国外地面机动平台动力技术发展研究

贾喜花，仲崇慧，王桂芝

（北方科技信息研究所，北京100089）

当今世界范围内，地面机动平台动力以柴油发动机为主。德国的高功率密度柴油机技术处于世界领先地位，其中MTU公司MT890系列柴油机改进后升功率到达100kW／dm3，FEV公司也开发出功率密度为105 kW／dm3的柴油机。目前，只有俄罗斯的T－80系列和美国的M1系列主战坦克采用了燃气轮机。但是受燃油经济性、采购价格和采购批量的影响，燃气轮机在地面机动平台领域的应用前景不甚乐观。由于燃料电池装甲车辆不仅有优化的人机环境，而且具有良好的战场隐蔽性，一些国家开始研究采用燃料电池的武器装备，以提高武器装备性能，降低燃油消耗，此外混合动力推进技术备受各国关注。

一些新型动力技术正在探索研究之中，如澳大利亚潘柏系统公司100kW和450kW的液压自由活塞发动机样机，单位体积功率高达1 923kW／m3，比质量为1 kg／kW；美国推出了“旋风”Mark II水冷外燃发动机样机、双盘式摆盘发动机样机，但是这些动力技术还没有正式在地面机动平台上应用。

1 重大发展动向及其影响

近年来，国外地面机动平台动力技术取得巨大进步，技术水平有了大幅度提高。纵观国外2000年以来动力技术的发展，值得关注的重大发展动向主要有高功率密度发动机开始生产应用；美国陆军规划未来20年动力能源技术发展重点；燃料电池在“布雷德利”战车上试验；外燃发动机的军事应用受到重视。

1.1 高功率密度发动机开始生产应用

德国MTU公司的高功率密度柴油机开始在批量生产的“美洲狮”步兵战车上使用。“美洲狮”步兵战车的整体式动力传动系统由MT892柴油机、HSWL 284C全自动变速箱、启动电机、冷却和排气系统组成，如图1所示。其中MT892柴油机功率为800kW，升功率达到92kW／dm3，质量为860kg。

图1 “美洲狮”动力传动系统

（1）高功率密度发动机的升功率、单位功率质量、燃油消耗率等性能指标都有明显改善

高功率密度发动机比现有同功率范围发动机的功率密度大幅增加，而质量、单位功率质量、油耗明显降低，冷却系统更加紧凑。MT890系列柴油机中MT893功率为1 103kW，升功率为92kW／dm3，远远高于相同功率的现役主战坦克发动机，如“豹”2坦克发动机为23 kW／dm3，“勒克莱尔”坦克发动机为67kW／L。MT890柴油机与同功率范围的军用卡车柴油机如8V199相比，质量、体积、单位功率质量分别下降约60%。MT890系列柴油机的高压共轨喷射系统最高喷射压力可达180MPa，即使发动机低转速时仍可获得高的喷射压力，因此在整个转速范围可以实现高效燃烧，燃油消耗率达到了217g／（kW·h）。

（2）高功率密度发动机的应用解决了地面机动平台因增强防护而引起的质量增加与机动性之间的矛盾

地面机动平台采用反应装甲、主动装甲和主动防护系统等，能够改善地面机动平台的防护能力，但是同时增加了地面机动平台的质量，从而引起功率消耗增加，要满足地面机动平台因增强防护而不降低机动性引起的所需功率增加，采用普通发动机势必增加体积和质量，占用更大的车内空间，而高功率密度发动机将以较小体积的动力获得更大的机动性，能够有效缩小地面机动平台外形尺寸、减轻其战斗全重，解决了地面机动平台因增强防护而引起的质量增加与机动性之间的矛盾，增强了战斗力。

（3）高功率密度发动机可以为车辆设计提供更大的灵活性

高功率密度发动机结构紧凑，比现有同功率范围发动机质量和体积大幅减少，节省的空间和质量能够装载额外的燃油、防护装甲、自动装弹机以及其他设备。高功率密度发动机适用于常规液力机械传动和混合电传动，为车辆设计提供更大的灵活性。

1.2 美国陆军规划未来20年动力能源技术发展重点

2010年美国陆军正式发布《动力与能源战略白皮书》。白皮书中对于地面车辆的要求包括在行驶中和停车时为车载系统提供足够的电力和冷却，包括战斗车辆停车时有3h以上的“安静”动力，输出动力以降低营地中独立发电机的需求；提供脉冲动力，支持新系统如定向能武器、电磁炮和其他脉冲系统；限制整车质量和车载系统动力需求，以减少运输与机动性要求相当的燃油消耗。

（1）白皮书针对陆军近期、中期和远期需求，提出了指导陆军动力与能源领域能力发展的框架

动力与能源战略白皮书分析目前以及未来（2030＋）陆军在动力与能源领域存在的问题和挑战，讨论了陆军未来对动力与能源的需求，对现有和未来的技术进行了评估，提出各领域具体的动力和能源解决方案，展望了陆军动力与能源战略实施的前景。美军推出动力与能源战略白皮书，不仅对美国陆军动力与能源技术的发展和应用具有重要指导作用，对世界其他国家也具有重要的参考和借鉴作用，将对世界动力与能源的发展产生重要影响。

（2）指出地面车辆动力传动技术未来20年的发展重点

近期和中期，地面机动平台变速箱和发动机开发应当集中在传统机械结构，采用多个增量改进。混合电传动系统需要进一步开发和作战测试。到2020年重点发展混合电传动战术车辆和专业车辆，2030年发展重点为混合电传动战车。对于地面车辆替代动力，2014年燃料电池用于低负荷，到2020年将拓宽燃料电池应用范围，用于较高负荷，2030年考虑燃料电池作为地面车辆主动力的研究。未来20年美国在地面车辆动力传动技术领域的发展重点将推动动力传动技术的发展走向，同时对其他国家制定该技术领域发展规划计划也有一定参考意义。

1.3 燃料电池在“布雷德利”战车上试验

美国陆军在“布雷德利”M2A3战车上采用带整体式JP－8燃油重整装置的德国德尔福公司固态氧化物燃料电池作为辅助电源试验。“布雷德利”M2A3战车在采用该燃料电池辅助电源之后，提高了车辆的燃油效率，降低了车辆的热信号，减少了排放，降低了振动和噪声，特别是在静默观察时，降低了86%的燃油消耗率，延长了车辆的静默观察时间，大幅减轻了军方的后勤负担。

（1）燃料电池能够满足静默观察需求，降低目标特征

战场感知、目标捕获和通信设备的进步使安装有大量电气／电子设备的装甲车辆电力负荷需求增加，这些车辆一般通过配备有发电机的主内燃发动机提供动力，在发动机熄火时采用电池组在有限时间内供电。在发动机熄火时车内战场电子设备工作，即静默观察模式。但是此模式下由于电池容量原因，作战行动时间有限，除非采用辅助动力单元或重新启动发动机为电池充电。而采用燃料电池辅助动力单元的军用车辆可以大大延长静默观察时间，节省燃油，而且声和热特征低。

（2）提高燃油效率，降低后勤负担

与传统的内燃机相比，燃料电池燃油效率高，使用时间长，用于战地车辆可减少战场上的燃料备品供应，在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少，降低了后勤负担。特别是静默观察时，发动机怠速运转，发动机不是在怠速工况优化的，因而怠速燃油效率不高，而采用燃料电池可明显降低燃油消耗，如“布雷德利”战车采用燃料电池在静默观察情况下燃油消耗可降低86%。燃料电池为减轻陆军的运输燃料负担提供了良好的前景。

（3）提高乘员舒适性，优化人机环境

传统内燃机热辐射大，噪声高，恶劣的人机环境给士兵造成严重的心理伤害，而燃料电池机械部件很少，工作过程中运行噪声低，克服了内燃机的冲击振动，降低了车辆噪声，大大提高了乘员舒适性，燃料电池反应产物为水和CO2，若以纯氢气为燃料，其化学反应产物仅为水，无任何烟气排放，有效地减少动力系统的排气热辐射，优化了人机环境，提高了隐形性能，可以使地面机动平台接近敌人而不易被发现。

1.4 外燃发动机的军事应用受到重视

美陆军坦克机动车辆研发和工程中心研究将小型“旋风”外燃机（30cm×30cm×43cm）装在“艾布拉姆斯”主战坦克、“斯特赖克”和“布雷德利”等装甲车辆内，在车辆主发动机关机时，用其驱动发电机发电，以维持车载用电设备的运行，从而极大降低燃油消耗。美国防高级研究计划局则在研究利用以广泛多样的天然资源作为燃料的“旋风”外燃机驱动机器人执行长时间的军事任务。

（1）外燃机可用任何可燃物作为燃料，经济性好，解决燃油后勤负担问题

传统的汽油机或柴油机在气缸内点燃高压混合气，需要精确的空燃比。而“旋风”外燃机由于燃烧是在大气压力下在外部燃烧室进行的，因而所用燃料非常灵活，在燃烧试验中曾使用从桔子皮、棕榈油和鸡肉脂肪中得到的燃料。由于“旋风”外燃机可利用多种燃料运转，减少对传统燃料的依赖，如果应用在各种军用车辆、发电机方面，将解决“提供多种专用级别和类型的燃料而带来的巨大的后勤负担问题”，具有良好的军事应用前景。

（2）燃烧干净、安静，有利于保护环境

由于“旋风”外燃机可以使用100%的生物燃料（没有最低15%的石化燃料要求），燃料和空气在燃烧室内以类似旋风的涡流形式混合，燃烧比较完全，废气中除了二氧化碳之外其他产物很少。“旋风”发动机几乎不排放类似内燃机所产生的燃烧不完全的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物等。“旋风”外燃机的惟一润滑剂是水，没有废机油需要更换、处理或泄漏到地面。“旋风”外燃机的排气是无噪声的。所有这些都不需要昂贵的和复杂的尾气处理装置如催化式排气净化器。“旋风”外燃机的出现为缓解传统内燃机造成的环境污染问题提供一种新的选择。

（3）效率高、成本较低，便于维修保养

“旋风”外燃机热效率接近目前市场上柴油机的最高热效率。通过热量回收、采用超临界流体、高度紧凑结构等方法提高热效率，“旋风”外燃机升功率达到114.8kW／dm3。

“旋风”外燃机是整体式装置，没有复杂的附件与子系统，如催化式排气净化器、消声器、油泵、变速箱等，从而降低了成本、尺寸与总重，提高了总效率和发动机的可靠性。总之，“旋风”外燃机需要制造、装配的零件较少，相应地磨损或消耗的零件少。“旋风”外燃机的零部件由便宜的非稀有材料制成，预计在同等输出功率情况下，“旋风”外燃机制造和保养成本比传统汽油机或柴油机低。

2 动力技术发展趋势

未来高功率密度发动机技术将成为重要的发展领域，根据未来地面机动平台总体设计和传动型式的要求，动力传动系统将向高度集成和分散布置方向发展。此外各国继续积极探索发展新原理、新概念动力技术，满足未来新型地面机动平台对动力技术的需求。

2.1 高功率密度发动机技术成为未来发展的重要领域

高功率密度发动机结构紧凑，升功率、燃油消耗率等性能指标比同功率范围的普通发动机都有明显改善，适用于常规液力机械传动和混合电传动，可以满足未来新型地面机动平台对动力的需求，同时满足现役装备改造对高功率发动机的需求。高功率密度发动机采用的整体式曲轴箱技术、高压共轨燃油喷射技术、高温冷却技术、可变几何涡轮增压技术和发动机电子管理技术等将成为未来地面机动平台动力技术发展的重要领域。

2.2 燃料电池技术有望实现在地面机动平台上的广泛应用

燃料电池的开发利用受到各国重视，质子交换膜燃料电池可以用作坦克动力源，使坦克在整个速度范围实现理想的牵引力，同时取消了变速箱、操纵转向机构等一系列传统的耗能部件，因此质子交换膜燃料电池将是未来地面机动平台动力的理想选择。美国陆军计划到2020年将燃料电池用于地面车辆较高负荷，2030年考虑燃料电池作为地面车辆主动力的研究。燃料电池在地面机动平台上广泛应用为期不远。

2.3 动力传动系统向高度集成和分散布置方向发展

动力传动系统是坦克装甲车辆的核心部件，未来的发展有高度集成和分散布置两种趋势，主要取决于未来地面机动平台总体设计的要求和传动的型式。如果推进系统采用电传动，则各部分可根据需要灵活布置，如果推进系统采用机械传动形式（或不需要分散布置），则应采用高度集成式布置。动力传动系统高度集成是未来地面机动平台动力传动系统的优选方案，为未来动力传动系统发展指明了方向。

2.4 探索发展新型动力技术

许多国家积极致力于开发采用新结构、新原理的新型动力技术，并取得较大技术进展。美国探索研究的邦纳发动机与摆盘发动机、奥地利的整体式柴油机等具有较大发展潜力，应用前景良好，将成为地面机动平台未来发展的重要候选技术。

3 结束语

我国地面机动平台动力技术研制经过几代人的努力，攻克了许多技术难关，已经取得一定进展，但与发达国家相比，产品性能和技术水平仍然存在着不小的差距，严重制约着地面机动平台的快速发展，随着我军装备升级改造以及装备现代化进程推进，未来对先进动力技术的需求更加明显和迫切。为此应密切关注国外动力技术的发展动向，积极发展与我国中长期国防战略相适应的轻量化、快速部署武器平台用高功率密度柴油机，面向2030年长期发展需求，开展新概念创新动力技术探索研究。

［1］ Power and Energy Strategy White Paper.

［2］ “Puma”，the new German armored personnel carrier，uses innovative diesel drive system from Tognum.http：／／www.tognum.com／press／press－releases／presse－detail／news／.

［3］ 贾喜花，等.地面机动平台动力传动技术发展对策研究.国防科技情报研究报告，BQB2011－0675.