胡 靜 孫俊忠 周智勇 郝海靜

1 引言

常規(guī)動力潛艇以其造價低、機(jī)動性好、技術(shù)成熟、輻射噪聲小、適于中近海作戰(zhàn)等特點(diǎn)，一直備受各國海軍的重視，而其水下續(xù)航能力較差、通氣管航行暴露率高的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了進(jìn)一步的發(fā)展。為提高常規(guī)潛艇的綜合作戰(zhàn)效能，許多國家都在探索不依賴空氣的推進(jìn)裝置（Air Independent Propul?sion，AIP）。AIP技術(shù)的應(yīng)用使常規(guī)潛艇進(jìn)入了一個新的發(fā)展時代，同時也對常規(guī)潛艇兵力作戰(zhàn)使用帶來了深遠(yuǎn)的影響［1-3］。目前相對成熟，且進(jìn)入了實用階段的AIP技術(shù)可分為熱機(jī)系統(tǒng)、電化學(xué)系統(tǒng)和小堆系統(tǒng)三大類，其中熱機(jī)系統(tǒng)包括斯特林發(fā)動機(jī)（SE/AIP）、閉式循環(huán)柴油機(jī)（CCD/AIP）、閉式循環(huán)渦輪機(jī)（MESMA/AIP）等形式；電化學(xué)系統(tǒng)以燃料電池（FC/AIP）形式為主；小堆系統(tǒng)是基于低功率核動力裝置（LLNP/AIP）的動力系統(tǒng)。

2 幾種典型AIP基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)（SE/AIP）

SE/AIP系統(tǒng)主要由斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、液氧系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工質(zhì)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，其工作過程是：在燃燒室內(nèi)，氧氣和燃油持續(xù)燃燒，燃燒的火焰將加熱器加熱，由加熱器把熱能不斷地傳遞給流經(jīng)其內(nèi)部的工作介質(zhì)（氦氣或氬氣），介質(zhì)吸收熱量膨脹做功，推動活塞運(yùn)動，再通過曲柄、連桿機(jī)構(gòu)變往復(fù)運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出功率。

瑞典最早將斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)潛艇上。1996年4月，瑞典A-19級首艇“哥特蘭”號潛艇服役，該潛艇為世界上第一艘實用型AIP潛艇?！案缣靥m”號潛艇動力系統(tǒng)采用的MK2（V4-275R）發(fā)動機(jī)是目前技術(shù)最為成熟的AIP斯特林發(fā)動機(jī)，其額定功率為65kW，最大功率為75kW［4］。瑞典對MK2型斯特林發(fā)動機(jī)的改進(jìn)很緩慢，后續(xù)型是MK3。MK3主要在發(fā)動機(jī)效率、輸出功率、水下運(yùn)行深度、隱蔽性等方面有所改進(jìn)。目前裝備有SE/AIP系統(tǒng)潛艇的國家有瑞典、新加坡、日本等，其中日本SE/AIP技術(shù)引進(jìn)于瑞典，并于2003年在“春潮”級和“朝潮”級常規(guī)潛艇上試航成功。

2.2 閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)（MEMSA/AIP）

MEMSA/AIP系統(tǒng)由液氧儲罐、燃料儲罐、燃燒室、冷卻裝置、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)等部分組成。閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)的工作過程是：一回路中的氧氣與乙醇在燃燒室內(nèi)混合燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈱⒍芈分械牡訜岢烧羝?，蒸汽對蒸汽輪機(jī)做功，使汽輪機(jī)驅(qū)動交流電機(jī)產(chǎn)生直流電，從而為潛艇提供直流電源。

MEMSA/AIP系統(tǒng)的研究國家主要是法國，法國DCN公司開發(fā)了CCST裝置，功率范圍為150kw～600kw。法國第一代MESMA/AIP系統(tǒng)功率為200kw，安裝于出口巴基斯坦的“阿哥斯塔”90B級潛艇上，這也是MESMA/AIP技術(shù)的代表艇型。法國和西班牙聯(lián)合開發(fā)的“魷魚”級潛艇，可以加裝MESMA/AIP系統(tǒng)，該潛艇已成功銷往馬來西亞、印度、巴西等國［5］。

2.3 閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)（CCD/AIP）

CCD/AIP系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、吸收裝置、水管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液氧系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。CCD/AIP系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的柴油機(jī)，潛艇攜帶的氧氣和氬氣按一定比例混合后在柴油機(jī)內(nèi)與柴油發(fā)生燃燒反應(yīng)，排出的廢氣經(jīng)一套噴淋冷卻系統(tǒng)冷卻后，被送入吸收器中，吸收器使廢氣中的二氧化碳溶于海水，從而起到凈化廢氣的作用，冷卻所需海水量由在任意水深下均可運(yùn)行的海水管理系統(tǒng)控制，凈化后的廢氣被混入新鮮的氧氣，再次進(jìn)入柴油機(jī)做功。

英國目前在CCD/AIP的研究上處于世界領(lǐng)先水平。英國的CDSS公司，現(xiàn)有可達(dá)144kW的D2566ME型、250kW的MTU8V183TE52型、400kW的MAN型CCD/AIP系統(tǒng)［4］。1993年，德國蒂森公司北海船廠（TNKS）利用250kW閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)在退役205級U-1艇上成功進(jìn)行了試驗，論證了在209型潛艇上加裝CCD/AIP艙段的可行性。目前，德國、英國、荷蘭、意大利、以及英國等國都在積極研制閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)。

2.4 燃料電池AIP系統(tǒng)（FC/AIP）

FC/AIP系統(tǒng)由燃料電池本體、氫源、氧源、輔助系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成［6］。輔助系統(tǒng)主要包括水收集系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)、冷卻系統(tǒng)等。管理系統(tǒng)包括氫氣供給、氧氣供給、尾氣管理、氣體增濕、控制單元、DC/DC變換單元、安全管理等模塊。氧源的液氧罐儲存方式技術(shù)成熟，是目前最適合艇用化的儲氧方式［7］，氫源金屬氫化物是目前最適合潛艇FC/AIP系統(tǒng)的儲氫方式。FC/AIP在潛艇上應(yīng)用的基本原理是氫燃料和氧化劑在燃料電池質(zhì)子交換膜兩側(cè)催化劑表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)轉(zhuǎn)化為電能，為潛艇提供電源。

目前，在德國、俄羅斯等國家的FC/AIP技術(shù)已成功應(yīng)用于潛艇，其中德國潛艇對燃料電池潛艇最早，研制水平在世界上也一直處于領(lǐng)先地位。德國的西門子公司和HDW公司生產(chǎn)的FC/AIP代表艇型是214型和214A型。俄羅斯研制的677型“拉達(dá)”級潛艇，可以加裝燃料電池AIP系統(tǒng)，由于造價昂貴尚未安裝，其出口型“阿穆爾”級潛艇于2004年成功進(jìn)行了海試［8］?！鞍⒛聽枴?1650 型潛艇的AIP系統(tǒng)額定功率為300kW，F(xiàn)C效率約為70%。

2.5 低功率核動力裝置AIP系統(tǒng)（LLNP/AIP）

LLNP/AIP系統(tǒng)由反應(yīng)堆、預(yù)熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、透平、發(fā)電機(jī)等部分組成。該系統(tǒng)包括兩個獨(dú)立回路，一回路中反應(yīng)堆運(yùn)行，反應(yīng)堆活性區(qū)流出的高溫水通過蒸發(fā)器將熱量傳給二回路工質(zhì)氟利昂，透平中工質(zhì)焓降做功，帶動發(fā)電機(jī)，為潛艇提供電源。冷凝器中將做功后乏汽冷凝，泵送入預(yù)熱器，再回到蒸發(fā)器。

目前加拿大ECS集團(tuán)在LLNP/AIP的研究上處于世界領(lǐng)先水平，該公司研發(fā)的AMPS系統(tǒng)是目前實際裝備和運(yùn)行的小型反應(yīng)堆裝置，技術(shù)也最為成熟。加拿大曾研究了不同AMPS裝置方案，包括1000t級排水量潛艇使用100kW和400kW功率的AMPS裝置，可以安裝在德國U-209級和瑞典A-17級潛艇上。法國曾將小型反應(yīng)堆裝置安裝在排水量1050t“阿戈斯塔”級非核動力潛艇上，實驗表明13kn水下航速下續(xù)航力可達(dá)12500海里［9］。此外，法國、西班牙、美國、日本均對類似潛艇動力裝置進(jìn)行了研究［10～12］。

3 不同AIP技術(shù)的性能對比

不同AIP技術(shù)具有不同特點(diǎn)，表1列出了不同AIP系統(tǒng)的主要性能對比。

當(dāng)前各國AIP技術(shù)仍是以斯特林發(fā)動機(jī)和燃料電池為主要潮流。對于熱機(jī)系統(tǒng)的AIP而言，他們的共同點(diǎn)是均需要燃料的燃燒和機(jī)械的傳動，因此無法避免熱輻射和機(jī)械噪聲的產(chǎn)生，且熱機(jī)系統(tǒng)的最高效率受卡諾循環(huán)的限制，最高效率不會超過50%。此外，高耗氧量和廢氣的處理也是制約熱機(jī)系統(tǒng)AIP綜合性能的一個重要原因。閉式循環(huán)汽輪機(jī)雖然利用一種分裂氣泡的系統(tǒng)使二氧化碳?xì)馀荼M量變小，降低了廢氣排放的噪聲，但是多回路結(jié)構(gòu)設(shè)計占據(jù)了潛艇大量的重量和空間，所以應(yīng)用前景不大。

小堆AIP潛艇不需要消耗氧氣，續(xù)航力和水下航速相對使用常規(guī)碳?xì)淙剂系姆呛藵撏в辛溯^大的提升，但小堆LLNP/AIP設(shè)備造價昂貴，使用復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用相對較高，小堆AIP潛艇的技術(shù)參數(shù)和戰(zhàn)斗性能與常規(guī)核動力潛艇還有很大差距，因此LLNP/AIP技術(shù)仍無法成為主流發(fā)展方向。

燃料電池?zé)o轉(zhuǎn)動機(jī)械的特性在很大程度上減少了噪音，增加隱蔽性，且生成的直接產(chǎn)物水也易于處理。燃料電池直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換比傳統(tǒng)熱機(jī)轉(zhuǎn)換減少了2個環(huán)節(jié)，高效率（最高可達(dá)80%）這一絕對優(yōu)勢決定了FC/AIP技術(shù)未來良好的發(fā)展前景。

表1 不同AIP系統(tǒng)的主要性能比較

4 未來FC/AIP技術(shù)的發(fā)展趨勢

瑞典和德國在AIP潛艇技術(shù)水平和研制數(shù)量上處于世界領(lǐng)先地位，SE/AIP和FC/AIP是目前技術(shù)最為成熟、潛艇裝備數(shù)最多的方案。SE/AIP系統(tǒng)屬于熱機(jī)系統(tǒng)，工作過程中需經(jīng)過燃油燃燒或氣缸內(nèi)爆炸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再經(jīng)過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，能量轉(zhuǎn)化效率低，發(fā)展受輻射噪音和運(yùn)行效率和廢氣處理的限制。FC/AIP系統(tǒng)屬于電化學(xué)系統(tǒng)，工作時無需經(jīng)過燃燒而將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，理論轉(zhuǎn)化效率接近90%，且無機(jī)械噪聲、熱輻射小、反應(yīng)生成物排放簡單，不受潛艇航行深度的限制。近年來FC/AIP潛艇受到越來越多國家的關(guān)注，列裝數(shù)量也明顯增多，F(xiàn)C/AIP潛艇將會成為未來常規(guī)潛艇的一個重要發(fā)展方向。

從世界AIP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，各種AIP技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，也均有其不足，各國根據(jù)本國的國情、潛艇技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)儲備狀況選擇了適合本國國情的AIP技術(shù)。表2為國外正在研制中的AIP潛艇主要性能，從表中可以看出裝備AIP動力系統(tǒng)已經(jīng)成為了常規(guī)潛艇的主流趨勢，多數(shù)艇型采用了FC/AIP系統(tǒng)。瑞典仍堅持將SE/AIP系統(tǒng)應(yīng)用于下一代常規(guī)動力潛艇，這與瑞典國內(nèi)積累的技術(shù)經(jīng)驗有關(guān)，其他國家則更加看中了燃料電池的發(fā)展前景。

最初燃料電池被引入到潛艇動力系統(tǒng)時，設(shè)計思路是燃料電池作為潛艇的主推進(jìn)系統(tǒng)，美國、日本、法國等均投入了大量的人力、物力對其進(jìn)行研究，但由于早期燃料電池技術(shù)不成熟、功率有限等原因停止了研究。德國提出將燃料電池作為潛艇的輔助動力系統(tǒng)，即同時保留柴電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)，實現(xiàn)了潛艇水下續(xù)航力較大程度的提升。1993年，德國研制出單塊功率為34kW的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），標(biāo)志著燃料電池的研制取得了突破的進(jìn)展。隨后，德國成功將燃料電池應(yīng)用到潛艇上，建造出首艘裝有FC/AIP的212A級潛艇。該級潛艇水下排水量為1830t，AIP功率為300kW，可提供潛艇水下最高8kn的航速，持續(xù)航行7天，水下4.5kn航速下的續(xù)航力可達(dá)1250海里。同時，德國成功研制了214型潛艇，是針對212A型FC/AIP潛艇的出口型。該型潛艇先后出售給意大利、希臘、南非、土耳其、韓國等國海軍約20余艘潛艇。各國對FC/AIP潛艇的訂購數(shù)量不斷增多，按照目前的訂單，到2020年，至少有29艘燃料電池AIP潛艇在上述各國服役，未來它們將成為這些國家海軍的主要水下作戰(zhàn)力量［13］。

俄羅斯向外推出了裝備堿性FC/AIP動力系統(tǒng)的潛艇，即“阿穆爾”級潛艇。該級艇水上排水量為2180t，燃料電池功率為300kW，水下3.5kn航速下的續(xù)航力為1680海里。

據(jù)報道，日本于2015年以后開始建造新一代潛艇，也就是所謂的次世代潛艇，它將在2020年以后替代現(xiàn)役的親潮級，該型潛艇將裝備日本自行研制的燃料電池［14］。

表2 國外正在研制的AIP潛艇主要性能［6］

5 結(jié)語

AIP系統(tǒng)在潛艇上的成功應(yīng)用，提高了潛艇的水下續(xù)航能力，降低了暴露率，提高了潛艇的隱蔽性，使得其綜合作戰(zhàn)能力和生存能力明顯高于普通常規(guī)潛艇。世界各潛艇強(qiáng)國均對AIP技術(shù)的研究給予了高度重視，但在AIP研究方向上有所差異。各國在發(fā)展AIP潛艇的同時也會考慮本國的工業(yè)基礎(chǔ)、研究成本、技術(shù)成熟度、潛艇安全性和可靠性等因素。

不同AIP技術(shù)具有不同特點(diǎn)，當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀也有所差異。目前SE/AIP和FC/AIP的技術(shù)成熟度最高，潛艇裝備數(shù)量最多。此外，F(xiàn)C/AIP在效率、輻射和噪音方面均具有很大優(yōu)勢；CCD/AIP單機(jī)功率大，安全性最高；MEMSA/AIP功率大，廢氣排放噪音較低；LLNP/AIP在水下續(xù)航力和水下最大航速方面具有明顯優(yōu)勢。

目前國外FC/AIP技術(shù)不斷成熟，其高效率、低噪聲、低輻射等優(yōu)良特性引起越來越多國家的關(guān)注，各潛艇強(qiáng)國均對該技術(shù)展開了積極的研究，該技術(shù)將成為未來國內(nèi)外AIP潛艇發(fā)展的重要研究方向。

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