新型鱼雷能源闭式循环动力技术研究

新型鱼雷能源闭式循环动力技术研究

吴亚军

海军装备部

摘 要：未来海洋资源开发或竞争中，鱼雷及水下装备成为完成特殊使命不可缺少的工具，而发展高能量密度、高比功率的能源动力装置成为必不可少专用技术，依照目前电动力能源尚未出现跨越性技术前，金属能源的热动力成为除核动力外最具开发潜力的水下能源动力技术。本文对新型鱼雷能源闭式循环动力技术进行了研究探讨。

关键词：能源闭式；循环动力技术；研究探讨

1  概述

为了对抗鱼雷的攻击，潜艇采取了提高航速和航深，降低辐射噪声等一系列提高性能的措施，由此要求鱼雷要有更高的航速、更大的航深，另外具有足够的巡航和攻击航程，这对未来鱼雷提出很大的挑战。目前无论是现有单组元燃料、煤油+过氧化氢、锂电池和铝氧化银电池等的热动力和电动力鱼雷在技术应用方面或多或少有一些缺陷，致使实现综合指标的提升成为很大的挑战。另外在开发先进的减阻、雷型结构和推进等新技术方面，也无法取得大幅提高鱼雷性能指标的成果，开发水下新能源和研发新型鱼雷动力成为未来鱼雷发展首要问题。于是，提出了Li+SF6高能量密度金属能源闭式循环动力，它以锂金属为能源，六氟化硫为氧化剂，涡轮机为主机，构建各种形式的动力系统，满足新型鱼雷及水下装置的航程、航速和航深以及安静性需求。

2  工作原理与动力体系构架

Li金属是化学性质较为活泼的最轻金属元素，可作为燃烧剂使用，与水会发生剧烈的化学反应。SF6是一种无色、无味、无毒、不燃的惰性气体，在常温、常压下为气体，在150℃以下性能稳定。以金属Li为燃料，SF6为氧化剂的能源，反应过程能释放出12327kJ/kg的热能，能源能量密度高；另外，由于在790～1100℃的反应温度范围内燃烧产物为液态，金属Li和SF6的反应物LiF和Li2S密度比熔融锂的密度大，所占体积比消耗的锂燃料体积要减少5%，反应器内部为负压反应，允许采用容积几乎不变的熔池型燃烧过程，即能源装置与外界只有热量交换，而无物质排放。其化学反应方程式如下：

8Li+SF6→6LiF+Li2S+Q

这一独特和优异的特性，可利用特性开发出非常适应水下环境工作的能源装置。金属Li和SF6即可快速剧烈反应释放大量的热能，作为鱼雷所需的能量快速释放的动力能源；但是液态Li金属具有毛吸作用之一独特现象，利用这一原理，可将其沿毛细管提升到液态Li金属的液面上部空间蒸发，并与气态SF6反应，获得所需能量的缓慢释放，以此可构建反应缓慢可控的热管反应器，作为超远程巡航鱼雷及武器级UUV的能源装置。当需要大功率输出时，动力系统需要配置锅炉反应器；当需要微小功率输出时，动力系统可配置热管反应器。SF6在常温时性质近似惰性气体，固态Li在密封和氩气保护下可长期储存，常温时对金属无腐蚀作用，采用Li+SF6动力系统的UUV在储存和运输过程中都很安全，维护成本低。下图给出了Li+SF6能源可适配的发动机型和应用方向。

2.1  兰金闭式循环热动力系统构建

兰金闭式循环热动力系统是金属Li浇铸在锅炉反应器中，SF6加压为液态储放于氧化剂罐内，工质存放于储水罐内。工作时热电池激活，用点火器点燃锅炉反应器内的药柱，并将金属Li溶解为液态，燃后打开氧化剂将SF6减压释放为气态，并与一定的流量经喷嘴喷入锅炉反应器，与Li反应产生热，以此同时将储水罐的水，经工质增压泵多级增压后加注到锅炉反应器盘管内，Li和SF6反应热将锅炉反应器盘管内的水加热成过热蒸气，驱动涡轮发动机做功。为了获得较高的热工转换效率，涡轮机选为超音速冲动式部分进气，涡轮转速可在50000r/min～100000r/min，可经星行减速器直接将涡轮转速降低到推进器所需的工作转速，也可直驱发电机发电，再通过推进电机驱动推进器工作。做功后的乏汽热量再通过鱼雷壳体内部的冷凝器，由壳体外流过的海水带走，并将乏汽工质冷凝为液态，再经工质增压泵增压后循环使用。

2.2  布莱顿闭式循环动力系统构建

布莱顿闭式循环动力系统是由控制器打开截止阀，氧化剂SF6通过控制与调节器，按照要求的流量由氧化剂喷嘴喷入热管反应器或锅炉反应器内。同时，控制器控制启动装置将反应器内的金属锂快速熔化，并与喷入的SF6发生反应，放出大量的热量，迅速使反应器升温，并加热管路内的气态工质。当气态工质加热到一定温度后，驱动涡轮工作，涡轮做功后的乏汽进入回热器和冷凝器进行冷却，涡轮带动压缩机同时工作。涡轮做功后的乏汽进入回热器和冷凝器，经压缩机增压后，进入回热器进行预加热，再进入热管反应器重新加热，形成新鲜的做功工质。动力系统整个做功过程无排放，实现工质的闭式循环使用。

2.3  斯特林闭式循环热电动力系统

斯特林发动机是采用外部热源加热的外燃发动机，具有能量密度大，效率高，振动噪声低，经济性较好，功率覆盖范围广等特点。斯特林发动机能动传动形式从自由活塞、活塞连杆曲柄机构和活塞连杆斜盘等方式，结构相对紧凑。Li+SF

6的金属能源模式具有较高的反应热，且没有气态反应物产生，反应可控，反应温度在650℃～1100℃之间，十分适合斯特林发动机的工作温度要求。斯特林闭式循环系统采用Li+SF6化学反应加热的3kW斯特林发动机动力系统，在水下环境的能量密度最高可达600Wh/kg，十分适合做水下低功率动力系统。目前，在研和应用的斯特林发动机的输出功率在1kW～65kW之间，最大能量转换效率达到35％。

3  技术发展现状及趋势

3.1  兰金闭式循环热动力系统

美国Mk 50轻型鱼雷能源动力推进系统是目前唯一形成装备的Li+SF6能源闭循环动力鱼雷，采用了双回路的闭循环动力系统，其在水下环境的工作原理和构型可行，性能稳定，工作可靠高，满足鱼雷高航速、远航程、大深度、安静型等方面发展所需的比功率和比能量要求。可赋予Mk 50鱼雷高达55kn～60kn等级的航速(最大航速也有65kn的记载)，与2500呎以上的作战潜深，兼具大潜深、安静、高航速等优点。

美国在MK50鱼雷研制同时，开启Li+SF6能源闭式循环动力技术应用于533mm口径MK48重型鱼雷的升级研制，以鱼雷能源动力舱的重量、体积、航速和可携带的能量为约束条件，与OTTO-II单组元燃料能源动力的性能比对在航速相同条件下，能源动力舱体积和重量减小到50%～60%，但是相比航程增加15%以上；如果能源和动力段长度和重量保持不变，鱼雷航速提高20%时航程增加约2.5倍。另外也可以看出，采用先进技术Li+SF6闭式循环动力，可使重型鱼雷在航速、航程、航深以及能源动力长度和重量等方面还可获得进一步提升。虽然美国Li+SF6能源闭式循环动力尚未形成MK48的后继重型鱼雷，但是一直未放弃型号应用的后续科研探索。另外，美国将兰金闭式循环动力技术应用于国海军水面舰艇鱼雷防御系统的直径为6.75 英寸反鱼雷武器系统（ATT）。

3.2布莱顿闭式循环动力系统

氩气或氦气的布莱顿循环动力未见应用于水中兵器。但是近年来，各个功率级别S-CO2工质的闭式循环动力技术引起全世界的研究热潮，美国走在了世界技术开发前列，对S-CO2压缩、轴承、密封、摩擦、S-CO2动力学、系统动态调节控制等关键技术进行了大量的研究。该技术利用CO2的超临界特性，实现高效率热工转换、大幅提高体积/重量比功率。构建的能源动力系统相比于蒸汽介质的蒸汽轮机系统和燃气轮机系统，循环效率提高15%以上，可使其体积减小80%～90%。

针对水下环境，国内外众多研究单位跟进，提出了金属能源的超临界二氧化碳闭式循环动力。正鉴于此，美国武器系统安全评估协会对利用金属能源和布雷顿循环的动力系统进行评估，认为是一种良好的推进系统，采用更高效率等级的布雷顿循环替代原有过热蒸汽的朗肯循环，可获得更高的系统效率和电功率输出，将此系统应用到鱼雷等水中兵器的动力推进，相比锂亚硫酸氯一次电池能源，其净输出体积能量密度能提高1.5倍以上，且其尺寸极大的小于其他推进系统，可使得鱼雷动力得到突破性发展，是未来水下航行器能源与动力技术发展的主要方向。

3.3斯特林闭式循环热电动力系统

斯特林闭式循环动力系统作为一种特殊动力机型得到长期应用和发展。在功率输出方面，在单机功率方面，已开发出从几百瓦到几十千瓦的系列斯特林发动机，如德国Baxi group的1 kW自由活塞式斯特林发动机，美国STM公司的15kW、25 kW、50 kW等多个型号的斯特林发动机系统，瑞典也开发出3 kW、15 kW、65 kW多个型号斯特林发动机，其中65 kW的成功装备于潜艇。从斯特林发动机本身技术而言，具有良好的基础和技术方向，完全能满足水下动力的研发需要，技术上不存在障碍。工作深度和能源选择，无论鱼雷、水下无人航行器还是水下工作站，都需要能源动力系统满足大潜深工作要求，能源有氧+燃油、Li+SF6金属能源、蓄热材料等几种形式。

对于低速航行的无人航行器采用斯特林发动机动力系统，在能源模式选择上以金属燃料能源为最优，并且这一构型是目前除核动力外的最高比能量的能源动力构型，远远大于现有任何高能电池和电机组成的电动力系统，是未来水下装备动力的发展方向之一。

4  结束语

Li+SF6能源的兰金闭式循环和布莱顿热闭式循环动力系统具有较高的比能量和比功率；在几秒内达到90%的功率输出，实现系统的快速启动；无反应物和乏工质排放；安全可靠，在质量和体积严格受限的条件下理论上可获得全功率范围的功率输出；1kW到150kW的Li+SF6能源的兰金循环闭式循环动力系统技术成熟并应用于鱼雷和反鱼雷武器，重型鱼雷使用的更大功率级别的动力系统尚在开发中；而各功率级的布莱顿热循环动力尚处于关键技术研发状态，不具备应用条件。

Li+SF6化学反应加热的斯特林发动机动力系统具有更高比能量、长续航力、无反应物和乏工质排放、安全可靠等显著优点，已在部分高性能水下航行器得到应用；在质量和体积无严格要求客情况下，将是未来超远程巡航鱼雷、UUV和水下空间站等装备100kW功率范围能源动力系统的主要发展方向。