热动力式(燃气轮机or柴油机？——高原上坦克动力的应用分析)

Posted 2023-06-02

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热动力式(燃气轮机or柴油机？——高原上坦克动力的应用分析)

燃气轮机与柴油机动力在坦克上的应用已经争论了几十年，究竟孰优孰劣？如今仍然未分伯仲，美国人依然我行我素，从AGT-1500至LV100、LV50持续发展和延续，M1系列坦克不断推陈出新；德国人秉持对柴油机的钟爱，依然在MTU系列发动机方面向精细化发展，“豹”式在欧洲独树一帜；俄罗斯和日本坚持两种发动机技术同步发展，极尽发挥两种发动机的优势。但两种发动机在空气稀薄的高原环境下究竟谁更合适呢？对此，笔者结合在高原上试验的经历谈几点个人看法。

坦克在高原环境下受到哪些影响

我国西北的新疆、西藏地区幅员辽阔，气候多变，多为高原山地；与印度、巴基斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯坦等国毗邻，陆地边界地域的国家防御与维护安全非常重要，因此，陆军的坦克装甲车辆装备也必须能够履行该地域的作战与防御任务。

该地域多为高原地区，其特点是海拔高、缺氧、气压低、寒冷、干燥、多尘、紫外线强。一般在海拔在3 000～5 000米左右，有的地方海拔近6 000米，气压在50～70千帕之间，空气含氧量在10～17%，而正常平原地区在20%左右；气候多变，空气干燥，大多地区只有冬夏季，夏季时间只有三个月，气温可达30度以上，冬季寒冷，气温可达零下20度以下，因阳光充足，紫外线强烈，相对湿度可达1%左右，地表呈现砂土多尘状态；这样的环境对于进入该地域的人员和车辆是一种重大的考验，特别是坦克发动机，主要表现在以下几方面的影响：高原气压低、缺氧导致发动机进气量减少，功率下降；高原地区温差大，低温寒冷影响发动机的起动性能；高原地区干燥多尘，影响发动机的持续工作能力；高原地区气压低，冷却系统进气量减小，冷却液沸点降低，影响到发动机及动力舱的热平衡系统，易导致坦克及发动机发生故障。

柴油机与燃气轮机在高原坦克上的应用分析

具有代表性的发动机的空气消耗量和油耗见本文表中所示。在高原地区，发动机因气压和气候影响，两类发动机的功率、技术状态均会受到干扰。

功率下降

柴油机和燃气轮机同为内燃机，一种是活塞式发动机，一种是叶片式；两种发动机均通过燃料燃烧的热能做功来转化为机械能。因此，由于高原空气稀薄，导致进气压力降低、排气背压降低，进气量的减少，参与燃烧的氧气量降低，发动机发出的机械能均会下降。据测算，在4 500米高原上，两种发动机与标定工况下相比功率下降达到了30～40%，不管增压、非增压柴油机，还是燃气轮机，与标定工况下相比，其功率下降幅度差别不大，两种发动机所受影响是一样的。

由于在高原上发动机功率的下降，按照标定工况设计的坦克机动性必然会下降，导致高原坦克出现速度慢、爬坡无力、机动性差等问题。如果坦克以高原下降后的功率来设计其机动性能，高原性能就可以得到保证，但平原上的动力就相当于大马拉小车了，比如30吨的15式坦克；但对于40～60吨的坦克，由于动力舱空间受限，按照高原性能选择柴油发动机需要增加30%的发动机功率，这样的柴油机从动力舱空间布置和重量上都会受限，因此，中型柴油机坦克高原机动性差成为通病。

如果高原上坦克换装燃气轮机，由于燃气轮机本身体积小、重量轻，其功率密度通常是柴油机的2倍以上，换装大功率燃气轮机，并调节燃气轮机的工况特性，既突破了动力舱空间和重量的限制，在平原采用正常工况满足设计指标，又能在高原采用大功率工况补偿高原功率下降的不足，很好兼顾了坦克在高原和平原环境下的机动作战能力。

燃烧恶化

对于柴油机，加油通常是通过人为控制喷油量来实现的，按照平原标定工况设计的发动机进入高原后，由于自然进气含氧量的减少，正常加油状态下会导致氧气和燃料比例失衡，燃烧不充分，发动机普遍出现冒黑烟现象；再加上发动机动力下降，驾驶员又急于猛踩油门增加动力，更加剧了气缸内燃料燃烧的不充分和恶化程度，冒黑烟现象更加严重。这样会导致坦克的燃油经济性变差、冷却系统过热和易暴露程度。

对于燃气轮机，虽然加油也是人为控制，但燃机的燃调是严格受温度控制的，即使加油踏板在最大位置，只要涡轮前温度超过设定值，燃调会自动减油来保持燃烧平衡状态，保持涡轮前温度不超限。因此，燃气轮机只有在起动和熄火时才能看到冒白烟，平常状态下很少看到烟尘，其燃烧室燃烧比较平稳，不会出现燃烧恶化现象。

低温起动

高原环境气候多变、昼夜温差大，无霜期短，冬天温度都在零下20度以上，高原雪山终年不化，因此，高原地区的装备必须满足低温环境下的作战要求。

对于燃气轮机坦克，由于燃气轮机属于叶片式发动机，起动阻力小，在严寒环境下起动非常容易，可以有效缩短低温环境下坦克战斗准备时间。据测算，柴油机坦克在寒区加温起动总时间近50分钟，而燃气轮机不用加温，可直接点火起动并行驶，总时间不超过5分钟。

国产某型号坦克用燃气轮机在高低温环境试验室进行了冷冻和低温起动试验，按照GJB要求经试验验证，该发动机经受住了冷冻试验考核，且在-43摄氏度环境下起动成功，起动时间为26秒。这标志着该发动机具有良好的低温起动性能，可以极大缩短坦克在寒区的战斗准备时间，与柴油机将近50分钟的加温起动时间相比具有绝对的优势。

对于柴油机，低温起动是一个无法解决的难题，特别是在极寒冰原地域，更是难以适应，气温越低，加温起动时间越长。如果在作战中不能够快速机动转移，只能成为被敌攻击的固定堡垒了。

冷却系统超温

不管是柴油机，还是燃气轮机，在高原上由于冷却空气进气量减少，发动机散热系统散热能力下降，如果冷却系统没有温控，必然会产生冷却系统超温和发动机过热。因此，冷却系统设计要兼顾到坦克的高原环境适应性。

对于坦克柴油机，大多为水冷发动机，由于空气稀薄、气压偏低，导致冷却系统进气量减少近一半，冷却液沸点也降至70摄氏度左右，燃烧恶化又导致柴油机散热量增加，这样，高原上的柴油机热平衡问题显得尤为突出。容易出现冷却液开锅、冷却风扇功率增加、发动机过热、发动机气缸拉缸等故障，坦克表现为想跑又不敢跑的现象，柴油机技术状态很不平稳。

对于燃气轮机，与柴油机相比，其核心机内部冷却靠内循环的高速气流冷却来完成，外围和减速箱等部件冷却靠润滑油冷却系统，没有水冷系统。内部散热由发动机热循环的温控系统来解决，不受高原进气量减少影响，发动机核心机工作平稳；而外部润滑冷却系统受冷却进气量减少影响，如果散热量低于发动机外围发热量，润滑油温度会持续升高，只有增加冷却风扇和散热器的散热能力，润滑油温度才会升高至合适温度而保持平衡。

燃气轮机与柴油机相比，核心机工作平稳，大部分热量随排烟流失，只有少部分随润滑系统冷却，且冷却空气量小于柴油机，没有冷却水开锅问题，技术状态比较平稳，只要解决好冷却系统在高原环境下的散热能力匹配问题，就可以持续全速工作，比柴油机有明显优势。

沙尘高原地区干燥多尘，坦克发动机在该地域工作，其进气过滤系统和内部机件容易受尘粒破坏，影响其持续工作。

对于柴油机，由于其气缸内燃烧要求，大多采用了多层滤网和旋风筒过滤复合结构，在高原沙尘滚滚环境下，滤网很快会堵塞，直接导致发动机进气困难，甚至熄火，影响到柴油机的持续工作能力。

对于燃气轮机，同样会受到沙尘的影响，尘粒进入涡轮叶片，也会损坏叶片和加剧磨损。但燃气轮机如果加装了相应的除尘装置，其结果就大不同前了。比如GTD-1250燃气轮机，进气过滤系统采用旋风筒离心过滤和空气分离装置，将沙尘通过冷却气道排除，而干净空气进入压气机，进入压气机的空气即使将尘埃粘附在叶片上，还可以经内部高压空气进行自除尘处理，同时，燃机还具备一定的吞沙能力，保证了燃气轮机在多尘环境下持续工作而不受影响。

对当前存在看法的剖析

其一，燃气轮机在高原上因进气量大没有柴油机好。燃气轮机燃烧用空气量大于柴油机，但加上冷却用气比柴油机要小；在高原环境下，由于进气量减小，两种发动机均会同比例功率下降，下降幅度基本一致，不存在谁优谁劣的问题。相反，由于冷却风量的不同，柴油机在高原上冷却系统补偿功率要高于燃气轮机。燃气轮机坦克的优势体现在其高功率密度特性，并不是其功率下降幅度小的原因。

其二，燃气轮机在高原上比柴油机啥都好。总体来看，燃气轮机比柴油机的高原适应性要好，但也不是啥都好。比如，燃机油耗高、经济性差，设计不好燃机也有冷却系统超温现象，燃机工作特性在高原上也要进行必要的调节等。

其三，燃气轮机所能适应的海拔高度为3 000米。俄罗斯GTD-1250燃气轮机的战技指标中显示其海拔高度为3 000米，只是表明在3 000米以内燃气轮机功率下降小于10%，对坦克机动性能影响不大。并不是指该发动机不能在更高海拔地区工作，只要充分考虑该燃气轮机的功率下降和动力舱散热系统热平衡的影响，坦克在5 000米以上地域仍然可以使用，这些已经经过了试验验证。

结论

坦克作为战斗武器，在高原环境下采用燃气轮机作为动力具有诸多优势，比如，功率密度高、机动性好、低温起动快、技术状态稳定、抗沙尘、持续工作能力强等优势，值得去推广和应用。