田桂軍+虎嘯

坦克燃氣輪機的優(yōu)勢

迄今，10 000多輛裝有燃氣輪機的主戰(zhàn)坦克經(jīng)歷36年的作戰(zhàn)使用表明：燃氣輪機坦克行駛的平均速度、行軍的戰(zhàn)術(shù)速度、技術(shù)速度和沖擊速度均高于裝柴油機的主戰(zhàn)坦克。由于燃氣輪機的排氣是不可見的碳煙，噪聲和排氣溫度均低于柴油機，從而減少了坦克被發(fā)現(xiàn)的概率。燃氣輪機坦克的作戰(zhàn)效能、可用性均高于裝柴油機的主戰(zhàn)坦克。同坦克柴油機相比，燃氣輪機具有優(yōu)異的扭矩特性和起動性能。多燃料的適應(yīng)性、較高的單位體積功率、單位重量功率和較高的可用性。

扭矩特性與柴油機相比，動力渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（或燃氣輪機輸出軸）可從0到最大轉(zhuǎn)速值，而扭矩值隨轉(zhuǎn)速下降而遞增。由于燃氣輪機是由其動力渦輪輸出功率，而動力渦輪與燃氣發(fā)生器為氣動連系，所以當(dāng)發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速或部分負荷工況下，仍可從燃氣發(fā)生器獲取充分能量來提高其扭矩。這一優(yōu)異性能，使俄羅斯T-80U主戰(zhàn)坦克僅用了4檔的機械行星傳動裝置就能獲得理想的牽引特性。目前坦克柴油機的扭矩儲備系數(shù)達1.10～1.32，而燃氣輪機的扭矩儲備系數(shù)達1.6～2.2。

因此也使得坦克燃氣輪機與相同（相當(dāng)）功率的柴油機相比，不僅具有高的行駛速度（平均和越野），如T-80U主戰(zhàn)坦克的平均速度高于T-90主戰(zhàn)坦克10千米/小時。也具有較高的行軍速度，根據(jù)俄軍使用統(tǒng)計，坦克成縱隊行軍的戰(zhàn)術(shù)速度提高了9%～10%，技術(shù)速度提高了17%～18%。根據(jù)美軍資料報道，坦克200米的沖擊速度，裝有燃氣輪機的坦克為19秒，而裝配柴油機的坦克則為26秒。

起動性能研制樣機對比試驗的結(jié)果表明，在常溫和低溫狀態(tài)下，坦克燃氣輪機同柴油機相比較有良好的起動性能。

有效功率、燃油消耗率特性燃氣輪機的小時消耗油量或渦輪進口燃氣的溫度恒定時，有效功率、燃油消耗率與動力渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（或發(fā)動機輸出軸）的變化關(guān)系稱為有效功率、燃油消耗率特性。當(dāng)小時耗油量最大時，上述關(guān)系稱為發(fā)動機的外特性（速度特性）。從燃氣輪機的外特性圖可以看出，燃氣輪機有效功率與動力渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，接近于二次拋物線的曲線關(guān)系。

燃氣輪機的燃油消耗率在70%～ 100%發(fā)動機轉(zhuǎn)速內(nèi)基本不變，這是動力渦輪可調(diào)導(dǎo)向器作用的結(jié)果。AGT1500燃氣輪機不僅給出100%有效功率曲線，還給出了多條部分負荷的有效功率特性和最佳動力渦輪轉(zhuǎn)速特性，因而又稱多參數(shù)速度特性。

負荷特性負荷特性是指燃氣輪機的轉(zhuǎn)速恒定時其燃油消耗率與負荷變化的關(guān)系。由負荷特性曲線圖可知，AGT1500與GTD燃氣輪機在100%負荷工況時的燃油消耗率相同，在部分負荷時低于GTD發(fā)動機。AGT1500在80%～ 100%的負荷范圍內(nèi)的燃油消耗率卻保持基本不變。

LV100-5燃氣輪機在100%負荷時的燃油消耗率明顯低于AGT1500和GTD發(fā)動機，尤其是在部分負荷工況時，燃油消耗率呈顯著下降而至20%負荷往下，才有顯著上升趨勢，這對裝有燃氣輪機的坦克降低其使用耗油量（特別是在怠速運轉(zhuǎn)時）具有特殊效果。

與現(xiàn)代柴油機相比，可視為LV100-5燃氣輪機有著相同的負荷特性，而突出的是在約45%負荷以后，其燃油消耗率卻低于現(xiàn)代柴油機。

排氣溫度特性通常坦克燃氣輪機在各種負荷下的排氣溫度均在500℃以下，與柴油機相比則降低了坦克的熱特征信號。AGT1500燃氣輪機功率在588～1 119千瓦時，排氣溫度的最高值約482℃。

排氣煙度特性柴油機為間歇燃燒，燃氣輪機為連續(xù)燃燒。由于兩種機型燃燒過程的差異，致使柴油機在燃燒的火焰中，含有燃燒產(chǎn)物的硬顆粒，它們具有較高的溫度且是強大的熱輻射源。而燃氣輪機在燃燒時，有著相當(dāng)大的過余空氣量，以保證燃料幾乎完全燃燒，并且排出氣體的溫度較低而具有低的熱特征。坦克燃氣輪機排出的氣體均是無可見的碳煙，其煙度值均小于2.5波許。

運轉(zhuǎn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)-往復(fù)運動的質(zhì)量引起活塞往復(fù)式發(fā)動機出現(xiàn)不平衡力和力矩，并引起扭轉(zhuǎn)振動的產(chǎn)生。而燃氣輪機所有的運動件都是旋轉(zhuǎn)件，且都經(jīng)過預(yù)先平衡的高速旋轉(zhuǎn)件。因此，運轉(zhuǎn)的高平穩(wěn)性和良好的平衡性，提高了發(fā)動機的工作可靠性。

相對小的動力艙容積沒有滑動摩擦，而僅為滾動摩擦，且燃燒產(chǎn)物不與潤滑油接觸。因此，燃氣輪機的機油消耗量低，機油箱的容積小，為柴油機油箱的1/3。同時，燃氣輪機沒有柴油機所必需的冷卻系統(tǒng)；從而縮小了動力裝置的尺寸，簡化了使用和減少了保養(yǎng)時間和工作量。

燃氣輪機燃燒用空氣流動約為柴油機的2倍，但若將用于發(fā)動機冷卻的空氣流量考慮在內(nèi)，則采用柴油機時所用的空氣量大于燃氣輪機。空氣耗量的差異，影響著車輛動力艙上甲板開窗口面積的大小，安裝燃氣輪機坦克上甲板窗口面積僅為柴油機的30%～40%。

第二代坦克燃氣輪機LV100、GTD-X的動力艙容積達3.8～4.8米3，這一緊湊動力艙的獲得，表明了其集成化設(shè)計的水平，更引為關(guān)注的是空氣濾、回?zé)崞鞯燃夹g(shù)有著明顯的進步。但無論是第一代，還是第二代坦克燃氣輪機動力艙的容積，俄羅斯（蘇聯(lián)）則均優(yōu)于美國。美國的坦克燃氣輪機突顯在燃油消耗和可靠性均優(yōu)于俄羅斯的機型，尤其是LV100-5燃氣輪機的負荷特性更為突出。

作戰(zhàn)效能坦克燃氣輪機可在-54℃環(huán)境下直接起動并可迅速轉(zhuǎn)入全負荷工況運行，為坦克集群的快速響應(yīng)，贏取作戰(zhàn)時間，提供了保證。優(yōu)異的多種燃料性能和對單一燃油的適應(yīng)性和較低的滑油消耗量（僅為柴油機的1/10～1/20，如T-80U主戰(zhàn)坦克滑油消耗量為0.15升/100千米，而T-90坦克為5.3～7.2升/100千米），為后勤供應(yīng)及保障減輕了負擔(dān)。

可用性可用性與可靠性、可維修性和耐久性密切相關(guān)。與柴油機相比，燃氣輪機的零件少了30%，易損件少了60%，且無往復(fù)摩擦運動；因此故障率低，使用的可靠性和耐久性均優(yōu)于柴油機。坦克燃氣輪機的平均故障間隔時間為400～500小時，首次大修時間為1 000～1 200小時，1臺燃氣輪機的維修時間為4小時，而柴油機為24小時，且燃氣輪機無須按規(guī)定時間維護保養(yǎng)。

由于燃氣輪機使用期高于柴油機，加之使用過程幾乎無須保養(yǎng)和添加滑油及非常低的滑油費用，在使用期要求更換的部件亦僅為柴油機的一半。根據(jù)美國陸軍坦克機動車輛司令部提供的AGT1500燃氣輪機的全壽命周期費用信息，與AVDS1790柴油機相比要低7%；奧地利的AVL柴油機研究所提供的全壽命周期費用分析，則燃氣輪機要低5%。

根據(jù)美軍駐歐洲坦克集群每年使用、演習(xí)結(jié)果的統(tǒng)計：裝用燃氣輪機的M1坦克的戰(zhàn)備完好率達95%以上，而其它坦克僅為70%～80%。

坦克燃氣輪機的不足

燃料耗量過大臺架試驗表明，帶有回?zé)崞鞯腁GT1500和LV100坦克燃氣輪機的燃油消耗率分別為264克/（千瓦·時）和213克/（千瓦·時），而無回?zé)崞鞯腉TD-1250則為306克/（千瓦·時）。坦克燃氣輪機的燃油消耗率高于柴油機的50%～70%，而至本世紀(jì)初LV100的燃油消耗率僅高21%。

根據(jù)蘇軍裝備的不帶回?zé)崞鞯腉TD-1000的燃氣輪機T-80坦克和T-64A坦克（裝5TDF二沖程柴油機）和T-72坦克（V-46坦克柴油機）3種車型試驗結(jié)果表明：坦克每小時的燃油耗量燃氣輪機高于柴油機65%～68%。行駛每千米的燃油耗量則高40%～45%。這是由于坦克在使用過程中坦克經(jīng)常處于停車或下坡行駛狀況，而致使燃氣輪機常常怠速或渦輪噴嘴反向轉(zhuǎn)動實施發(fā)動機制動的結(jié)果。

俄羅斯專家指出，燃氣輪機的反對者過分夸大了燃氣輪機的缺陷，在介紹發(fā)動機的燃料和潤滑油消耗時極力貶低燃氣輪機。但是要準(zhǔn)確地說，燃氣輪機的潤滑油的消耗是很少的，而且還不需要冷卻液（燃氣輪機沒有冷卻系統(tǒng)）。同時，為了使燃料消耗量降低25%，研究人員采用了多種措施。其中包括安裝GTA-18A輔助動力裝置，采用轉(zhuǎn)速自動降低系統(tǒng)，配備停車小油門燃油調(diào)節(jié)器等。使用試驗表明，燃油消耗量可節(jié)省約37%。配備車載信息控制系統(tǒng)能夠降低燃油消耗量（停車怠速時能降低30%，行駛時能降低15%）。試驗表明，借助電子液壓原理來控制工作狀態(tài)，依據(jù)使用規(guī)定以及發(fā)動機在坦克停車時的工作時間與在行軍縱隊時的工作時間的比例關(guān)系，其燃油消耗量將節(jié)省50%。

從美國陸軍使用帶回?zé)崞鞯娜細廨啓C對比試驗可以看出，燃氣輪機燃油消耗率高于柴油機，部分負荷工況和怠速工況下的燃油消耗量高，但總的燃油消耗相似。

功率損失據(jù)資料報導(dǎo)，坦克在環(huán)境溫度為40℃～50℃下使用，GTD燃氣輪機的功率損失是柴油機的1.6倍。

燃氣輪機的功率隨海拔升高而下降。在海拔高度3 000米的高原使用，AGT1500坦克柴油機的功率損失為9%～ 10%（二沖程機高于四沖程機）。GTD-1000坦克燃氣輪機的功率損失為15%。

美國的AGT1500和LV100坦克燃氣輪機的功率損失未見報導(dǎo)，但由于渦輪葉片可承受的高溫高于GTD機型的渦輪葉片。為此，從理論分析AGT1500和LV100的功率損失要小于GTD燃氣輪機。

柴油發(fā)動機的優(yōu)勢

從20世紀(jì)中葉至今，坦克上使用最為廣泛的動力裝置是柴油發(fā)動機。柴油機的優(yōu)勢在于能夠成系列生產(chǎn)，即在一條生產(chǎn)線上研制和生產(chǎn)缸數(shù)（3缸和4缸系列，V型6缸、8缸和12缸等）不同的，包括標(biāo)定功率范圍更大的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)動機家族。

與民用發(fā)動機通用時，有可能組織大規(guī)模生產(chǎn)，即這些發(fā)動機可軍用，也可民用（“兩用”發(fā)動機）；由于民機軍用型發(fā)動機擁有較低的全壽命周期費用，所以隨著民用車輛柴油機技術(shù)的發(fā)展，坦克選用民機軍用型發(fā)動機做動力仍或存有空間。

以25～30千米/小時的平均速度行駛時，安裝柴油機的坦克（裝V-84柴油機的T-72A）比T-80B坦克（20世紀(jì)80年代中期部隊試驗的結(jié)果）的巡航燃料消耗低（26.8%～44.4%）。

當(dāng)平均行駛速度提高時，燃氣輪機與柴油機燃料消耗的差距將縮小，當(dāng)平均行駛速度達到50～55千米/小時時，兩種發(fā)動機的巡航燃料消耗實際上是相同的。

在黃沙塵含量高的炎熱氣候條件使用不受限制（保險期將縮短）。在+40℃環(huán)境氣溫條件使用時，燃氣輪機的最大功率將下降約20%，柴油機的最大功率將下降10%，此時作用在T-80U主戰(zhàn)坦克主動輪的功率是522千瓦，作用在T-90坦克主動輪的功率是441千瓦。柴油機的功率受到限制是由于冷卻系統(tǒng)的效率不夠造成冷卻液和機油的溫度過高。當(dāng)環(huán)境氣溫下降到+15℃以下時，燃氣輪機的功率將成比例的提升，由于受動力傳動裝置強度的限制，其功率的提升被限制到1 066千瓦。而此時柴油機的功率實際上不會提升。

柴油機生產(chǎn)成本低（60%～ 66.7%），這不僅僅是因為勞動成本低，而且還是因為生產(chǎn)批量大決定的。但是，對動力傳動裝置來說，這個成本差距可以縮小到33.3%～44.5%。

坦克動力未來展望

坦克動力未來發(fā)展取決于軍事需求和科學(xué)技術(shù)的進步。據(jù)專家評估，未來對坦克動力需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

在對坦克的系統(tǒng)、部件通過改進、升級后，俄軍裝備的T-80系列坦克仍采用GTD燃氣輪機使用至2020年，美軍裝備的M1A1、M1A2坦克將更換LV100燃氣輪機繼續(xù)使用至2030年。其它各國研制的安裝柴油機的新型坦克和現(xiàn)代化改進現(xiàn)役坦克也將服役到2030年后。

從坦克武器發(fā)展的新趨勢看，盡管傳統(tǒng)火炮還沒有過時，但新型超級武器的科學(xué)論證工作正在進行之中?？扇家后w已經(jīng)達到可替代炸藥注入武器之中；電磁炮安裝到坦克上，還需要進一步提高發(fā)動機的功率，使超級電容器的電能達到飽和。據(jù)專家推測，如果電磁炮、電裝甲和主動懸掛等新的系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克，則坦克發(fā)動機的功率將超過2 000千瓦，與柴油機相比，燃氣輪機仍具有優(yōu)勢。根據(jù)國外研究計算的結(jié)果表明，在1分鐘之內(nèi)發(fā)射4～6發(fā)電磁炮炮彈需要1 100～1 470千瓦的功率，這將給燃氣輪機帶來擴大使用的空間。

科學(xué)技術(shù)的進步也將決定坦克動力類型的選擇。石油資源的日趨減少和作戰(zhàn)后勤供應(yīng)，坦克燃氣輪機燃油耗量大已成為爭論的焦點。但是，美軍卻強調(diào)繼續(xù)采用燃氣輪機為主戰(zhàn)坦克的動力；俄、美均使用燃氣輪機與電傳動進行試驗研究。加之裝用燃氣輪機的坦克所獲得的高平均速度、集群大縱深行動的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)速度，較短的沖擊時間和較高的戰(zhàn)場生存能力，這些或許是坦克燃氣輪機繼續(xù)使用的原因。

至于說到進一步降低坦克燃氣輪機的燃油消耗量，專家提出了以下2個解決途徑。

第一，從燃氣輪機本身，提高渦輪前燃氣的溫度。提高燃氣輪機的壓比，同時解決與回?zé)崞骰責(zé)岫鹊钠ヅ鋯栴}。采用中冷、補燃循環(huán)。

第二，采用混合動力系統(tǒng)，混合動力系統(tǒng)是向坦克的各部件提供需求能量的動力源。由發(fā)動機同帶有自動解脫離合器的高效能發(fā)電機、起動電機集成為一體的混合動力裝置、變流器、直流電源總線、驅(qū)動電機、緊湊型大容量脈沖電源，控制和熱管理裝置等組成。

21世紀(jì)初，德國MTU動力公司在用柴油機、燃氣輪機構(gòu)成的混合動力系統(tǒng)，在車輛、艦船上做了大量試驗和研究，并獲成功運用，節(jié)省燃油消耗量達20%～40%。

有專家指出，由于坦克燃氣輪機具有功率輸出轉(zhuǎn)速高達8 000～10 000轉(zhuǎn)/分的特性，如若再配高速發(fā)電機組成混合動力系統(tǒng)，在系統(tǒng)緊湊性和節(jié)省燃油耗量方面獲取顯著成效，這或許是給繼續(xù)使用坦克燃氣輪機留下的空間。

未來坦克發(fā)動機的研究工作會依據(jù)現(xiàn)實的緊迫性和費用成本核算來展開。例如，坦克配置的自動換檔裝置應(yīng)嵌入戰(zhàn)斗指揮信息系統(tǒng)中。深入研究能保證實現(xiàn)在行軍中降低坦克駕駛員的疲勞程度的方案，從而使任何技師級坦克駕駛員都能遙控駕駛坦克，而且無需重復(fù)傳動裝置操作程序，幾乎還能節(jié)約燃料20%。當(dāng)前最為迫切的任務(wù)是研究帶電傳動裝置的混合動力裝置。

發(fā)動機約占坦克內(nèi)部空間（12～18米3）的35%，其重量和體積對提高坦克機動性乃至整體作戰(zhàn)能力有直接影響，因此坦克動力發(fā)展的基本原則是：提高發(fā)動機功率的同時，盡量減小其體積。電傳動、電磁炮等對電力要求比較高的坦克技術(shù)的逐漸發(fā)展，單位體積功率更高的燃氣輪機的優(yōu)勢將更加明顯。比較一致的觀點是，隨著燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展，一些技術(shù)缺陷的逐步解決，其性能特點決定了燃氣輪機是一種優(yōu)秀的坦克動力；電磁炮、激光武器都取得的突破性進展，混合動力和頁巖氣的成功開發(fā)，這些都為坦克燃氣輪機的使用和發(fā)展繼續(xù)開拓空間。

而現(xiàn)代坦克究竟需要什么樣的發(fā)動機呢？這是當(dāng)前迫切需要回答和解決的問題。伴隨著坦克高功率密度柴油機取得的優(yōu)異成績和燃氣輪機在坦克使用過程出現(xiàn)（或存在）的問題；致使主戰(zhàn)坦克安裝燃氣輪機的問題，至今仍在俄、美等國的軍事和學(xué)術(shù)界繼續(xù)進行著爭論。從哲理而言，爭論亦表明了事物存有發(fā)展的空間。在未來坦克發(fā)動機選擇問題上，需要拋棄根深蒂固的觀念。技術(shù)的發(fā)展沒有停滯，問題在于是否有實施革命性新方案的勇氣。

當(dāng)然，坦克發(fā)動機類型的選擇并不僅僅局限于發(fā)動機性能本身，其還受到各國經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)水平、作戰(zhàn)理論等因素的制約，因此，坦克柴油機和燃氣輪機將在很長一段時間內(nèi)共存共生，共同發(fā)展，而且由于燃氣輪機的技術(shù)復(fù)雜性，許多國家無力研制高水平的坦克燃氣輪機，因此，坦克柴油機在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)仍占據(jù)優(yōu)勢地位。