張亞俊，王 祎，李吉禎，劉芳莉，齊曉飛

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065;2.中國船泊重工集團(tuán)公司 第七〇五研究所，西安 710075)

魚雷，以其便捷的發(fā)射方式、優(yōu)異的戰(zhàn)技性能和驕人的戰(zhàn)績，成為當(dāng)前海戰(zhàn)中的反潛和反艦的最主要武器品種之一，也常被用來封鎖港口和狹窄水道，按其攜載平臺(tái)和攻擊對(duì)象可分為反艦魚雷(艦艦、潛艦、空艦)和反潛魚雷(艦潛、潛潛、空潛)等［1-3］。鑒于當(dāng)今世界的局勢及武器科技的發(fā)展，世界各國在魚雷技術(shù)方面的發(fā)展特點(diǎn)均為航速快、航程遠(yuǎn)、隱蔽性好、命中率高、破壞性大，但由于水阻力遠(yuǎn)超過空氣阻力(水下航行體受到的阻力約為空中飛行器受到阻力的1 000多倍)，致使航速、航程和精度成為常規(guī)動(dòng)力魚雷的“軟肋”。因此，世界軍事強(qiáng)國均在爭相研究高速魚雷技術(shù)，主要包括超空泡技術(shù)、水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和金屬/水反應(yīng)燃料技術(shù)［4-5］。

金屬/水反應(yīng)燃料是指能與水發(fā)生反應(yīng)放出大量氫氣和熱量的以金屬為主要成分的燃料。該類燃料以活潑金屬材料為主要成分，能與水或其他液體組分發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成大量的小分子氣體(以氫氣為主)，同時(shí)釋放出大量的熱量，能量水平較高;該類燃料以從外界吸入的水作為氧化劑，為水下航行體爭取了更多燃料儲(chǔ)存空間，可大幅度增加水下航行體動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度［6］。金屬/水反應(yīng)燃料類似于空氣沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用的富燃料推進(jìn)劑，以它為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)稱為水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用作水下高速武器的動(dòng)力源。

我國在高速魚雷技術(shù)方面的研究起步較晚，技術(shù)成熟度相對(duì)較低，本文以高速魚雷的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用研究為基礎(chǔ)，闡述金屬/水反應(yīng)燃料的特點(diǎn)、工作原理、配方體系及其研究重點(diǎn)，以期為相關(guān)技術(shù)的研究提供一定的幫助。

1 國內(nèi)外金屬/水反應(yīng)燃料的應(yīng)用研究

俄羅斯是最早開展高速魚雷研究的國家之一，也是最早開展金屬/水反應(yīng)固體燃料技術(shù)的國家之一。前蘇聯(lián)的烏克蘭流體力學(xué)研究所自1960 年即開始研究高速魚雷，1977 年設(shè)計(jì)定型第一代超空泡火箭推進(jìn)魚雷“暴風(fēng)雪”(Shkval E)，并于1997 年裝備部隊(duì)。“暴風(fēng)雪”魚雷長8.23 m、重2 697 kg，采用鎂基金屬/水反應(yīng)固體燃料，最大航速可達(dá)200 kn(約100 m/s)，超過傳統(tǒng)魚雷的3 ～5 倍(傳統(tǒng)魚雷的航速僅為30 ～75 kn)，航程為10 km，無自導(dǎo)系統(tǒng)，攻擊彈道為直航，具有很高的航向精度;此后，俄羅斯研制了第二代、第三代M系列的高速魚雷M7 和M9，航速超過300 kn(約150 m·s-1)，射程50 km。1999 年，在阿布扎比舉行的國際防務(wù)武器博覽會(huì)上，俄羅斯展出了超高速魚雷“疾風(fēng)”出口型，該型魚雷航速約200 kn(約100 m/s)，其動(dòng)力裝置采用鎂/水反應(yīng)推進(jìn)水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)［4，7-9］。目前，俄羅斯在研的新一代金屬/水反應(yīng)固體推進(jìn)超高速魚雷采用發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，并利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饣亓黝^部進(jìn)行超空泡補(bǔ)氣，航速可達(dá)400 kn(約200 m/s)，射程可達(dá)100 km。

美國早于20 世紀(jì)40 年代就開始了金屬/水反應(yīng)燃料技術(shù)及超空泡技術(shù)的研究工作，主要工作由美國國防研究計(jì)劃局(DARPA)和美國海軍研究所(ONR)負(fù)責(zé)，致力于探索和發(fā)展高速魚雷技術(shù)。據(jù)報(bào)道，美國也研制出了超高速魚雷樣機(jī)，外觀上和俄羅斯“暴風(fēng)雪”魚雷很相像，最大速度可達(dá)200 kn。美國賓夕法尼亞大學(xué)一直從事鋁/金屬/水反應(yīng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出旋渦燃燒器式水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，其原理是將鋁粉注入水的高速渦流中，高速渦流與鋁顆粒之間的高速剪切作用、鋁顆粒之間的相互刮擦作用，破壞了鋁粒子表面的氧化膜，使鋁粉和水劇烈燃燒，最終形成大量的高溫、高壓氣體［10，11］。

德國是世界上從事水下高速航行體研究最早的國家，早在二戰(zhàn)前，德國就已開展了高速魚雷用超空泡技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，20 世紀(jì)90 年代末期又與美國共同開發(fā)超空泡水下航行體［12］。目前德國已對(duì)航速在100 kn 以上的魚雷技術(shù)(包括空泡形成及控制技術(shù)、彈體設(shè)計(jì)技術(shù)、彈體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定機(jī)理、金屬/水反應(yīng)燃料應(yīng)用技術(shù)等)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，針對(duì)現(xiàn)役超高速魚雷的弱點(diǎn)(無自導(dǎo)功能、只能在淺深度下作定深巡航)，其研究重點(diǎn)調(diào)整為可能作為未來反魚雷或反潛戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)的小型、快速、機(jī)動(dòng)的輕型超高速反魚雷魚雷(Anti-Torpedo Torpedo，ATT)，該武器的各主要功能和構(gòu)件均在德國梅爾多夫和杰滕堡的試驗(yàn)場進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)［12，13］。另據(jù)報(bào)道，2001 年年底，德國成功試驗(yàn)了第一枚超高速魚雷試驗(yàn)樣機(jī)，其航速為400 kn。

法國、日本等國家也在開展水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及金屬/水反應(yīng)燃料技術(shù)等方面的研究，試圖在高速魚雷技術(shù)方面取得突破［14-16］。

我國對(duì)于高速魚雷方面的相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)90 年代初開始水下兵器超空泡技術(shù)的開發(fā)，2000 年以后才開始進(jìn)入金屬/水反應(yīng)燃料技術(shù)、水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的試驗(yàn)研究階段。目前，西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、航天、兵器等研究單位開展的相關(guān)工作主要集中在超空泡的形成及數(shù)值模擬技術(shù)、水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理機(jī)理論性能模擬以及金屬/水反應(yīng)燃料的理論預(yù)估等基礎(chǔ)性的理論和實(shí)驗(yàn)研究［17-19］。

國防科技大學(xué)與某研究所合作以Mg/H2O 體系為研究對(duì)象，進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用壓裝固化藥柱端面燃燒實(shí)現(xiàn)了水沖壓原理發(fā)動(dòng)機(jī)的熱試車，驗(yàn)證了理論研究的結(jié)果，但金屬/水反應(yīng)燃料的綜合性能還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。孫展鵬和張運(yùn)剛等［20，21］用高金屬(Al)含量富燃料推進(jìn)劑開展了Al/H2O 體系金屬/水反應(yīng)燃料的研究，進(jìn)行了水沖壓原理發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車，盡管其金屬/水反應(yīng)燃料中金屬含量偏低，但卻驗(yàn)證了該類發(fā)動(dòng)機(jī)的理論可行性。

李芳等［22］對(duì)Al/H2O 體系及其他體系的金屬/水反應(yīng)燃料進(jìn)行了理論研究，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)過程對(duì)其熱力學(xué)特性進(jìn)行了分析，初步研究了燃料配方對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響;鄭邯勇等［23］研究了燃料中鋁粉粒度、黏合劑和鋁水反應(yīng)起始階段助燃劑對(duì)鋁水反應(yīng)的影響，初步分析了Al/H2O 體系的反應(yīng)機(jī)理，為深入研究該類發(fā)動(dòng)機(jī)提供了參考;趙衛(wèi)兵等［24］通過熱力學(xué)計(jì)算，分析了金屬/水反應(yīng)燃料的能量特性及其影響因素，并探討了金屬/水反應(yīng)燃料應(yīng)用于超高速魚雷推進(jìn)系統(tǒng)的可能性。

2 金屬/水反應(yīng)燃料的工作原理

目前研究的金屬/水反應(yīng)燃料的配方體系多為以水反應(yīng)金屬材料為主要成分，含有少量氧化劑、粘合劑和添加劑等組分，類似于空氣沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用的富燃料推進(jìn)劑。金屬/水反應(yīng)燃料的優(yōu)點(diǎn)是充分利用雷外海水作為能源，能量水平高、單位體積的能量密度高，且具有更多燃料儲(chǔ)存空間，使魚雷超高速、遠(yuǎn)航程航行成為可能。

金屬/水反應(yīng)燃料的工作過程大致如下:水下航行體外的海水在速度頭作用下噴入燃燒室，與燃燒室中以一定形態(tài)存在的金屬燃料發(fā)生強(qiáng)烈放熱反應(yīng)，生成大量的高溫高壓氣體(以H2為主)，且反應(yīng)放出的熱量同時(shí)使未參與反應(yīng)的海水加熱蒸發(fā)，并以高壓蒸汽形式膨脹做功，混合氣體通過發(fā)動(dòng)機(jī)噴管排出，產(chǎn)生推力推動(dòng)水下航行體高速前行。

金屬/水反應(yīng)燃料體系中所選用的水反應(yīng)金屬材料必須具有反應(yīng)活性高、能量密度高、與水反應(yīng)成器量大、與水反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，近年來所研究的金屬/水反應(yīng)燃料配方中選用水反應(yīng)金屬材料的主要有Al、Mg、B、Ti、Ca、Li、Na、K、Zr、W等活性金屬、AlH3、MgH2、B2H6、ZrH2、LiAlH4等金屬氫化物以及一些活性較高的金屬氧化物、金屬碳化物等。部分活性金屬與水反應(yīng)的能量密度見表1 所示。

表1 所列金屬中，鈹?shù)哪芰棵芏茸罡?，但是毒性較大;鎂與水反應(yīng)較容易啟動(dòng)，但能量密度較小;鈣、鋰、鈉、鉀很活潑，易與水反應(yīng)，但存儲(chǔ)條件較為苛刻;鋁具有較高的能量密度，且存放穩(wěn)定、無毒性、來源廣、成本低，若能降低它與水的反應(yīng)條件，是最適合與水反應(yīng)并用于水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的活性金屬材料。

表1 金屬與水反應(yīng)的體積能量密度

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)Al/H2O、Mg/H2O 燃料的水燃比達(dá)到4 ～5 時(shí)，金屬/水反應(yīng)燃料的比沖達(dá)最大值，此時(shí)，Mg/H2O燃料的質(zhì)量比沖和體積比沖分別為5 600 N·s·kg-1和1.00 ×107N·s·m-3，Al/H2O 燃料的體積比沖則達(dá)1.77 ×107N·s·m-3。由此可見，金屬/水反應(yīng)燃料的質(zhì)量比沖是目前固體推進(jìn)劑的3 倍左右，體積比沖則達(dá)4 ～5 倍。

在金屬/水燃燒反應(yīng)機(jī)理研究方面，俄羅斯、美國、日本等國家的研究人員自20 世紀(jì)70 年代起就開始了大量的研究工作。俄羅斯Gorbunov V V 等［25］研究了高能金屬粉(主要為Al 和Mg)與水的燃燒反應(yīng)，研究表明，高能金屬與水的混合物的燃燒性能主要取決于金屬粉末被氧化的難易程度;氧化程度取決于混合物種金屬材料與水的比例;改變水的聚集狀態(tài)(凝相或氣相)不影響金屬的氧化程度。

在Al/H2O、Mg/H2O 等燃料體系燃燒反應(yīng)過程中，均存在氣相反應(yīng)(氣態(tài)金屬與水蒸汽的反應(yīng))、液相反應(yīng)(熔融態(tài)金屬與水蒸汽的反應(yīng))、凝相反應(yīng)(金屬顆粒與水蒸汽的反應(yīng))等多種形式，主要反應(yīng)方程式為

對(duì)于采用高壓載氣/載液方式給料的水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)來說，在一次燃燒反應(yīng)區(qū)，氣相、液相和凝相反應(yīng)基本同時(shí)進(jìn)行、互相轉(zhuǎn)化，各相反應(yīng)之間互相傳遞、反饋熱量;未燃燒的固體顆粒被吹離凝相反應(yīng)表面，期間經(jīng)過熾熱的一次燃燒火焰區(qū)，大部分轉(zhuǎn)化為熔融態(tài)，少量氣化，在二次燃燒反應(yīng)區(qū)與水蒸汽發(fā)生強(qiáng)烈的氧化-還原反應(yīng)，最終產(chǎn)生高溫高壓輕質(zhì)氣體和大量的熱。對(duì)于采用固體推進(jìn)劑藥柱給料的水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其一次燃燒室主要是推進(jìn)劑體系中氧化劑與少量金屬顆粒的燃燒，噴射出大量的熔融態(tài)金屬液滴(部分氣化)送入二次燃燒室，并在二次燃燒室與霧化水發(fā)生劇烈的反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為水下航行體的推動(dòng)力。

在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部受溫度、壓強(qiáng)、兩相流等多方面因素的影響，實(shí)際的反應(yīng)機(jī)理可能更為復(fù)雜，需要根據(jù)燃料體系、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況的不同而進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

3 金屬/水反應(yīng)燃料的研究重點(diǎn)

水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理在于金屬/水反應(yīng)燃料體系中的活性金屬與水反應(yīng)產(chǎn)生大量高溫、高壓的小分子量氣體反應(yīng)產(chǎn)物(主要是氫氣)，以其為推進(jìn)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)水下航行體的高速前行。與之相對(duì)應(yīng)，金屬/水反應(yīng)燃料的研究重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

1)金屬顆粒的供給方式

金屬顆粒的供給方式也稱為金屬/水反應(yīng)燃料的組織形式，它不僅影響燃燒室內(nèi)金屬與水蒸汽之間的反應(yīng)或燃燒穩(wěn)定性，而且對(duì)金屬/水反應(yīng)燃料的制備工藝、儲(chǔ)存條件、點(diǎn)火技術(shù)及整個(gè)水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能調(diào)節(jié)技術(shù)都有決定性的影響。目前的研究結(jié)果主要形成了載氣/載液給料和固體推進(jìn)劑藥柱給料兩種金屬顆粒的供給方式，其中載氣/載液給料方式主要被用于實(shí)驗(yàn)室或理論研究，固體推進(jìn)劑藥柱給料方式則多用于實(shí)際水下推進(jìn)研究。

采用載氣/載液給料方式的水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，金屬粉末分散在高壓載氣/載液中并隨載氣/載液流入燃燒室與水蒸汽發(fā)生劇烈反應(yīng)或燃燒。該方式的最大優(yōu)點(diǎn)是燃料金屬含量高、發(fā)動(dòng)機(jī)能量高，但進(jìn)入燃燒室的初始燃溫低，因此反應(yīng)速度低、金屬顆粒氧化物膜去除困難、反應(yīng)效率低。美國應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)以高壓載氣給料方式對(duì)Al/H2O 和Mg/H2O 體系的金屬/水反應(yīng)燃料性能進(jìn)行了研究，并成功進(jìn)行了原理發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn);Kerry 等人利用噴氣燃料JP-5、JP-10以及RP-1 作為載液也成功進(jìn)行了原理發(fā)動(dòng)機(jī)試車，對(duì)金屬/水反應(yīng)燃料性能進(jìn)行了研究。

在實(shí)際水下推進(jìn)系統(tǒng)中主要采用固體推進(jìn)劑藥柱給料方式，該方式的優(yōu)點(diǎn)是組分分散均勻、結(jié)構(gòu)簡單、貯存方便、供料穩(wěn)定可靠、制備工藝簡單。可以認(rèn)為，固體推進(jìn)劑藥柱給料是最有可能實(shí)用化的金屬/水反應(yīng)燃料的組織方式。

2)金屬與水反應(yīng)的啟動(dòng)

對(duì)于載氣/載液方式給料的水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，金屬與水反應(yīng)的起始為載液的點(diǎn)火。金屬顆粒進(jìn)入燃燒室前需要被加熱至熔融或氣化狀態(tài)(低溫下金屬與水反應(yīng)效率很低)才能與高溫水蒸汽進(jìn)行劇烈的反應(yīng)，而其載液一般為某種燃料，載液點(diǎn)燃后對(duì)金屬顆粒產(chǎn)生一個(gè)加熱過程，因此，必須進(jìn)行液料燃料點(diǎn)火裝置研究。

對(duì)于固體推進(jìn)劑藥柱方式給料的水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，金屬與水反應(yīng)的起始為固體推進(jìn)劑藥柱的點(diǎn)火，藥柱點(diǎn)燃后，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的一次燃燒和二次燃燒反應(yīng)。由于金屬/水反應(yīng)燃料體系中含有大量的金屬粉末。其氧平衡值非常低，致使其點(diǎn)火方式和點(diǎn)火機(jī)制與常規(guī)固體推進(jìn)劑明顯不同，也需進(jìn)行專門的研究。

金屬/水反應(yīng)燃料體系中的金屬顆粒與水反應(yīng)啟動(dòng)的是否順利，還與金屬顆粒的活性、粒度、純度及其顆粒表面特性等有關(guān)，活性與粒度是決定其點(diǎn)火溫度的主要因素。在二次燃燒反應(yīng)過程中，金屬發(fā)生反應(yīng)的難易程度及點(diǎn)火可靠性均與金屬顆粒的點(diǎn)火溫度有著必然的聯(lián)系，必須制備出活性較高且活性易于保持的超細(xì)金屬顆粒(包括微米、亞微米或納米級(jí)顆粒)。

3)金屬與水反應(yīng)過程的控制

水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，水的噴注、撞擊、霧化、高速湍流流動(dòng)，金屬/水反應(yīng)燃料體系的燃燒，固相、液相和氣相金屬與水蒸汽的摻混、反應(yīng)以及燃燒，大量固態(tài)金屬氧化物、氣態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)生、混合等過程相互耦合，構(gòu)成了復(fù)雜的多相反應(yīng)燃燒體系。

金屬/水反應(yīng)燃料體系金屬含量高、氧化劑含量很低，致使該燃料燃速低、燃速壓強(qiáng)指數(shù)小(相對(duì)于火箭推進(jìn)劑氣態(tài)產(chǎn)物少);金屬/水反應(yīng)燃料燃燒過程中既包括金屬與水蒸汽之間的劇烈反應(yīng)，也包括反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)一步燃燒，其能量釋放過程以金屬與水的反應(yīng)為主。因此，金屬/水反應(yīng)燃料體系中活性金屬與水反應(yīng)的反應(yīng)活性、反應(yīng)速率、反應(yīng)充分度等都是燃料體系應(yīng)用研究中的研究重點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)，燃料體系的燃速、壓強(qiáng)指數(shù)、燃溫、燃?xì)狻娚湫实忍匦詣t是其實(shí)際應(yīng)用的研究重點(diǎn)之一。由此可知，金屬與水反應(yīng)過程的控制技術(shù)對(duì)提高燃料比沖和燃燒效率具有重要意義，這將是金屬/水反應(yīng)燃料應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語

在世界軍事格局不斷發(fā)展、國家海防形勢風(fēng)云變幻的大背景下，大力發(fā)展高速水下武器已成為當(dāng)前軍工研究任務(wù)的重中之重。作為高速魚雷水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)主燃料的金屬/水反應(yīng)燃料，其基礎(chǔ)技術(shù)研究對(duì)水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用，其應(yīng)用技術(shù)研究則具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在水下高速魚雷等武器系統(tǒng)方面具有良好的應(yīng)用前景。

國外對(duì)金屬/水反應(yīng)燃料及水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，而我國對(duì)金屬/水反應(yīng)燃料的研究剛剛起步，相關(guān)研究基礎(chǔ)比較落后，極大程度上制約了超高速魚雷巡航動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)研究的進(jìn)展，必須加快金屬/水反應(yīng)燃料的配方設(shè)計(jì)、成型工藝、性能調(diào)節(jié)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等各項(xiàng)技術(shù)研究，從理論和實(shí)踐各方面真正掌握高速水下推進(jìn)的核心技術(shù)，早日實(shí)現(xiàn)我國高速水下武器的實(shí)際應(yīng)用。

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