坦克动力系统未来发展趋势展望

摘 要：以当前坦克装甲车辆动力系统领域的柴油机与燃气轮机之争为切入点，分别阐述了柴油机、燃气轮机、液力传动、机械传动、电传动等技术在该领域的应用及未来发展趋势。考虑到坦克装甲车辆的战略地位，针对相关技术的开发可有效改善坦克的整车动力性能及作战能力，对陆地武备力量的提升有着显著功效与现实意义。

关键词：坦克;装甲车辆;柴油机;燃气轮机;电传动

0    引言

在坦克装甲车辆动力装置领域，柴油机长期占有主导地位，其主要竞争对手是燃气轮机。但由于柴油机和燃气轮机各有优势及劣势，二者竞争的局面将会长期持续下去[1-4]。不可否认的是，增加动力装置的比功率和减少动力舱的体积，是为提高坦克机动性而长期有待实现的目标[5-6]。

1    采用新技术提高柴油机性能

柴油机设计技术非常成熟，现已研制的一系列机型具有同燃气轮机相竞争的实力。例如，德国MTU公司发展的MT880系列柴油机，其中883型功率已达到1 200 kW，其体积比MB873型柴油机减少35%，重量减轻15%，燃油消耗量降低12%，冷却系耗功减少20%，功率密度却提高一倍。同现装备坦克的柴油机相比，耗油量降低30%，体积减小40%，重量减轻40%。

1.1    柴油机增压技术

美国海军陆战队曾对先进两栖突击车的柴油机提出苛刻的使用要求：陆上行驶时能输出低速大扭矩，水上行驶时能发出4倍于陆上行驶的功率。为此，MTU公司采用高增压技术，为MT883 Ka-523型柴油机设计了4个体积小、重量轻的涡轮增压器，由同轴安装的单级排气涡轮驱动低压涡轮和高压涡轮，在低压涡轮和高压涡轮之间装有中冷器，从而使该机的额定功率达到1 911 kW。4个涡轮增压器分为两组，陆上行驶时一组增压器工作，水上行驶时两组同时工作。

1.2    采用二冲程机型

在追求高功率柴油机方面，法国Melchior技术公司选择二冲程机型。该公司研制的MT135二沖程柴油机，在气缸盖内采用相互垂直的提动式进气门，从而形成封闭式换气系统。采用一根凸轮轴控制多个凸轮方式改变供油角、供气角和压比，使得该机具有良好的低负载运转性能和冷启动性能。该柴油机还可以采取中冷措施，使进气压力约提高3倍，达到1.5～2.0 MPa，燃烧压力达到30 MPa。通过安装涡轮增压器，从排气中回收部分功率，最终使只有1 m3体积的柴油机输出1 139 kW功率，升功率达到147 kW/L。

1.3    柴油机隔热技术

柴油机的“隔热”，是指采用耐高温材料隔离柴油机的燃烧室、气缸头、气缸套和活塞，以使燃烧室在很少或几乎不向柴油机机体散发热量的工况下工作，最大限度地降低柴油机的摩擦功，同时利用排气管中的排气能量推动涡轮增压器和动力涡轮，从排气中回收部分能量。由于排气能量的大量回收及冷却系统功率消耗的大幅减少，柴油机的燃油经济性得到改善。未来有望实现使燃油消耗量降低30%、体积减小40%、重量减轻40%的目标。

2    研制新型燃气轮机

燃气轮机因其重量轻、体积小、噪声低、振动小、冷启动性能好、可以使用多种燃料等优势，已成功地应用于美国的M1坦克和俄罗斯的T-80坦克。然而，燃气轮机的燃油消耗量高、采购费用昂贵，致使未能广泛使用。

LV100燃气轮机是AGT1500燃气轮机的后继机型，在设计时除了首先考虑紧凑性和利用热交换器加热进气外，还利用轴向压气机和动力涡轮提高燃气轮机的热效率，使得该机的油耗特性特别是部分负荷时的耗油特性得到明显改善。按照计划，LV100燃气轮机有望达到210 g/kWh的燃油消耗指标，输出功率达到1 008 kW，仍有再提高20%功率的技术潜能。

燃气轮机搭配电传动方式，既能发挥燃气轮机扭矩特性佳、外特性状态下工作燃油经济性好的优点，还能为坦克总体设计带来更优越的灵活性[7-8]。

3    改善综合式液力机械传动和机械传动性能

综合式液力机械传动集液力传动和机械传动优点于一体，还可以通过闭锁变矩器、减少变矩器工作时间以及增加排挡数量提高传动装置的效率，当转向功率从变矩器前输出时更有利于提高整个传动系的总效率，使用液力减速制动器时还有助于提高车辆的制动性能。具有功率传递、变速、转向、制动和操纵等5种功能的综合式液力机械传动，既适合与燃气轮机构成先进整体式驱动系统，又适合与柴油机构成先进整体式驱动系统，是与柴油机相匹配的最佳传动形式之一。

机械传动虽是较为传统的坦克装甲车辆传动形式，但其以高传动效率一直广受关注。随着微机换挡操纵技术的发展，增加排挡数目不仅已成为现实，而且成为改善传动品质的途径之一。如果能继续保持机械传动效率高的优点，同时又能达到像液力传动、液压传动一样的传动性能，且不会给驾驶员带来操作负担，那么机械传动将具有更为广阔的应用前景。

4    推广装甲车辆电传动技术

“全电坦克”概念的出现，再次引起了对坦克电传动技术的关注。电传动的大容量发电机可以输出电能，除供电机驱动车辆行驶外，可为电炮提供所需电能，同时电装甲也需消耗电能，所以，电传动是发展全电坦克的基础[9]。

早期，由于尚不成熟的电传动技术导致传动装置体积庞大、重量过大，电传动的优点未能充分发挥，因此各国一直致力于发展体积小、重量轻的新型电机与控制器的研究开发工作。

电传动具有诸多优势，能实现无级变速，具有较好加速性，制动能量可以回收利用，更重要的是其总体布置上的灵活性，为坦克方案设计创造了有利条件。对轮式战车而言，电机可以布置在车轮轮毂里，不仅可以有效节省装甲战车的车内空间，而且便于实现“全轮驱动”。

5    动力舱整体化设计

动力舱包括动力装置、传动装置及各种辅助系统。动力舱整体化设计是将上述部件作为一个整体进行的设计。由于设计时是从整个系统考虑各部件的设计，强调的是系统性能达到最佳以及部件间的协调匹配，因而设计出的动力舱占用车内空间最小，重量最轻，功率利用效率最高。

6    开展液气悬挂和主动悬挂的研究与应用

液气悬挂的特性呈双曲线，可有效满足装甲车辆的行驶需求，在公路行驶状态下可确保乘员的舒适感，越野行驶时能有效避免刚性冲击，同时也可减轻乘员的操作强度并保护机件的安全。液气悬挂便于控制车体距地高度，实现车辆姿态的调整，在要求调节姿态的车辆上已获得应用，同时也为主动和半主动悬挂奠定了基础。

电子器件和数字式信号处理设备体积的减小以及液压技术的发展，为主动悬挂系统应用创造了条件。相关试验结果表明，主动悬挂系统的悬挂高度可由计算机进行动态控制，既能提高车辆越野行驶速度和改善乘员乘坐舒适性，又能为武器提供更加平稳的射击平台，代表著未来战车悬挂的发展方向。然而，主动悬挂装置需要耗功，成本高、结构更为复杂，限制了其在装甲车辆上的应用。简化的半主动悬挂，由于不需要外加动力，较容易实现装车使用。

7    结论及展望

坦克作为陆地武备力量的重要组成部分之一，其在纷繁多变的未来陆地战场中依然保有一席之地。在该前提下，不断改良及优化坦克动力及传动装置的技术水平，依然有着重要的现实意义。

[参考文献]

[1] 伍赛特.主战坦克动力装置展望研究[J].机电技术，2018（6）：118-120.

[2] 伍赛特.主战坦克用柴油机应用前景展望及技术发展趋势研究[J].内燃机，2019（2）：51-54.

[3] 伍赛特.燃气轮机的应用可行性研究综述[J].轻工科技，2019，35（12）：52-54.

[4] 伍赛特.燃气轮机应用于坦克动力装置的前景展望[J].机电产品开发与创新，2018，31（6）：54-56.

[5] 伍赛特.装甲车辆动力传动技术研究现状及发展趋势展望[J].传动技术，2019，33（2）：44-50.

[6] 伍赛特.装甲车辆动力系统设计过程研究综述[J].机电信息，2019（27）：146-147.

[7] 伍赛特.坦克装甲车辆电传动技术研究综述[J].自动化应用，2019（1）：34-35.

[8] 伍赛特.燃料电池应用于坦克动力装置的前景展望[J].装备制造技术，2018（12）：91-94.

[9] 郑慕侨，冯崇植，蓝祖佑.坦克装甲车辆[M].北京：北京理工大学出版社，2003.

收稿日期：2020-01-20

作者简介：伍赛特（1990—），男，湖南邵阳人，工学硕士，助理工程师，研究方向：内燃机与动力装置。