新材料在鱼雷设计中的应用与发展

张　梦，孙曙日，冯殿震

（中国人民解放军91439部队，辽宁 大连，116041）

新材料在鱼雷设计中的应用与发展

张梦，孙曙日，冯殿震

（中国人民解放军91439部队，辽宁 大连，116041）

新材料技术的开发与研制是提高鱼雷性能、影响鱼雷作战效能的关键因素之一。重点介绍了几种鱼雷设计用新材料的基本特性，包括铝锂合金、镁合金、钛合金、高温合金等金属材料，以及阻尼减振材料、陶瓷材料、浸银炭石墨等非金属材料，列举了以上材料在鱼雷设计中的应用现状，展望了其在未来鱼雷设计中的发展前景。关键词：鱼雷； 铝锂合金； 镁合金； 阻尼减振材料； 浸银炭石墨

0　引言

鱼雷作为一种复杂的水下航行器，是各国海军反潜重要而有效的主战武器。随着各种高新技术在鱼雷上的应用，当今鱼雷已经发展成为一种相当精密、复杂的制导武器。近年来，我国在鱼雷技术上进行了一些新材料的研制和应用，但还远远不够。在科学技术迅猛发展的今天，鱼雷武器发展的总趋势是高航速、远航程、大深度、智能化、大威力和隐身［1］，在现代鱼雷设计中充分利用材料的性能可以更好地实现上述目标。

1　新材料在鱼雷设计中的应用

鱼雷制造过程就是把各种原材料加工制造、装配成鱼雷产品的过程，因此，材料性能直接影响着鱼雷产品性能，是鱼雷制造技术的基础［2］。鱼雷材料包括金属材料和非金属材料两大类，每种材料的性能和功能各异，目前，发展最快、应用最广的主要有以下几类，这些材料在鱼雷设计中越来越受到人们的关注。

1.1金属材料

随着鱼雷技术不断发展，对金属材料的要求日益提高。普通的金属材料已远远不能满足鱼雷武器装备的高性能要求。目前，鱼雷中使用的金属材料通常具有质量轻、强度高等特性，但是个别材料也存在耐腐蚀性能差、耐热性差等缺陷，因此，必须研究与发展综合性能优异的新型金属材料，大幅度提高其强韧化水平，而同时又不增加质量和成本，延长使用寿命，对于实现鱼雷武器轻量化和提高其性能有着重要意义。

1.1.1铝锂合金

铝锂合金是最具代表性的金属材料。锂是密度最小的金属元素，化学性质相当活泼，把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。由于具有这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。目前，已开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的1460和Weldalite系列合金； 低各向异性AF/C489，AF/C458合金； 高韧性的2097，2197合金； 高抗疲劳裂纹的C2155合金，以及经特殊真空处理的XT系列合金等。

在鱼雷结构上采用质轻、耐蚀、高强度的铝锂合金为提高鱼雷性能提供了一个新的途径。目前，成熟的铝锂合金包括2090，8090，8091，8092等牌号，抗拉强度在500 MPa左右，主要应用于飞机结构。美国对于耐蚀性要求高而强度要求不高的鱼雷壳体采用AA606l-T6铝合金（屈服强度274 MPa），对耐蚀性和强度要求均高的鱼雷壳体则采用AA7175-T73铝合金（屈服强度480 MPa）。具有强大攻击力的重型鱼雷是必备的杀伤武器，美国海军已用新研制的AA5091 铝锂合金（抗拉强度412 MPa，弹性模量79.2×103MPa，密度2.57 g/cm3）锻件制造重型鱼雷燃料舱［2］。

1.1.2镁合金

镁合金是以镁为基础加入其他元素的合金，是当前在用金属结构材料中最轻的一种。镁合金比强度高，比弹性模量大，由于弹性模量较低，在相同的受力条件下，它能消耗更大的变形力，有着优良的缓冲、减振、散热性能，能够承受较大的冲击振动载荷。镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。镁的质量比铝轻，比重为1.8，强度也较低，只有200～300 MPa（20～30 kg/mm2），主要用于制造低承力的零件。民用机和军用飞机，尤其是轰炸机广泛使用镁合金制品。例如，B-52轰炸机的机身部分就使用了镁合金板材635 kg，挤压件90 kg，铸件超过200 kg。镁合金也用于导弹和卫星上的一些部件，如中国“红旗”地空导弹仪表舱、尾舱和发动机支架等都使用了镁合金。中国稀土资源丰富，已于上世纪70年代研制出加钇镁合金，提高了室温强度，能在300℃下长期使用，已在航空航天工业中推广应用。

镁及镁合金由于价格昂贵、耐腐蚀性差，在鱼雷产品中鲜有应用，但随着加工制造技术的改进及积极的防腐处理，在国外鱼雷结构件上已有应用，是一种很有发展前途的轻型结构材料。如国外某型操演用鱼雷的操雷头（仪器舱）上安装有沉雷装置，它的金属膜片就使用了ZM-5类型镁合金。当该型操雷在海上演习发射后丢失时，约经过10 h之后，该ZM-5合金膜片就被海水腐蚀掉，于是海水由沉雷装置的入水口灌入鱼雷的密封舱里，使鱼雷具有负浮力而沉入海底，以防止丢失而造成该型鱼雷的技术泄密［3］。常用的镁合金机械性能及用途如表1所示。

表1　镁合金机械性能与用途Table 1　Mechanical performance and application of magnesium alloy

1.1.3钛合金

与镁合金类似，钛合金在很长一段时间里也因为极高的成本而在应用上受到极大的限制。各国都在努力开发低成本和高性能的新型钛合金，已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829、IMI834合金，美国的Ti-1100合金，俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。日本钢管公司研制成功了SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000%，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低 140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件； 俄罗斯研制的BT-22（Ti-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1 105 MPa以上。

钛合金具有良好的高、低温性能，常温、低温韧性都较好，并具有独特的抗腐蚀性能，是一种很有发展前途的鱼雷产品用材料。近年来，世界各国都在积极探索，在降低成本的同时，还在不断提高钛合金的性能。西方和俄罗斯相继研究出2种钛合金，它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金，这2种先进的钛合金在未来的鱼雷技术中具有良好的应用前景［4］。另外，钛合金还可用于鱼雷上一些形状复杂的构件。不同类型的钛合金性能不同，具体如表2所示。

表2　钛合金机械性能Table 2　Mechanical performance of titanium alloy

1.1.4高温合金

高温合金共分为3类材料: 760℃高温材料、1 200℃高温材料和1 500℃高温材料，抗拉强度800 MPa，或者说是指在760～1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，即在高温下具有高强度和抗高温氧化性能和耐腐蚀性能的合金。高温合金是动力系统的关键材料，主要用于发动机的涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等，已成为不可替代的关键材料。国外已有火箭发动机推进的超高速鱼雷其喷管及燃烧室等零件大量使用了能耐更高温度的难熔合金来制造。

1.2非金属材料

非金属材料以其优异的性能及多种特殊的功能而广泛应用于鱼雷武器中，传统的非金属材料包括密封材料、涂层材料、胶黏剂和润滑材料等。目前，新兴的陶瓷材料、浸银炭石墨材料等渐渐进入研究者的视野，具有巨大的发展潜力。未来鱼雷用非金属材料仍要继续扩大品种，不断改善施工工艺，提高材料本身性能，以满足日益增长的各种不同用途的需要。

1.2.1阻尼减振材料

阻尼材料也叫振动衰减材料或减振材料，它能将固体机械振动能转变成为热能而使振动衰减下来，主要用于振动和噪声控制［5］，具有显著的减振降噪的特点。其应用机理就是通过阻尼材料与基材的牢固结合，利用阻尼材料在转换状态时产生的高阻尼特性，耗散振动能量，将部分机械能转变为热能，从而抑制结构响应，达到减振降噪的目的。在西方，相关机构已对阻尼材料展开了大量研究工作。德国从20世纪50年代开始，首先研制了自由阻尼结构。美国从20世纪50年代初首先开始研制约束阻尼结构，并应用于核潜艇艇壳和主机基座上。现在，阻尼合金技术也已趋于成熟，美国海军采用锰铜高阻尼合金制造潜艇螺旋桨，取得了明显的减振效果。20世纪80年代后，国外阻尼减振降噪技术有了更大的发展，他们借助CAD/CAM技术，对相应的材料进行了设计与试验，并进行了整体结构的阻尼减振降噪优化。我国在20世纪70年代前后开始进行阻尼减振降噪材料的研究工作。北京材料工艺研究所研制的ZN-10和SZN-11阻尼材料能与钢板结构模量很好地匹配，具有很好的耐水性，噪声可降至64 dB。洛阳船舶材料研究院研制生产的SA-3高阻尼黏弹性材料主要由高聚物和无机填料组成，具有良好的阻尼、阻燃和耐介质性能，已经成功应用于潜艇的噪声治理。此外，阻尼胶合板、智能型阻尼材料也逐渐成为研究热点［6］。

据了解，阻尼材料在鱼雷武器上的应用也很广泛［7］。美国改进MK48-6AT鱼雷的主要措施为加装一个内部消音器，后段壳体上加了阻尼减振层，推进器转子改为侧斜转子，大大降低了鱼雷的辐射噪音。瑞典研发的2000型鱼雷也采用了阻尼材料进行降噪改进，不但提高了鱼雷航速，而且减小了其流体动力学噪声，提高了鱼雷的作战效能。另外，国外某轻型空投鱼雷的动力装置中，通过螺钉将若干个减振垫固定在壳体的固定支承座上。某重型鱼雷的动力装置是通过一个结构较复杂的金属和橡胶复合的隔振圈安装到鱼雷壳体上，以减少动力装置向鱼雷壳体的振动传递。由此可见，阻尼减振材料的应用是卓有成效的。

1.2.2陶瓷材料

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。因其高熔点（大多在2 000℃以上）、高硬度（维氏硬度一般在1 500以上）、高耐磨性、耐氧化等诸多优异性能，在军事工业中有良好的应用前景。随着对减振降噪要求的不断提高，加上金属阻尼合金良好的减振降噪及力学性能使其在减振降噪方面得到越来越广泛的应用。目前，某高校研制成功一种新型陶瓷合金材料，不仅具有较大的损耗因子，而且可以全频段吸能。文献［8］中将此材料用于水下航行器艉段中振动传递的主要部件和部分壳体，如图1和图2所示，在忽略阻尼状态下分析其对艉段减振的影响，结果表明，该种陶瓷合金材料的应用（“加肋板”）使振动得到较大的降低。目前，陶瓷材料在鱼雷制造中的应用还很少，未来陶瓷材料将会在发动机及其部件的制造中被广泛应用。

图1　水下航行器原艉段Fig. 1　Original stern of an underwater unmanned vehicle

图2　水下航行器加肋板Fig. 2　An underwater unmanned vehicle with ribbed plates

1.2.3浸银炭石墨材料

热动力鱼雷发动机是全雷的心脏，由浸银炭石墨配气阀座、钼合金配气阀体组成的配气机构是发动机的关键件。浸银炭石墨配气阀座、钼合金配气阀体组成摩擦副，在高速旋转过程中，实现对高温、高压燃气的密封及对发动机配气。阀座受到激烈的热冲击、机械振动和摩擦产生的复合应力，工况十分严酷。一旦浸银炭石墨阀座失效，就会立即造成发动机熄火和鱼雷丧失攻击能力的严重后果。

国内外轻型、重型鱼雷发动机阀座材料及制造工艺一直被视为关键技术进行质量保证和控制。国内从20世纪80年代初开始研制浸银炭石墨阀座材料，研制出的M209G，M169G，M269G，M230G，M231G已成功应用于我国各种型号的轻型、重型鱼雷，并批量生产，装备部队。目前使用的热动力鱼雷浸银炭石墨材料的性能指标见表3。

表3　浸银炭石墨材料机械性能Table 3　Mechanical performance of carbon graphite impregnated with silver

2　前景

有关媒体报道，美国海军研究局正在积极探讨鱼雷隐身研究方案，目标是开发支持远程安静鱼雷的噪音控制技术，降低现役鱼雷和下一代鱼雷的辐射噪声，推迟潜在目标的报警，以保护发射平台，同时，为了改进传感器性能也必须降低传感器自噪声，预计阻尼材料将会发挥巨大作用。如果试验成功，将会改进鱼雷的效能，增大杀伤概率，并降低对抗装置的杀伤概率。另外，

在鱼雷的一些关键部位，尤其是动力系统的许多地方，普通的金属材料已远远不能满足设计要求，

这些部位需采用一些特殊的高强度的复合材料。如国外某重型鱼雷的动力装置是通过一个结构较复杂的金属和橡胶复合的隔振圈安装到鱼雷壳体上，以减少动力装置向鱼雷壳体的振动传递。国内新型鱼雷发动机推进剂采用的是性能稳定、成本较低的高、低2种燃速的三组元丁羟推进剂，

与传统的OTTO-Ⅱ单组元推进剂相比，体积能量密度提高66%，质量能量密度提高40%，使鱼雷航迹大大减小。随着鱼雷性能的提高以及材料技术的成熟，这些特殊材料的应用也将越来越广泛，

如碳硼复合材料、浸银树脂材料在发动机、燃烧室产品中的成功应用，解决了发动机高温、高压燃气密封的技术难题。

3　结束语

我国一直在努力开发、研制鱼雷用新材料，并且取得了一定的成绩，比如新型的浸银炭石墨参考文献：

阀座材料已成功用于我国各种型号的轻型、重型鱼雷，并批量生产，装备部队。当然还远落后于发达国家，未来随着各种新型材料的迅速发展和推广应用，对提高我国在战场上的生存能力、防御能力和攻击能力将起到极大的作用。

［1］石秀华，王晓娟. 水中兵器概论（鱼雷分册）［M］. 西安:西北工业大学出版社，2010.

［2］黄晓艳，刘波. 舰船用结构材料的现状与发展［J］. 船舶，2004（3）: 21-24.

Huang Xiao-yan，Liu Bo. Current Situation and Development of Warship Structure Material［J］. Ship & Boat，2004（3）: 21-24.

［3］李留成. 鱼雷制造技术［M］. 北京:国防工业出版社，2011.

［4］黄德民. 新材料在现代鱼雷技术中的应用与发展［J］.鱼雷技术，2004，12（2）: 1-3.

Huang De-min. Application and Development of New Material in Modern Torpedo Technology［J］. Torpedo Technology，2004，12（2）: 1-3.

［5］李德良，王宝柱，刘东晖，等. 阻尼材料的发展及其在舰船上的应用［J］. 现代涂料与涂装，2009，12（2）: 25-27.

Li De-liang，Wang Bao-zhu，Liu Dong-hui，et al. Development of Damping Material and Its Application on Ship［J］. Modern Paint & Finishing，2009，12（2）: 25-27.

［6］孙卫红，晏欣，李永清. 高分子材料在舰船与海洋工程领域中研究进展［J］. 现代塑料加工应用，2012，24（3）: 61-63.

Sun Wei-hong，Yan Xin，Li Yong-qing. Development Progress of Polymer Materials in Ships and Marine Engineering Area［J］. Modern Plastics Processing and Applications，2012，24（3）: 61-63.

［7］刘津. 阻尼材料在现代鱼雷技术中的应用［J］. 鱼雷技术，2004，12（3）: 8-10.

Liu Jin. Application of Damping Material to the Design of Modern Torpedo［J］. Torpedo Technology，2004，12（3）: 8-10.

［8］郭志军，关静岩. 基于陶瓷材料及结构在水下航行器中的减振研究［J］. 水雷战与舰船防护，2012，20（4）: 29-33.

Guo Zhi-jun，Guan Jing-yan. Study on Vibration Damping of Underwater Vehicle Based on Ceramic Material and Structure Analysis［J］. Mine Warfare & Ship Self-defence，2012，20（4）: 29-33.

（责任编辑: 陈曦）

Application and Development of New Materials in Torpedo Designs

ZHANG Meng，SUN Shu-ri，FENG Dian-zhen
（91439thUnit，The People′s Liberation Army of China，Dalian 116041，China）

This paper introduces the basic characteristics of several new materials in torpedo designs with focus on such metal materials as Al-Li alloy，magnesium alloy，titanium alloy，and high temperature alloy，as well as such nonmetallic materials as vibration damping material，ceramic material，and carbon graphite impregnated with silver. Their applications to modern torpedoes are described，and their development trends in intending torpedo designs are forecasted.

torpedo； Al-Li alloy； magnesium alloy； vibration damping material； carbon graphite impregnated with silver

TJ630.4

A

1673-1948（2015）02-0086-04

2014-12-23；

2015-03-09

张梦（1988-），女，硕士，主要从事鱼雷总体与动力技术的研究.