【谋求更强的坦克心脏】 心脏强光斑

　　高功率密度(High Power Density，HPD)动力装置是一个出现时间不算很长的术语，来源于德国MTU公司开发MT890系列高功率密度柴油机的计划，现在已经被普遍用于称呼装备于坦克装甲车辆上的先进动力装置。然而，正如“罗马不是一天建成的”，更广泛意义上的高功率密度动力装置从一战末期出现时的航机陆用，到后来的专门设计，再到现代的军民通用，也经历了一个从开端到不断发展壮大的过程，本文将对这个漫长而复杂的过程做一综合介绍。
　　
　　HPD的前世――早期大功率发动机发展回顾
　　
　　1916年9月15日，作为一种新生的武器，坦克登上了人类战争的宏大舞台，并取得了举世瞩目的战绩，从而在参战各国中掀起了一波研制坦克的热潮。然而，由于受到缺乏合适动力装置的现实条件限制，早期坦克不仅防护性能、火力性能差强人意，战场机动性也普遍很糟糕。
　　幸运的是，飞机自从被发明之后，就一直推动着功率大、重量轻的新型发动机的发展，用现在的术语来讲，就是高功率密度(HPD)动力装置――当然，这个说法实际上是20世纪末才出现的，但这并不妨碍历史上的先行者们也同样具有类似的特征。以当时的技术水平来衡量，它们同样具备HPD这个专属于先进动力装置的本质特征。第一次世界大战中，美国设计的“自由”型水冷航空汽油机在协约国一方的新型飞机上得到了广泛应用，它可以说是历史上第一种得到大批量生产的HPD动力装置，其基本型为V型12缸，功率294千瓦(400马力)，另有一种V型8缸的变型。1920年，12缸“自由”水冷汽油机作为动力装置，被装上了战争末期英国为美国设计的VⅢ“自由”型重型坦克上，该型坦克战斗全重39.5吨，是一战中设计的最重的坦克，也是最后一种沿袭I型坦克菱形车体、过顶履带特征的坦克。然而，即使有大功率的“自由”发动机作为动力，其最大速度也仅有10.4千米／小时，显然，落地的“自由”没能延续蓝天上的辉煌，使“自由”型坦克未能获得在战场上行动的自由。
　　实际上，限制坦克机动性的主要指标是单位功率，这为提高机动性的努力指出了两条截然相反的路：其一是投入大量资源研制新型的高功率密度发动机，这条路子被证明在战争中是行不通的――当一个国家的主要资源都用于直接支撑战争的消耗时，是难以承担研制新型发动机的任务的。另外一条路子就是沿用现有的发动机，而大幅度减轻坦克的重量，这同样可以起到提高单位功率、改善坦克机动性的作用，也是一战中各国做出的现实选择――轻型坦克的滥觞由此而起，并在往后的岁月里给坦克发展带来了多次波折。
　　1922年在柴油机动力装置发展史上是一个重要的分界线，这一年，德国人博世(Bosch)发明了机械式燃油喷射装置，使得发展小型化的柴油机成为可能，博世公司也从此成为世界头号的内燃机燃油喷射系统开发商。直至今天，据统计，算上授权生产的份额，博世公司占据了目前世界内燃机燃油喷射系统70％的市场。上世纪20年代后期，出现了小型、高转速、适用于陆地车辆的柴油机。由于其与生俱来的高效、省油的优点，立即获得广泛的应用，甚至还出现了用于飞机的航空柴油机。
　　“第一种现代坦克柴油机”的称号，当之无愧属于苏联开发的B-2系列大功率柴油机。在经历了曾经喧嚣一时的航空柴油机研发热潮后，苏联科研人员吸取了相关的经验教训，大量采用了高强度铝合金作为机体结构材料，有效地降低了发动机重量，提高了紧凑性，使该型柴油机成为了二战中最优秀的HPD动力装置之一。B-2柴油机为V型12缸水冷发动机，各种变型机广泛装备于苏联的中型坦克、重型坦克及各种变型车上，为红军的铁流最终直捣柏林提供了强有力的支持。
　　战后，苏联继续在B-2系列大功率柴油机的基础上，发展了一系列用于中型坦克、重型坦克的动力装置。B-2系列柴油机紧凑的外形与简单实用的机械传动装置相搭配，使得战后苏联坦克的动力舱占用容积是最小的(只有不到3.5立方米)，在MT890系列HPD柴油机出现之前，已经达到了一个减小的极限。其中，广泛装备于T-72主战坦克及中型装甲车辆上的B-46柴油机是在B-2系列的基础上进行彻底改进而来的，功率574千瓦(780马力)，比原型B-2-34的功率提高了50％多。
　　从T-64坦克开始，苏联试图用结构更加紧凑、功率更高的TⅡ系列对置活塞柴油机来取代苏式高档坦克上的B-2系列柴油机，但是由于对置活塞柴油机本身具有的热负荷、机械负荷过大的缺点，而且维护性能也很差，最终没有取得预期的成功。目前，装备于T-64坦克的5Tд柴油机已经随坦克全部退役，只剩下少量装备于T-80yд等出口型坦克上的6Tд-2柴油机还在使用。
　　战后美国采用了从风冷汽油机改型而来的AVDS-1790柴油机，采用风冷以提高发动机对自然环境的适应性，取消水冷系统以减小发动机的体积和重量，减少易损性，提高维护性。该系列发动机基本型功率552千瓦(750马力)，改进型提高为662千瓦(900马力)，功率提高型则达到了882千瓦(1200马力)。虽然该系列发动机随着美式坦克行销世界，然而风冷方式占用的动力舱容积过大，而且难以达到较高的强化程度，一直是受到诟病的主要缺点之一。
　　
　　HPD的萌芽――整体推进系统的出现
　　
　　现代意义上的HPD发动机发展契机，要从战后第三代主战坦克的发展谈起。1963年，为了应对咄咄逼人的苏联装甲集群的威胁，美国联合德国共同启动了“70年代主战坦克”(MBT-70)的研制，这款坦克采用了炮射导弹、液气悬挂、大功率发动机等多项当时的领先技术。双方的协议确定，由美国泰莱达因’大陆汽车公司和德国戴姆勒-奔驰公司分别研制候选发动机。戴姆勒奔驰公司研制的MB873Ka-500型12缸v型水冷柴油机，于1967年通过北约坦克发动机400小时耐久试验，当选为MBT-70坦克动力。然而不久之后，两国就因为作战要求的不同而对MBT-70的技术指标产生分歧，最终于1970年分道扬镳，各自发展自己的主战坦克及坦克发动机，导致MBT-70项目破产。但是，在其上验证的1103千瓦(1500马力)大功率发动机却被西方诸国确认为新一代主战坦克必不可少的装备一在这个功率等级下，坦克才能获得火力、防护力和机动力三大性能的良好综合。
　　德国利用MBT-70计划的成果，在MB873Ka-500型柴油机的基础上改善性能、提高可靠性，改进出MB873Ka-501型12缸V型水冷柴油机，并在此基础上研制出了西方第一种第三代主战坦克――大名鼎鼎的“豹”2主战坦克。而美国人早在1965年6月，就提出了坦克和重 型车辆用1103千瓦(1500马力)燃气轮机发展计划。1965年lO月，美国陆军选定阿维科・莱卡明公司以直升机涡轮轴发动机为基础的设计方案，并签订30台样机的研制合同，将该机定名为AGT-1500型燃气轮机。MBT-70计划的进行并没有对AGT-1500燃气轮机的发展造成重大影响，相反，在MBT-70计划失败之后，美国陆军在1973年分别与克莱斯勒公司和通用汽车公司签订研制XM-1坦克样车的合同，AGT-1500燃气轮机顺理成章地成为了新型坦克的候选发动机，并在随后的竞争中击败AVCR-1360-2型可变压缩比柴油机，成为美国第三代主战坦克的动力。
　　与前两代主战坦克的动力装置明显不同的是，第三代主战坦克的动力装置不仅功率超过了以往一直未能突破的735千瓦(1000马力)大关，而且强调了一体化吊装的思路一发动机与传动装置能够作为一个整体，在坦克上安装或者拆卸，这就是所谓的“一体化推进系统”。对于当时假想中的欧洲大规模坦克战来说，一体化推进系统可以减少维修时间，有效地缓解西方坦克数量相对较少的劣势。一体化推进系统要求在设计的过程当中，尽可能降低空间浪费，利用动力传动装置的所有部件填满每一个角落，以尽可能节省空间――这在西方第三代主战坦克普遍采用了体积较大的液力综合传动装置的情况下，显得尤为重要。
　　但是，现实总是与愿望有一定的差距的，不管是“豹”2还是M1“艾布拉姆斯”主战坦克，其动力传动装置都是庞然大物，例如“豹”2的动力舱容积为7.4立方米，而M1的动力装置体积更是达到了惊人的8.5立方米，而典型的苏式坦克动力舱容积仅是它的一半，还不到3.5立方米……这造成了“豹”2和M1型主战坦克的三维轮廓尺度也远远大于苏式坦克，而按照各国多年研究统计的结果表明，坦克的外廓尺寸越大，被发现、命中、摧毁的概率也越大。虽然理论上西方第三代主战坦克的技术性能已经取得了对苏式坦克的压倒性优势，但在上世纪70年代，没有哪个西方专家敢打保票，说“高大威猛”的西方第三代主战坦克在实战中面对苏式坦克必胜(西方第三代坦克得到实战检验是在1990年的海湾战争中，可那时红色堡垒已经轰然坍塌了)。
　　显然，为了确保西方主战坦克技术领先的优势，必须进一步缩小坦克尺度。在其他分系统占用体积不可能大幅度减小(装甲和火炮等部分甚至有可能增加)的前提下，各国只有想办法拿坦克动力舱来开刀。在相同输出功率的条件下，缩小坦克动力舱容积对提高其机动性，增强其快速反应和快速部署能力有着至关重要的作用。德国从1976年开始，就着手研制下一代坦克发动机MT880系列，横截面积比MB870系列减小约30％。美国陆军于1982年开始执行一项重型战车的先进整体式推进系统规划(AIPS)，要求每一个主要技术指标必须达到或超过M1坦克动力装置的水平，尤其是推进系统的外形尺寸、油耗和重量方面应有较大改善，在携带1个战斗日所需燃料的情况下，推进系统的体积比AGT-1500小35％左右。推进系统的高度不应超过1143毫米，长度应尽可能缩短。在AIPS计划之下，分别发展了LV100燃气轮机和XAV-28型4冲程油冷涡轮增压中冷低散热柴油机，以进行对比、竞争。
　　而英国的CV12TCA坦克发动机和法国的UDV8X1500坦克发动机由于出现得相对较晚，都不同程度地考虑到了减小体积的要求。从结果来讲，这两款发动机更加接近于现代HPD动力装置的要求，特别是UDVSX1500的体积只有4.1立方米，已经跟传统的苏式坦克相差无几了。但是，它们为此付出的代价也是显而易见的――CV12TCA柴油机的标定功率只有882千瓦(1200马力)，导致笨重的“挑战者”主战坦克机动力不足；而UDV8X1500柴油机性能的发挥完全依赖于超高增压系统，并且热负荷和机械负荷这两项关键限制指标过高，战场可靠性值得怀疑。
　　
　　另类乐章――燃气轮机的兴起和挫折
　　
　　AGT-1500燃气轮机并不是第一种应用于坦克的燃气轮机，实际上，早在二战末期，纳粹德国就尝试过给坦克安装燃气轮机动力装置，但第一个在批量生产的坦克上采用燃气轮机的是瑞典人。1964年，正式投产的瑞典Strv103坦克(简称S坦克)采用了燃气轮机和柴油机的组合动力，早期使用波音公司生产的502／10MA燃气轮机，后来用功率更大的波音公司553型燃气轮机取代了原先的502／10MA，功率由242.6千瓦(330马力)提高到360千瓦(490马力)，使发动机总功率由419千瓦(570马力)提高到了536.8千瓦(730马力)，大大提高了S坦克的机动能力。
　　与柴油机相比，燃气轮机应用于坦克有以下的一些优点：
　　1.结构简单、重量轻、体积小。燃气轮机结构简单，总零件数比柴油机少30％，运动件只有柴油机的1／5，轴承数是柴油机的1／3，密封件和齿轮数是柴油机的一半。
　　2.维修简便。燃气轮机一般沿用航空涡轮发动机的模块化设计方法，一般附件的修理和更换无需拆卸发动机，主要部件均为单元体结构，损坏时直接更换新部件，降低了野战维修的工作量。
　　3.冷起动性能好。燃气轮机摩擦件少，起动力矩较小，可以使用功率较小的起动电机，而且热量传递比较迅速、均匀，常见的冬季低温下，起动前都不需要进行预热。
　　4.负荷反应快。燃气轮机从怠速达到全功率运转的时间短，只要燃料稳定燃烧，部件就可达到工作温度，很快就可输出全功率，因而可提高坦克加速性。
　　5.扭矩特性好。燃气轮机的扭矩随动力涡轮的转速降低而增大，使坦克具有良好的越野性能。而且扭矩储备系数大，可以简化传动装置，提高传动装置的效率。
　　6.多种燃料性能好。燃气轮机可以燃用从汽油到重柴油的广泛类型，而且不需要特别的附加装置或者零部件拆换，多种燃料性能远胜于柴油机。
　　7.排烟少、振动小、噪声低。这些特点可以减少坦克上战场上被发现而遭到攻击的可能性，从而提高坦克的生存力。
　　因为燃气轮机具有众多的显著优点，所以在美国的M1型主战坦克装备AGT-1500燃气轮机作为动力之后，苏联也在共新一代高级坦克――T-80U上相继装备了GTD-1000T和GTD-1250燃气轮机。苏式GTD燃气轮机占用的动力舱容积与柴油机相当，为此采用了虽然简单、却效率较低的结构，虽然宣传的全负荷耗油率与AGT-1500燃气轮机相当，但是部分负荷时的经济性远远不如带有回热器的AGT-1500。
　　但是，迄今为止，以燃气轮机作为单一动力的坦克也仅有M1型主战坦克和T-80U主战坦克，美国在AIPS计划中发展的LV100型燃气轮机，虽然性能远远超越了日趋老旧的AGT-1500，也未能投产装备，而是转为了技术储备。这是为什么呢?这个还要从燃气轮机的缺点讲起。
　　燃气轮机的常见缺点，例如低负荷耗油率过大、进气滤清要求高、不适合潜渡要求等等，大家都耳熟能详了。然而，就像AGT-1500燃气轮机能够大量装备M1系列主战坦克这个极为典型的例子所说明的那样，这些所谓的缺点对于以性能为第一追求目标的用户来说，并不算缺点。实际上，阻碍燃气轮机推广应用的最大缺点，就是功率拓展困难。一种燃气轮机定型之后，其标定功率只能在一个比较小的范围内进行变动，否则的话就要重新进行设计，这造成了单一型号的燃气轮机能够适装的车辆型号极其有限。在冷战结束、陆军装备普遍受到压缩的大趋势下，很难再有一种大功率坦克燃气轮机能够取得AGT-1500那样巨大的装备量，这必然会造成研制、装备的成本大幅度提高，与军民通用、变型机众多的柴油机相比，装备经济性上的劣势过于明显，所以在进入新世纪以后，HPD动力装置的行列中已经失去了燃气轮机的身影。