坦克动力发展全解析(下)
文/田桂军 虎 啸
坦克燃气轮机的优势
迄今，10 000多辆装有燃气轮机的主战坦克经历36年的作战使用表明：燃气轮机坦克行驶的平均速度、行军的战术速度、技术速度和冲击速度均高于装柴油机的主战坦克。由于燃气轮机的排气是不可见的碳烟，噪声和排气温度均低于柴油机，从而减少了坦克被发现的概率。燃气轮机坦克的作战效能、可用性均高于装柴油机的主战坦克。同坦克柴油机相比，燃气轮机具有优异的扭矩特性和起动性能。多燃料的适应性、较高的单位体积功率、单位重量功率和较高的可用性。
扭矩特性 与柴油机相比，动力涡轮转子转速（或燃气轮机输出轴）可从0到最大转速值，而扭矩值随转速下降而递增。由于燃气轮机是由其动力涡轮输出功率，而动力涡轮与燃气发生器为气动连系，所以当发动机在低转速或部分负荷工况下，仍可从燃气发生器获取充分能量来提高其扭矩。这一优异性能，使俄罗斯T-80U主战坦克仅用了4档的机械行星传动装置就能获得理想的牵引特性。目前坦克柴油机的扭矩储备系数达1.10~1.32，而燃气轮机的扭矩储备系数达1.6~2.2。
因此也使得坦克燃气轮机与相同（相当）功率的柴油机相比，不仅具有高的行驶速度（平均和越野），如T-80U主战坦克的平均速度高于T-90主战坦克10千米/小时。也具有较高的行军速度，根据俄军使用统计，坦克成纵队行军的战术速度提高了9%~10%，技术速度提高了17%~18%。根据美军资料报道，坦克200米的冲击速度，装有燃气轮机的坦克为19秒，而装配柴油机的坦克则为26秒。
起动性能 研制样机对比试验的结果表明，在常温和低温状态下，坦克燃气轮机同柴油机相比较有良好的起动性能。
有效功率、燃油消耗率特性 燃气轮机的小时消耗油量或涡轮进口燃气的温度恒定时，有效功率、燃油消耗率与动力涡轮转子转速（或发动机输出轴）的变化关系称为有效功率、燃油消耗率特性。当小时耗油量最大时，上述关系称为发动机的外特性（速度特性）。从燃气轮机的外特性图可以看出，燃气轮机有效功率与动力涡轮转子转速的变化关系，接近于二次抛物线的曲线关系。
燃气轮机的燃油消耗率在70% ~ 100%发动机转速内基本不变，这是动力涡轮可调导向器作用的结果。AGT1500燃气轮机不仅给出100%有效功率曲线，还给出了多条部分负荷的有效功率特性和最佳动力涡轮转速特性，因而又称多参数速度特性。
负荷特性 负荷特性是指燃气轮机的转速恒定时其燃油消耗率与负荷变化的关系。由负荷特性曲线图可知，AGT1500与GTD燃气轮机在100%负荷工况时的燃油消耗率相同，在部分负荷时低于GTD发动机。AGT1500在80%~ 100%的负荷范围内的燃油消耗率却保持基本不变。
LV100-5燃气轮机在100%负荷时的燃油消耗率明显低于AGT1500和GTD发动机，尤其是在部分负荷工况时，燃油消耗率呈显著下降而至20%负荷往下，才有显著上升趋势，这对装有燃气轮机的坦克降低其使用耗油量（特别是在怠速运转时）具有特殊效果。
与现代柴油机相比，可视为LV100-5燃气轮机有着相同的负荷特性，而突出的是在约45%负荷以后，其燃油消耗率却低于现代柴油机。
排气温度特性 通常坦克燃气轮机在各种负荷下的排气温度均在500℃以下，与柴油机相比则降低了坦克的热特征信号。AGT1500燃气轮机功率在588~1 119千瓦时，排气温度的最高值约482℃。
排气烟度特性 柴油机为间歇燃烧，燃气轮机为连续燃烧。由于两种机型燃烧过程的差异，致使柴油机在燃烧的火焰中，含有燃烧产物的硬颗粒，它们具有较高的温度且是强大的热辐射源。而燃气轮机在燃烧时，有着相当大的过余空气量，以保证燃料几乎完全燃烧，并且排出气体的温度较低而具有低的热特征。坦克燃气轮机排出的气体均是无可见的碳烟，其烟度值均小于2.5波许。
运转平稳 旋转-往复运动的质量引起活塞往复式发动机出现不平衡力和力矩，并引起扭转振动的产生。而燃气轮机所有的运动件都是旋转件，且都经过预先平衡的高速旋转件。因此，运转的高平稳性和良好的平衡性，提高了发动机的工作可靠性。
相对小的动力舱容积 没有滑动摩擦，而仅为滚动摩擦，且燃烧产物不与润滑油接触。因此，燃气轮机的机油消耗量低，机油箱的容积小，为柴油机油箱的1/3。同时，燃气轮机没有柴油机所必需的冷却系统；从而缩小了动力装置的尺寸，简化了使用和减少了保养时间和工作量。
燃气轮机燃烧用空气流动约为柴油机的2倍，但若将用于发动机冷却的空气流量考虑在内，则采用柴油机时所用的空气量大于燃气轮机。空气耗量的差异，影响着车辆动力舱上甲板开窗口面积的大小，安装燃气轮机坦克上甲板窗口面积仅为柴油机的30%~40%。
◎ 安装燃气轮机的T-80U主战坦克
第二代坦克燃气轮机 LV100、GTD-X的动力舱容积达3.8~4.8米3，这一紧凑动力舱的获得，表明了其集成化设计的水平，更引为关注的是空气滤、回热器等技术有着明显的进步。但无论是第一代，还是第二代坦克燃气轮机动力舱的容积，俄罗斯（苏联）则均优于美国。美国的坦克燃气轮机突显在燃油消耗和可靠性均优于俄罗斯的机型，尤其是LV100-5燃气轮机的负荷特性更为突出。
作战效能 坦克燃气轮机可在-54℃环境下直接起动并可迅速转入全负荷工况运行，为坦克集群的快速响应，赢取作战时间，提供了保证。优异的多种燃料性能和对单一燃油的适应性和较低的滑油消耗量（仅为柴油机的1/10~1/20，如T-80U主战坦克滑油消耗量为0.15升/100千米，而T-90坦克为5.3~7.2升/100千米），为后勤供应及保障减轻了负担。
可用性 可用性与可靠性、可维修性和耐久性密切相关。与柴油机相比，燃气轮机的零件少了30%，易损件少了60%，且无往复摩擦运动；因此故障率低，使用的可靠性和耐久性均优于柴油机。坦克燃气轮机的平均故障间隔时间为400~500小时，首次大修时间为1 000~1 200小时，1台燃气轮机的维修时间为4小时，而柴油机为24小时，且燃气轮机无须按规定时间维护保养。
由于燃气轮机使用期高于柴油机，加之使用过程几乎无须保养和添加滑油及非常低的滑油费用，在使用期要求更换的部件亦仅为柴油机的一半。根据美国陆军坦克机动车辆司令部提供的AGT1500燃气轮机的全寿命周期费用信息，与AVDS1790柴油机相比要低7%；奥地利的AVL柴油机研究所提供的全寿命周期费用分析，则燃气轮机要低5%。
根据美军驻欧洲坦克集群每年使用、演习结果的统计：装用燃气轮机的M1坦克的战备完好率达95%以上，而其它坦克仅为70%~80%。
◎ 俄罗斯T-80主战坦克GTD-1250发动机
坦克燃气轮机的不足
燃料耗量过大 台架试验表明，带有回热器的AGT1500和LV100坦克燃气轮机的燃油消耗率分别为264克/（千瓦·时）和213克/（千瓦·时），而无回热器的GTD-1250则为306克/（千瓦·时）。坦克燃气轮机的燃油消耗率高于柴油机的50%~70%，而至本世纪初LV100的燃油消耗率仅高21%。
根据苏军装备的不带回热器的GTD-1000 的燃气轮机 T-80 坦克和T-64A坦克（装5TDF二冲程柴油机）和T-72坦克（V-46坦克柴油机）3种车型试验结果表明：坦克每小时的燃油耗量燃气轮机高于柴油机65%~68%。行驶每千米的燃油耗量则高40%~45%。这是由于坦克在使用过程中坦克经常处于停车或下坡行驶状况，而致使燃气轮机常常怠速或涡轮喷嘴反向转动实施发动机制动的结果。
俄罗斯专家指出，燃气轮机的反对者过分夸大了燃气轮机的缺陷，在介绍发动机的燃料和润滑油消耗时极力贬低燃气轮机。但是要准确地说，燃气轮机的润滑油的消耗是很少的，而且还不需要冷却液（燃气轮机没有冷却系统）。同时，为了使燃料消耗量降低25%，研究人员采用了多种措施。其中包括安装GTA-18A辅助动力装置，采用转速自动降低系统，配备停车小油门燃油调节器等。使用试验表明，燃油消耗量可节省约37%。配备车载信息控制系统能够降低燃油消耗量（停车怠速时能降低30%，行驶时能降低15%）。试验表明，借助电子液压原理来控制工作状态，依据使用规定以及发动机在坦克停车时的工作时间与在行军纵队时的工作时间的比例关系，其燃油消耗量将节省50%。
从美国陆军使用带回热器的燃气轮机对比试验可以看出，燃气轮机燃油消耗率高于柴油机，部分负荷工况和怠速工况下的燃油消耗量高，但总的燃油消耗相似。
功率损失 据资料报导，坦克在 环 境 温 度 为40℃~50℃下使用，GTD燃气轮机的功率损失是柴油机的1.6倍。
燃气轮机的功率随海拔升高而下降。在海拔高度3 000米的高原使用，AGT1500坦克柴油机的功率损失为9%~ 10%（二冲程机高于四冲程机）。GTD-1000坦克燃气轮机的功率损失为15%。
美国的AGT1500和LV100坦克燃气轮机的功率损失未见报导，但由于涡轮叶片可承受的高温高于GTD机型的涡轮叶片。为此，从理论分析AGT1500和LV100的功率损失要小于GTD燃气轮机。
◎ 美国AVDS-1790-2A发动机示意图
柴油发动机的优势
从20世纪中叶至今，坦克上使用最为广泛的动力装置是柴油发动机。柴油机的优势在于能够成系列生产，即在一条生产线上研制和生产缸数（3缸和4缸系列，V型6缸、8缸和12缸等）不同的，包括标定功率范围更大的标准化发动机家族。
与民用发动机通用时，有可能组织大规模生产，即这些发动机可军用，也可民用（“两用”发动机）；由于民机军用型发动机拥有较低的全寿命周期费用，所以随着民用车辆柴油机技术的发展，坦克选用民机军用型发动机做动力仍或存有空间。
以25~30千米/小时的平均速度行驶时，安装柴油机的坦克（装V-84柴油机的T-72A）比T-80B坦克（20世纪80年代中期部队试验的结果）的巡航燃料消耗低（26.8%~44.4%）。
当平均行驶速度提高时，燃气轮机与柴油机燃料消耗的差距将缩小，当平均行驶速度达到50~55千米/小时时，两种发动机的巡航燃料消耗实际上是相同的。
◎ 俄罗斯T-72BM主战坦克剖视图
◎ 俄罗斯V-99发动机
在黄沙尘含量高的炎热气候条件使用不受限制（保险期将缩短）。在+40℃环境气温条件使用时，燃气轮机的最大功率将下降约20%，柴油机的最大功率将下降10%，此时作用在T-80U主战坦克主动轮的功率是522千瓦，作用在T-90坦克主动轮的功率是441千瓦。柴油机的功率受到限制是由于冷却系统的效率不够造成冷却液和机油的温度过高。当环境气温下降到+15℃以下时，燃气轮机的功率将成比例的提升，由于受动力传动装置强度的限制，其功率的提升被限制到1 066千瓦。而此时柴油机的功率实际上不会提升。
柴油机生产成本低（60%~ 66.7%），这不仅仅是因为劳动成本低，而且还是因为生产批量大决定的。但是，对动力传动装置来说，这个成本差距可以缩小到33.3%~44.5%。
坦克动力未来展望
坦克动力未来发展取决于军事需求和科学技术的进步。据专家评估，未来对坦克动力需求主要体现在以下几个方面。
在对坦克的系统、部件通过改进、升级后，俄军装备的T-80系列坦克仍采用GTD燃气轮机使用至2020年，美军装备的M1A1、M1A2坦克将更换LV100燃气轮机继续使用至2030年。其它各国研制的安装柴油机的新型坦克和现代化改进现役坦克也将服役到2030年后。
从坦克武器发展的新趋势看，尽管传统火炮还没有过时，但新型超级武器的科学论证工作正在进行之中。可燃液体已经达到可替代炸药注入武器之中；电磁炮安装到坦克上，还需要进一步提高发动机的功率，使超级电容器的电能达到饱和。据专家推测，如果电磁炮、电装甲和主动悬挂等新的系统和设备应用于主战坦克，则坦克发动机的功率将超过2 000千瓦，与柴油机相比，燃气轮机仍具有优势。根据国外研究计算的结果表明，在1分钟之内发射4~6发电磁炮炮弹需要1 100~1 470千瓦的功率，这将给燃气轮机带来扩大使用的空间。
科学技术的进步也将决定坦克动力类型的选择。石油资源的日趋减少和作战后勤供应，坦克燃气轮机燃油耗量大已成为争论的焦点。但是，美军却强调继续采用燃气轮机为主战坦克的动力；俄、美均使用燃气轮机与电传动进行试验研究。加之装用燃气轮机的坦克所获得的高平均速度、集群大纵深行动的战术、技术速度，较短的冲击时间和较高的战场生存能力，这些或许是坦克燃气轮机继续使用的原因。
至于说到进一步降低坦克燃气轮机的燃油消耗量，专家提出了以下2个解决途径。
第一，从燃气轮机本身，提高涡轮前燃气的温度。提高燃气轮机的压比，同时解决与回热器回热度的匹配问题。采用中冷、补燃循环。
第二，采用混合动力系统，混合动力系统是向坦克的各部件提供需求能量的动力源。由发动机同带有自动解脱离合器的高效能发电机、起动电机集成为一体的混合动力装置、变流器、直流电源总线、驱动电机、紧凑型大容量脉冲电源，控制和热管理装置等组成。
21世纪初，德国MTU动力公司在用柴油机、燃气轮机构成的混合动力系统，在车辆、舰船上做了大量试验和研究，并获成功运用，节省燃油消耗量达20%~40%。
有专家指出，由于坦克燃气轮机具有功率输出转速高达8 000~10 000转/分的特性，如若再配高速发电机组成混合动力系统，在系统紧凑性和节省燃油耗量方面获取显著成效，这或许是给继续使用坦克燃气轮机留下的空间。
未来坦克发动机的研究工作会依据现实的紧迫性和费用成本核算来展开。例如，坦克配置的自动换档装置应嵌入战斗指挥信息系统中。深入研究能保证实现在行军中降低坦克驾驶员的疲劳程度的方案，从而使任何技师级坦克驾驶员都能遥控驾驶坦克，而且无需重复传动装置操作程序，几乎还能节约燃料20%。当前最为迫切的任务是研究带电传动装置的混合动力装置。
发动机约占坦克内部空间（12~18米3）的35%，其重量和体积对提高坦克机动性乃至整体作战能力有直接影响，因此坦克动力发展的基本原则是：提高发动机功率的同时，尽量减小其体积。电传动、电磁炮等对电力要求比较高的坦克技术的逐渐发展，单位体积功率更高的燃气轮机的优势将更加明显。比较一致的观点是，随着燃气轮机技术的发展，一些技术缺陷的逐步解决，其性能特点决定了燃气轮机是一种优秀的坦克动力；电磁炮、激光武器都取得的突破性进展，混合动力和页岩气的成功开发，这些都为坦克燃气轮机的使用和发展继续开拓空间。
而现代坦克究竟需要什么样的发动机呢？这是当前迫切需要回答和解决的问题。伴随着坦克高功率密度柴油机取得的优异成绩和燃气轮机在坦克使用过程出现（或存在）的问题；致使主战坦克安装燃气轮机的问题，至今仍在俄、美等国的军事和学术界继续进行着争论。从哲理而言，争论亦表明了事物存有发展的空间。在未来坦克发动机选择问题上，需要抛弃根深蒂固的观念。技术的发展没有停滞，问题在于是否有实施革命性新方案的勇气。
当然，坦克发动机类型的选择并不仅仅局限于发动机性能本身，其还受到各国经济、科学技术水平、作战理论等因素的制约，因此，坦克柴油机和燃气轮机将在很长一段时间内共存共生，共同发展，而且由于燃气轮机的技术复杂性，许多国家无力研制高水平的坦克燃气轮机，因此，坦克柴油机在未来相当长的时期内仍占据优势地位。
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[编辑/王瑾]