魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系初探

馬為峰, 彭 博, 高愛軍, 雷云龍, 韓新波, 路 駿

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魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系初探

馬為峰, 彭 博, 高愛軍, 雷云龍, 韓新波, 路 駿

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075)

為了更好的對魚雷熱動力系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價, 且能夠?qū)ν幌到y(tǒng)的不同方案進(jìn)行比較, 在借鑒國內(nèi)相關(guān)行業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上, 提出了用于評價魚雷熱動力系統(tǒng)的指標(biāo)體系, 采用關(guān)聯(lián)矩陣法, 并考慮各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù), 獲得了各方案有關(guān)指標(biāo)的評價值, 探索了系統(tǒng)多目標(biāo)量化評價方法。構(gòu)建的指標(biāo)體系和評價方法可用于魚雷不同能源動力系統(tǒng)的對比、同一能源動力系統(tǒng)的改進(jìn), 還可反映能源動力系統(tǒng)的發(fā)展方向, 為新型能源動力系統(tǒng)選型決策提供技術(shù)支撐。

魚雷熱動力系統(tǒng); 指標(biāo)體系; 多目標(biāo)量化; 性能評價

0 引言

目前, 魚雷熱動力系統(tǒng)主要采用OTTO-II燃料活塞機(jī)動力系統(tǒng)、HAP三組元燃?xì)鉁u輪機(jī)動力系統(tǒng)、Li/SF6汽輪機(jī)動力系統(tǒng)、水反應(yīng)金屬燃料噴射推進(jìn)系統(tǒng)、氫氧閉式循環(huán)動力系統(tǒng)及熱電聯(lián)合動力系統(tǒng)等。這些熱動力系統(tǒng)各具特色, 并在發(fā)展中出現(xiàn)了不同的方案。如何對過去發(fā)展的、現(xiàn)役的和未來可能出現(xiàn)的熱動力系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價, 如何對同一系統(tǒng)的不同方案進(jìn)行比較, 如何對不同階段方案的優(yōu)化程度進(jìn)行評價, 建立統(tǒng)一的熱動力系統(tǒng)評價指標(biāo)體系就顯得尤為重要。

目前尚無魚雷熱動力系統(tǒng)指標(biāo)體系, 更談不上全面。本文在歸納總結(jié)國內(nèi)魚雷熱動力研制開發(fā)情況的基礎(chǔ)上, 借鑒國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建的經(jīng)驗, 提出了用于評價魚雷熱動力系統(tǒng)的指標(biāo)體系, 探索了評價不同能源動力系統(tǒng)的方法。

1 確定指標(biāo)體系原則

系統(tǒng)評價指標(biāo)體系是由多個相互聯(lián)系、相互作用的評價指標(biāo), 按照一定的層次結(jié)構(gòu)組成的有機(jī)整體, 包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo)2個方面, 其中, 定性指標(biāo)是基礎(chǔ), 定量指標(biāo)是提高。

指標(biāo)體系的確定并非指標(biāo)越多越好, 關(guān)鍵在于指標(biāo)在評價中所起的作用[1-2]。建立魚雷熱動力系統(tǒng)評價指標(biāo)體系除了應(yīng)遵循科學(xué)性、完備性、可測性等一般評價指標(biāo)體系建立的基本原則外,還需考慮到魚雷熱動力系統(tǒng)從方案設(shè)計到生產(chǎn),從交付使用到維護(hù)保障的全壽命周期的一系列活動, 故在建立其評價指標(biāo)體系時, 還應(yīng)遵循以下原則。

1) 突出系統(tǒng)性。從系統(tǒng)的高度統(tǒng)籌考慮, 以構(gòu)成一個完整的體系為目標(biāo), 從不同的角度來描述評價對象的性能特征。

2) 定性與定量相結(jié)合。根據(jù)魚雷熱動力系統(tǒng)的性能特點, 確定指標(biāo)時既包括定量指標(biāo), 也包括定性指標(biāo)。

3) 道德全壽命周期原則。魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價貫徹“全系統(tǒng)全壽命周期”管理的思想, 不僅考慮設(shè)計工作本身, 而且要考慮系統(tǒng)在今后使用過程中的可靠性、維修性等六性問題。

2 魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系

魚雷熱動力系統(tǒng)須在空間和外形嚴(yán)格受限的條件下, 克服水下阻力、不同深度背壓影響實現(xiàn)多速制的動力推進(jìn)?，F(xiàn)代潛艇航深達(dá)1000m以上, 這就要求魚雷動力系統(tǒng)保證高效率和輸出功率不隨航深變化。為了有效攻擊目標(biāo), 魚雷需要低速搜索目標(biāo), 鎖定目標(biāo)后高速攻擊, 這就要求魚雷熱動力系統(tǒng)具有不同的速制。因此, 應(yīng)將魚雷口徑、工作深度、速制作為熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)。

魚雷熱動力系統(tǒng)須在隨艦艇戰(zhàn)備值班中確保長期儲存安全。為保證發(fā)射平臺的安全, 需要提高魚雷攻擊隱蔽性, 這就要求盡量減小魚雷熱動力系統(tǒng)的振動噪聲。魚雷熱動力系統(tǒng)須在水下推進(jìn)過程中盡可能不排出尾氣, 避免產(chǎn)生航跡和排氣噪聲。因此, 應(yīng)將魚雷熱動力系統(tǒng)的安全性、振動噪聲、航跡系數(shù)作為其性能評價指標(biāo)。

魚雷熱動力系統(tǒng)須攜帶一定量的能源實現(xiàn)不同功率輸出, 以滿足魚雷航速和航程指標(biāo), 這就需要魚雷熱動力系統(tǒng)在輸出設(shè)定的有效功率或達(dá)到設(shè)定比沖的前提下, 在小尺度空間內(nèi)實現(xiàn)能源動力系統(tǒng)高比能量和大比功率。因此, 應(yīng)將能源動力系統(tǒng)比能量、動力系統(tǒng)比功率、輸出有效功率、比沖、燃料比耗量作為魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)。

在評估能源動力系統(tǒng)性能時, 必須考慮相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性性能指標(biāo)。歷史經(jīng)驗表明, 單純地追求系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)性能而忽視費用, 可能會導(dǎo)致研制費大大超出預(yù)算, 并且在使用過程中使保障費用支出過高。因此, 應(yīng)將魚雷熱動力系統(tǒng)的全壽命周期費用作為熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)。

魚雷熱動力系統(tǒng)啟動或變工況時, 發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速都要發(fā)生變化, 最后趨于原值或新穩(wěn)態(tài)值。因此魚雷能源動力系統(tǒng)的變工況過程可分為2個階段, 前一階段是轉(zhuǎn)速處于變化狀態(tài)的過渡過程, 它反映系統(tǒng)的動特性; 后一階段是轉(zhuǎn)速處于某一穩(wěn)態(tài)值的靜態(tài)過程, 它反映系統(tǒng)的靜特性。因此應(yīng)將魚雷熱動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、過渡過程時間、超調(diào)量、靜差作為其性能評價指標(biāo)。

根據(jù)魚雷熱動力系統(tǒng)的特點, 綜合考慮系統(tǒng)熱力性能、經(jīng)濟(jì)性能等方面, 按照系統(tǒng)及其重要組成部分建立了熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系, 如圖1所示。

在魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系中, 魚雷口徑是約束條件, 有效功率、轉(zhuǎn)速、工作深度、工作時間、速制、比沖、航跡系數(shù)、全壽命周期費用等是反映動力系統(tǒng)性能的“量”的參數(shù), 燃料比耗量、動力系統(tǒng)比功率、能源動力系統(tǒng)比能量、動力系統(tǒng)振動噪聲、系統(tǒng)動靜特性、六性等屬于反映動力系統(tǒng)性能的“質(zhì)”的參數(shù)。

2.1 魚雷口徑

按研制需求和技術(shù)基礎(chǔ), 魚雷既有533mm, 324 mm這樣相對標(biāo)準(zhǔn)的口徑, 也存在400 mm, 450mm, 650 mm這樣滿足特定需求的口徑。不同的魚雷口徑使熱動力系統(tǒng)可利用的空間尺寸不同, 研制的難度也就有很大差別。

2.2 有效功率

有效功率定義為魚雷熱動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)主軸的輸出功率, 可由測功器測出。

圖1 魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系

2.3 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是魚雷熱動力系統(tǒng)的輸出變量之一, 也是魚雷熱動力系統(tǒng)閉環(huán)控制的被控量。在負(fù)載和性能參數(shù)發(fā)生變化時, 轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生較大偏差。轉(zhuǎn)速可由測功器的轉(zhuǎn)速測量儀測量。

2.4 工作深度

魚雷的工作深度即航深, 與熱動力系統(tǒng)的循環(huán)方式相關(guān)。閉式與半閉式循環(huán)的動力系統(tǒng)工作不受或基本不受工作深度的影響, 而開式循環(huán)的動力系統(tǒng)在工作深度變化時, 發(fā)動機(jī)的功率和系統(tǒng)效率會發(fā)生很大變化。

2.5 工作時間

工作時間可以直接反映魚雷航程的大小?？捎晒β试囼灮?qū)嵑皆囼灚@得。

2.6 速制

魚雷熱動力系統(tǒng)多種速制之間的轉(zhuǎn)換對調(diào)速方法、控制閥件、燃燒室和發(fā)動機(jī)等提出了很高要求[3]。國外先進(jìn)的動力系統(tǒng)已實現(xiàn)了無級換速。

2.7 比沖

比沖指單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生單位推力所需的時間, 也可以定義為單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量[4]。比沖可通過火箭發(fā)動機(jī)熱車試驗的推力-時間曲線計算獲得。

2.8 航跡系數(shù)

魚雷航跡實際上是由魚雷能源的燃燒產(chǎn)物中不溶解于水的氣體組分升出水面形成的, 可降低魚雷攻擊的隱蔽性和命中率, 對魚雷發(fā)射平臺的隱蔽性也會造成不利影響。衡量能源動力系統(tǒng)有無排放可用航跡系數(shù)來表示。其定義為能源燃燒產(chǎn)物中不溶解的或很難溶解于水的氣體容積之和與各氣體總?cè)莘e之比。各氣體成分的容積可通過燃燒室熱力計算求得[5]。

2.9 全壽命周期費用

系統(tǒng)全壽命周期費用是一種衡量系統(tǒng)總費用和經(jīng)濟(jì)性的綜合參數(shù), 它考慮的是系統(tǒng)全過程的費用, 是在總體上度量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo), 包括裝備論證與研制費、裝備購置費、使用與保障費以及退役與處置費。

2.10 燃料比耗量

燃料比耗量為動力系統(tǒng)發(fā)出單位有效功率所需的推進(jìn)劑耗量, 可以綜合評價熱動力魚雷的推進(jìn)劑能量特性和發(fā)動機(jī)熱功轉(zhuǎn)換有效性, 計算公式為

2.11 動力系統(tǒng)比功率

動力系統(tǒng)比功率指動力系統(tǒng)單位質(zhì)量提供給推進(jìn)器的有效功率, 計算公式為

2.12 能源動力系統(tǒng)比能量

能源動力系統(tǒng)比能量指能源動力系統(tǒng)單位質(zhì)量提供給推進(jìn)器的能量[3], 計算公式為

比能量既和能源能量密度、理化特性、能量轉(zhuǎn)換方式和熱動力系統(tǒng)效率有關(guān), 也和設(shè)計水平有關(guān), 是反映動力系統(tǒng)設(shè)計好壞的質(zhì)的指標(biāo)。

2.13 動力系統(tǒng)振動噪聲

魚雷動力系統(tǒng)振動的頻帶從幾十赫茲到幾千赫茲, 振動加速度信號能夠全面反應(yīng)被測對象的振動信息。因此, 動力系統(tǒng)振動水平用振動加速度級評價

2.14 系統(tǒng)變工況特性

系統(tǒng)變工況特性分為系統(tǒng)動特性和系統(tǒng)靜特性。動特性采用過渡過程時間和超調(diào)量來表征, 靜特性采用靜差來表征[5-6]。

1) 過渡過程時間

過渡過程時間是實際轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間的相對誤差開始小于允許值的時間[5-6]。

過渡過程包括魚雷動力系統(tǒng)的啟動、變速、變深等工況。過渡過程時間用來描述動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 即系統(tǒng)能否很快跟隨給定值的變化或很快克服擾動的影響, 反映系統(tǒng)恢復(fù)原值或跟隨給定值的速度。

2) 超調(diào)量

超調(diào)量為過渡過程中最高轉(zhuǎn)速超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的最大相對量[5-6]。

超調(diào)量是一個穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)振蕩特性的度量, 反映動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中超調(diào)的大小。

3) 靜差

靜差指在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束之后, 被調(diào)量恢復(fù)原值的精度, 是完全恢復(fù)原值或跟隨給定值, 還是存在一定的誤差[5]。

靜差用來表示系統(tǒng)靜特性的好壞。對于轉(zhuǎn)速要求為恒值的系統(tǒng)來說, 它是調(diào)節(jié)過程結(jié)束后的實際轉(zhuǎn)速偏離要求值的大小。

2.15 六性

在魚雷熱動力系統(tǒng)研制和定型生產(chǎn)過程中, 可靠性、測試性、維修性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性(簡稱“六性”)是衡量魚雷熱動力系統(tǒng)壽命、工作可靠度的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3 系統(tǒng)多目標(biāo)量化評價

針對魚雷熱動力評價系統(tǒng)多目標(biāo)且評價指標(biāo)不唯一的特點, 采用關(guān)聯(lián)矩陣法進(jìn)行量化評價。

3.1 確定指標(biāo)體系

根據(jù)評估內(nèi)容的需要, 建立指標(biāo)體系。不同方案的評估指標(biāo)體系可以不一樣, 劃分的層次也有區(qū)別[8]。

3.2 確定權(quán)重系數(shù)

根據(jù)各個指標(biāo)對評價主體的重要程度分配不同的權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)可采用兩兩比較、專家征詢等方式來確定。

3.3 綜合評估

計算各方案評價值的加權(quán)和, 評價值加權(quán)和最大的方案即為最優(yōu)方案[9]。

魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價示例如表1所示。

表1 魚雷熱動力系統(tǒng)性能評價示例

熱動力系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系具有可擴(kuò)展性, 可根據(jù)不同的能源動力系統(tǒng)、系統(tǒng)的不同階段和研究的重點進(jìn)行二次選擇。在特定情況下可以選取其中的一項或幾項指標(biāo)對不同動力系統(tǒng)或同一系統(tǒng)的不同方案進(jìn)行比較。如采用能源動力系統(tǒng)比能量、動力系統(tǒng)比功率、航深對不同熱動力系統(tǒng)進(jìn)行的比較如圖2所示。圖中, 歸一化比能量和歸一化比功率是以MK-48/4能源動力系統(tǒng)的比能量、比功率為1進(jìn)行歸一的。①表示MK-48/4能源動力系統(tǒng); ②表示MK-46能源動力系統(tǒng); ③表示重型魚雷用HAP三組元能源動力系統(tǒng); ④表示重型魚雷用Li/SF6閉式循環(huán)能源動力系統(tǒng); ⑤表示重型魚雷用先進(jìn)型Li/SF6閉式循環(huán)能源動力系統(tǒng); ⑥表示輕型魚雷用先進(jìn)型Li/SF6閉式循環(huán)能源動力系統(tǒng); ⑦表示輕型魚雷用Li/SF6閉式循環(huán)能源動力系統(tǒng)。由圖2可得不同能源動力系統(tǒng)比能量和比功率的高低, 以及基于同一能源的重型魚雷能源動力系統(tǒng)和輕型魚雷能源動力系統(tǒng)的比能量、比功率的高低。

圖2 不同能源動力系統(tǒng)比較

4 結(jié)束語

本文借鑒國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建的經(jīng)驗, 提出了用于評價魚雷熱動力系統(tǒng)的指標(biāo)體系, 探索了多目標(biāo)量化評價方法。構(gòu)建的指標(biāo)體系和評價方法可以對魚雷動力系統(tǒng)性能進(jìn)行更為科學(xué)、全面的評估, 為不同能源動力系統(tǒng)的對比、同一能源動力系統(tǒng)的改進(jìn)提供參考, 還可反映能源動力系統(tǒng)的發(fā)展方向, 為新型能源動力系統(tǒng)選型決策提供技術(shù)支撐。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Performance Evaluation Index System of Torpedo Thermal Power System

MA Wei-fengPENG BoGAO Ai-junLEI Yun-longHAN Xin-boLU Jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To improve the comprehensive evaluation of a torpedo thermal power system and compare different evaluation plans for same system, a performance evaluation index system is proposed based on the experience from related industries in China. The performance evaluation index system is established by using the related matrix method and considering the weight of each index. Through calculating the weighted sum of the indexes of different thermal power systems, the evaluation values of indexes of each plan are achieved, and the multi-objective quantization method is discussed. The proposed performance evaluation index system and the corresponding evaluation method can be applied to the comparison of torpedo thermal power systems with different energy, the improvement of the power systems with same energy. In addition, this performance evaluation index system may reflect development trend of torpedo thermal power systems, and provide a support for type decision of future thermal power systems.

torpedo thermal power system; index system; multi-objective quantization; performance evaluation

TJ631.2; TM46

A

1673-1948(2014)05-0352-05

2014-06-23;

2014-07-22.

馬為峰(1977-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向為魚雷能源動力技術(shù).