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摘 要:通过分析舰船的动力系统情况,分析了导致舰艇动力系统熄火的几种可能方式,并讨论了采用微胶囊方式的研制舰艇动力系统熄火弹的可能性。
关键词:舰艇 动力系统 熄火弹 微胶囊
中图分类号:U664 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0004-02
随着国际形势的变化,局部戰争和地方冲突成为未来一个时期戰争的主要形式,诸如国际维和行动、打击恐怖主义活动、制止暴乱、打击走私贩毒等。在这些行动中,强杀伤性武器(导弹、坦克、大炮、机枪等)往往派不上用场,现代军事行动最终的目标不再是通过歼灭对手来完成,而是使敌军人员(或暴乱人群)和作戰设备(车辆、舰艇、飞机和基础设施等)暂时或永久地丧失正常机能,从而影响敌方作戰行动、为己方争取有利戰机。非致命性武器[1][2]在军事行动中的应用可以有效达到以上目标,成为完成现代军事任务、恢复和平与稳定的有效途径。因此,世界许多国家都在积极开展非致命武器的研究工作,使非致命武器异军突起。在海戰中,利用非致命性武器,影响舰艇动力系统的正常运转,可以达到破坏敌军作戰编队、切断能源供应等目标,成为有效应对海上威胁、控制危机和影响作戰形势的新型军事戰术和戰略。但是由于舰艇作戰环境的特殊性,在陆地上对车辆、坦克和飞机等适用的动力系统熄火技术在舰艇上很难得到有效应用,必须对舰艇的动力装置系统进行研究,探索适用于舰艇的动力系统熄火技术。目前对于使舰艇的动力系统熄火的研究还比较少。
针对舰艇的动力系统的工作特点,研制开发一种可使舰艇自我瘫痪的新型反装备型非致命武器—— 舰艇动力系统熄火弹,将成为海军武器发展的必需。
1 舰艇的动力系统
舰艇的动力系统包括推进舰艇和为舰艇提供其他所需的动力和能源(电、蒸汽、热水、压缩空气、压缩液体等)的全部动力装置。动力系统在舰艇上占有非常重要地位,被称为舰艇的心脏。目前应用在舰艇上的动力系统主要有三种:柴油机、燃气轮机和联合动力装置。
柴油机是以柴油为燃料的内燃机。柴油机因具有热效率高、功率覆盖范围宽、能耗低、起动容易等优点,在各型民用船舶和中小型舰艇动力装置中占主导地位。燃气轮机是利用燃油和空气混合燃烧,高速冲击涡轮叶片的动力装置。燃气轮机重量轻、功率大,有很高的功率-重量比,20世纪50年代以后燃气轮机开始在舰艇上获得应用。但燃气轮机的经济性差,燃油消耗率高,在部分负荷及低工况时油耗值更高[3]。联合动力装置是将柴油机和燃气轮机联合使用,可以相互取长补短,成为能满足现代大型舰艇要求的理想推进装置。根据不同的联合情况,目前采用的主要有以下几种联合动力装置:柴油机和柴油机联合装置(CODAD),柴油机和燃气轮机联合装置(CODAG),柴油机或燃气轮机联合装置(CODOG),柴电和(或)燃气轮机联合装置(CODELAG/CODELOG)以及柴电和燃电联合装置(CODEG)等。
舰艇在正常航行时,不论动力系统是柴油机还是燃气轮机,都会产生大量的热量。柴油机在工作时,气缸内燃烧气体的最高瞬时温度可达2000℃,整个工作循环内的气体平均温度也在600～1000℃范围[4]。与高温燃气相接触的零件,如气缸套、活塞、气缸盖、进排气门等都将强烈受热,如不加以适当冷却,受热零件的温度就会剧烈升高而过热,造成一系列严重后果。为了确保动力系统的正常运转,必须安装舰艇动力系统的冷却水系统,通过冷却水系统把大量的多余热量传递给海水。舰艇动力装置的冷却水系统有开式海水系统、闭式淡水冷却系统和中央冷却系统等3种[5]。开式海水系统和闭式冷却水系统由于自身的缺陷,目前已经很少应用。在现代化船舶中,大多采用中央冷却系统。中央冷却系统是在19世纪70年代开始出现的一种新型的冷却系统,它由高温淡水、低温淡水和海水三个分系统组成。两个淡水循环系统是相互独立的闭式系统,高温淡水系统的工作温度约为80～85℃,低温淡水系统的工作温度约为30～40℃。高温淡水用于冷却主柴油机、发电柴油机气缸套、气缸盖、废气涡轮增压器等,而低温淡水用于冷却高温淡水、增压空气、活塞冷却油、柴油机系统滑油、空气压缩机、船舶空调冷凝器、蒸汽冷凝器等。海水用于冷却低温淡水。
2 舰艇动力系统熄火的可能方式
要达到使敌方舰艇的动力系统熄火的目的,也就是要使敌方舰艇发动机停机,可以针对舰艇发动机的结构和原理采用不同的方式。
(1)通过一定的方式在发动机的燃料中加入某些化学添加剂而阻滞燃料的燃烧致使发动机发生故障。国外对具有熄火功能的军用特种化学添加剂的研究已经涉及到气体、液体和固体三种形态的材料,已对各种各样的化合物进行了广泛深入的研究和筛选评价,发现对于不同种类的发动机,功能材料的熄火效果有很大的差别[6]。随着新技术的发展,将有越来越多的具有熄火效能的功能材料应用于戰场。但是,在广阔的海域上,如何让敌方舰艇把具有熄火功能的添加剂吸入发动机,实施起来存在一定的困难。
(2)破坏发动机燃料的输送管道,使燃料不能顺利到达燃烧室而使发动机停机。例如通过一定的释放技术和途径使得具有特殊功能的材料被吸入发动机中的输油管道中,功能材料在发动机中发生固化或者体积膨胀等方式导致发动机停止运转,达到使发动机熄火的目的。这种方法存在与前一种方法相同的困难。
(3)通过一定的手段破坏发动机的控制系统,使发动机不能够正常工作。目前舰艇的动力系统一般都是采用电路控制,可以考虑采用电磁炸弹等方式来破坏电动机的控制系统,从而达到使动力系统熄火的目的。
(4)破坏舰艇发动机的冷却系统,使发动机温度过高而停机。于海澜[7]曾提出一种使舰艇动力系统熄火的新概念武器的原理方案:将一种高吸水率的固体微粒用一种遇热即熔融的疏水材料包裹起来制成微胶囊,在临戰前利用一定的手段使其分散在敌舰要经过的海域,当敌方舰艇经过时,微胶囊被吸入发动机的冷却系统,微胶囊遇热后,囊壁熔融破裂,释放出里面的功能材料。功能材料遇水后大量吸水,体积迅速膨胀,变成弹性凝胶状或泡沫状固体,堵塞发动机冷却系统的管道,使发动机停止工作,由此使敌方舰艇瘫痪。
3 采用微胶囊方式的舰艇动力系统熄火弹的可行性
根据于海澜的设想,需要选择一种合适的遇热即熔融的疏水材料作为微胶囊的壁材和具有高吸水率的功能材料作为微胶囊的芯材,采用合适的方法制备成大小适合的微胶囊。这种微胶囊的至少应具备的性质包括:(1)尺寸足够小,能够穿过冷却系统的过滤系统;(2)能够稳定地悬浮于水中;(3)微胶囊的壁材的可溶性;(4)微胶囊芯材的吸水性。
随着微胶囊技术的进步,目前已经可制备出直径为1～1000μm的微胶囊[8][9],完全能够穿过过滤系统。而粉末状的聚丙烯盐酸类、淀粉-丙烯酸盐接枝聚合产物、交联羟甲基纤维素等高吸水材料[10][11]可以作为微胶囊的芯材。这些高吸水材料在大量吸水以后,体积迅速膨胀,形成具有一定强度的凝胶,能够有效地造成冷却系统管道的堵塞。微胶囊的壁材要根据芯材的物理性质和微胶囊的作用来取[12],选用热敏型的非水溶性的材料,其熔化温度必须处于低温淡水系统和高温淡水系统的工作温度之间。微胶囊在被舰艇发动机吸入冷却系统前能够稳定地悬浮于水中,而一旦被吸入能够迅速在低温淡水系统中融化从而释放出芯材。
为了检验这种技术方案的可行性,于海澜选用熔点范围在52～58℃的石蜡作为微胶囊壁材、体积膨胀率为85.5倍的淀粉接枝聚丙烯盐酸类作为芯材,采用熔化分散冷凝法制备了直径为5～300μm、密度为1000kg/m3的微胶囊,并通过实验验证了这种微胶囊能够满足使舰艇动力系統自我瘫痪的要求。
4 结语
通过分析舰艇的动力系统情况,分析了导致舰艇动力系统熄火的几种可能方式,并讨论了采用微胶囊方式的研制舰艇动力系统熄火弹的可能性。
参考文献
[1] 约翰•亚历山大,董铭等译.未来戰争-21世纪戰争中的非致命武器[M].北京:知识产权出版社,2004.
[2] 薛海中.新概念武器[M].北京:航空工业出版社,2009.
[3] 陆威崙,用于大型舰船的联合动力装置和实例分析[J].柴油机,2010,32(2):7～11.
[4] 王鹏.气缸冷却水系统的维护[J].船舶节能,2001(3).
[5] 郭军武,陈宝忠,黄党和.船舶动力装置冷却水系统的可靠性分析[J].中国航海,2008,31(4):350～351.
[6] 马应龙.军用熄火剂研究[C].中国化学会第五届防化学术讨论会论文集,2001,8:687～690.
[7] 于海澜,段成金,张恒.一种非致命新概念武器的可行性研究[J].材料导报,2008,22:201～203.
[8] 郝红,梁国正.微胶囊技术及其应用[J].现代化工,2002,22(3):60～62.
[9] 李志强,任彦荣.微胶囊技术及其应用研究进展[J].化学推进剂与高分子材料,2004,2(6).
[10] 何小维.高吸水性碳水化合物材料[M].北京:化学工业出版社,2006.
[11] 吴季怀,林建明,魏月琳.高吸水保水材料[M].北京:化学工业出版社,2005.
[12] 宋健,陈磊,李效军.微胶囊化技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2001.
①作者简介:吴世永(1981-),男,汉族,广东阳春人,讲师,硕士,研究方向:冲击动力学。
关键词:舰艇 动力系统 熄火弹 微胶囊
中图分类号:U664 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0004-02
随着国际形势的变化,局部戰争和地方冲突成为未来一个时期戰争的主要形式,诸如国际维和行动、打击恐怖主义活动、制止暴乱、打击走私贩毒等。在这些行动中,强杀伤性武器(导弹、坦克、大炮、机枪等)往往派不上用场,现代军事行动最终的目标不再是通过歼灭对手来完成,而是使敌军人员(或暴乱人群)和作戰设备(车辆、舰艇、飞机和基础设施等)暂时或永久地丧失正常机能,从而影响敌方作戰行动、为己方争取有利戰机。非致命性武器[1][2]在军事行动中的应用可以有效达到以上目标,成为完成现代军事任务、恢复和平与稳定的有效途径。因此,世界许多国家都在积极开展非致命武器的研究工作,使非致命武器异军突起。在海戰中,利用非致命性武器,影响舰艇动力系统的正常运转,可以达到破坏敌军作戰编队、切断能源供应等目标,成为有效应对海上威胁、控制危机和影响作戰形势的新型军事戰术和戰略。但是由于舰艇作戰环境的特殊性,在陆地上对车辆、坦克和飞机等适用的动力系统熄火技术在舰艇上很难得到有效应用,必须对舰艇的动力装置系统进行研究,探索适用于舰艇的动力系统熄火技术。目前对于使舰艇的动力系统熄火的研究还比较少。
针对舰艇的动力系统的工作特点,研制开发一种可使舰艇自我瘫痪的新型反装备型非致命武器—— 舰艇动力系统熄火弹,将成为海军武器发展的必需。
1 舰艇的动力系统
舰艇的动力系统包括推进舰艇和为舰艇提供其他所需的动力和能源(电、蒸汽、热水、压缩空气、压缩液体等)的全部动力装置。动力系统在舰艇上占有非常重要地位,被称为舰艇的心脏。目前应用在舰艇上的动力系统主要有三种:柴油机、燃气轮机和联合动力装置。
柴油机是以柴油为燃料的内燃机。柴油机因具有热效率高、功率覆盖范围宽、能耗低、起动容易等优点,在各型民用船舶和中小型舰艇动力装置中占主导地位。燃气轮机是利用燃油和空气混合燃烧,高速冲击涡轮叶片的动力装置。燃气轮机重量轻、功率大,有很高的功率-重量比,20世纪50年代以后燃气轮机开始在舰艇上获得应用。但燃气轮机的经济性差,燃油消耗率高,在部分负荷及低工况时油耗值更高[3]。联合动力装置是将柴油机和燃气轮机联合使用,可以相互取长补短,成为能满足现代大型舰艇要求的理想推进装置。根据不同的联合情况,目前采用的主要有以下几种联合动力装置:柴油机和柴油机联合装置(CODAD),柴油机和燃气轮机联合装置(CODAG),柴油机或燃气轮机联合装置(CODOG),柴电和(或)燃气轮机联合装置(CODELAG/CODELOG)以及柴电和燃电联合装置(CODEG)等。
舰艇在正常航行时,不论动力系统是柴油机还是燃气轮机,都会产生大量的热量。柴油机在工作时,气缸内燃烧气体的最高瞬时温度可达2000℃,整个工作循环内的气体平均温度也在600～1000℃范围[4]。与高温燃气相接触的零件,如气缸套、活塞、气缸盖、进排气门等都将强烈受热,如不加以适当冷却,受热零件的温度就会剧烈升高而过热,造成一系列严重后果。为了确保动力系统的正常运转,必须安装舰艇动力系统的冷却水系统,通过冷却水系统把大量的多余热量传递给海水。舰艇动力装置的冷却水系统有开式海水系统、闭式淡水冷却系统和中央冷却系统等3种[5]。开式海水系统和闭式冷却水系统由于自身的缺陷,目前已经很少应用。在现代化船舶中,大多采用中央冷却系统。中央冷却系统是在19世纪70年代开始出现的一种新型的冷却系统,它由高温淡水、低温淡水和海水三个分系统组成。两个淡水循环系统是相互独立的闭式系统,高温淡水系统的工作温度约为80～85℃,低温淡水系统的工作温度约为30～40℃。高温淡水用于冷却主柴油机、发电柴油机气缸套、气缸盖、废气涡轮增压器等,而低温淡水用于冷却高温淡水、增压空气、活塞冷却油、柴油机系统滑油、空气压缩机、船舶空调冷凝器、蒸汽冷凝器等。海水用于冷却低温淡水。
2 舰艇动力系统熄火的可能方式
要达到使敌方舰艇的动力系统熄火的目的,也就是要使敌方舰艇发动机停机,可以针对舰艇发动机的结构和原理采用不同的方式。
(1)通过一定的方式在发动机的燃料中加入某些化学添加剂而阻滞燃料的燃烧致使发动机发生故障。国外对具有熄火功能的军用特种化学添加剂的研究已经涉及到气体、液体和固体三种形态的材料,已对各种各样的化合物进行了广泛深入的研究和筛选评价,发现对于不同种类的发动机,功能材料的熄火效果有很大的差别[6]。随着新技术的发展,将有越来越多的具有熄火效能的功能材料应用于戰场。但是,在广阔的海域上,如何让敌方舰艇把具有熄火功能的添加剂吸入发动机,实施起来存在一定的困难。
(2)破坏发动机燃料的输送管道,使燃料不能顺利到达燃烧室而使发动机停机。例如通过一定的释放技术和途径使得具有特殊功能的材料被吸入发动机中的输油管道中,功能材料在发动机中发生固化或者体积膨胀等方式导致发动机停止运转,达到使发动机熄火的目的。这种方法存在与前一种方法相同的困难。
(3)通过一定的手段破坏发动机的控制系统,使发动机不能够正常工作。目前舰艇的动力系统一般都是采用电路控制,可以考虑采用电磁炸弹等方式来破坏电动机的控制系统,从而达到使动力系统熄火的目的。
(4)破坏舰艇发动机的冷却系统,使发动机温度过高而停机。于海澜[7]曾提出一种使舰艇动力系统熄火的新概念武器的原理方案:将一种高吸水率的固体微粒用一种遇热即熔融的疏水材料包裹起来制成微胶囊,在临戰前利用一定的手段使其分散在敌舰要经过的海域,当敌方舰艇经过时,微胶囊被吸入发动机的冷却系统,微胶囊遇热后,囊壁熔融破裂,释放出里面的功能材料。功能材料遇水后大量吸水,体积迅速膨胀,变成弹性凝胶状或泡沫状固体,堵塞发动机冷却系统的管道,使发动机停止工作,由此使敌方舰艇瘫痪。
3 采用微胶囊方式的舰艇动力系统熄火弹的可行性
根据于海澜的设想,需要选择一种合适的遇热即熔融的疏水材料作为微胶囊的壁材和具有高吸水率的功能材料作为微胶囊的芯材,采用合适的方法制备成大小适合的微胶囊。这种微胶囊的至少应具备的性质包括:(1)尺寸足够小,能够穿过冷却系统的过滤系统;(2)能够稳定地悬浮于水中;(3)微胶囊的壁材的可溶性;(4)微胶囊芯材的吸水性。
随着微胶囊技术的进步,目前已经可制备出直径为1～1000μm的微胶囊[8][9],完全能够穿过过滤系统。而粉末状的聚丙烯盐酸类、淀粉-丙烯酸盐接枝聚合产物、交联羟甲基纤维素等高吸水材料[10][11]可以作为微胶囊的芯材。这些高吸水材料在大量吸水以后,体积迅速膨胀,形成具有一定强度的凝胶,能够有效地造成冷却系统管道的堵塞。微胶囊的壁材要根据芯材的物理性质和微胶囊的作用来取[12],选用热敏型的非水溶性的材料,其熔化温度必须处于低温淡水系统和高温淡水系统的工作温度之间。微胶囊在被舰艇发动机吸入冷却系统前能够稳定地悬浮于水中,而一旦被吸入能够迅速在低温淡水系统中融化从而释放出芯材。
为了检验这种技术方案的可行性,于海澜选用熔点范围在52～58℃的石蜡作为微胶囊壁材、体积膨胀率为85.5倍的淀粉接枝聚丙烯盐酸类作为芯材,采用熔化分散冷凝法制备了直径为5～300μm、密度为1000kg/m3的微胶囊,并通过实验验证了这种微胶囊能够满足使舰艇动力系統自我瘫痪的要求。
4 结语
通过分析舰艇的动力系统情况,分析了导致舰艇动力系统熄火的几种可能方式,并讨论了采用微胶囊方式的研制舰艇动力系统熄火弹的可能性。
参考文献
[1] 约翰•亚历山大,董铭等译.未来戰争-21世纪戰争中的非致命武器[M].北京:知识产权出版社,2004.
[2] 薛海中.新概念武器[M].北京:航空工业出版社,2009.
[3] 陆威崙,用于大型舰船的联合动力装置和实例分析[J].柴油机,2010,32(2):7～11.
[4] 王鹏.气缸冷却水系统的维护[J].船舶节能,2001(3).
[5] 郭军武,陈宝忠,黄党和.船舶动力装置冷却水系统的可靠性分析[J].中国航海,2008,31(4):350～351.
[6] 马应龙.军用熄火剂研究[C].中国化学会第五届防化学术讨论会论文集,2001,8:687～690.
[7] 于海澜,段成金,张恒.一种非致命新概念武器的可行性研究[J].材料导报,2008,22:201～203.
[8] 郝红,梁国正.微胶囊技术及其应用[J].现代化工,2002,22(3):60～62.
[9] 李志强,任彦荣.微胶囊技术及其应用研究进展[J].化学推进剂与高分子材料,2004,2(6).
[10] 何小维.高吸水性碳水化合物材料[M].北京:化学工业出版社,2006.
[11] 吴季怀,林建明,魏月琳.高吸水保水材料[M].北京:化学工业出版社,2005.
[12] 宋健,陈磊,李效军.微胶囊化技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2001.
①作者简介:吴世永(1981-),男,汉族,广东阳春人,讲师,硕士,研究方向:冲击动力学。