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【装备技术】历久弥新 —M1系列坦克的动力系统

发布日期:2021-11-24 22:22   来源:未知   阅读:

  当今世界上的坦克,动力单元基本上采用的是大功率柴油机,仅有美国M1坦克与俄罗斯T-80坦克采用燃气轮机作为动力单元。而俄罗斯T-80坦克发动机的可靠性、在综合工况中的表现,以及展现出来的战技指标等,导致美国M1坦克成为了世界上惟一可靠、耐用的采用燃气轮机的坦克。

  美国坦克选用燃气轮机,与当时对于坦克技术要求的发展有很密切的关系。在M1坦克进行预研的时期,正值美国坦克动力系统发展到第三代的历史阶段。与前两代坦克动力系统相比,按照当时计划的新型坦克总体重量达到55吨的目标计算,坦克发动机本身重量将控制在总体重量的5%左右,而在此之前,坦克发动机占用的车内体积一直呈逐渐增加的趋势,这直接导致车辆体积增加、总体重量随之增加。为扭转这一趋势,美国从研制第三代坦克动力系统开始,对发动机的要求是必须减小尺寸,但在重量要求上可以适当放宽。根据美国陆军对军工企业提出的战技要求,新研制的主战坦克单位功率必须达到18~22千瓦/吨,那么发动机的最大功率将达到1100千瓦,根据米制马力换算,约为1500马力。这是20世纪60年代美国陆军提出的指标要求。

  美国陆军对自己提出的战技指标的难度,也有一定了解,所以在研制之初就采用两条腿走路的办法,同时批准了一款柴油机和一款燃气轮机的设计方案,两款方案齐头并进,柴油机因技术成熟的特点成为保底方案,确保新型主战坦克能够在规定期限内完成设计定型;燃气轮机作为高指标方案。该计划一旦研制成功,将改变世界主战坦克动力系统的格局。

  1968年,美国军工企业对著名的AVCR1100型柴油机企图通过改进设计进一步提升性能,在每一个气缸之间距离不变的情况下,增加每一个气缸的缸径,行话称之为“缸心距不变、缸径加大”,结果导致每个气缸之间的距离缩短。最终出来的样机在试验中表现出了瞬间响应不良等缺点,这款发动机改进方案被命名为AVCR1100-3。后来,研制人员在这款即将宣告失败的发动机上增加了一部压气机,并且与原有发动机的涡轮增压器实现串联,这一改变使得新型发动机转速在达到AVCR1100-3发动机的70%时,就可以提供几乎相同的扭矩,且发动机功率超过1500马力,其余各项工况测试表现良好。在经过北约400小时台架试验后,它被定名为AVCR1360-2。

  AVCR1360-2作为一款性能卓越、品质优良的发动机,最终却没有成为M1坦克的主要动力,并不是这款发动机本身不好,而是当时要让工厂达到生产这款柴油机的能力,需要数年的准备时间,这无法满足当时美国陆军对M1坦克尽快定型并装备部队的需求,再加上燃气轮机从名称上看上去显得更加先进,正好迎合了当时美军在装备发展方面极力推求技术先进性的指导思想。而且,早在AVCR1360-2诞生以前的1965年6月,美国陆军就提出了坦克和重型军用车辆均采用1500马力燃气轮机的发展计划。

  1976年,2辆XM1坦克样车分别搭载AVCR1360-2柴油机和AGT-1500燃气轮机,在阿伯丁试验场进行了比较测试。在各项测试中,有一项是“0~32千米加速度试验”,这项试验的目的从名称中就能够看出,而其战术意义在于当时世界各坦克技术强国正在争相研发猎-歼式火控系统,这需要瞄准并追踪目标完成射击,美国根据当时以及下一个阶段可能达到的技术指标计算,当坦克时速能在12秒内从0加速到32千米/小时,就可以摆脱敌方的瞄准。在这项测试中,虽然搭载AVCR1360-2柴油机的样车性能达标,但搭载AGT-1500燃气轮机的样车加速时间仅为6.1秒。

  生不逢时的AVCR1360-2柴油机,最终在1976年正式被AGT-1500燃气轮机取代,没能成为M1坦克的主要动力。

  1965年10月,TACOM与AVCO Lycoming公司合作,拿出了以PLT27直升机采用的T53型燃气轮机作为即将诞生的AGT-1500燃气轮机的样本。燃气轮机的最大特点,是旋转式叶片器械,而柴油机是往复式活塞机械。燃气轮机的进气、压缩、燃烧、膨胀的做功过程均在叶片机中进行,而叶片机与机体并不发生接触,甚至有些部件之间仅为气动联系。这样的结构使得燃气轮机的转速可达到柴油机的10倍左右。同时,又降低了摩擦性和实现了连续做功。因此,燃气轮机的功率密度、扭矩特性、加速性、低温启动性、噪声和排烟等,均优于柴油机。

  在AGT-1500燃气轮机的设计过程中,贯彻了模块化的设计思路,这在60年代中期的技术背景下,是十分难得的。AGT-1500燃气轮机由机头组件、机尾组件、输出模块和附件模块四大部分组成。机头组件包括进气口、低压压气机、高压压气机、燃烧室和高压涡轮,机尾组件中包含了低压涡轮、高压涡轮和一部回热器,输出模块主要是一部行星减速器和相应的法兰盘;最后,将液压泵、燃烧控制器、起动器、机油泵、机油滤清器等部件通过一个综合齿轮箱连接,集中安装在机头组件下端。

  AGT-1500燃气轮机不仅整体体现了先进的设计理念,而且在一些细节上也颇具匠心。为能扩大发动机的最佳工作范围,动力涡轮进气口风扇的叶片采用可调节式设计,这其中蕴含着一项复杂而且极具创意的设计。在发动机工作时,燃油调节器的调节压力油进入油缸,通过杠杆操纵一个环形齿条,扇叶头部有一个连接杆,与齿条啮合连接,通过燃油调节器—油缸—杠杆—环形齿条—连接杆—扇叶这一套机械装置,使动力涡轮风扇的扇叶实现了30°的可调式结构,而连接叶片的连杆是其中技术要求较高的一个零件,它的工作温度约为900℃,为了确保叶片能够灵活转动,使这种复杂的机械设计不会造成较大的漏气量,扇叶连接杆与安装这套设备的机匣之间的缝隙控制在0.08毫米以内,这样的加工精度成本和难度太大,不是一般国家能玩得起的。叶片可调式结构的主要作用,是能够在高温条件下补偿热应力,能够适当改善发动机在部分工况下工作的经济性。

  要将发动机巨大的马力转化为超强的机动能力,就需要一套先进、可靠,并且与发动机相匹配的传动系统。根据多国发展坦克工业的实际经验,传动系统由于机械复杂程度较高、部件加工和组装生产难度大,往往成为制约坦克定型时间的一项难题。为使传动系统的研制不拖延M1坦克的后腿,在动力单元采用两种方案并进的同时,传动方案也在X-1100这一个主体方案基础上,衍生出分别适应柴油机的3A和适应燃气轮机的3B两种方案。两套系统与两种动力方案能够连接成动力传动一体化装置,并采用常规布局,安装于车体后部动力舱内。

  X-1100-3B型传动装置,由底特律柴油机公司阿里逊分公司生产,是一种液力机械式全自动变速箱,共有4个前进档和2个倒档,共分为液力变矩器、行星变速装置、液力泵、液压马达、液压制动气5个主要部分。其中,液压泵和液力马达控制车辆实现转向,这种双流传动装置可以使转弯半径连续变化,最终实现以坦克中心点为轴的原地转向,这就是被称为M1坦克绝活的“中枢转向”。

  M1坦克的操纵方式是一大创新。虽然在M48坦克上,美国已经淘汰了两根操纵杆的驾驶方式,采用了至今很多国家都在使用的方向盘驾驶方式,但M1坦克采用了更为简便的类似于摩托车的T型操纵杆,驾驶员通过扭动手中的把手,就可以实现对坦克两个履带行驶方向和速度的控制。当驾驶员需要“中枢转向”时,只需将两个把手同时向相反方向拧,坦克就会在原地旋转。这种T型操纵杆用起来比方向盘灵活得多,但基本原理却与档杆式操纵杆类似,只不过是把搬动档杆的动作变成扭动把手,而这个看似无关紧要的小改进,却让坦克变得十分容易驾驶,极大节省了驾驶员的体力,让驾驶员能够把精力更集中于观察周围情况,对提升坦克的作战能力有较大的帮助。

  M1坦克的动力系统虽称不上系统工程的典范,因为它仅仅是先进技术的累积产物,并不像俄罗斯那样,在性能上实现了1+12的效果,但毕竟在发动机动力集成设计领域开创了成功的先例。

  20世纪70年代,西方坦克的设计思路开始逐渐注重坦克发动机与变速箱之间的作用关系,动力系统集成化设计理念开始崭露头角。

  AGT-1500燃气轮机与X-1100-3B传动系统在动力集成设计思想指导下组成的动力包,与过去美国坦克的传统设计方法相比,具有十分明显的优势。

  集成设计能够使发动机和传动两大单元从结构继承和性能匹配两个方面形成一个整体,每个部件都将与整个系统形成一个整体,而不是追求某一个功能或者某一项指标的单独“高水平提升”。将动力包的设计思路从过去以部件为基础、以性能和匹配参数为目标,变成了以动力系统为基础、以提高整车性能为目标。这样的转变落实在每一个部件上,表现出极高的匹配性。

  比如发动机系统中的间壁式回热器,它是提高燃气轮机能量转换的关键部件。回热器由外部壳体和内部芯体组成。芯体是由600片经过冲压加工形成的波形板片组成的,每个板片厚度在0.153~0.2毫米之间,两个板片为一组,由激光焊接形成一个外径680毫米、内径370毫米、长度580毫米的整体。这其中学问最大的是波形板片的形状与尺寸,既要兼顾散热效率,又要考虑使用效率。

  根据试验得出,在发动机达到的功率越低时,回热器使燃油消耗的效率降低得就越多,但这并不是无限量的降低,而是无限趋近于节油40%,但随着发动机工作的功率逐渐加大,节油效果也呈函数曲线的规律逐渐下降,到AGT-1500燃气轮机能够达到的1500马力峰值时,回热器的节油效率不足10%。

  这样的部件虽然在坦克高速行驶时作用并不大,但如果将其纳入M1坦克的整车环境中进行综合匹配,在坦克起动时,发动机本身的技术指标和液力综合传动的工作特点,会造成极高的油耗,而被纳入整车综合性能考虑的间壁式回热器,就成为了降低油耗、在一定程度上提升车辆整体性能的合理部件。

  于是,AGT-1500燃气轮机与X-1100-3B传动系统的这次结合,不仅使M1A1坦克如期成功定型,同时也为美国将燃气轮机动力系统技术推向一个更高的台阶奠定了扎实基础。

  想要实现M1坦克的动力集成化设计,并不是将各个部件拼接起来那么简单,而是要将动力系统下面的发动机、传动装置、液流系统、冷却系统、燃烧系统、控制系统进行系统化的分析和优化,从动力系统的层面分析部件特性对整体的影响规律。比如AGT-1500燃气轮机的回热循环、双转子、三轴结构的设计,就是采用压气机、压气机涡轮、动力涡轮、燃烧室、回热室、减速齿轮箱、燃油系统、附件传动箱、起动电机等可靠性和性能都处于当时的世界领先或先进水平的单个部件,所以在进行整体设计阶段,设计师只要通过最基本的总体设计,就可以达到比较理想的状态。这一点在M1坦克的动力系统中贯彻较好,而在很多工业基础较薄弱的国家研制坦克的过程中,设计师最痛苦的阶段不是某一项指标没有上去,而是为了迁就某一个零部件可能出现的短板或者干涉等问题,而使得性能较高的部件没有发挥出应有的水平。

  检验证明,M1坦克在沙尘、高温等极端恶劣环境中,仍能保持较高的性能和可靠性。然而,这样的良好表现却依赖于美军强大的后勤保障,并且只能在非对称战争条件下才能有望实现。AGT-1500燃气轮机由于其工作原理的优势,发动机额定转速可提高至3000转/分,功率超过1500马力。虽然马力大,但转速接近其他类似性能的坦克用柴油机的1.5倍,所以燃油的燃烧效率并不高,其油耗相当于类似性能柴油机的1.4倍左右。这就使得M1坦克为了达到战技指标考核要求的最大里程数,不得不牺牲车内空间和总体重量,携带1907升燃油。而与此同期、性能接近的德国豹2坦克,在最大里程比M1坦克高出60千米的情况下,仅需要携带1200升燃油。

  综合M1坦克动力系统的发展沿革、设计特点等因素来看,以AGT-1500燃气轮机作为主要动力,搭配X-1100-3B液力传动的集成化动力方案,形成了美国首套具有集成化设计理念的M1A1动力系统,同时也是符合美国对于研制一款新型主战坦克需求的正确选择。

  有了以上的成功实践,美国于20世纪80年代初年开始实施先进整体式动力包的研制。

  20世纪80年代中期,M1坦克的设计工作已经步入正轨,并完全接受了集成化动力舱的设计理念。使发动机与传动装置深度融合,“动力集成化”的概念也成为M1坦克的设计指导思想之一。1987年8月,美国通用电气航空发动机公司通过重新设计燃气轮机,成功推出LV-100动力系统,并进行了首次试验。不到1年后进行了整机装车试验。由于试验效果理想,1990年12月完成了系统测试并与美国陆军签订了正式的研制合同,该系统后来成为全新的美国陆军坦克机动车辆先进整体式推进系统。最终于1995年正式通过军方验收,宣告研制成功。

  根据LV-100动力系统在测试中的表现,当达到同等性能时,在集成化理念指导下研制出的动力系统,单位体积功率和吨马力均高于传统思路研发的产品。LV-100动力系统在实际使用当中,一个战斗日通常只需要1046升燃油,其综合工况行驶和怠速时的油耗分别是M1A1动力系统的40%和50%。由此可见,M1坦克全新的动力系统在集成化理念的指导下,性能方面取得了巨大的进步。而LV-100动力系统也成为了M1A2坦克的主要动力。

  经过集成化设计,LV-100动力系统的结构变得更加紧凑,无效空间所占比例由原先的24%降低到10%,总体积仅相当于旧系统的42%。发动机、传动、燃油三者的总重量被限制在5.5吨以下。而节省出来的大量体积与重量,为整车未来的性能提升提供了较为充足的升级空间。可以说,LV-100动力系统的优异性能,是贯彻集成化设计理念取得的成功;而正是先进的设计理念和雄厚的技术实力,成就了M1坦克优良的机动性能。武汉大学2021招本科新生7200人:湖北17手机六合最快报码室

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