中國潛艇AIP技術的選擇

中國潛艇AIP技術的選擇     

　　為了增加常規柴電潛艇一次水下續航時間及距離，降低通氣管暴露率，提高常規潛艇作戰威力，世界各主要海軍強國大力發展具有不依賴空氣動力裝置（AIP）的混合型柴電潛艇，如德、英、瑞典、荷蘭等。

　　縱觀世界各國AIP發展曆史和現狀，我們可以選擇的AIP方案有：閉式循環柴油機（CCD）AIP、斯特林發動機（SE）AIP以及燃料電池（FC）AIP。這三種AIP方案都已被各海軍強國分別采用，如英國、荷蘭等已采用CCDAIP方案，瑞典等已采用SEAIP方案，德國已采用FCAIP方案。

　　各種AIP技術原理及裝置的組成

　　1、閉式循環柴油機AIP（CCDAIP）

　　該係統以閉式循環柴油機為發電機原動機。為使柴油機在沒有空氣供氣狀況下工作，必須提供模擬空氣成份的進氣氣體，使柴油機發火燃燒工作。為此，將柴油機排出的廢氣經CO2吸收器吸收部分CO2氣體，廢氣中未被吸收部分氣體再加入適量氧氣，即組成人造大氣。但由於這種人造大氣中CO2含量總比新鮮空氣多，使人造空氣的比熱值低於正常空氣，為保證一般標準柴油機在閉式循環狀態下正常工作，一般在再循環的氣體中加入適量單原子氣體氬，使混合成的人造大氣與正常空氣比熱比值一致。這樣柴油機即可在閉式循環狀態下正常工作，也可以在開式空氣供應時正常工作，實現開、閉合用。為了高效地吸收柴油機廢氣中的CO2，應首先將溫度為350～400 ℃、壓力為0.2～0.5　Mpa的廢氣噴淋冷卻至80～100 ℃。再將冷卻後的廢氣送進CO2海水吸收器中，讓海水充分溶解吸收CO2氣體，而其他成分氣體在吸收器中吸收量很少。經這種“洗滌”後的廢氣進入混合室與氧氣、氬氣混合後再循環。而溶有大量CO2的海水經海水處理係統（WMS），排出舷外。海水處理係統利用深水能量，不需消耗較多能量而將較低壓力的海水（2～5 bar）排放到深水中（如下潛300 m則為30　bar），而水泵耗功隻用於克服流動阻力，因此耗功少，整套裝置效率較高。

　　為使整個AIP係統協調工作，設置計算機控製係統，以控製水處理係統的海水流量，供氧量等，使整套係統適應柴油機負荷、潛艇下潛深度的變化，保證正常工作。

　　為保證氧氣供應，CCDAIP設置一個較大容量的液氧罐（液氧貯存溫度-180 ℃）。由於氬氣消耗量很小，故AIP裝置中隻要幾個較小容積的氬氣瓶就足夠了。

　　2、斯特林發動機AIP （SEAIP）

　　斯特林發動機（SE）AIP以不依賴空氣的斯特林機（Stirling Engine）為發電機原動機。斯特林發動機是一種外部加熱的連續燃燒發動機，它通過外部燃燒的高溫氣體經加熱管加熱內部循環的工質（船用斯特林機通常用氦氣作循環工質），內部循環工質受熱膨脹推動活塞作功，使發動機輸出軸功率。為了使發動機在無空氣條件下連續運行，同樣需要連續不斷地供應氧氣燃燒供應熱量，因而SEAIP也裝有較大容量的液氧罐。為了排除燃燒後廢氣，有兩種方法可選擇。一種是利用廢氣壓力直接排到舷外海水，這需要較高的燃燒壓力（30 bar左右），且未燃燒的O2會隨廢氣直接排至舷外，導致未燃O2氣和來不及溶解的CO2氣冒至海麵。另一種方法是象CCDAIP係統一樣，裝備排氣冷卻?O2海水吸收器及水管理係統，這樣裝置會比直接排出廢氣的辦法複雜些，但可使燃燒壓力降低，燃燒不隨潛深影響，不會產生氣泡航跡，隱蔽性較好。

　　3、燃料電池FC（FCAIP）

　　德國已裝艇海試的燃料電池為氫氧燃料電池，其基本工作原理是靠氫和氧反應直接產生電能而工作的，它唯一的副產品為水，這個過程正好與通過電解分解水的過程相反。燃料電池必須源源不斷地供應氫和氧，為此，AIP裝置不僅要有較大容量的液氧罐，而且要有一個較大容量的液氫貯存罐，而液氫貯存的低溫要求為零下250℃，要比液氧貯存條件苛刻得多。

　　三種AIP特點分析

　　CCD-AIP中，柴油機本身幾乎無需作重大改進，主機技術成熟，其他輔助係統問題，如再循環氣體混成、廢氣的噴淋冷卻、CO2海水吸收原理、水處理係統的原理，有關單位已有研究，不存在較大技術風險。因而開發CCDAIP能在技術風險小，投資少（例如引進一台CCD隻需150萬美元），且可在我們工藝、工業水平能達到的情況下早日獲得。當然，相對來說，柴油機本身結構噪聲和空氣噪音較大，但現代隔振技術完全可使柴油機經隔振後噪聲指標達到要求。由於水處理係統耗能少，因此CCDAIP係統效率可達35%。

　　SE-AIP主機即斯特林發動機，外部連續燃燒加熱工質作功，因此結構噪聲及空氣噪音比柴油機小，這是它一大特點。目前，我國已研製出75 kW斯特林原理樣機，其效率為35%。與柴油機相比，效率稍低，而其技術成熟程度存在較大差距，工作可靠性有待進一步考驗。目前存在較大難度的技術問題尚需進一步解決，如高性能加熱器材料、加熱器頭工作溫度均勻、工質流動均勻、工質密封、功率調控、壓力燃燒等。因此，研製SEAIP必然投資較大（例如引進一台熱氣機需300萬美元，一個艙段需要1億美元），技術風險也比CCDAIP高。據稱，韓國引進瑞典斯特林發動機後認為40～70%零部件不能自己生產，結果否定了SEAIP方案。另據消息，澳大利亞從瑞典購買熱氣機做評估試驗，3個月未達到額定功率，被否定。SEAIP研製周期相應也會較長。

　　燃料電池具有最高的能量與重量比，效率高（達50～60%），而且幾乎是不產生廢氣，可無聲航行。但在潛艇上貯存液態氫是有很大的技術難度。同時因為氫氣易爆易燃，對使用氫的安全有嚴格要求，裝置中的膜要依賴美國進口，國內尚無生產能力。由此可見燃料電池技術難度大，工業基礎要求較高，要使燃料電池上艇作AIP動力，需要很高的技術儲備，而我國對燃料電池的研究水平還比較低。所以，如果研製FCAIP，則研製周期較大（據估計，至少需要10～15年），投入經費也很大，例如引進5 kW燃料電池，需3萬美元，自己研製至少需要1億元人民幣，同時技術風險也大。

 　　將上述3種AIP作全麵的各性能指標評價，如果某項性能最好的定“好”，相比較居中者為“中等”，相比較性能較差者為“較差”（說明：“較差”並不意味這個性能達不到潛艇用要求，而僅表示三者相比為“較差”）。如果兩種或三種AIP性能分不出明顯優勢，則同為“好”或“中等”。比較結果列表如下：

 

三種AIP的性能指標評價

閉式循環柴油機AIP：CCDAIP

斯特林發動機AIP：SEAIP

燃料電池FC：FCAIP

AIP方案性能指標 CCDAIP SEAIP FCAIP

航 程 了------- 中等 -- 中等 -- 好

潛水深度------- 中等 -- 中等 -- 好

低噪聲級------- 較差 -- 中等 -- 好

散發至舷外熱量--中等 -- 中等 -- 好

研製費用-------- 好 --- 中等 -- 較差

運行費用-------- 好 --- 中等 -- 較差

研製周期-------- 好 --- 中等 -- 較差

裝置安全性------ 好 ---- 好 --- 中等

維修性能-------- 好 --- 中等 -- 好 

研製風驗-------- 好 --- 中等 -- 較差

 

　　評論

　　因為CCDAIP柴油機技術十分成熟，振動噪音經減振降噪後能滿足常規潛艇“安靜”性要求，而且研製費用低、周期短、風險小、見效快，因此深入研究CCDAIP，並向實用化邁進，是我們應該重點抓好的大事，應優先發展。SEAIP在我國也具有一定的技術基礎，技術成熟後裝艇性能較好，因而也是有發展前途的AIP。燃料電池，由於研製風險大、費用高、周期長、盡管其性能優良，但近期應用前景畢竟因現實條件製約而受到很大限製，但它是今後發展的主要方向，我們應做好技術跟蹤工作。

　　可以設想，若利用現有柴油機主機技術，作CCDAIP實驗研究，那麽不僅閉式循環柴油機可較快研製成功，而且輔助係統如CO2吸收器、水處理係統等均可隨之試驗研製，這樣主機和輔機係統能同步發展，實現AIP潛艇將不是一件遙遠的事情了。

　　還應看到，盡快發展CCDAIP能促進SEAIP的研究工作，因為CCDAIP的CO2溶解排出技術、液氧貯存技術等均可移植至SEAIP中。因此CCDAIP在較短時間內研製成功可促進SEAIP的研製開發工作。

　　總之，根據國際及周邊環境國家的常規潛艇AIP現狀，常規潛艇裝備AIP是必然的發展趨勢。

　　中國可能不會大批量裝備AIP潛艇

　　AIP裝置能夠極大改善常規潛艇的水下機動性，因此成為現代潛艇的首選動力技術。中國在燃料電池技術方麵也擁有國際領先的技術，實際上也擁有AIP技術，發展潛艇AIP技術也是順理成章的事。

　　但是，現代電池技術的發展有可能改變了中國潛艇的發展路線。現代高能蓄電池例如鋰電池技術的發展提供了新的水下動力技術。現代高能電池能夠提供超過老式鉛酸蓄電池十幾倍的能量輸出，能夠提供潛艇幾倍的水下機動力。高能鋰電池已經解決了造價高，安全性和快速充電等問題，使用高能電池已經能夠提供接近AIP動力的水下機動能力。而AIP動力存在著成本高、結構複雜、安全性差。如果使用燃料電池技術，必須解決液氧和氫氣的儲存問題，氫氣可以采取金屬儲存，但液氧非常麻煩，屬於高危險物品，儲存使用都麻煩。

從《現代艦船》采訪潛艇設計師的文章看，中國不太欣賞AIP技術。一方麵常規潛艇的使用不強調遠洋作戰，遠洋作戰的主力是核潛艇。常規潛艇的優勢在淺水水域。中國潛艇的作戰戰術是在基地充滿電以後出航，在敵情不嚴重的情況下上浮充電。在使用上比AIP動力還靈活一些，因為使用AIP動力一旦液氧使用光必須回基地。相比較，AIP動力潛艇並不比高能電池常規潛艇具有明顯優勢。而且造價遠遠超過高能電池常規潛艇。因此雖然不排除中國建造AIP潛艇作為技術驗證，但是估計中國不會批量製造裝備部隊。

本人認為，AIP潛艇是無核國家發展方向。對於不能開發、或不允許開發核動力的國家來說，這是最好的選擇。但是，AIP潛艇從各方麵來評判，都遠不如核動力潛艇。中國是核大國，有能力、有基礎開發核潛艇。我覺得，中國不會、也不應該把重點放在AIP潛艇上，而是進一步發展、完善核動力潛艇，建立一支以核動力潛艇為主的水下長城。