美海军三型鱼雷最新研发进展及技术途径

张 萌, 谭思炜, 张林森



美海军三型鱼雷最新研发进展及技术途径

张 萌, 谭思炜, 张林森

(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)

美国鱼雷技术处于世界领先水平, 其发展动向一直是世界各国海军关注的焦点。文中通过对美海军报告以及相关资料中收集到的2017财年美国在役MK 54 Mod 1型轻型鱼雷、MK 48 Mod 7重型鱼雷以及正在研发的反鱼雷鱼雷(ATT)这3型鱼雷的发展动向和具体技术动态的梳理, 简要分析了其研发现状及未来发展趋势。2017财年, 美海军对MK 54 Mod 1型轻型鱼雷继续改进声呐硬件和战术软件进行了多次研发性水中测试; 开展了“鱼雷先进动力推进系统(TAPS)”计划, 以增大现有MK 48 Mod 7重型鱼雷的射程; 同时, 在3艘航母上部署了ATT, 并进行了快速反应评估。文中所做研究可为国内相关装备的发展提供参考。

鱼雷; 研发进展; 技术途径; 美国海军

0 引言

美国鱼雷技术处于世界领先水平, 发展动向一直是世界各国海军关注的焦点。

美国海军现役鱼雷有MK 54轻型和MK 48重型鱼雷以及正在研发的反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)。文中梳理了以上3型鱼雷在2017财年的发展动向和技术状态, 以供国内同行借鉴。

1 MK 54鱼雷的发展

由于MK 50鱼雷的采购与使用成本过高, 冷战结束后美国海军无法大量采购。于是, 美国海军开始研发轻型混合鱼雷(lightweight hybrid torpedo, LHT), 这种鱼雷结合了MK 46鱼雷的战斗部和动力系统(速度控制阀来自MK 48)、MK 50鱼雷的自导和控制系统以及MK 48鱼雷的战术软件, 对美国海军来说是一种成本比较合理的先进轻型鱼雷[1], 即MK 54鱼雷。

MK 54鱼雷的设计工作始于1999年7月, 同年11月通过关键设计审查, 2002年进行技术评估与测试, 并在2003年2月完成[2]。相较于应对大航深、高速潜艇的MK 50鱼雷, MK 54鱼雷重点强化了近岸浅海环境下的作战能力[3], 这是因为美国海军认为冷战结束后的主要作战环境是敌对国家的近海海域[4]。在动力系统上, MK 54鱼雷引进MK 48鱼雷的变速阀, 可以通过调节燃料流量对鱼雷进行变速, 使鱼雷可在低速时搜寻目标, 从而提高自导系统发现目标的概率[5], 同时提高鱼雷攻击范围。该变速阀结构简单紧凑, 占用空间较少, 质量较小可靠性高, 如图1所示。

图1 MK 54鱼雷变速阀

美国海军于2007财年开始进行MK 54 Mod 1鱼雷的研发, 并于2015年11月开始研发性水中测试。硬件方面, MK 54 Mod 1鱼雷将声呐阵列从52个阵元升级到112个阵元, 以增强对虚假目标的识别, 提供更强的分辨能力, 并克服MK 54 Mod 0鱼雷的缺陷[1,3]。在软件方面则是配合硬件改动, 进行性能升级。在2017财年, 美国海军继续改进MK 54 Mod 1鱼雷声呐部分硬件和战术软件。

MK 54 Mod 1鱼雷总的研发计划要求在深水和浅水条件下进行6大项测试, 共需要发射84枚鱼雷。由于天气恶劣以及鱼雷和靶雷丢失等问题, 在2017年只进行了17枚鱼雷的发射, 加上以前的测试, 共计发射了43枚鱼雷。美国海军计划在2018和2019财年完成剩余的研发性测试, 并于2020财年进行作战测试与评估[1]。

2017年8月, 美国海军进行了战斗部缩比模型的测试, 以评估MK 54 Mod 1鱼雷对典型目标的杀伤力。另外, 美国海军还计划测试引信和战斗部装药的可靠性和MK 54全雷的安全性, 但由于测试设备发生了一系列故障, 测试被迫取消。

2017年, 美军开展了2项MK 54 Mod 1鱼雷作战性能测试设备的研发。一项是研发模拟敌方潜艇的靶标, 一项是对位于海军水下战中心的武器评估设施(weapon assessment facility, WAF)的模拟试验台的改进。美国海军计划通过改进靶标和海洋环境模型来提升评估手段, 以更贴近实战的环境来测试鱼雷的性能。

高空反潜作战能力(high-altitude anti-subma- rine warfare capability, HAAWC)计划是美国海军对MK 54 Mod 1鱼雷的一项重要的配套研究[1]。其含义是, 通过为MK 54鱼雷增添滑行机翼, 使P-8A飞机在巡航高度时对鱼雷进行远程、高空部署, 落点则由GPS导航精确控制[3]。HAAWC基本型不提供飞行途中改变攻击弹道的功能, 但会在未来添加。在2017年, 海军进行了P-8A和HAAWC套件的一体化测试, 并进行了P-8A携带飞行试验, 以收集P-8A武器系统的数据并评估操作员的人机界面。2017年12月完成了HAAWC套件的安全分离测试。滑行机翼由波音公司研发, 如图2所示。

图2 波音公司研发的滑行机翼

2017财年, 美军作战测试与评估中心认为MK 54 Mod 1鱼雷尚未形成战斗力, 原因是测试仍不能贴近实战环境及测试次数不足。美国海军对潜艇的安全规定限制了MK 54 Mod 1测试鱼雷对现役潜艇进行射击, 再加上没有模拟潜艇的逼真靶标, 因而无法充分评估MK 54 Mod 1鱼雷的实际作战能力。为解决上述问题, 美国海军计划下一步采取两步走的方法: 首先让鱼雷对潜艇进行搜索与跟踪, 以测试其目标搜索能力及抗干扰能力, 但在接近潜艇时进行规避操作; 然后利用静态靶标测试鱼雷攻击爆破能力。这样就对鱼雷工作的全过程进行了完整而贴近实战化的测评。

2017年, 美军作战测试与评估中心对MK 54 Mod1鱼雷的具体使用也提出了改进建议, 主要通过3个方面: 一是通过培训等提升使用人员在目标探测、定位和跟踪方面的技能; 二是修改MK 54的使用策略、操作规程以提升反潜效率; 三是在技术上降低MK 54参数设置的复杂性, 降低对鱼雷落水点的要求。

2 MK 48鱼雷TAPS计划

美国现役的重型鱼雷为MK 48 Mod 7鱼雷。该型鱼雷以MK 48 Mod 6为基础, 结合了通用自导与控制机箱(advanced common torpedo guidance and control box, ACOT-GCB)和通用宽带先进声呐系统(common broadband advanced sonar system, CBASS)技术。CBASS技术可以使鱼雷在浅海严重的背景噪声干扰中有效追踪目标, 并增强了抗敌方干扰的能力[7]。

在2016年8月, 美国海军宣布启动一项关于MK 48 Mod 7鱼雷动力系统的升级研究, 从2017财年起由海军研究办公室(office of naval research, ONR)执行鱼雷先进动力推进系统(torpedo advanced propulsion system, TAPS)计划[8], 目标是增大现有MK 48鱼雷的射程。TAPS有两大研究方向: 一是对现有活塞式斜盘发动机进行改进, 二是研究铝-氧化银海水电池电动力技术。

第1个研究方向的技术途径包括降低发动机输出功率和提高燃烧效率, 以此对鱼雷增程。在降低发动机输出功率方面, 做法是研发新型发动机, 要求在低功率输出下也能高效地工作。在提升燃烧效率方向上, 做法是改进燃烧室, 包括: 1)更换燃烧室材料, 减少燃烧室的散热; 2) 增加燃料在燃烧室内的停留时间, 使其充分燃烧; 3) 改进雾化装置, 在不同的发动机功率输出下都能使燃料有良好的雾化效果。目前, ONR已与Aerojet Rockdyne公司在第1个研究方向上签订了合同, Aerojet Rockdyne公司早在20世纪50年代就进行过鱼雷发动机的研发[9]。

第2个研究方向是研究铝-氧化银海水电池电动力技术以替换目前的MK 48热动力系统。ONR在该方向上列出的关键技术如下: 1) 铝-氧化银海水电池需要进行低漏电设计, 保证在低功率输出时具有高能量密度和效率; 2) 铝-氧化银海水电池需要具备大功率输出能力; 3) 铝-氧化银海水电池要通过长期存储和潜艇安全认证; 4) 有效的电解质管理系统。要求通过传感器, 实时监测关键电解质参数, 如电导率、粘度和温度等; 通过受控的、可变速率的技术手段, 补充高浓度电解质; 通过氢气-液体分离器, 及时将产生的氢气排出; 通过热交换器和热控制阀, 及时排出废热; 通过设计安静的电解液循环泵和电机, 最大限度地减少流体噪音; 5) 低噪声和低电磁辐射推进电动机技术, 防止对鱼雷其他系统产生干扰, 同时在低功率输出下具有大扭矩。在第2个研究方向上, ONR已与意大利Lenardo公司美国子公司DRS System签订了合同, 而意大利Lenardo公司即是黑鲨鱼雷的供货商。

3 反鱼雷鱼雷

美国于20世纪90年代初开始开展反鱼雷鱼雷(ATT)的研究工作, 于2010年朝韩“天安舰”事件后加速[10]。ATT的直径为6.75英寸, 具有高速特性与高机动性, 可快速打击敌方来袭鱼雷, 属于硬杀伤方式[11]。

ATT是美国海军水面舰艇鱼雷防御(surface ship torpedo defense, SSTD)系统的一部分, 其结构布局如图3所示。SSTD系统包含2个子系统: 鱼雷报警系统和反鱼雷武器系统。鱼雷报警系统用于对来袭鱼雷探测、定位、分类和报警; 反鱼雷武器系统则对来袭鱼雷实施硬杀伤, 以消除危险, 它包括ATT及其发射装置。SSTD系统目前在美国航母的舰艏、舰艉的左右舷各安装一套, 每套系统里含有6枚ATT。

图3 反鱼雷鱼雷结构布局

ATT由宾夕法尼亚大学应用研究实验室研发, 采用了储存化学能动力系统(stored chemical energy propulsion system, SCEPS)[12], 该系统组成复杂, 如图4所示。

图4 反鱼雷鱼雷内部组件

储存化学能动力系统使用闭式循环蒸汽涡轮发动机, 以锂金属作为燃烧剂, 六氟化硫作为氧化剂, 而水则是热交换工质。六氟化硫以加压液态方式储存在燃料舱中, 金属锂浇注在锅炉反应器内部, 锅炉外壁则是金属螺旋管作为热交换器。工作时, 热电池先点燃火药柱, 将锅炉内的锂加热成为液态, 六氟化硫则在其饱和蒸汽压力下从储存气瓶中经控制阀减压释放, 成为气体, 注入锅炉反应器。气态六氟化硫与液态锂在锅炉中接触并反应生成大量热, 锅炉产生的高温将四周水管内的水加热为过热蒸汽, 累积压力后推动涡轮, 涡轮通过齿轮箱带动泵喷射推进器推动鱼雷前进。工作过的蒸汽进入一个螺旋管冷凝器, 经由鱼雷壳体外的海水冷凝回液态水, 并由馈水泵送回锅炉反应器四周的热交换器中进行新的循环。整个循环过程只对周围海水释放热能, 而没有排出任何物质, 属于闭式循环[12]。

2017年, 美国海军在艾森豪威尔号、尼米兹号和乔治·布什号航空母舰上安装了反鱼雷武器系统[11]。在2017年10月, 美国国防部作战测试与评估中心结合厂家试验进行了快速反应评估。结果表明, 在理想条件下, 由训练有素的舰员或由制造商的技术人员操作时, 鱼雷报警系统能够成功对进入威胁范围内的鱼雷报警, 反鱼雷武器也能够对来袭鱼雷实施有效拦截。但受限于测试设备、测试的广度和次数等, 尚无法确定反鱼雷武器系统能否拦截齐射鱼雷。另外, 对于水面舰艇来说, 实际来袭鱼雷工作深度通常贴近海面, ATT也需要工作在该深度, 美国海军尚未进行该深度下的测试, 因此, 这是ATT将来测试的重点之一。

4 结束语

2017年, 美国海军对各型鱼雷开展持续渐进的研发: 1) 由对MK 54 Mod 1型轻型鱼雷的研发重点可以看出, 美国海军重视近岸浅海条件下的作战, 重视鱼雷对虚假目标的识别与对抗能力, 并通过增加声呐基阵阵元等方法来具体实现。2) 美国海军对MK 48 Mod 7重型鱼雷开展了TAPS计划, 表明优化动力系统以增程是未来鱼雷发展的一个重要方向。3) 美国海军在3艘航母上部署了ATT, 并进行了快速反应评估。试验结果显示, 美军的ATT已具备初步作战能力。4) 由美军对各型鱼雷作战测试与评估的重点可以看出, 贴近实战环境的性能测评应是鱼雷列装考核的重点。文中梳理的美国海军3型鱼雷的发展动向和具体技术途径可为国内相关装备的发展提供参考。

[1] U.S. Navy. FY2017 MK 54 Lightweight Torpedo and High-altitude Anti-submarine Warfare Capability[R]// DOT&E FY 2017 Annual Report. Washington USA: U.S. Navy, 2018: 195-198.

[2] Jane’s Defense. MK 46 NEARTIP(MOD 5)/MK 54 Torpedo[R]//Unmanned Vehicles Forecast-Land & Sea Systems. London UK: Jane’s Defense, 2013: 20-31.

[3] U.S. Navy. FY2016 MK 54 Lightweight Torpedo and High-altitude Anti-submarine Warfare Capability[R]// DOT&E FY 2016 Annual Report. Washington USA: U.S. Navy, 2017: 287-290.

[4] Burke A E. Torpedo and Their Impact on Naval Warfare[R]//Naval Undersea Warfare Center Division.Rhode Island, USA: U.S. Navy, 2017: 166-176.

[5] Jane’s Defense. Mk 54 Mod 0(LHT)[R]//Jane’s Underwater Warfare Systems. London UK: Jane’s Defense, 2013: 19-27.

[6] Baciocco A J. An Assessment of Undersea Weapons Science and Technology[M]. Washington D C, USA: National Academy Press, 2000.

[7] U.S. Navy. Navy Programs: MK 48 Advanced Capability (ADCAP) Torpedo Modifications[R]//DOT&E FY 2012 Annual Report. Washington USA: U.S. Navy, 2013: 181-183.

[8] ONR. Torpedo Advanced Propulsion System(TAPS)[R]// Announcement N00014. Washington DC, USA: USA ONR BAA, 2017: 3-11.

[9] Jolie E W. A Brief History of U.S. Navy Torpedo Development[R]. Rhode Island USA: U.S. Naval Underwater Systems Center, 1978.

U.S. Navy. FY2015 Navy Programs: Surface Ship Torpedo Defense System: Torpedo Warning System and Countermeasure Anti-torpedo Torpedo[R]//DOT&E FY 2015 Annual Report. Washington D C, USA: U.S. Navy, 2016: 303-306.

[10] U.S. Navy. FY2017 Navy Programs: Surface Ship Torpedo Defense System: Torpedo Warning System and Countermeasure Anti-torpedo Torpedo[R]//DOT&E FY 2017 Annual Report. Washington D C, USA: U.S. Navy, 2018: 223-226.

[11] Shah M S. Development of Closed Cycle Thermal System[J/OL]. BARC Newsletter, 2010(10): 132-136. [2018-10- 05]. http://barc.gov.in/publications/nl/2010/founderday/pdf/ DAE%20EA/Paper%2025.pdf

Latest Development Progress and Technical Approach of U.S. Navy’s Three Types of Torpedoes

ZHANG Meng, TAN Si-wei, ZHANG Lin-sen

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The torpedo technology of the United States is at leading level in the world, and its development has always been the focus of foreign navies’ attentions. In this paper, the development technical trends of the U.S. Navy’s three types of torpedoes, i.e., the MK 54 Mod 1 lightweight torpedo and MK 48 Mod 7 heavyweight torpedo in service, and the developing torpedo——the anti-torpedo torpedo(ATT), are reviewed and briefly analyzed based on the U.S. Navy report and the relative information in the fiscal year 2017. In this fiscal year, the U.S. Navy: 1) continued to improve the sonar hardware and the tactical software of the MK 54 Mod 1 torpedo, and conducted several developmental in-water tests; 2) carried out torpedo’s advanced propulsion system(TAPS) program to extend the range of MK 48 Mod7 torpedo; 3) completed deployments of ATTs on three aircraft carriers, and conducted the quick reaction assessment. The purpose of this paper is to provide a reference for the development of relative weapons in China.

torpedo; development progress; technical approach; U.S. Navy

张萌, 谭思炜, 张林森. 美海军三型鱼雷最新研发进展及技术途径[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 10-13.

TJ63; E87

R

2096-3920(2019)01-0010-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.002

2018-10-09;

2018-10-18.

张 萌(1978-), 男, 博士, 讲师. 主要研究方向为鱼雷热动力技术、鱼雷发射技术.

(责任编辑: 许 妍)