鱼雷水冲压发动机发展浅析

孟凡亮++赵晋宏++孙继红

摘 要：本文介绍了水冲压发动机的基本原理，论述了非壅塞式和燃气发生器式两种典型的发动机形式和原理，并对水冲压发动机的关键技术进行了探讨，最后本文分析了水冲压发动机的发展优势，水冲压发动机是热动力鱼雷发展的方向之一。

关键词：鱼雷 水冲压发动机 金属燃料 热动力

中图分类号：V512 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0087-02

现代化的战争环境对鱼雷的航程和速度要求越来越高，研制新型的大功率、大冲量的推进系统一直是各装备强国研究的重点。针对动力推进系统的选择，经专家的反复论证得出结论，只有采用金属（铝、镁或锂等）作燃料，并利用外部的海水作氧化剂和燃烧生成物的冷却剂，同时利用高效燃气轮机或喷气推进系统所组成的动力装置，才是真正推进水下武器实现超高速的最佳途径[1]。

俄罗斯很早就已经开始水反应金属燃料的研究，并且已经利用超空泡技术研制出用固体火箭推进的“暴风雪”鱼雷，该型鱼雷的最高航速已达到100 m/s（约200节）[2]。美国虽然没有研制相应的装备，但在金属燃料发动机方面进行了大量的理论研究和实践探索，美国应用研究实验室（ARL）以高压载气给料方式对Al/H2O、Mg/H2O水反应金属燃料的性能进行了研究，并进行了原理发动机的试验[3]。

1 水冲压发动机工作原理

水冲压发动机是直接将液态水引入燃烧室中，通过和燃烧剂中的金属粉末的剧烈反应，产生高温高压燃气，燃气通过喷管喷出时产生的反作用力作为动力的一种动力系统。这种动力系统能充分利用外界的水作为氧化剂，使得推进剂的比冲和能量密度得到大幅提高。

轻金属与水反应是水冲压发动机研究的基础，金属燃料是指能与水反应放出大量氢气和热量的以金属为主要成分的燃料。它以活泼金属为主要成分，在特定条件下能与水或其他液体组分发生剧烈氧化反应，生成大量的气体并放出大量热量。许多金属都能与水反应，从能量、价格以及反应需要的条件考虑，铝应是最佳选择。但是由于铝外层容易产生一层致密的氧化膜，不利于点火和稳定燃烧。

要实现能保证铝水持续反应的条件，一方面要保证反应的环境温度（一般达1400K以上）；另一方面对铝进行改性，降低反应难度。由于铝粉改性技术在降低铝水反应条件的同时，也会增加燃料储存的难度。因此，铝粉改性技术要得到成熟的运用，还需做大量工作，相比而言提高铝水反应时的环境温度相对较容易实现。根据反应方式不同，水冲压发动机的结构可以分为非壅塞式和燃气发生器式。

1.1 非壅塞式

非壅塞式一般选择利用载气或载液给料的方式，即将金属粉末分散在高压载气/载液中并随载气/载液流入燃烧室与高温水蒸气发生剧烈反应。通常铝颗粒（粉末）外有一层致密的氧化膜，不利于铝与水直接接触，为了触发铝与水的反应，美国应用研究实验室（ARL）的研究人员设计了一种旋涡燃烧室，如图1所示。铝粉颗粒和水由切向高速进入旋涡燃烧室，由于碰撞、摩擦及水的剪切作用，铝粉颗粒表面氧化膜被逐渐去除，铝粉颗粒的直径不断减小。在涡流中，颗粒的轨迹由颗粒直径决定，由于铝颗粒不断减小，离心力会不断减小，铝粉颗粒不断向燃烧室中心运动。在铝颗粒表面部分氧化膜被去除的过程中，铝与水摩擦发生反应，同时生成新的氧化膜。在焰前反应区，随着反应的逐渐进行，温度大幅提高，当铝颗粒到达燃烧区时，已被加热到沸点（比氧化膜的熔点稍低），发生气相燃烧。

1.2 燃气发生器式

燃气发生器式发动机采用具有高金属含量的混合固体燃料，以药柱形式装填于燃烧室，使用外部海水作为氧化剂，燃料加热后开始一次燃烧后，形成富含金属粉末的高温燃气。水在流体动压作用下进入燃烧室，经喷射雾化后受热蒸发，在高温条件下与燃气中金属粉末发生反应，放出的大量热量保证反应持续进行。过量进水经喷射雾化后吸收部分金属与水反应产生热量，并转化为水蒸气作为工质与燃烧产物一起经喷管喷出做功，从而使发动机产生推力。

2 水冲压发动机的关键技术

2.1 燃料的组织优化

水反应金属燃料的组织形式不仅影响燃烧室内金属与水分之间反应或燃烧的稳定性，而且对金属燃料的制备工艺、储存条件、点火技术及整个发动机的性能都有决定性影响。

载气/载液给料方式中金属粉末分散在高压载气/载液中并随载气/载液流入燃烧室与水蒸汽发生剧烈反应或燃烧。该方式的最大优点是可以提高燃料中金属含量，但燃料进入燃烧室的初始燃温低，因此反应启动困难，而且金属颗粒氧化物膜难以去除，影响反应效率。固体药柱给料方式的优点是容易控制燃料组分比例，结构简单，制备工艺简单，因此是离实用化最接近的水反应金属燃料给料方式。但药柱不便于长期储存，危险性大，整个反应过程不便于控制，药柱成分确定以后不容易控制反应速率。

2.2 点火系统

实现水反应金属燃料的迅速、可靠点火对水下高速推进具有重要意义。由于低温下金属与水反应困难，因此，金属粉末被加热至熔化或气化状态，才能与高温水蒸汽进行瞬间剧烈的反应。可采取外部加热或燃料中增加其他助燃剂的方法，对载液给料来说，载液一般就是某种燃料，因此，需研究专门的液体燃料点火装置。

固体推进剂药柱给料也需要专门的点火装置来迅速引燃金属燃料药柱，启动发动机的一次燃烧，保证固体燃料要进入稳定的二次燃烧。由于水反应金属燃料固体药柱中含有大量的金属粉末，其氧平衡值非常低，其点火药与普通的火箭推进剂点火药不同，需要专门研究其点火机理、点火方式并配制专门的点火药。

2.3 水燃比以及进水方式

燃气发生器式发动机的一次进水是为了引发金属与水的剧烈反应，合理的水燃比用以维持合理的燃烧室的温度，使金属燃料持续的反应，同时雾化水有利于水的汽化和与金属颗粒的反应。而二次进水主要是增加做功工质，同时降低燃气温度，不再参与化学反应。控制合理的水燃比有利于提高发动机的比冲和效率，维持燃烧室温度在合理范围，使金属与水的反应能持续进行。载气/载液给料方式时，水和金属燃料同时进入燃烧室，水燃比直接影响燃烧的启动以及后续的燃烧。endprint

2.4 燃烧室结构设计

燃烧室是金属燃料燃烧的关键部位，必须能够达到并保持金属与水反应的条件。非壅塞式发动机要使金属能够达到与水燃烧的温度，并且实现燃料持续不断的供应，药柱给料方式时需要设计一次进水和二次进水的方式，一次进水的雾化必须能够使金属与水充分反应。燃烧室的设计必须经过大量的理论分析和实验验证，充分考虑水下环境的影响，才能发挥水下喷气推进的优势。

3 水冲压发动机的优势分析

3.1 高能量高比冲

目前热动力鱼雷的主要燃料仍然是多组分或是带有氧化剂成分的单组元燃料，水冲压发动机利用外部海水作为氧化剂和工质，发动机仅携带贫氧燃料，具有非常高的能量密度，能够实现高比冲。计算结果表明，水发动机的比冲大于常规火箭发动机，且发动机结构体积大大减小。远航程是水中兵器一直尚未解决的难题，超远航程的鱼雷可以提供一种新的战略威慑手段。

3.2 结构简单可靠性高

普通的热动力鱼雷动力系统结构复杂，维护保养成本很高，可靠性却比较低，给部队维修保障造成很大困难。水冲压发动机大大减少了运动部件，结构简单，容易提高发动机的固有可靠性。可靠性是武器装备最重要的指标之一，可靠性的提高能大大节省后期维护费用和维修难度，降低全寿命周期的使用费用，有利于大量装备和使用。

3.3 燃料安全可靠无污染

水反应金属原料尤其铝一般比较廉价，而且常温下安全可靠，便于运输和储存。相比而言，电动力鱼雷需要昂贵的电池，不仅使用成本高昂，而且安全性不容易保证。普通热动力鱼雷使用的OTTO燃料不仅有毒有害，对储存和运输的条件要求很高，而金属燃料稳定性好，价格相对低廉，对环境污染少，降低了训练和使用成本。

参考文献

[1] Dan S. Kalman filtering with inequality constraints for turbofan engine health estination[R].NASA/TM-2003-21211.

[2] 金建民.粉末式水冲压发动机构型研究[D].国防科学技术大学，2010.

[3] 李是良，张炜，朱慧，等.水冲压发动机用金属燃料的研究进展[J].火炸药学报，2006，29（6）：69-72.endprint

2.4 燃烧室结构设计

燃烧室是金属燃料燃烧的关键部位，必须能够达到并保持金属与水反应的条件。非壅塞式发动机要使金属能够达到与水燃烧的温度，并且实现燃料持续不断的供应，药柱给料方式时需要设计一次进水和二次进水的方式，一次进水的雾化必须能够使金属与水充分反应。燃烧室的设计必须经过大量的理论分析和实验验证，充分考虑水下环境的影响，才能发挥水下喷气推进的优势。

3 水冲压发动机的优势分析

3.1 高能量高比冲

目前热动力鱼雷的主要燃料仍然是多组分或是带有氧化剂成分的单组元燃料，水冲压发动机利用外部海水作为氧化剂和工质，发动机仅携带贫氧燃料，具有非常高的能量密度，能够实现高比冲。计算结果表明，水发动机的比冲大于常规火箭发动机，且发动机结构体积大大减小。远航程是水中兵器一直尚未解决的难题，超远航程的鱼雷可以提供一种新的战略威慑手段。

3.2 结构简单可靠性高

普通的热动力鱼雷动力系统结构复杂，维护保养成本很高，可靠性却比较低，给部队维修保障造成很大困难。水冲压发动机大大减少了运动部件，结构简单，容易提高发动机的固有可靠性。可靠性是武器装备最重要的指标之一，可靠性的提高能大大节省后期维护费用和维修难度，降低全寿命周期的使用费用，有利于大量装备和使用。

3.3 燃料安全可靠无污染

水反应金属原料尤其铝一般比较廉价，而且常温下安全可靠，便于运输和储存。相比而言，电动力鱼雷需要昂贵的电池，不仅使用成本高昂，而且安全性不容易保证。普通热动力鱼雷使用的OTTO燃料不仅有毒有害，对储存和运输的条件要求很高，而金属燃料稳定性好，价格相对低廉，对环境污染少，降低了训练和使用成本。

参考文献

[1] Dan S. Kalman filtering with inequality constraints for turbofan engine health estination[R].NASA/TM-2003-21211.

[2] 金建民.粉末式水冲压发动机构型研究[D].国防科学技术大学，2010.

[3] 李是良，张炜，朱慧，等.水冲压发动机用金属燃料的研究进展[J].火炸药学报，2006，29（6）：69-72.endprint

2.4 燃烧室结构设计

燃烧室是金属燃料燃烧的关键部位，必须能够达到并保持金属与水反应的条件。非壅塞式发动机要使金属能够达到与水燃烧的温度，并且实现燃料持续不断的供应，药柱给料方式时需要设计一次进水和二次进水的方式，一次进水的雾化必须能够使金属与水充分反应。燃烧室的设计必须经过大量的理论分析和实验验证，充分考虑水下环境的影响，才能发挥水下喷气推进的优势。

3 水冲压发动机的优势分析

3.1 高能量高比冲

目前热动力鱼雷的主要燃料仍然是多组分或是带有氧化剂成分的单组元燃料，水冲压发动机利用外部海水作为氧化剂和工质，发动机仅携带贫氧燃料，具有非常高的能量密度，能够实现高比冲。计算结果表明，水发动机的比冲大于常规火箭发动机，且发动机结构体积大大减小。远航程是水中兵器一直尚未解决的难题，超远航程的鱼雷可以提供一种新的战略威慑手段。

3.2 结构简单可靠性高

普通的热动力鱼雷动力系统结构复杂，维护保养成本很高，可靠性却比较低，给部队维修保障造成很大困难。水冲压发动机大大减少了运动部件，结构简单，容易提高发动机的固有可靠性。可靠性是武器装备最重要的指标之一，可靠性的提高能大大节省后期维护费用和维修难度，降低全寿命周期的使用费用，有利于大量装备和使用。

3.3 燃料安全可靠无污染

水反应金属原料尤其铝一般比较廉价，而且常温下安全可靠，便于运输和储存。相比而言，电动力鱼雷需要昂贵的电池，不仅使用成本高昂，而且安全性不容易保证。普通热动力鱼雷使用的OTTO燃料不仅有毒有害，对储存和运输的条件要求很高，而金属燃料稳定性好，价格相对低廉，对环境污染少，降低了训练和使用成本。

参考文献

[1] Dan S. Kalman filtering with inequality constraints for turbofan engine health estination[R].NASA/TM-2003-21211.

[2] 金建民.粉末式水冲压发动机构型研究[D].国防科学技术大学，2010.

[3] 李是良，张炜，朱慧，等.水冲压发动机用金属燃料的研究进展[J].火炸药学报，2006，29（6）：69-72.endprint