陸　宏，趙　熙，倪亞菲，邵明臣，李大鵬

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

無人水下航行器外熱源熱機用無氣體產(chǎn)生燃料

陸宏，趙熙，倪亞菲，邵明臣，李大鵬

(海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

無人水下航行器（UUV）在軍事領(lǐng)域正得到愈發(fā)廣泛的應用，動力裝置是其技術(shù)難點之一。無人水下航行器采用外熱源熱機，在續(xù)航力和航速上，都優(yōu)于其他類型動力裝置，且使用無氣體產(chǎn)生燃料，可從根本上解決水下氣體排放問題，提高航行隱蔽性，具有良好的軍事應用前景。本文根據(jù)無人水下航行器的使用條件和技術(shù)要求，對適用于無人水下航行器外熱源熱機的無氣體產(chǎn)生燃料進行了廣泛考察，給出了可用于無人水下航行器外熱源熱機的無氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑的組合。

無人水下航行器（UUV） 外熱源熱機無氣體產(chǎn)生燃料

0　引言

無人水下航行器（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）是無人作戰(zhàn)平臺重點發(fā)展方向，可執(zhí)行監(jiān)視、偵察、跟蹤、反水雷、反潛、海底勘探、深水打撈、水下電纜鋪設(shè)等多種任務(wù)，在軍事領(lǐng)域得到愈發(fā)廣泛的應用，相應地，對其動力系統(tǒng)要求隨之提高。

能源與推進系統(tǒng)是無人水下航行器技術(shù)難點之一[1]，努力方向是大能量儲量、高功率和高效率、緊湊型動力裝置，如金屬燃料電池、斯特林發(fā)動機、質(zhì)子交換膜電池等。

使用無氣體產(chǎn)生燃料的外熱源熱機作為無人水下航行器動力裝置具有明顯優(yōu)勢，可從根本上解決外熱源熱機氣體排放問題，提高無人水下航行器隱蔽性，且具有較大功率，可保證無人水下航行器大水下不間斷續(xù)航力、活動半徑、水下高航速，具有非常良好的軍事應用前景，國外甚至有建議，將其用于核動力潛艇的輔助動力裝置，可保障和提高核動力潛艇的安全性和可靠性[2]。

可使用無氣體產(chǎn)生燃料的外熱源熱機，包括斯特林發(fā)動機、閉式循環(huán)柴油機和閉式循環(huán)汽輪機裝置等[3]。

本研究通過廣泛考查無氣體產(chǎn)生燃料的物理化學性質(zhì)和燃燒特性，根據(jù)無人水下航行器的使用條件和技術(shù)要求，提出適用于無人水下航行器外熱源熱機的無氣體產(chǎn)生燃料及其匹配的氧化劑。

1　技術(shù)要求

無氣體產(chǎn)生燃料是一些化學物質(zhì)，其與氧化劑在與空氣隔絕的環(huán)境下燃燒時，反應產(chǎn)物僅為固體或液體，而不會產(chǎn)生氣體，反應產(chǎn)物可直接排放或在平臺上儲存。

相比潛艇等載人水下航行器，無人水下航行器對無氣體產(chǎn)生燃料及與其匹配的氧化劑的要求有所降低[3,4]，主要包括：1）反應溫度范圍內(nèi)無氣體產(chǎn)生，反應產(chǎn)物不包含高粘度物質(zhì)，不會降低反應物的流動性，且反應產(chǎn)物不會降低反應速率；2）高體積反應熱密度，可保障較少的燃料和氧化劑攜載量；3）反應可控，滿足寬廣航行工況范圍內(nèi)的功率需求；4）反應產(chǎn)物與反應物占據(jù)的體積相近，可實現(xiàn)反應產(chǎn)物無需排放；5）與燃燒室結(jié)構(gòu)材料兼容，可保障燃燒室穩(wěn)定、可靠工作，并延長其使用壽命；6）無毒，至少是弱毒性，便于運輸并可長期儲存，不易燃易爆，滿足使用安全性要求，減少后勤保障難度和工作量，便于無人水下航行器在潛艇和水面艦艇等搭載平臺上實現(xiàn)長期搭載；7）自然環(huán)境中儲量豐富，生產(chǎn)和采購成本低，從而降低無人水下航行器的使用費用。

2　分析與篩選

可作為外熱源熱機無氣體產(chǎn)生燃料的化學物質(zhì)很多，包括金屬、非金屬單質(zhì)或化合物，可匹配的氧化劑也很多，如氧化物、鹵族化合物、含氧的固體化合物等[5]。

表1給出了O2作為氧化劑，幾種化學物質(zhì)的燃燒特性，重點考察反應速率、毒性、放熱量、相態(tài)、穩(wěn)定性等方面。

表1　化學物質(zhì)與O2的燃燒反應特性

由表1可見，N2H4、C2H6、SiH4、P、B、Al具有較高的單位摩爾放熱量，但N2H4、C2H6、SiH4分別由于毒性、相態(tài)、穩(wěn)定性等原因，不符合作為無氣體產(chǎn)生燃料的要求。例如，C2H6具有較高的單位摩爾放熱量，且反應速率可控、無毒、經(jīng)濟性好，但燃燒放出CO2氣體，造成尾氣排放。液態(tài)H2單位體積放熱量大，可與液態(tài)O2燃燒，反應速率，且H2、O2在自然界中儲量豐富。

幾種非金屬物質(zhì)與鹵素單質(zhì)、非金屬單質(zhì)和氧化物的燃燒反應特性見表2[5]。

表2　非金屬的燃燒反應特性

表3　金屬的燃燒反應特性

鹵素單質(zhì)中，F(xiàn)2和Cl2有毒，Br2在常溫下易揮發(fā)，燃燒放熱量不大。N2H4、P、C燃燒產(chǎn)生氣體。H2和S燃燒放熱量不大。Si和Li燃燒可放出大量熱量，但反應產(chǎn)物 Li2S化學性質(zhì)不穩(wěn)定。SiH4燃燒放熱量大，但有毒，化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易燃易爆。B、Si燃燒的單位體積熱密度高，易制取，價格低廉。

幾種金屬燃料的燃燒反應特性見表3。Al和FeO的燃燒稱“鋁熱反應”，反應放出大量熱量，但需要在高溫下進行，需要使用Mg為引燃劑，KCl為助燃劑，反應難以控制。Li和 CrO3、Ti 和C、Be和S、Al和S的反應均無氣體產(chǎn)生，放熱量較大。

同一種金屬燃料可與不同的氧化劑反應。Mg顆粒與CO2或H2O反應，反應產(chǎn)物為固態(tài)，放熱量大，CO2價格低廉，制備、儲存和使用非常方便。反應產(chǎn)物 H2的儲存和處理工藝成熟。H2O作為氧化劑，相比使用O2和CO2，可減少占用無人水下航行器的體積，且費用低。

與非金屬燃料相比，金屬燃料具有以下優(yōu)勢：

1）反應放熱量大；

2）占用體積小；

3）反應產(chǎn)物占據(jù)體積與反應物相當；

4）反應產(chǎn)物可還原出金屬，廢渣少；

5）燃燒不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)；

6）生產(chǎn)和制備技術(shù)成熟。無人水下航行器外熱源熱機使用金屬燃料不具有難以克服的技術(shù)問題。見表4。

綜合考慮，無人水下航行器外熱源熱機使用的金屬燃料首選Mg和Li。

3　比較與推薦

表4　無氣體產(chǎn)生燃料的比較

4　結(jié)束語

使用金屬作為無人水下航行器外熱源熱機的無氣體產(chǎn)生燃料，相比非金屬燃料，在反應產(chǎn)物、反應放熱量、制備與儲存、安全性等方面，均具有優(yōu)勢。

在此方向上，需要開展進一步的理論和實驗研究，包括燃燒特性、外部條件對燃燒過程的影響、反應催化劑的選擇等。

[1] ДядикА.Н.Корабельныевоздухонезависимыеэнергетические установки[M].СПб: Судостроение，2006.

[2] 李大鵬. 潛艇AIP裝置[M]. 國防工業(yè)出版社，2015.

[3] 張曉東，李大鵬. 閉式循環(huán)汽輪機裝置使用的無氣體產(chǎn)生燃料[J]. 能源研究與信息，28（2），2012: 120-124.

[4] 李大鵬，王臻. Mg作為外熱源式AIP裝置無氣體產(chǎn)生燃料研究[J]. 船電技術(shù)，34（10），2014: 2-3.

[5] 伊赫?！ぐ蛡? 純物質(zhì)熱化學數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京:科學出版社，2003.

No-gas Generation Fuel Used in External Heat Source Engine of Unmanned Underwear Vehicle（UUV）

Lu Hong，Zhao Xi，Ni Yafei，Shao Mingchen，Li Dapeng
(. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Unmanned underwater vehicle(UUV) is applied to the military field more and more widely，of which power plant is one of its technical difficulties. External heat source engine is better than the other types of UUV’s power plants by the characters of continuous navigation capacity and navigation velocity. Employment of no-gas generation fuel for the UUV can resolve the problem of gas exhaust underwater and improve navigation stealth. According to technical requirements and working conditions of the UUV，no-gas generation fuels that can be used in the external heat source engine of the UUV are investigated，and used no-gas generation fuels and theirs oxidizers are given in this thesis.

unmanned underwater vehicle(UUV); external heat source engine; no-gas generation fuel

TM621

A

1003-4862（2015）12-0030-04

2015-07-01

教育部第47批歸國留學人員科研啟動基金，教外司留（2013）第1792號

陸宏(1979-)，女，碩士研究生。研究方向：艦船動力裝置。