、高壓燃?xì)馔苿尤~輪，使葉輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，動力輸出軸經(jīng)減速裝置減速后，驅(qū)動推進(jìn)器[5-6］。該類發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且功率較大，但燃料消耗速度較快，且制造工藝復(fù)雜。

2.5.3 噴射發(fā)動機(jī)

該類發(fā)動機(jī)通過向后拋射物質(zhì)，從而為熱動力魚雷提供推進(jìn)動力來源，主要可分為火箭發(fā)動機(jī)與噴水發(fā)動機(jī)。其中，火箭發(fā)動機(jī)可將固體推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為魚雷推進(jìn)動力[7］。固體推進(jìn)劑在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)猓?jīng)噴管高速噴射產(chǎn)生反作用力，推動魚雷前進(jìn)?；鸺l(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單及航速高的優(yōu)點(diǎn)，但其射程較短，燃料消耗速度較快，多采用助推器或飛機(jī)投射，以彌補(bǔ)水下射程不足的劣勢。

噴水發(fā)動機(jī)則利用推進(jìn)劑在燃燒室中燃燒產(chǎn)生的熱能作為發(fā)動機(jī)的能量來源。隨后，發(fā)動機(jī)驅(qū)動射流泵以吸入海水，并從魚雷尾部向后高速噴出水流，以產(chǎn)生反作用力，從而推動魚雷前進(jìn)。

該兩類發(fā)動機(jī)無需采用外置螺旋槳，具有推力大、航速高和噪音小等優(yōu)點(diǎn)，但也面臨著燃料消耗速度快及射程短的技術(shù)問題。

3 魚雷電動力系統(tǒng)及其組成

3.1 魚雷電動力系統(tǒng)的構(gòu)成

魚雷電動力系統(tǒng)，主要由蓄電池組、推進(jìn)電機(jī)、接觸器及轉(zhuǎn)換開關(guān)等構(gòu)成。蓄電池組可用于為推進(jìn)電機(jī)供電，還可為自導(dǎo)魚雷的自導(dǎo)和控制系統(tǒng)供電。推進(jìn)電機(jī)用于將電能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)動力，驅(qū)動螺旋槳。接觸器用于控制推進(jìn)電機(jī)的負(fù)極電路。轉(zhuǎn)換開關(guān)則用于控制推進(jìn)電機(jī)電路。魚雷通過采用電動力系統(tǒng)，具有噪聲小、無航跡，推進(jìn)功率不受潛航深度影響等優(yōu)點(diǎn)，但其航速較低，且射程較短。

3.2 電池系統(tǒng)

電動力系統(tǒng)的能源來自蓄電池。蓄電池可根據(jù)正、負(fù)極與電解液的材料分類。以魚-4型魚雷所使用的鉛酸蓄電池為例，其正極為二氧化鉛，負(fù)極為鉛，電解液為硫酸。鉛酸蓄電池的特點(diǎn)是成本低廉，但其比能量較低，通常為15～20（Wh）/kg。與鉛酸蓄電池相似的還有鎳鎘蓄電池，其正極為氧化鎳，負(fù)極為鎘，電解液為氫氧化鉀溶液。銀鋅蓄電池是在電動力魚雷上應(yīng)用較為廣泛的電源，也是魚-3型魚雷使用的電池，其正極為氧化銀，負(fù)極為鋅，電解液為氫氧化鉀溶液，其比能量可達(dá)50（Wh）/kg 以上，但由于消耗銀，成本相對較高[8］。目前，海水電池發(fā)展較快，許多新型小型魚雷上都采用了海水電池，如意大利的A244/S 型魚雷使用鎂氯化銀電池，其比能量可達(dá)100（Wh）/kg 以上。法國的海鱔魚雷使用鋁氧化銀電池，比能量可達(dá)150（Wh）/kg 以上。海水電池在使用前，無需注入電解液，電解液的溶質(zhì)（如氫氧化鈉）平時以固態(tài)存放，使用時則以海水為溶劑，溶質(zhì)溶解后即形成電解液。因此，海水電池的儲存壽命較長，但由于使用時要抽入海水并形成循環(huán)，需要額外配備一套電解液供給系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

3.3 推進(jìn)電機(jī)

用于魚雷的推進(jìn)電機(jī)由勵磁系統(tǒng)和電樞系統(tǒng)等部件構(gòu)成。待電源主電路接通后，電樞實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)電機(jī)將蓄電池組釋放出的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并經(jīng)減速裝置減速后，驅(qū)動推進(jìn)器，為魚雷提供動力來源。在過去較長的一段時間內(nèi)，多以直流電機(jī)作為主推進(jìn)裝置。

4 魚雷推進(jìn)器及其分類

現(xiàn)代魚雷的推進(jìn)器主要有對轉(zhuǎn)螺旋槳、泵噴推進(jìn)器與導(dǎo)管螺旋槳3種。對轉(zhuǎn)螺旋槳由兩個轉(zhuǎn)向相反的螺旋槳組成[9-10］，是目前魚雷上使用最多的一種推進(jìn)器，如MK46 型魚雷等，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、失衡力矩小、效率較高，且空泡性能較差。泵噴推進(jìn)器主要由一個減速型導(dǎo)管、一個轉(zhuǎn)子及一個定子構(gòu)成，由于轉(zhuǎn)子在較低的流速下工作，大幅改善了空泡性能，易于獲得良好的噪聲性能，這是泵噴推進(jìn)器的最大優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是效率較低。美國的MK48 型魚雷、英國的“矛魚”型魚雷均使用泵噴推進(jìn)器。導(dǎo)管螺旋槳是在對轉(zhuǎn)螺旋槳外側(cè)加一導(dǎo)管，以控制流速。漸擴(kuò)式導(dǎo)管使流速降低，從而改進(jìn)螺旋槳的噪聲性能，漸縮式導(dǎo)管使流速加大，可以提高螺旋槳的效率。因此導(dǎo)管螺旋槳是一種有著較好發(fā)展前景的魚雷推進(jìn)器。美國MK50 型魚雷、英國“鯆魚”型魚雷、法國“海鱔”型魚雷使用的都是導(dǎo)管螺旋槳。

上述3 種推進(jìn)器是魚雷的常規(guī)推進(jìn)器，其原理都是利用具有非對稱翼型面的葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力。此外，正如2.5.3 中所述，空中飛行器常用的噴氣推進(jìn)在魚雷上也有應(yīng)用，以PAT52 型魚雷為例，其以火箭發(fā)動機(jī)作為推進(jìn)動力來源。為了解決噴氣推進(jìn)效率較低的問題，磁流體噴水推進(jìn)是目前研究的一個新方向。

5 魚雷動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及展望

5.1 魚雷熱動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及展望

5.1.1 魚雷熱動力系統(tǒng)技術(shù)的歷史發(fā)展概述

早期魚雷的動力系統(tǒng)通過壓縮空氣來做功，以此為魚雷提供動力來源。但在該方案條件下，實(shí)際上只利用了工質(zhì)的壓縮位能。后來作了進(jìn)一步優(yōu)化，為魚雷添加了燃燒室，在燃燒室中，使該部分壓縮空氣與燃料共同參與燃燒，為魚雷提供動力來源。通過采用此類熱動力系統(tǒng)，使魚雷的射程及航速有了顯著提升。后來又發(fā)現(xiàn)，燃?xì)獾臏囟容^高，為確保部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)采用必要的冷卻措施。采用海水冷卻的辦法雖能有效解決此類問題，但會使發(fā)動機(jī)的熱效率降低。因此，各國先后選用了在燃燒室內(nèi)噴水的措施，確保了熱動力魚雷的技術(shù)性能，使其射程又有了進(jìn)一步提升。

在第一次世界大戰(zhàn)期間，上述針對魚雷的技術(shù)調(diào)整即告完成；而在第二次世界大戰(zhàn)期間，熱動力魚雷的整體結(jié)構(gòu)型式總體變化不大。正是在第二次世界大戰(zhàn)期間，研發(fā)出了電動力魚雷，其雖具有無航跡的優(yōu)點(diǎn)，但由于當(dāng)時蓄電池容量較小，在航速上無法與熱動力魚雷相匹敵，一定程度上限制了電動力魚雷的應(yīng)用[11］。當(dāng)時，常規(guī)的熱動力魚雷航速早已超過40 kN，而電動力魚雷的航速大約在30 kN 左右。在同一時期，德國與日本即已開始采用氧氣與過氧化氫等助燃劑，以及萘烷與肼等燃料，使魚雷航速達(dá)到48 kN及以上。同時，為了節(jié)省資源，棄用淡水，并以海水作為冷卻劑[12］。

5.1.2 熱動力魚雷推進(jìn)劑及其應(yīng)用現(xiàn)狀

熱動力系統(tǒng)的能源來自推進(jìn)劑。推進(jìn)劑主要由燃燒劑與氧化劑兩部分組成，有時也會將冷卻劑視為推進(jìn)劑的一部分。

若推進(jìn)劑中的燃燒劑與氧化劑合為一體（可以是一種化合物，也可以是幾種化合物的混合物）進(jìn)行儲存與輸送，則稱為單組元推進(jìn)劑，如MK46型魚雷使用的OTTO-Ⅱ燃料即為液體單組元推進(jìn)劑。

53-66 型魚雷使用的燃燒劑為煤油，氧化劑為壓縮空氣，冷卻劑為淡水，幾類物質(zhì)分別存儲在燃油瓶、氣艙及水艙內(nèi)，在送入燃燒室前不進(jìn)行混合，這樣的推進(jìn)劑被稱為多組元推進(jìn)劑。

5.1.3 熱動力魚雷發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展及展望

熱動力魚雷的主機(jī)類型也實(shí)現(xiàn)了多樣化。目前，俄國方面長期使用臥式雙缸往復(fù)式主機(jī)，英國與日本多采用多缸(4缸或呈星形排列)式柴油機(jī)[13］，美國多采用級數(shù)為兩級的渦輪發(fā)動機(jī)，德國也采用了與美國相似的策略。可以說，除了汽油機(jī)以外，各種常見的發(fā)動機(jī)都在魚雷上得到了應(yīng)用。熱動力魚雷主機(jī)呈現(xiàn)多樣化的原因，主要是因為受技術(shù)條件所限。在發(fā)展歷程中，一度對魚雷自身的航速要求并不高，從而使各種型式的主機(jī)都有了一定的發(fā)展余地。如果要求魚雷主機(jī)的功率達(dá)到735 kW 以上，則部分類型的發(fā)動機(jī)必然會遭到淘汰。

目前，斜盤發(fā)動機(jī)、擺盤發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等機(jī)型有著較高的生命力。如果要求魚雷的航速達(dá)到100 kN 以上，則上述傳統(tǒng)的主機(jī)通常較難滿足要求，由此需要采用如2.5.3 中所述的火箭發(fā)動機(jī)或噴水發(fā)動機(jī)，相應(yīng)也會使發(fā)動機(jī)與推進(jìn)器合為一體。

據(jù)估算，如果采用兩級式火箭發(fā)動機(jī)，可使航速達(dá)到約100 kN，且使射程相應(yīng)提升。除此之外，也可采用大型火箭所用的混合推進(jìn)劑方案，即固體燃料加上液態(tài)氧化劑，由此可延長燃燒持續(xù)時間，增大推進(jìn)劑的比沖。

考慮到移動設(shè)備在水中的航行特點(diǎn)，其所需功率與移動速度近似呈3次方關(guān)系。因此在該規(guī)律影響下，魚雷航速如需從40 kN 提高到50 kN，所需功率近乎提高了一倍。同理，魚雷航速如需從50 kN提高到60 kN，所需功率也近乎提高了一倍，約為660～735 kW。正如上文所述，由于魚雷內(nèi)部空間較為有限，如需采用此類具有較高功率的動力系統(tǒng)，必然會淘汰部分機(jī)型。就目前而言，燃?xì)廨啓C(jī)是一項重要發(fā)展方向。

以美國MK48 型魚雷為例，其以燃?xì)廨啓C(jī)為動力來源。為了提高動力性能，需提升渦輪前的燃?xì)鈪?shù)。如果一味提高燃?xì)鈪?shù)，則廢氣中的焓必然較高，如不對該部分廢氣加以合理利用，則動力系統(tǒng)的總效率必然會有所降低。在不增加總重量的前提下，如需提高動力系統(tǒng)的總效率，可采用廢氣循環(huán)的方法，即流過渦輪后的廢氣不直接排出，在魚雷內(nèi)部再次進(jìn)行循環(huán)。該方案要求渦輪葉片有著更高的能量轉(zhuǎn)換效率，相應(yīng)提升了對葉片的設(shè)計要求，并提高了葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。如以燃?xì)廨啓C(jī)作主機(jī)，需要采用高速螺旋槳來與之匹配，相應(yīng)縮小減速比，簡化減速機(jī)構(gòu)，便于其在魚雷殼體內(nèi)的布置。

目前，以汪克爾發(fā)動機(jī)為例，其為一種無連桿的活塞式發(fā)動機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸輕小及功率大的特點(diǎn)，在車用動力領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但目前看來，其在魚雷上的應(yīng)用前景較為有限。主要原因在于：就旋轉(zhuǎn)活塞的三個頂端及兩個端面而言，其與氣缸的密封問題很難得到解決。在低水壓條件下運(yùn)行時，汪克爾發(fā)動機(jī)的性能表現(xiàn)差強(qiáng)人意，但在高水壓條件下運(yùn)行時往往由于密封性不足，從而出現(xiàn)了氣體泄漏的現(xiàn)象。除此以外，汪克爾發(fā)動機(jī)的壓縮比較小。考慮到以上兩類特點(diǎn)，汪克爾發(fā)動機(jī)較難在深水中得到應(yīng)用。但對于在淺水面航行以攻擊水面艦船的熱動力魚雷而言，汪克爾發(fā)動機(jī)仍有一定的應(yīng)用前景。

除了汪克爾發(fā)動機(jī)以外，另一種無連桿式活塞式發(fā)動機(jī)——斜盤發(fā)動機(jī)同樣可應(yīng)用于熱動力魚雷。該類發(fā)動機(jī)的比功率可達(dá)6.5～8.0 kW/kg，具有較高的動力性和緊湊性，有著較好的應(yīng)用前景。

5.2 魚雷電動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展及展望

5.2.1 電動力魚雷蓄電池的技術(shù)發(fā)展及展望

早期的電動力魚雷均使用鉛酸蓄電池。在第二次世界大戰(zhàn)期間及后續(xù)的一段時間內(nèi)，該類蓄電池曾在電動力魚雷上得到廣泛應(yīng)用。從20世紀(jì)50 年代起，各國都開始研制銀鋅蓄電池，其能量密度可達(dá)鉛酸蓄電池的五倍，并在美國的MK37 型魚雷上得到了應(yīng)用。從20 世紀(jì)60 年代起，又開發(fā)出了鎂氯化銀電池，其能量密度約比銀鋅蓄電池高一倍。鎳鎘蓄電池曾被用作于魚雷引信或其他部件的能量供給裝置。燃料電池雖然有著較高的效率，但由于其輔助機(jī)構(gòu)較笨重又復(fù)雜，且成本高昂，故一般不適宜作為魚雷的能源。

電動力魚雷的蓄電池主要有以下技術(shù)要求：運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定；不會發(fā)生爆炸；工作溫度適中。為此，電動力魚雷蓄電池的主要發(fā)展方向如下：未來有望將魚雷殼體與蓄電池結(jié)構(gòu)做成整體，以提升魚雷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；根據(jù)魚雷航行條件的不同，選用最合適的電池類型。

5.2.2 電動力魚雷推進(jìn)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展及展望

自第二次世界大戰(zhàn)以后，各國都開始大力發(fā)展反潛魚雷。當(dāng)時的技術(shù)水平，尚無法在熱動力魚雷上配裝制導(dǎo)系統(tǒng)，反潛自導(dǎo)魚雷曾是電動力魚雷的代名詞。為提升電動力魚雷的航行性能，與其相配套的推進(jìn)電機(jī)也得到了相應(yīng)發(fā)展。

電動力魚雷的推進(jìn)電機(jī)最初的發(fā)展方向主要是持續(xù)提高轉(zhuǎn)速。由于可控硅技術(shù)的發(fā)展，為推進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)緊湊化及輕量化創(chuàng)造了條件，尤其是直流電機(jī)的換向機(jī)構(gòu)，完全可用可控硅線路來代替，這種推進(jìn)電機(jī)被稱為無刷直流電機(jī)。在無刷直流電機(jī)中，由于整流子不采用電刷，也就有效避免了噪音及火花的出現(xiàn)。除此以外，許多電子變壓器及整流器已得到了廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)直流變壓，具備較高的實(shí)用性。

目前，已出現(xiàn)了許多不同類型的無刷推進(jìn)電機(jī)，如磁阻電機(jī)等。另外一種是采用交流推進(jìn)電機(jī)（感應(yīng)式的或同步式的），需要在蓄電池到電機(jī)的線路中增加一個逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，相應(yīng)增加了成本和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

6 熱動力魚雷與電動力魚雷的對比研究

熱動力魚雷的主要優(yōu)勢是其能量密度較高，可以顯著提升魚雷的射程及航速。但該類魚雷由于采用了熱力發(fā)動機(jī)，在工作時排出的廢氣及廢液通常會在海水中形成明顯航跡，易于暴露魚雷自身，致使敵艦可能會提前采取策略，以進(jìn)行回避。不僅如此，該類魚雷通常不適于在水下發(fā)射，因為隨著水深的增加，要求排氣壓提高，會使魚雷能量損失進(jìn)一步加劇。因此，熱動力魚雷多用于攻擊水面艦船。

與熱動力魚雷相比，電動力魚雷最突出的優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn)生航跡，發(fā)動機(jī)功率不受海水深度變化影響，可實(shí)現(xiàn)深水發(fā)射，非常適宜潛艇使用。但由于魚雷本身攜帶的電池容量有限，所以其航速通常低于熱動力魚雷，射程也不夠長。但由于電動力魚雷適于潛艇使用或開展反潛攻擊，各國對該類魚雷的研制工作均較為重視。目前，正在開發(fā)一些新技術(shù)，使該類魚雷的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能不斷得到提高。

對電動力魚雷而言，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置是推進(jìn)電機(jī)，魚雷上多采用串激式直流電機(jī)。對熱動力魚雷而言，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置是發(fā)動機(jī)。如上文所述，魚雷上用的發(fā)動機(jī)主要有活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)與火箭發(fā)動機(jī)等。以火箭發(fā)動機(jī)為例，其燃料消耗速度雖然較快，但為熱動力魚雷提供的航速同樣也較快。PAT52 型魚雷用的是火箭發(fā)動機(jī)，航速可達(dá)60 kN以上。雖然航速較快，但其弊端在于總射程較短。綜上所述，熱動力魚雷與電動力魚雷的對比如表1所示。

表1 熱動力魚雷與電動力魚雷的對比

為適應(yīng)反潛作戰(zhàn)需要，現(xiàn)代魚雷的航速約為45～60 kN，最大可達(dá)70 kN。部分航空魚雷采用火箭發(fā)動機(jī)，航速可達(dá)68 kN，但射程較短。目前，魚雷動力系統(tǒng)領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢是：采用陶瓷材料或金屬基陶瓷纖維復(fù)合材料，減輕發(fā)動機(jī)重量，提高熱效率；采用低溫超導(dǎo)、可控硅整流器、可控硅逆變器，以及交流推進(jìn)電機(jī)；采用磁流體推進(jìn)技術(shù)和泵噴射推進(jìn)技術(shù)[14-15］。

7 魚雷總體技術(shù)發(fā)展趨勢

自二戰(zhàn)以后，魚雷技術(shù)得到了長足發(fā)展，且不因?qū)椉盎鸺拇笠?guī)模推廣而受到影響，部分國家將魚雷稱為“水下導(dǎo)彈”。現(xiàn)代出現(xiàn)的火箭助飛魚雷可被視為導(dǎo)彈與魚雷的結(jié)合產(chǎn)品。就目前而言，現(xiàn)代魚雷的技術(shù)發(fā)展趨勢總體如下：

1）潛航深度越來越大。

2）航速越來越高，且射程越來越遠(yuǎn)。隨著潛艇技術(shù)和反潛技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前世界各國海軍的水面艦船和潛艇的航速也在日益增加。為確保魚雷的攻擊效能，魚雷航速必須不低于水面艦艇或潛艇航速的1.5 倍。為提高魚雷航速，關(guān)鍵是改善魚雷動力系統(tǒng)的性能，目前該領(lǐng)域的發(fā)展方向主要如下：加強(qiáng)熱動力魚雷燃料和新型發(fā)動機(jī)的研制；開發(fā)優(yōu)質(zhì)魚雷電池和電機(jī)；改善魚雷流體線型，減少阻力，以提高魚雷航速。

3）導(dǎo)引精度越來越高。由于水面艦艇和潛艇普遍采用水聲對抗措施，特別是潛艇的隱身技術(shù)和干擾手段不斷發(fā)展，要求魚雷的導(dǎo)引精度相應(yīng)提高。

4）爆炸威力越來越大。目前，就水面艦艇的水下部分而言，其水密艙的強(qiáng)度得到了顯著提升；對潛艇而言，不但耐壓艇殼的強(qiáng)度有所提升，而且已采用了雙殼制，非耐壓外殼與耐壓殼體之間的距離可達(dá)3 m以上。因此為確保魚雷能擊毀潛艇和水面艦艇，必須迅速提高魚雷的爆炸威力。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，主要可從以下幾方面著手：選用高當(dāng)量的塑膠炸藥；采用定向爆破技術(shù)；使魚雷垂直命中潛艇；必要時，可在普通裝藥中加裝核裝藥。

8 結(jié)論與展望

對現(xiàn)代魚雷的熱動力系統(tǒng)及電動力系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡闡述，經(jīng)研究，得出如下結(jié)論：

1）熱動力魚雷有著較高的能量密度，能實(shí)現(xiàn)更高的航速與更長的射程，但同時也有著技術(shù)難度較高、研制周期較長、生產(chǎn)成本較高的問題。再考慮到發(fā)動機(jī)的工作會受水下背壓的影響，因此，一定程度上限制了其應(yīng)用，多用于攻擊水面艦船。目前，燃?xì)廨啓C(jī)及各類采用空間傳輸機(jī)構(gòu)的活塞式發(fā)動機(jī)在熱動力魚雷領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。為了提高魚雷的射程，仍需持續(xù)提高各類發(fā)動機(jī)的熱效率。

2）與熱動力魚雷相比，電動力魚雷的發(fā)展周期較短，并且航速及射程相對有限，但其具有無航跡、噪聲小、隱蔽性好、潛航深度大等優(yōu)勢，特別適于潛艇使用，或?qū)嵤┓礉撊蝿?wù)。目前，該領(lǐng)域的發(fā)展方向為采用容量更大的電池，以及研發(fā)新型推進(jìn)電機(jī)。

3）就推進(jìn)器方面而言，大部分魚雷仍采用螺旋槳推進(jìn)。目前，磁流體推進(jìn)技術(shù)和泵噴射推進(jìn)技術(shù)是兩大較為重要的發(fā)展方向。

4）魚雷總體發(fā)展方向為持續(xù)提高航速，延長射程，加大潛航深度，提高導(dǎo)引精度，增大爆炸威力。

作為一類重要的水中兵器，魚雷在海防事業(yè)中有著重要的地位，針對其開展的技術(shù)研究依然有著較高的重要性。就目前而言，熱動力魚雷與電動力魚雷均有其獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢，會在其各自的應(yīng)用領(lǐng)域中得到長足發(fā)展。