張　夢(mèng)，孫曙日，馮殿震

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連，116041）

新材料在魚雷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與發(fā)展

張夢(mèng)，孫曙日，馮殿震

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連，116041）

新材料技術(shù)的開發(fā)與研制是提高魚雷性能、影響魚雷作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素之一。重點(diǎn)介紹了幾種魚雷設(shè)計(jì)用新材料的基本特性，包括鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金、高溫合金等金屬材料，以及阻尼減振材料、陶瓷材料、浸銀炭石墨等非金屬材料，列舉了以上材料在魚雷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了其在未來魚雷設(shè)計(jì)中的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：魚雷； 鋁鋰合金； 鎂合金； 阻尼減振材料； 浸銀炭石墨

0　引言

魚雷作為一種復(fù)雜的水下航行器，是各國(guó)海軍反潛重要而有效的主戰(zhàn)武器。隨著各種高新技術(shù)在魚雷上的應(yīng)用，當(dāng)今魚雷已經(jīng)發(fā)展成為一種相當(dāng)精密、復(fù)雜的制導(dǎo)武器。近年來，我國(guó)在魚雷技術(shù)上進(jìn)行了一些新材料的研制和應(yīng)用，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，魚雷武器發(fā)展的總趨勢(shì)是高航速、遠(yuǎn)航程、大深度、智能化、大威力和隱身［1］，在現(xiàn)代魚雷設(shè)計(jì)中充分利用材料的性能可以更好地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

1　新材料在魚雷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

魚雷制造過程就是把各種原材料加工制造、裝配成魚雷產(chǎn)品的過程，因此，材料性能直接影響著魚雷產(chǎn)品性能，是魚雷制造技術(shù)的基礎(chǔ)［2］。魚雷材料包括金屬材料和非金屬材料兩大類，每種材料的性能和功能各異，目前，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的主要有以下幾類，這些材料在魚雷設(shè)計(jì)中越來越受到人們的關(guān)注。

1.1金屬材料

隨著魚雷技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)金屬材料的要求日益提高。普通的金屬材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足魚雷武器裝備的高性能要求。目前，魚雷中使用的金屬材料通常具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特性，但是個(gè)別材料也存在耐腐蝕性能差、耐熱性差等缺陷，因此，必須研究與發(fā)展綜合性能優(yōu)異的新型金屬材料，大幅度提高其強(qiáng)韌化水平，而同時(shí)又不增加質(zhì)量和成本，延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)于實(shí)現(xiàn)魚雷武器輕量化和提高其性能有著重要意義。

1.1.1鋁鋰合金

鋁鋰合金是最具代表性的金屬材料。鋰是密度最小的金屬元素，化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)活潑，把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。由于具有這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，已開發(fā)出的新型鋁鋰合金主要有高強(qiáng)可焊的1460和Weldalite系列合金； 低各向異性AF/C489，AF/C458合金； 高韌性的2097，2197合金； 高抗疲勞裂紋的C2155合金，以及經(jīng)特殊真空處理的XT系列合金等。

在魚雷結(jié)構(gòu)上采用質(zhì)輕、耐蝕、高強(qiáng)度的鋁鋰合金為提高魚雷性能提供了一個(gè)新的途徑。目前，成熟的鋁鋰合金包括2090，8090，8091，8092等牌號(hào)，抗拉強(qiáng)度在500 MPa左右，主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)。美國(guó)對(duì)于耐蝕性要求高而強(qiáng)度要求不高的魚雷殼體采用AA606l-T6鋁合金（屈服強(qiáng)度274 MPa），對(duì)耐蝕性和強(qiáng)度要求均高的魚雷殼體則采用AA7175-T73鋁合金（屈服強(qiáng)度480 MPa）。具有強(qiáng)大攻擊力的重型魚雷是必備的殺傷武器，美國(guó)海軍已用新研制的AA5091 鋁鋰合金（抗拉強(qiáng)度412 MPa，彈性模量79.2×103MPa，密度2.57 g/cm3）鍛件制造重型魚雷燃料艙［2］。

1.1.2鎂合金

鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素的合金，是當(dāng)前在用金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種。鎂合金比強(qiáng)度高，比彈性模量大，由于彈性模量較低，在相同的受力條件下，它能消耗更大的變形力，有著優(yōu)良的緩沖、減振、散熱性能，能夠承受較大的沖擊振動(dòng)載荷。鎂合金是航空器、航天器和火箭導(dǎo)彈制造工業(yè)中使用的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂的質(zhì)量比鋁輕，比重為1.8，強(qiáng)度也較低，只有200～300 MPa（20～30 kg/mm2），主要用于制造低承力的零件。民用機(jī)和軍用飛機(jī)，尤其是轟炸機(jī)廣泛使用鎂合金制品。例如，B-52轟炸機(jī)的機(jī)身部分就使用了鎂合金板材635 kg，擠壓件90 kg，鑄件超過200 kg。鎂合金也用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星上的一些部件，如中國(guó)“紅旗”地空導(dǎo)彈儀表艙、尾艙和發(fā)動(dòng)機(jī)支架等都使用了鎂合金。中國(guó)稀土資源豐富，已于上世紀(jì)70年代研制出加釔鎂合金，提高了室溫強(qiáng)度，能在300℃下長(zhǎng)期使用，已在航空航天工業(yè)中推廣應(yīng)用。

鎂及鎂合金由于價(jià)格昂貴、耐腐蝕性差，在魚雷產(chǎn)品中鮮有應(yīng)用，但隨著加工制造技術(shù)的改進(jìn)及積極的防腐處理，在國(guó)外魚雷結(jié)構(gòu)件上已有應(yīng)用，是一種很有發(fā)展前途的輕型結(jié)構(gòu)材料。如國(guó)外某型操演用魚雷的操雷頭（儀器艙）上安裝有沉雷裝置，它的金屬膜片就使用了ZM-5類型鎂合金。當(dāng)該型操雷在海上演習(xí)發(fā)射后丟失時(shí)，約經(jīng)過10 h之后，該ZM-5合金膜片就被海水腐蝕掉，于是海水由沉雷裝置的入水口灌入魚雷的密封艙里，使魚雷具有負(fù)浮力而沉入海底，以防止丟失而造成該型魚雷的技術(shù)泄密［3］。常用的鎂合金機(jī)械性能及用途如表1所示。

表1　鎂合金機(jī)械性能與用途Table 1　Mechanical performance and application of magnesium alloy

1.1.3鈦合金

與鎂合金類似，鈦合金在很長(zhǎng)一段時(shí)間里也因?yàn)闃O高的成本而在應(yīng)用上受到極大的限制。各國(guó)都在努力開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的新型高溫鈦合金有英國(guó)的IMI829、IMI834合金，美國(guó)的Ti-1100合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。日本鋼管公司研制成功了SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）鈦合金，該合金強(qiáng)度高，超塑性延伸率高達(dá)2000%，且超塑成形溫度比Ti-6Al-4V低 140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-擴(kuò)散連接（SPF/DB）技術(shù)制造各種航空航天構(gòu)件； 俄羅斯研制的BT-22（Ti-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 105 MPa以上。

鈦合金具有良好的高、低溫性能，常溫、低溫韌性都較好，并具有獨(dú)特的抗腐蝕性能，是一種很有發(fā)展前途的魚雷產(chǎn)品用材料。近年來，世界各國(guó)都在積極探索，在降低成本的同時(shí)，還在不斷提高鈦合金的性能。西方和俄羅斯相繼研究出2種鈦合金，它們分別是高強(qiáng)高韌可焊及成形性良好的鈦合金和高溫高強(qiáng)阻燃鈦合金，這2種先進(jìn)的鈦合金在未來的魚雷技術(shù)中具有良好的應(yīng)用前景［4］。另外，鈦合金還可用于魚雷上一些形狀復(fù)雜的構(gòu)件。不同類型的鈦合金性能不同，具體如表2所示。

表2　鈦合金機(jī)械性能Table 2　Mechanical performance of titanium alloy

1.1.4高溫合金

高溫合金共分為3類材料: 760℃高溫材料、1 200℃高溫材料和1 500℃高溫材料，抗拉強(qiáng)度800 MPa，或者說是指在760～1500℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的高溫金屬材料，即在高溫下具有高強(qiáng)度和抗高溫氧化性能和耐腐蝕性能的合金。高溫合金是動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、渦輪盤和燃燒室等，已成為不可替代的關(guān)鍵材料。國(guó)外已有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的超高速魚雷其噴管及燃燒室等零件大量使用了能耐更高溫度的難熔合金來制造。

1.2非金屬材料

非金屬材料以其優(yōu)異的性能及多種特殊的功能而廣泛應(yīng)用于魚雷武器中，傳統(tǒng)的非金屬材料包括密封材料、涂層材料、膠黏劑和潤(rùn)滑材料等。目前，新興的陶瓷材料、浸銀炭石墨材料等漸漸進(jìn)入研究者的視野，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥眙~雷用非金屬材料仍要繼續(xù)擴(kuò)大品種，不斷改善施工工藝，提高材料本身性能，以滿足日益增長(zhǎng)的各種不同用途的需要。

1.2.1阻尼減振材料

阻尼材料也叫振動(dòng)衰減材料或減振材料，它能將固體機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變成為熱能而使振動(dòng)衰減下來，主要用于振動(dòng)和噪聲控制［5］，具有顯著的減振降噪的特點(diǎn)。其應(yīng)用機(jī)理就是通過阻尼材料與基材的牢固結(jié)合，利用阻尼材料在轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的高阻尼特性，耗散振動(dòng)能量，將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而抑制結(jié)構(gòu)響應(yīng)，達(dá)到減振降噪的目的。在西方，相關(guān)機(jī)構(gòu)已對(duì)阻尼材料展開了大量研究工作。德國(guó)從20世紀(jì)50年代開始，首先研制了自由阻尼結(jié)構(gòu)。美國(guó)從20世紀(jì)50年代初首先開始研制約束阻尼結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于核潛艇艇殼和主機(jī)基座上。現(xiàn)在，阻尼合金技術(shù)也已趨于成熟，美國(guó)海軍采用錳銅高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，取得了明顯的減振效果。20世紀(jì)80年代后，國(guó)外阻尼減振降噪技術(shù)有了更大的發(fā)展，他們借助CAD/CAM技術(shù)，對(duì)相應(yīng)的材料進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，并進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的阻尼減振降噪優(yōu)化。我國(guó)在20世紀(jì)70年代前后開始進(jìn)行阻尼減振降噪材料的研究工作。北京材料工藝研究所研制的ZN-10和SZN-11阻尼材料能與鋼板結(jié)構(gòu)模量很好地匹配，具有很好的耐水性，噪聲可降至64 dB。洛陽船舶材料研究院研制生產(chǎn)的SA-3高阻尼黏彈性材料主要由高聚物和無機(jī)填料組成，具有良好的阻尼、阻燃和耐介質(zhì)性能，已經(jīng)成功應(yīng)用于潛艇的噪聲治理。此外，阻尼膠合板、智能型阻尼材料也逐漸成為研究熱點(diǎn)［6］。

據(jù)了解，阻尼材料在魚雷武器上的應(yīng)用也很廣泛［7］。美國(guó)改進(jìn)MK48-6AT魚雷的主要措施為加裝一個(gè)內(nèi)部消音器，后段殼體上加了阻尼減振層，推進(jìn)器轉(zhuǎn)子改為側(cè)斜轉(zhuǎn)子，大大降低了魚雷的輻射噪音。瑞典研發(fā)的2000型魚雷也采用了阻尼材料進(jìn)行降噪改進(jìn)，不但提高了魚雷航速，而且減小了其流體動(dòng)力學(xué)噪聲，提高了魚雷的作戰(zhàn)效能。另外，國(guó)外某輕型空投魚雷的動(dòng)力裝置中，通過螺釘將若干個(gè)減振墊固定在殼體的固定支承座上。某重型魚雷的動(dòng)力裝置是通過一個(gè)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的金屬和橡膠復(fù)合的隔振圈安裝到魚雷殼體上，以減少動(dòng)力裝置向魚雷殼體的振動(dòng)傳遞。由此可見，阻尼減振材料的應(yīng)用是卓有成效的。

1.2.2陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。因其高熔點(diǎn)（大多在2 000℃以上）、高硬度（維氏硬度一般在1 500以上）、高耐磨性、耐氧化等諸多優(yōu)異性能，在軍事工業(yè)中有良好的應(yīng)用前景。隨著對(duì)減振降噪要求的不斷提高，加上金屬阻尼合金良好的減振降噪及力學(xué)性能使其在減振降噪方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，某高校研制成功一種新型陶瓷合金材料，不僅具有較大的損耗因子，而且可以全頻段吸能。文獻(xiàn)［8］中將此材料用于水下航行器艉段中振動(dòng)傳遞的主要部件和部分殼體，如圖1和圖2所示，在忽略阻尼狀態(tài)下分析其對(duì)艉段減振的影響，結(jié)果表明，該種陶瓷合金材料的應(yīng)用（“加肋板”）使振動(dòng)得到較大的降低。目前，陶瓷材料在魚雷制造中的應(yīng)用還很少，未來陶瓷材料將會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件的制造中被廣泛應(yīng)用。

圖1　水下航行器原艉段Fig. 1　Original stern of an underwater unmanned vehicle

圖2　水下航行器加肋板Fig. 2　An underwater unmanned vehicle with ribbed plates

1.2.3浸銀炭石墨材料

熱動(dòng)力魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)是全雷的心臟，由浸銀炭石墨配氣閥座、鉬合金配氣閥體組成的配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件。浸銀炭石墨配氣閥座、鉬合金配氣閥體組成摩擦副，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫、高壓燃?xì)獾拿芊饧皩?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣。閥座受到激烈的熱沖擊、機(jī)械振動(dòng)和摩擦產(chǎn)生的復(fù)合應(yīng)力，工況十分嚴(yán)酷。一旦浸銀炭石墨閥座失效，就會(huì)立即造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火和魚雷喪失攻擊能力的嚴(yán)重后果。

國(guó)內(nèi)外輕型、重型魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)閥座材料及制造工藝一直被視為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量保證和控制。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代初開始研制浸銀炭石墨閥座材料，研制出的M209G，M169G，M269G，M230G，M231G已成功應(yīng)用于我國(guó)各種型號(hào)的輕型、重型魚雷，并批量生產(chǎn)，裝備部隊(duì)。目前使用的熱動(dòng)力魚雷浸銀炭石墨材料的性能指標(biāo)見表3。

表3　浸銀炭石墨材料機(jī)械性能Table 3　Mechanical performance of carbon graphite impregnated with silver

2　前景

有關(guān)媒體報(bào)道，美國(guó)海軍研究局正在積極探討魚雷隱身研究方案，目標(biāo)是開發(fā)支持遠(yuǎn)程安靜魚雷的噪音控制技術(shù)，降低現(xiàn)役魚雷和下一代魚雷的輻射噪聲，推遲潛在目標(biāo)的報(bào)警，以保護(hù)發(fā)射平臺(tái)，同時(shí)，為了改進(jìn)傳感器性能也必須降低傳感器自噪聲，預(yù)計(jì)阻尼材料將會(huì)發(fā)揮巨大作用。如果試驗(yàn)成功，將會(huì)改進(jìn)魚雷的效能，增大殺傷概率，并降低對(duì)抗裝置的殺傷概率。另外，

在魚雷的一些關(guān)鍵部位，尤其是動(dòng)力系統(tǒng)的許多地方，普通的金屬材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求，

這些部位需采用一些特殊的高強(qiáng)度的復(fù)合材料。如國(guó)外某重型魚雷的動(dòng)力裝置是通過一個(gè)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的金屬和橡膠復(fù)合的隔振圈安裝到魚雷殼體上，以減少動(dòng)力裝置向魚雷殼體的振動(dòng)傳遞。國(guó)內(nèi)新型魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑采用的是性能穩(wěn)定、成本較低的高、低2種燃速的三組元丁羥推進(jìn)劑，

與傳統(tǒng)的OTTO-Ⅱ單組元推進(jìn)劑相比，體積能量密度提高66%，質(zhì)量能量密度提高40%，使魚雷航跡大大減小。隨著魚雷性能的提高以及材料技術(shù)的成熟，這些特殊材料的應(yīng)用也將越來越廣泛，

如碳硼復(fù)合材料、浸銀樹脂材料在發(fā)動(dòng)機(jī)、燃燒室產(chǎn)品中的成功應(yīng)用，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)高溫、高壓燃?xì)饷芊獾募夹g(shù)難題。

3　結(jié)束語

我國(guó)一直在努力開發(fā)、研制魚雷用新材料，并且取得了一定的成績(jī)，比如新型的浸銀炭石墨參考文獻(xiàn)：

閥座材料已成功用于我國(guó)各種型號(hào)的輕型、重型魚雷，并批量生產(chǎn)，裝備部隊(duì)。當(dāng)然還遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，未來隨著各種新型材料的迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，對(duì)提高我國(guó)在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力、防御能力和攻擊能力將起到極大的作用。

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（責(zé)任編輯: 陳曦）

Application and Development of New Materials in Torpedo Designs

ZHANG Meng，SUN Shu-ri，F(xiàn)ENG Dian-zhen
（91439thUnit，The People′s Liberation Army of China，Dalian 116041，China）

This paper introduces the basic characteristics of several new materials in torpedo designs with focus on such metal materials as Al-Li alloy，magnesium alloy，titanium alloy，and high temperature alloy，as well as such nonmetallic materials as vibration damping material，ceramic material，and carbon graphite impregnated with silver. Their applications to modern torpedoes are described，and their development trends in intending torpedo designs are forecasted.

torpedo； Al-Li alloy； magnesium alloy； vibration damping material； carbon graphite impregnated with silver

TJ630.4

A

1673-1948（2015）02-0086-04

2014-12-23；

2015-03-09

張夢(mèng)（1988-），女，碩士，主要從事魚雷總體與動(dòng)力技術(shù)的研究.