常規潛艇的“芯動力”——AIP原理比析

常規潛艇的“芯動力”——AIP原理比析

 

文章來源：現代兵器  2006年第03期    

 

　　編者按：2005年10月19日，繼瑞典“哥特蘭”（A－19）級潛艇之後，德國212A型潛艦U－31和U－32號正式加入海軍行列。作為世界最先進的兩級常規動力潛艦，最讓人感興趣的是它們所裝備的新型AIP係統，那麽，AIP係統為什麽總是吸引著人們的眼球呢？ 

　　近年來，隨著科學技術的進步，反潛探測裝備和技術迅猛發展，各型聲納、磁探儀、天基雷達、激光探測器、紅外探測儀等新型反潛設備投入使用，大大降低了常規潛艇的作戰效能。這其中的主要原因就是常規潛艇水下航行時，蓄電池儲備電能極其有限，當電能消耗到一定程度時，就需要上浮至通氣管航行狀態利用柴油發電機組對蓄電池進行補充充電。而此時是常規潛艇最容易暴露的時刻，這也是常規潛艇最致命的弱點之一。因此，增大常規潛艇水下續航力和續航時間，減小通氣管航行狀態的暴露幾率，提高隱蔽性，一直是常規潛艇設計者和使用者長期為之奮鬥的目標.

　　不依賴空氣推進係統（AIP）是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進動力和其他動力的能源係統。常規潛艇的AIP（Air Independent Propulsion）係統主要利用自身攜帶的氧氣（通常為液氧），為熱機或電化學發電裝置提供燃燒條件，完成能量轉換，提供水下航行所需的推進動力。

　　目前，國外常規潛艇的AIP係統主要分為兩大類：熱機係統和電化學係統。其中熱機AIP係統主要包括閉式循環柴油機(CCD/AIP)、斯特林發動機(SE/AIP)、閉式循環汽輪機(MESMA/AIP)、核電混合推進係統(SSN/AIP)；電化學AIP係統主要是聚合物電解質膜燃料電池（PEM/AIP），包括堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池。但目前國外技術較為成熟、或者已進入實用階段，能夠大幅提高常規潛艇水下作戰能力的AIP係統主要是閉式循環柴油機、斯特林發動機、閉式循環汽輪機和燃料電池這四種。這些AIP係統有的已經成功進行了試驗，有的已經裝備新型潛艇。

閉式循環柴油機係統

　　閉式循環柴油機（CCD/AIP）除了進、排氣係統與普通柴油機不同外，其工作原理與目前常規動力潛艇所使用的普通柴油機是一樣的。其工作原理是：用潛艇自帶的氧氣代替空氣中的氧，將廢氣中的二氧化碳經過冷卻和吸收後排到艇外，部分二氧化碳作為工質參加循環工作；同時用氫氣取代空氣中的氮氣，改善循環氣體的燃燒質量。其具體工作流程是：將氧氣和氫氣按一定比例混合成相當於空氣成分的氣體輸入到柴油機的氣缸中，然後柴油與氧氣發生燃燒反應，產生的熱能推動活塞運動進而帶動曲軸運轉，產生機械能。燃燒後的廢氣從柴油機排出，溫度大約在350-400℃ 之間，主要成分是二氧化碳、水蒸氣、氬氣和部分氧氣。這些廢氣經過噴淋冷卻器被冷卻到100℃左右，其中的水蒸氣被冷卻成水，剩餘廢氣進入一個吸收器。二氧化碳與吸收器噴淋的海水混合並被吸收，由海水管理係統排出艇外。這套係統與柴油機的工作深度、潛艇下潛深度均無關係。部分經過處理的廢氣補充氧氣和氫氣後，再進入柴油機參加循環工作，整個過程均使柴油機在閉式循環的工況下工作，可由一台中央計算機控製並管理。

 

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　　技術實現的難點和重點　其一，是將廢氣中的水蒸氣和二氧化碳排出是實現閉式循環的關鍵所在。其中水蒸氣可以通過冷卻成水加以解決，但是二氧化碳的吸收排除卻是難中之難，主要方法是堿溶液吸收法、再生吸收劑吸收法和海水溶解法，其中最好的應是海水溶解法，原料取之不竭，用之方便，實現難度較小。其二，是使柴油機在使用循環氣體的情況下能保證足夠的燃燒質量，產生足夠大的功率。雖然循環氣體中的二氧化碳經過吸收排除，但是整個循環氣體中二氧化碳的濃度依然很高，勢必影響柴油機的效率，因此通過加入少量氬氣來克服。

　　主要的技術優點　柴油機技術成熟，性能比較可靠，壽命長，目前此AIP係統所用柴油機可以是標準的潛艇用柴油機，製造和裝配技術非常成熟，工作壽命要比其他AIP係統的主機時間長；燃料可以通用，此 AIP 係統所用柴油與普通常規潛艇所用的一樣，可廣泛采購，不存在後勤供應問題；隨時可以在閉式循環和開式循環兩種工況下進行自由轉換，因為該係統所用柴油機與普通柴油機一樣，所以可以進行自由轉換，增加潛艇使用的靈活性；由於可以使用大量成熟技術，且水上、水下均可使用，耗油率較低，維修費用相對較低，因此是AIP係統中最經濟的一種形式；工作不受潛艇下潛深度影響。

　　存在的缺點和不足　工作效率低、氧氣消耗量大、排出的熱量多，按13000海裏的續航能力計算，一艘209型潛艇采用燃料電池僅需攜帶15噸左右的液氧，而采用閉式循環柴油機、則需30噸左右的液氧；產生的噪聲大，閉式循環柴油機采用的是普通柴油機，係統的運動部件較多，工作過程中機械運動產生的噪聲較大，雖然可以采取降噪技術將噪聲降低到安靜航行時的水平，但是總體上比采用燃料電池噪聲要大；係統輸出功率受到限製，因為受到潛艇的噪聲控製指標的限製，一般要求每台普通柴油機的輸出功率≤500千瓦，因此閉式循環柴油機的輸出功率很難再增加。

 

 

　　目前德國、荷蘭、意大利和英國都在積極開發研製此類AIP係統。1993年，德國在退役的205級潛艇U-1號上成功試驗了250千瓦的閉式循環柴油機係統，並將眼光投向大量出口國外的209型潛艇的改裝上，擬用一個附加耐壓艙段來安裝AIP係統，以插入方式加到209潛艇中，這樣可使潛艇水下最高航速不變，水下續航時間增加4-5倍，水下4.5節航速可連續航行386小時，續航力接近1800海裏。荷蘭和意大利也先後成功試驗了閉式循環柴油機係統，準備用於對現役潛艇進行改裝或用於新建的常規動力潛艇。

斯特林發動機係統

　　斯特林發動機（SE/AIP）係統與閉式循環柴油機係統大致相同，最主要的不同就是發動機。SE/AIP係統使用的是熱氣機，而CCD/AIP係統使用的是閉式循環柴油機。熱氣機的構想是英國科學家羅伯特•斯特林於1816年率先提出來的，它是一種由外部熱源加熱，並將熱能轉換為機械能的熱機，其循環是一種閉式、采用定容下回熱的氣體循環，簡稱斯特林循環，其具體工作原理是：斯特林發動機的活塞上室為熱室，它與另一活塞的下室相連，四個缸相互連接在一起，具體的是1號缸上部的熱室與2號缸下部的冷室相連，2號缸上部的熱室與3號缸下部的冷室相連，3號缸上部的熱室與4號缸下部的冷室相連，4號缸上部的熱室與1號缸下部的冷室相連，互相差90°角。它們使工作氣體在熱室和冷室之間來回移動，使活塞運動並帶動曲柄轉動。斯特林發動機主要是在水下續航狀態下工作，與蓄電池並聯，向推進電機、全艇輔機及其他用電設備供電。

　　技術實現的難點和重點　主要在於斯特林發動機的水下燃燒係統，因為該係統所使用的氧化劑是純氧，燃燒方式為燃氣再循環，並且是在高於周圍海水壓力的高壓情況下進行燃燒。

　　主要技術優點　機械噪聲與振動較小。因為斯特林發動機是一種從外部對內部氣體工質連續加熱使之做功的活塞式往複發動機，燃燒過程中沒有柴油機的爆燃現象，燃燒過程平穩，因此發動機的噪聲與振動較小，但是有些斯特林發動機的部件依然采用往複式運動機械，所以在裝備潛艇時仍要加裝雙層隔振係統以減小水下噪聲。廢氣排放方便，當熱氣機的燃燒壓力為22公斤／厘米2時，廢氣水下排放不需要閉式循環柴油機係統的龐大水管理係統，在潛深200米內可以自主排放，即使增加潛深也隻需要小型壓縮機協助。當燃燒壓力小於20公斤／厘米2時，廢氣水下自主排放的深度要相應減小。這種發動機的廢氣排放深度與燃燒壓力有關，這也是技術實現的一個難點。

 

　　缺點和不足　功率較低，斯特林發動機由於其自身固有的低功率密度的特點，因而決定了整個AIP係統的功率密度小於CCD/AIP係統。如果要加大功率，需要配幾台發動機，但這又影響到整個潛艇的布局與使用，實現功率突破難度較大；燃油消耗量較大，目前要高於普通柴油機。

　 當前，在SE/AIP係統較有建樹的國家是瑞典。瑞典考庫姆公司從上世紀60年代末就開始斯特林發動機的研製工作，目前已經成功研製出71千瓦的 V4-275R 型斯特林發動機，裝備於1995年2月2日下水的“哥特蘭”號潛艇，並使之成為世界上第一艘裝備SE/AIP係統的常規潛艇，這也標誌著斯特林發動機進入了實用階段。近年來，日本也從瑞典引進了斯特林發動機的建造技術，用於裝備或改裝海上自衛隊潛艇。

閉式循環汽輪相係統

　　閉式循環汽輪機係統（MESMA/IP）係統主要由4個分係統構成：液氧儲存罐、燃料儲存罐及一、二回路係統。其中燃料通常選擇乙醇，存放在儲存罐中的橡膠袋中；一回路係統包括高壓燃燒室、熱交換機、冷凝器；二回路係統包括蒸汽發生器、蒸汽輪機、冷凝器。具體工作原理及過程：將儲存在絕熱罐中的低溫液氧送到加熱器中加溫呈氣態，乙醇和氣態氧在高壓燃燒室裏燃燒，燃氣通過蒸汽發生器後大部分被冷卻，這些經冷卻的燃氣重新回到燃燒室，用於冷卻煙道壁，調節燃燒壁壁溫，使其保持在1000℃以下，同時稀釋乙醇／氧氣的混合氣體，使其燃燒溫度保持在700℃的最佳狀態。一小部分未經冷卻的燃氣有些直接排出艇外，有些以液態方式儲存在艇內。水在蒸汽發生器吸收燃氣熱量後變成高溫高壓蒸汽，溫度達500℃ ，壓力大約為18公斤／厘米2，這些蒸汽推動蒸汽輪機做功，驅動交流發電機和整流機組產生直流電，為推進係統提供能量。水蒸汽冷凝成水後，返回蒸汽發生器，完成循環過程。

　　技術實現的難點和重點　主要在於此係統的液氧采用的是高壓儲存（60公斤／厘米2）或者低溫低壓儲存（﹣185℃，2-10公斤／厘米2），無論液氧儲存罐置於何處，必須要經得起5g的衝擊。因此液氧儲存罐應安裝在低頻率的彈性基座上，基座固有頻率應小於5赫茲。

　　主要技術優點　功率大，可滿足潛艇水下航行需要，法國在為巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B級潛艇上所安裝的 MESMA/AIP係統的功率為200千瓦；燃燒產物的排放非常隱蔽，由於燃燒時的壓力較大，燃燒產物的壓力也較大，不需要使用其他機械係統加壓就能自動排出艇外，相應也就減少了潛艇的自噪聲；另外使用氣泡分裂係統使排出的二氧化碳氣泡減小，提高廢氣的海水溶解度，如果情況危急，可將燃燒產物進行冷凝儲存在艇內，此舉將大大提高潛艇的隱蔽性。

　　缺點和不足　整個係統非常龐大，輔助機械設備較多，此AIP係統主要部件有燃燒室、蒸汽發生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、渦輪交流發電機、各類泵，所以係統安裝布置比較困難，需較大艙室空間，這直接影響此AIP係統的實用性；熱效率低、經濟性較差，此AIP係統的氧消耗量比閉式循環柴油機（CCD/AIP）係統要高15％左右，同時在相同水下續航力的條件下，乙醇所占容積要比CCD/AIP係統多一倍，而且所有係統部件都需要特殊的設計，投資較大，經濟性差。

 

 

　　目前法國是在MESMA/AIP係統上取得進展最大的國家。1988年以來，法國就使用400千瓦燃燒室平台進行該係統的試驗，並且取得較大進展，已進入實用階段。1994年，巴基斯坦從法國艦艇建造局訂購了3艘“阿戈斯塔”90B級潛艇，這三艘潛艇將安裝法國自主研製的MESMA/AIP係統，這將大大提高巴基斯坦的水下作戰能力。除此之外，德國MTU公司也在加大對MESMA/AIP係統的研究力度，其使用的燃料將是柴油，功率也會增大到700千瓦，一旦研製成功，將會大大提高MESMA/AIP係統在國際市場上的競爭能力。

燃料電池係統

　　燃料電池（FC/AIP）係統是最具競爭力的AIP係統，它是直接將反應物質化學能用電化學方式直接轉換為電能的能量供應係統。主要組成部分有燃料電池及其儲存設備和轉換器、氧化劑及其儲存設備和轉換器、控製裝置。其中燃料電池主要種類有堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸燃料電池、固體氧化物電解燃料電池等，其中最有前途的是質子交換膜燃料電池（PEMFC）。

　　質子交換膜燃料電池係統中的氫／氧燃料電池的工作原理實際上就是電解水的逆過程。質子從陽極移到陰極，在陰極氧氣反應形成陰離子，陰離子與透過薄膜的氫陽離子反應生成水。這種燃料電池采用鉑作催化劑的氣體擴散電極，其負載量為4毫克/平方厘米，碳板用作導電體。電池雙極板之間的冷卻裝置將水從係統中排出。一定數量的電池模塊通過串、並聯方式組成燃料電池裝置，這隻是一種單純的能量轉換裝置。

　　燃料電池係統構成與一般電池有很大差別。在此係統中，反應物質及其存儲裝置與能量轉換裝置是相互獨立的。燃料電池的大小決定係統的輸出功率，與儲存能量多少無關；反應物質多少決定係統儲存能量，在一定的輸出功率下如果要增大儲存能量，隻需增大反應物質及其存儲裝置，無須增大能量轉換裝置，即燃料電池。反應物質用完後，補充反應物質即可，無需更換燃料電池。

　　主要技術優點　能量轉換效率很高，燃料電池通過電化學方式直接將化學能轉變為電能，省去了熱機發電時所必須經過的“燃料化學能→熱能→機械能→電能”複雜的轉換過程，減少了能量損耗，理論上的能量轉換效率可以達到100%，實際效率可達到70%；對外熱輻射較少。由於能量轉換過程中能量損耗較少，所以相應的散熱也少，這就有效的降低了潛艇的熱輻射，減小被敵紅外探測儀器發現的幾率；噪聲較小，燃料電池係統由於直接進行能量轉換，因此本身並無機械運動部件，因此工作過程中非常安靜，可以使得潛艇在航行時獲得極佳的隱蔽性；係統維護保養、製造加工很方便，由於係統無機械運動部件，因此就沒有磨損造成的故障，同時對於零部件的加工要求低，也便於製造加工，通過集中控製裝置可以實現對各個輔助係統的控製，便於實現自動化；過載能力強，燃料電池的短時過載能力可達額定功率的2倍，而柴油機等熱機卻沒有這麽大的過載能力，因此裝備燃料電池AIP係統的潛艇可進行短時的加速航行；係統配置靈活，便於安裝，燃料電池是由若幹個電池單元串、並聯而成，可根據潛艇內部布置的需要，靈活選擇燃料電池的配置方式；效率隨輸出功率變化特性較好，特別適合潛艇對於動力裝置需要功率範圍寬而效率高的要求。

 

　　缺點和不足　燃料危險性非常大，易發生險情，目前的燃料電池隻能用純氫作燃料，純氫的加工提取工作異常複雜，且在潛艇狹小空間內，純氫一旦發生泄漏，濃度超過極限易發生爆炸，危險性很大；係統比功率較小，目前質子膜燃料電池的比功率隻有100瓦／公斤，比之柴油機的300瓦／公斤相差較遠，要想達到相同功率，燃料電池所需重量要大於柴油機等；工作壽命短、價格較高，目前的質子膜燃料電池的工作壽命隻有5000小時，距離40000小時的目標壽命相距較遠，同時其價格也是柴油發電機組的3-6倍，約為3000美元／千瓦，不是一般國家海軍可以承受了的。

　　潛艇用燃料電池（FC/AIP）係統的開發工作已經走過了三個曆史階段。第一階段，隨著1960年燃料電池在航天領域率先成功運用後，很多國家對其在潛艇上的運用產生了濃厚的興趣，美國、瑞典先後投入了大量的人力、物力、財力對此進行研究，但由於當時技術工藝水平尚不能達到實用要求，不久遂停止了研製工作。第二階段是1970 -1980年，日本進行了大量的開發研製工作，後來也因種種原因停止。第三階段是1980年之後，德國加大了此項研究力度，並成功地將燃料電池安裝到潛艇上進行海上試驗，引起全世界的關注，各國隨後都加大了對FC/AIP係統的研究投入。

　　此外，核電混合推進係統（SSN/AIP）的研製工作也在不斷推進和深入，加拿大在此類AIP係統的研究方麵走在了世界各國的前麵，其研製的AMPS型核電混合推進係統即將邁入實用階段，這種隻需經過簡單改裝就可使常規潛艇變成小型核潛艇的動力係統日益引起各國海軍的注意。但必須指出的是，目前無論哪種AIP係統，其輸出功率均不能滿足常規潛艇水下最大航速航行的需求。隻有將AIP係統與當前潛艇的“柴電”動力裝置組合在一起，構成混合推進裝置才具備實用價值。AIP係統隻有在作戰情況下使用，作為輔助動力係統，延長潛艇水下續航時間和航行距離，擴大水下活動範圍。而在一般情況下，還需“柴電”動力裝置作為主要推進係統。無論怎樣，AIP係統使得常規潛艇可以在敵情威脅嚴重的情況下取消通氣管狀態，減少暴露幾率，提高隱蔽性，一旦裝備潛艇後，無疑將會使現代常規潛艇的攻防作戰能力得到大幅提升。

 

　　對於未來常規潛艇的AIP係統的選擇，一直是大家所關注的。從目前來看，燃料電池（FC/AIP）係統綜合性能最佳，但危險性也相對較高，因此在解決燃料安全性的問題之後，這類係統無疑是潛艇的最佳選擇。而其他三類AIP係統，無論從性能和安全性來講，都相差不大，從技術實現難度來看，斯特林發動機（SE/AIP）係統也最小，因此可以作為當前的選擇。