【裝備技術】歷久彌新 —M1系列坦克的動力系統
原標題：【裝備技術】歷久彌新 —M1系列坦克的動力系統
當今世界上的坦克，動力單元基本上採用的是大功率柴油機，僅有美國M1坦克與俄羅斯T-80坦克採用燃氣輪機作為動力單元。而俄羅斯T-80坦克發動機的可靠性、在綜合工況中的表現，以及展現出來的戰技指標等，導致美國M1坦克成為了世界上惟一可靠、耐用的採用燃氣輪機的坦克。
M1坦克為什麼不用柴油機？
美國坦克選用燃氣輪機，與當時對於坦克技術要求的發展有很密切的關係。在M1坦克進行預研的時期，正值美國坦克動力系統發展到第三代的歷史階段。與前兩代坦克動力系統相比，按照當時計劃的新型坦克總體重量達到55噸的目標計算，坦克發動機本身重量將控制在總體重量的5%左右，而在此之前，坦克發動機佔用的車內體積一直呈逐漸增加的趨勢，這直接導致車輛體積增加、總體重量隨之增加。為扭轉這一趨勢，美國從研製第三代坦克動力系統開始，對發動機的要求是必須減小尺寸，但在重量要求上可以適當放寬。根據美國陸軍對軍工企業提出的戰技要求，新研製的主戰坦克單位功率必須達到18~22千瓦/噸，那麼發動機的最大功率將達到1100千瓦，根據米制馬力換算，約為1500馬力。這是20世紀60年代美國陸軍提出的指標要求。
AGT-1500燃氣輪機縱剖面
美國陸軍對自己提出的戰技指標的難度，也有一定了解，所以在研製之初就採用兩條腿走路的辦法，同時批准了一款柴油機和一款燃氣輪機的設計方案，兩款方案齊頭並進，柴油機因技術成熟的特點成為保底方案，確保新型主戰坦克能夠在規定期限內完成設計定型；燃氣輪機作為高指標方案。該計劃一旦研製成功，將改變世界主戰坦克動力系統的格局。
1968年，美國軍工企業對著名的AVCR1100型柴油機企圖通過改進設計進一步提升性能，在每一個氣缸之間距離不變的情況下，增加每一個氣缸的缸徑，行話稱之為「缸心距不變、缸徑加大」，結果導致每個氣缸之間的距離縮短。最終出來的樣機在試驗中表現出了瞬間響應不良等缺點，這款發動機改進方案被命名為AVCR1100-3。後來，研製人員在這款即將宣告失敗的發動機上增加了一部壓氣機，並且與原有發動機的渦輪增壓器實現串聯，這一改變使得新型發動機轉速在達到AVCR1100-3發動機的70%時，就可以提供幾乎相同的扭矩，且發動機功率超過1500馬力，其餘各項工況測試表現良好。在經過北約400小時台架試驗後，它被定名為AVCR1360-2。
AVCR1360-2作為一款性能卓越、品質優良的發動機，最終卻沒有成為M1坦克的主要動力，並不是這款發動機本身不好，而是當時要讓工廠達到生產這款柴油機的能力，需要數年的準備時間，這無法滿足當時美國陸軍對M1坦克儘快定型並裝備部隊的需求，再加上燃氣輪機從名稱上看上去顯得更加先進，正好迎合了當時美軍在裝備發展方面極力推求技術先進性的指導思想。而且，早在AVCR1360-2誕生以前的1965年6月，美國陸軍就提出了坦克和重型軍用車輛均採用1500馬力燃氣輪機的發展計劃。
1976年，2輛XM1坦克樣車分別搭載AVCR1360-2柴油機和AGT-1500燃氣輪機，在阿伯丁試驗場進行了比較測試。在各項測試中，有一項是「0~32千米加速度試驗」，這項試驗的目的從名稱中就能夠看出，而其戰術意義在於當時世界各坦克技術強國正在爭相研發獵-殲式火控系統，這需要瞄準並追蹤目標完成射擊，美國根據當時以及下一個階段可能達到的技術指標計算，當坦克時速能在12秒內從0加速到32千米/小時，就可以擺脫敵方的瞄準。在這項測試中，雖然搭載AVCR1360-2柴油機的樣車性能達標，但搭載AGT-1500燃氣輪機的樣車加速時間僅為6.1秒。
生不逢時的AVCR1360-2柴油機，最終在1976年正式被AGT-1500燃氣輪機取代，沒能成為M1坦克的主要動力。
燃氣輪機
1965年10月，TACOM與AVCO Lycoming公司合作，拿出了以PLT27直升機採用的T53型燃氣輪機作為即將誕生的AGT-1500燃氣輪機的樣本。燃氣輪機的最大特點，是旋轉式葉片器械，而柴油機是往複式活塞機械。燃氣輪機的進氣、壓縮、燃燒、膨脹的做功過程均在葉片機中進行，而葉片機與機體並不發生接觸，甚至有些部件之間僅為氣動聯繫。這樣的結構使得燃氣輪機的轉速可達到柴油機的10倍左右。同時，又降低了摩擦性和實現了連續做功。因此，燃氣輪機的功率密度、扭矩特性、加速性、低溫啟動性、雜訊和排煙等，均優於柴油機。
在AGT-1500燃氣輪機的設計過程中，貫徹了模塊化的設計思路，這在60年代中期的技術背景下，是十分難得的。AGT-1500燃氣輪機由機頭組件、機尾組件、輸出模塊和附件模塊四大部分組成。機頭組件包括進氣口、低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪，機尾組件中包含了低壓渦輪、高壓渦輪和一部回熱器，輸出模塊主要是一部行星減速器和相應的法蘭盤；最後，將液壓泵、燃燒控制器、起動器、機油泵、機油濾清器等部件通過一個綜合齒輪箱連接，集中安裝在機頭組件下端。
LV-100動力系統
AGT-1500燃氣輪機不僅整體體現了先進的設計理念，而且在一些細節上也頗具匠心。為能擴大發動機的最佳工作範圍，動力渦輪進氣口風扇的葉片採用可調節式設計，這其中蘊含著一項複雜而且極具創意的設計。在發動機工作時，燃油調節器的調節壓力油進入油缸，通過槓桿操縱一個環形齒條，扇葉頭部有一個連接桿，與齒條嚙合連接，通過燃油調節器—油缸—槓桿—環形齒條—連接桿—扇葉這一套機械裝置，使動力渦輪風扇的扇葉實現了30°的可調式結構，而連接葉片的連桿是其中技術要求較高的一個零件，它的工作溫度約為900℃，為了確保葉片能夠靈活轉動，使這種複雜的機械設計不會造成較大的漏氣量，扇葉連接桿與安裝這套設備的機匣之間的縫隙控制在0.08毫米以內，這樣的加工精度成本和難度太大，不是一般國家能玩得起的。葉片可調式結構的主要作用，是能夠在高溫條件下補償熱應力，能夠適當改善發動機在部分工況下工作的經濟性。
先進的液力傳動裝置
要將發動機巨大的馬力轉化為超強的機動能力，就需要一套先進、可靠，並且與發動機相匹配的傳動系統。根據多國發展坦克工業的實際經驗，傳動系統由於機械複雜程度較高、部件加工和組裝生產難度大，往往成為制約坦克定型時間的一項難題。為使傳動系統的研製不拖延M1坦克的後腿，在動力單元採用兩種方案並進的同時，傳動方案也在X-1100這一個主體方案基礎上，衍生出分別適應柴油機的3A和適應燃氣輪機的3B兩種方案。兩套系統與兩種動力方案能夠連接成動力傳動一體化裝置，並採用常規布局，安裝於車體後部動力艙內。
X-1100-3B型傳動裝置，由底特律柴油機公司阿里遜分公司生產，是一種液力機械式全自動變速箱，共有4個前進檔和2個倒檔，共分為液力變矩器、行星變速裝置、液力泵、液壓馬達、液壓制動氣5個主要部分。其中，液壓泵和液力馬達控制車輛實現轉向，這種雙流傳動裝置可以使轉彎半徑連續變化，最終實現以坦克中心點為軸的原地轉向，這就是被稱為M1坦克絕活的「中樞轉向」。
M1坦克的操縱方式是一大創新。雖然在M48坦克上，美國已經淘汰了兩根操縱桿的駕駛方式，採用了至今很多國家都在使用的方向盤駕駛方式，但M1坦克採用了更為簡便的類似於摩托車的T型操縱桿，駕駛員通過扭動手中的把手，就可以實現對坦克兩個履帶行駛方向和速度的控制。當駕駛員需要「中樞轉向」時，只需將兩個把手同時向相反方向擰，坦克就會在原地旋轉。這種T型操縱桿用起來比方向盤靈活得多，但基本原理卻與檔桿式操縱桿類似，只不過是把搬動檔桿的動作變成扭動把手，而這個看似無關緊要的小改進，卻讓坦克變得十分容易駕駛，極大節省了駕駛員的體力，讓駕駛員能夠把精力更集中於觀察周圍情況，對提升坦克的作戰能力有較大的幫助。
燃氣輪機與 液力傳動的創新組合
M1坦克的動力系統雖稱不上系統工程的典範，因為它僅僅是先進技術的累積產物，並不像俄羅斯那樣，在性能上實現了1+1>2的效果，但畢竟在發動機動力集成設計領域開創了成功的先例。
20世紀70年代，西方坦克的設計思路開始逐漸注重坦克發動機與變速箱之間的作用關係，動力系統集成化設計理念開始嶄露頭角。
AGT-1500燃氣輪機與X-1100-3B傳動系統在動力集成設計思想指導下組成的動力包，與過去美國坦克的傳統設計方法相比，具有十分明顯的優勢。
LV-100動力系統側面
集成設計能夠使發動機和傳動兩大單元從結構繼承和性能匹配兩個方面形成一個整體，每個部件都將與整個系統形成一個整體，而不是追求某一個功能或者某一項指標的單獨「高水平提升」。將動力包的設計思路從過去以部件為基礎、以性能和匹配參數為目標，變成了以動力系統為基礎、以提高整車性能為目標。這樣的轉變落實在每一個部件上，表現出極高的匹配性。
比如發動機系統中的間壁式回熱器，它是提高燃氣輪機能量轉換的關鍵部件。回熱器由外部殼體和內部芯體組成。芯體是由600片經過衝壓加工形成的波形板片組成的，每個板片厚度在0.153~0.2毫米之間，兩個板片為一組，由激光焊接形成一個外徑680毫米、內徑370毫米、長度580毫米的整體。這其中學問最大的是波形板片的形狀與尺寸，既要兼顧散熱效率，又要考慮使用效率。
根據試驗得出，在發動機達到的功率越低時，回熱器使燃油消耗的效率降低得就越多，但這並不是無限量的降低，而是無限趨近於節油40%，但隨著發動機工作的功率逐漸加大，節油效果也呈函數曲線的規律逐漸下降，到AGT-1500燃氣輪機能夠達到的1500馬力峰值時，回熱器的節油效率不足10%。
這樣的部件雖然在坦克高速行駛時作用並不大，但如果將其納入M1坦克的整車環境中進行綜合匹配，在坦克起動時，發動機本身的技術指標和液力綜合傳動的工作特點，會造成極高的油耗，而被納入整車綜合性能考慮的間壁式回熱器，就成為了降低油耗、在一定程度上提升車輛整體性能的合理部件。
於是，AGT-1500燃氣輪機與X-1100-3B傳動系統的這次結合，不僅使M1A1坦克如期成功定型，同時也為美國將燃氣輪機動力系統技術推向一個更高的台階奠定了紮實基礎。
開創性的動力系統集成化理念
想要實現M1坦克的動力集成化設計，並不是將各個部件拼接起來那麼簡單，而是要將動力系統下面的發動機、傳動裝置、液流系統、冷卻系統、燃燒系統、控制系統進行系統化的分析和優化，從動力系統的層面分析部件特性對整體的影響規律。比如AGT-1500燃氣輪機的回熱循環、雙轉子、三軸結構的設計，就是採用壓氣機、壓氣機渦輪、動力渦輪、燃燒室、回熱室、減速齒輪箱、燃油系統、附件傳動箱、起動電機等可靠性和性能都處於當時的世界領先或先進水平的單個部件，所以在進行整體設計階段，設計師只要通過最基本的總體設計，就可以達到比較理想的狀態。這一點在M1坦克的動力系統中貫徹較好，而在很多工業基礎較薄弱的國家研製坦克的過程中，設計師最痛苦的階段不是某一項指標沒有上去，而是為了遷就某一個零部件可能出現的短板或者干涉等問題，而使得性能較高的部件沒有發揮出應有的水平。
檢驗證明，M1坦克在沙塵、高溫等極端惡劣環境中，仍能保持較高的性能和可靠性。然而，這樣的良好表現卻依賴於美軍強大的後勤保障，並且只能在非對稱戰爭條件下才能有望實現。AGT-1500燃氣輪機由於其工作原理的優勢，發動機額定轉速可提高至3000轉/分，功率超過1500馬力。雖然馬力大，但轉速接近其他類似性能的坦克用柴油機的1.5倍，所以燃油的燃燒效率並不高，其油耗相當於類似性能柴油機的1.4倍左右。這就使得M1坦克為了達到戰技指標考核要求的最大里程數，不得不犧牲車內空間和總體重量，攜帶1907升燃油。而與此同期、性能接近的德國豹2坦克，在最大里程比M1坦克高出60千米的情況下，僅需要攜帶1200升燃油。
綜合M1坦克動力系統的發展沿革、設計特點等因素來看，以AGT-1500燃氣輪機作為主要動力，搭配X-1100-3B液力傳動的集成化動力方案，形成了美國首套具有集成化設計理念的M1A1動力系統，同時也是符合美國對於研製一款新型主戰坦克需求的正確選擇。
有了以上的成功實踐，美國於20世紀80年代初年開始實施先進整體式動力包的研製。
20世紀80年代中期，M1坦克的設計工作已經步入正軌，並完全接受了集成化動力艙的設計理念。使發動機與傳動裝置深度融合，「動力集成化」的概念也成為M1坦克的設計指導思想之一。1987年8月，美國通用電氣航空發動機公司通過重新設計燃氣輪機，成功推出LV-100動力系統，並進行了首次試驗。不到1年後進行了整機裝車試驗。由於試驗效果理想，1990年12月完成了系統測試並與美國陸軍簽訂了正式的研製合同，該系統後來成為全新的美國陸軍坦克機動車輛先進整體式推進系統。最終於1995年正式通過軍方驗收，宣告研製成功。
根據LV-100動力系統在測試中的表現，當達到同等性能時，在集成化理念指導下研製出的動力系統，單位體積功率和噸馬力均高於傳統思路研發的產品。LV-100動力系統在實際使用當中，一個戰鬥日通常只需要1046升燃油，其綜合工況行駛和怠速時的油耗分別是M1A1動力系統的40%和50%。由此可見，M1坦克全新的動力系統在集成化理念的指導下，性能方面取得了巨大的進步。而LV-100動力系統也成為了M1A2坦克的主要動力。
經過集成化設計，LV-100動力系統的結構變得更加緊湊，無效空間所佔比例由原先的24%降低到10%，總體積僅相當於舊系統的42%。發動機、傳動、燃油三者的總重量被限制在5.5噸以下。而節省出來的大量體積與重量，為整車未來的性能提升提供了較為充足的升級空間。可以說，LV-100動力系統的優異性能，是貫徹集成化設計理念取得的成功；而正是先進的設計理念和雄厚的技術實力，成就了M1坦克優良的機動性能。
版權聲明：本文刊載於《軍事文摘》雜誌2018年第4期，作者：劉曉峰。如需轉載請務必註明「轉自《軍事文摘》」。
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