心脏强光斑 [谋求更强的坦克心脏]

　　后冷战时代――HPD发动机新时代 　　 　　苏联的解体既在意料之外，也在意料之中，毕竟红色帝国为了争霸，过分透支了国力民心，崩溃是迟早的事情。但是对于军工产业来讲，北极熊的倒下决非表面上西方各国政客弹冠相庆这般的喜事，数十年的重大威胁一经解除，军队和军工企业首当其中受到冲击。
　　正如前文提到过的，美国在AIPS计划中分别发展了LV100燃气轮机和XAV-28型低散热柴油机。但是由于苏联的消失，大集群装甲兵团作战的可能性也随之大大降低，于是美国陆军开始寻求转型为一支更加适合全球部署、充当世界警察的作战力量，转而提出了未来战斗系统(FCS)的构想，专用于重型战车的AIPS计划随着一度沸沸扬扬的Block Ⅲ主战坦克计划一起寿终正寝，所有的成果都成为了技术储备。德国人的MT880系列柴油机则走运得多，虽然没有得到德国军方的采用，却由于综合性能优秀，MT883－ka501型12缸柴油机(横置)不仅和伦克HSWT－295型变速箱共同组成了“欧洲动力模块”，获得了出口型“挑战者”2E主战坦克、出口型“勒克莱尔”主战坦克的动力装置订单，经过大幅度强化后的MT883Ka-524柴油机(水上功率达1650千瓦)还成为了美国海军陆战队先进两栖攻击车(AAAV)的动力，韩国的XK2主战坦克样车也使用了MT880系列柴油机作为动力。
　　但是，像MT883柴油机这样的紧凑机型，仅代表了20世纪70年代西方的先进技术水平。以美国FCS为代表，对新一代高紧凑性推进系统提出了更高的要求，美国和欧洲的发达国家都在继续发展适应新一代战车需求的高功率密度推进系统。尤其是美国FCS计划的持续推进，以及德国HPD整体式柴油机推进系统的出现，对世界上其他国家的未来主战坦克和新概念作战系统的发展产生了极为重要的影响。
　　为适应新型作战平台的发展，德国MTU公司开发出MT890系列HPD柴油机，在功率密度方面有重大突破。该系列柴油机的升功率高达92千瓦／升，比用于美国AAAV的MT883Ka-524柴油机的73.7千瓦／升还要高出25％。由于采用了集成化设计及高压共轨技术、高效涡轮增压技术和先进的发动机电子管理系统等经过验证的各种高新技术，因而成为世界上功率最强劲、结构最紧凑的柴油机系列。其中，12V构型的MT893柴油机标定功率为1103千瓦，与相同功率等级的MT883Ka-501柴油机相比，整机质量和体积均减少约50％。
　　
　　现代HPD柴油机关键技术
　　
　　如前所述，现代HPD动力装置的主流已经是柴油机，而且在可以预见的将来其地位都不会被动摇。对于HPD柴油机而言，主要有以下一些关键技术：
　　电子控制技术
　　电控技术是柴油机智能化的基础。柴油机电子控制技术是伴随着半导体工业的发展，从上世纪70年代开始兴起的新技术。在老式的机械控制柴油机中，功率的发挥、负荷的响应等功能都是依赖机械式的调速器进行控制，而机械式调速器的核心部件就是利用弹簧来平衡的飞铁。发动机功率越大，需要的弹簧、飞铁就越大，否则操纵能力不足，不仅笨重，而且控制精度低下。液压式调速器虽然可以缓解这个问题，但是精密的液压部件又导致了维护困难，只有在舰船用的大型主机上应用较广。早期的柴油机电子控制系统还只是电子一机械式控制系统，以英国CV12TCA柴油机为代表，其特点是基本保留了机械控制系统的部件，但是操纵改用电子控制的作动器，不仅控制的精度、灵敏度得到提高，在不同的工况下还可以按照预先设定的一些工作程序来进行优化，使得发动机的性能得到了显著的提高。现代的电控系统则增加了对喷油量和喷油定时的电子控制，可以更加精确地控制发动机工作状况。如今，先进的HPD柴油机电控系统已经发展为包括发动机循环油量控制、喷油定时控制、进排气控制、发动机工况监控、故障诊断等在内的数字式综合控制系统，发动机电控的范围已经扩展到所有要求可调的部位，构成所谓的发动机管理系统，如MTU公司MT890系列柴油机的全数字化管理系统，其控制内容主要包括燃油供给系统、增压系统、进气系统、故障诊断、传动的匹配等。通过对可变气门正时、可变压缩比和可变几何截面涡轮增压器等的电子控制，可以改善柴油机的工作特性，进而提高紧凑性。
　　
　　高温冷却及油冷系统
　　冷却温度越高，发动机的散热损失就越小，有效功率就越大，而且较高的温度也有利于燃料的燃烧，所以HPD柴油机基本上都使用了能适应高温冷却需要的冷却系统。但是对于水冷系统而言，要求整个冷却系统承受较大的压力(压力升高，水的沸点随之升高，才能在高温下维持液态)，会造成结构的复杂化。虽然采用机油来取代冷却水的油冷系统是另一种选择，可以在常压下达到较高的冷却温度，但是机油在工作中会因高温分解而产生沉积物，附着在冷却腔表面时将会极大地降低冷却效果。而且机油的热容量不如水，要求的循环速度较高，又会加速机油变质、分解的过程，对机油的稳定性要求也大幅度提高。因此，合适的高温冷却系统是减小辅助系统体积和质量、使柴油机实现高效运行的有效措施，也是一个HPD柴油机研制的难点。
　　低温起动技术　现代HPD柴油机通常都使用了高增压比的废气涡轮增压器，为了限制燃烧室内的最大爆发压力，气缸压缩比一般都偏低。这就使得HPD柴油机在低温起动时，由于废气涡轮增压器尚未发挥作用，进气压力比正常工作时低，气缸内的压缩温度很可能达不到柴油的自燃温度，更容易造成起动失败。因此，在低温下迅速、可靠地起动HPD柴油机，也是一个关键性的战技指标。
　　高喷射压力的供油系统
　　为优化高转速下的燃烧过程，必须采用喷油压力大于160兆帕的高压共轨喷油系统，由此使发动机在低转速范围获得高的喷射压力，以保证在所有运行工况均可实现高效燃烧。此外，燃烧过程的优化研究也是实现高功率密度的关键之一。高压共轨喷油系统和电控技术的完美结合是实现HPD的唯一理想选择。控制程序可以根据需要设置喷油正时、喷油量、喷油压力等，能够进行分段喷射，灵活地适应各种工况的变化。这一特性也决定了喷油规律不会受发动机转速和载荷的影响，能够更精确地对燃烧过程进行控制，可以在整个发动机工作转速范围内实现高效燃烧。目前，高压共轨喷油系统的喷油压力可以达到升60兆帕左右，不仅能够满足HPD柴油机高转速大供油量的要求，还能满足高紧凑驱动要求。
　　单缸排工作及怠速运行技术　怠速、低负荷待机时动力装置燃油消耗率偏高、发动机摩托小时消耗大一直是困扰坦克柴油机日常使用的难题，虽然辅助动力装置可以在一 定程度上缓解这个问题，但在需要坦克随时能投入战斗使用的战前准备和战斗间隙，还是需要主发动机处于持续运转状态。MTU公司和道依茨公司发明的、适用于V型高速柴油机的单缸排工作技术已经出现多年，能够在怠速时停止一个缸排的工作，可以降低差不多50％的怠速油耗。但是，由于该类技术都是基于机械式喷油系统，只能在怠速时进入减缸工作，不太适应坦克发动机转速多变的情况，一直以来仅用于船用柴油机。电控燃油高压喷射系统的推广比较完美地解决了这个问题，可以通过预设程序在怠速、低负荷时切断部分气缸的工作，并能迅速恢复正常工作状态。
　　研究整体式推进系统，进一步缩小动力舱体积　推进系统的总体集成技术是实现高结构紧凑性、高功率密度、提高动力总成性能的核心技术之一。其内容包括两个方面：发动机本体与附件的集成，发动机与传动系统的集成。通过发动机本体与进排气系统、燃油供给系统、冷却系统和润滑系统等的性能匹配和结构优化设计，可以有效地提高整体性能，进而达到减小发动机体积和质量的目的。例如MTU公司的6V890柴油机将整个干式油底壳(包括机油容积、机油泵、机油换热器、机油滤、机油管道)和进气歧管等零件都集成在曲轴箱上，在发动机上没有外部管路。发动机与传动系统的集成可以进一步减少无效空间，减小体积和质量，提高动力装置的紧凑性和传动效率，增强可靠性、可使用性、可维护性和耐久性。
　　电传动技术　电传动有助于进一步减少体积和质量，使车辆运行更为平稳，并实现无级变速，是代表车辆传动系统发展方向的关键技术。电传动能使发动机以其最高效率工作，因此，HPD柴油机可以通过燃油消耗特性图和电子管理系统获得最好的燃油经济性。
　　
　　中国坦克动力技术的发展以及与国外技术的差距
　　
　　我国的坦克动力技术始于20世纪50年代，在引进苏联的T-54A中型坦克生产线的同时，引进了B54柴油机的生产线，定名为12150L坦克柴油机，装备于59式中型坦克上，其改型、变型机也大量应用于我军其它坦克装甲车辆上。在很长一段时间里，我军坦克装甲车辆的主动力都是在12150柴油机基础上发展的发动机族，这给后勤维护带来了极大的便利。
　　我国自行研制的第一代坦克是69式中型坦克，其装备的发动机是在12150L的基础上。经过进一步强化的427千瓦自然进气发动机，定名为12150L7坦克柴油机。苏联早在20世纪50年代，对T-54坦克进行改进时，就已经开发出427千瓦的B-55柴油机(配用于T-55及随后的T-62坦克)，而我国由于技术底子差，虽然已经获得T-55坦克发动机增强的情报，却一直未能发展出类似机型。直到在珍宝岛冲突中意外缴获一辆T-62坦克之后，国内科研人员通过实地考察，摸清了苏联人的路子，自研的12150L7坦克柴油机才获得最终成功。
　　上世纪70年代，随着苏联T-72主战坦克大量投入使用，对我国北方边防产生了巨大的压力。为了抵御可能出现的苏军装甲洪流，我国对二代坦克的发展提出了新的计划，从原来的赶超东西方阵营二代坦克转变为作为三代坦克服役之前的过渡产品。尼克松访华后，我国和西方的关系得到了极大改善，二代坦克的发动机方案里除了国产的12150L改进型柴油机，也多了一种来自柴油机故乡的备选方案――MTU公司的8V331柴油机(“豹”2发动机MB873的民用变型)。然而由于8V331采用了铸铁机体，重量偏大，而且附件等布置也不够紧凑。再加上我国没有引进该发动机的生产许可，最终二代坦克的动力系统选择了在12150L柴油机的基础之上，利用涡轮增压技术改进的12V150Z升增压柴油发动机，功率增加到了537千瓦(730马力)，使其性能有了很大的提高。
　　目前，在我国的第三代主战坦克上，所使用的动力机构是882千瓦(1200马力)的柴油机，由于车身有所减轻，机动性能也有很大的提高。在经过多年的追赶后，我国的坦克动力装置终于达到了国外先进国家的典型水平。但是，我国的坦克动力技术与西方先进国家的技术相比，仍有一定的差距。例如：就现在我国所使用的柴油机，反映功率强化指标的平均有效压力值比世界先进机型的平均值(≥1.8兆帕)要低20％以上，在燃油经济性、散热方面，我国与国际先进水平也存在10％以上的差距，可靠性方面，世界先进动力装置要求通过北约标准400小时的耐久性考验，而我国在这方面仍然延续着苏联的考核规范，差距较大。预计在不久的将来，我们能看到新型主战坦克用上具有更高水平的HPD动力装置。
　　
　　HPD发动机的未来展望
　　
　　随着科技日新月异的发展，以HPD柴油机为代表的未来坦克动力系统将进一步向高紧凑、高性能、高可靠性方面发展。预计未来坦克动力将具有以下的一些技术特点：
　　第一、发动机的功率基本上为1103千瓦，但其单位体积功率及比重量要求会大幅度提高。造成这一原因除了坦克动力舱体积的严格控制外，主战坦克的战术应用(包括编队、协同作战)也是限制其大功率、高速性发挥的原因之一。更主要的是，新研制坦克发动机更注重的是单位体积功率、比重量、油耗、散热要求，以及整车功率等指标，这些指标的提高，也将直接提高作用在坦克主动轮的功率，或者可以驱动数量更多、功率更大的电器设备。新型HPD柴油机将普遍采用横置方案，以便缩短坦克动力舱长度和体积。柴油机散热量将大幅度降低，以便减小动力舱的体积，从而减小坦克的重量和体积。
　　第二、全面采用发动机、传动装置、散热器、中冷器、风扇等部件的动力舱一体化设计。这不仅能减小动力舱的体积、实现整体吊装、提高维修性，还能提高推进系统的整体性能、动力舱的可靠性。目前先进国家发动机设计70％～80％的工作都是在计算机上实现的，即采用所谓虚拟技术。该技术的采用大大地降低了成本、缩短了研制周期、提高了坦克动力舱一体化设计的优化匹配水平。计算机虚拟技术包含的内容有：流动、传热及燃烧等三维模拟技术、性能模拟技术以及结构布置、结构强度分析、系统优化、可靠性评估、运动分析、故障模拟、实战模拟等技术。
　　第三、采用高水平的电子控制系统，其中包括对发动机、辅助系统、传动装置等装置的统一控制、以便提高整体性能。
　　第四，发动机的油耗将大幅度降低。电控燃油高压喷射系统的推广，不但能保证发动机在高负荷时具有优良的性能表现，而且也保障了在部分负荷下有良好的燃油经济性。
　　第五、关系到坦克生存力及成本的可靠性、可用性、可维修性及耐久性将越来越受到重视。下一代坦克动力的无故障时间间隔将从以前的600小时提高到1000小时以上。
　　第六、一些在以往坦克发动机或其他发动机上曾被采用、试用的高新技术还将继续研究提高，并根据具体情况选择使用。如增压器涡轮以及压气机的调节技术、局部隔热技术、油冷技术、蓄压式电控喷油系统等。新技术的不断出现和逐渐使用，将使HPD柴油机的技术水平进一步提高。