俄羅斯非核動力潛艇推進系統(tǒng)的選擇與發(fā)展趨勢

李大鵬 張曉東

海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

俄羅斯非核動力潛艇推進系統(tǒng)的選擇與發(fā)展趨勢

李大鵬 張曉東

海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

給出了俄羅斯（前蘇聯(lián)）非核動力潛艇推進系統(tǒng)的選擇及推進系統(tǒng)的組成和參數(shù)，介紹了俄羅斯（前蘇聯(lián)）非核動力潛艇柴油機功率、主推進電機功率、最大水面和水下航速的發(fā)展變化，給出了潛艇推進系統(tǒng)的主要形式和艙室布置，并對俄羅斯（前蘇聯(lián)）非核動力潛艇AIP裝置，包括閉式循環(huán)柴油機裝置、閉式循環(huán)蒸汽動力裝置、電化學(xué)發(fā)電機裝置的研究和設(shè)計進行了重點介紹。同時，結(jié)合各種潛艇推進系統(tǒng)，對俄羅斯非核動力潛艇推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢作出了分析。

俄羅斯；非核動力潛艇；推進系統(tǒng)

1 引言

20世紀60～80年代，與美國不同，前蘇聯(lián)不僅大力發(fā)展大洋級核動力潛艇，而且還致力開發(fā)在瀕海海域執(zhí)行任務(wù)的非核動力潛艇。這種潛艇發(fā)展戰(zhàn)略是由前蘇聯(lián)海洋國土特點決定的。至解體前，前蘇聯(lián)擁有世界上最強大、數(shù)量最多的核動力潛艇和非核動力潛艇。

20世紀70年代末，位于列寧格勒（現(xiàn)名圣彼得堡）的紅寶石設(shè)計局研制了877型“基洛”級第3代柴—電動力潛艇，其低噪聲水平成為1980～1990年期間新的潛艇隱蔽性標準。該型系列潛艇暢銷世界， 其中包括 877、877B、877Э、877ЭКМ、636、636М 等型號。

2 “拉達”級潛艇

1987年，紅寶石設(shè)計局開始了俄羅斯IV代677型“拉達”級非核動力潛艇的研制。677潛艇參考了前蘇聯(lián)其他型號，如613、641、877和636型潛艇的設(shè)計，分為677型和677Э（出口型）兩種設(shè)計。1997年，首批潛艇在圣彼得堡海軍部造船廠開工建造，包括為俄羅斯海軍建造的677型潛艇和為出口訂單建造的“阿穆爾”級潛艇。

677型潛艇采用傳統(tǒng)的柴油機—電力裝置，為全電力推進。動力裝置包含1臺柴油機、4 100 hp功率全工況軸系永磁推進電機、2組各包含126個蓄電池的蓄電池組。軸系推進電機帶動七葉大直徑螺旋槳。此外，677型潛艇還有AIP方案，可使采用氫氧燃料電池的677型潛艇的水下不間斷航行時間延長2倍。

677型潛艇具有很好的隱蔽性，主要通過大幅減少艦船物理場強度和特征來實現(xiàn)。這歸功于使用了交直流混合柴油發(fā)電機和全工況電力推進，以及低轉(zhuǎn)速的全工況主推進電機。與877型“基洛”級潛艇相比，677型潛艇的噪聲水平僅相當于前者的若干分之一。

3 功率與航速

水下航行的潛艇推進功率隨航速而改變，潛艇暴露率與潛艇航速關(guān)系密切，動力消耗與航速呈相反趨勢變化。

圖1所示為俄羅斯（蘇聯(lián)）潛艇在近50年內(nèi)柴油機功率和主推進電機功率的變化，表1所示為潛艇動力裝置及推進系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)［1－2］?？梢钥闯?，柴油機與主推進電機功率之比逐漸下降，這是由于對潛艇水下航行性能的要求不斷提高而造成的，包括提高潛艇的水下最大速度、縮短蓄電池充電時間。

表1 俄羅斯（前蘇聯(lián)）非核動力潛艇動力裝置及推進系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of no n－nuclear submarine power plant and propulsion system of Russia（ex-USSR）

613、641和641Б型潛艇的柴油機功率均大于主推進電機功率，這是由當時的主推進電機水平?jīng)Q定的。自877ЭКМ（出口型）型開始，主推進電機功率就上了一個新臺階。877ЭКМ型的柴油發(fā)電機功率不足，從而增大了蓄電池充電時間，這是由于當時沒有適用的柴油發(fā)電機。在作為877ЭКМ改進型的636型潛艇上，安裝有更大功率的柴油發(fā)電機。

最大水下航速是潛艇最重要的技戰(zhàn)參數(shù)之一。圖2所示為前蘇聯(lián)及俄羅斯非核動力潛艇最大水面和水下航速的變化［3］。最大水下航速逐代提高，而最大水面航速呈下降趨勢，并自III代和IV代開始穩(wěn)定在10 kn。潛艇隱蔽性成為潛艇最重要的技戰(zhàn)術(shù)性能，對最大水面航速的要求也逐漸降低。

圖2 非核動力潛艇最大水面和水下航速的發(fā)展變化Fig.2 Maximal surface and submerged speed of no n-nuclear submarine

4 軸系推進系統(tǒng)

非核動力潛艇推進系統(tǒng)可分為3種主要類型：

1）借助或不借助減速器將柴油機功率傳遞到槳軸。二戰(zhàn)后期設(shè)計定型的柴—電動力潛艇采用了這種推進形式，如613型及其改型潛艇；

2）聯(lián)合推進。除柴油機與槳軸采用機械連接外，還安裝有輔助柴油發(fā)電機組。目前，這種推進形式最為普遍，如641型、877型、636型、636M型等潛艇。一般采用單臺或2臺（如641型潛艇）主軸系推進電機、1臺經(jīng)濟航行軸系推進電機；

3）全電力推進。這種推進方式是在聯(lián)合推進基礎(chǔ)上，取消了經(jīng)濟航行軸系推進電機，只使用1臺全工況主軸系推進電機，如德國212和214級潛艇、俄羅斯677型和“阿穆爾”1650級潛艇（圖3）。采用全電力推進大大簡化了電力系統(tǒng)，有效降低了動力裝置振動噪聲和推進噪聲水平，但對全工況主軸系推進電機的設(shè)計制造提出了更高的要求。

采用單一主軸系推進電機是潛艇推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢?！鞍⒛聽枴?650級潛艇取消了877型、877ЭКМ型、636型、636M型等III代非核動力潛艇的經(jīng)濟航行軸系推進電機，只采用單一主軸系推進電機，但保留有應(yīng)急推進電機。圖4所示為877型和“阿穆爾”1650級潛艇的軸系艙室布置［4］。

圖3 非核動力潛艇推進系統(tǒng)Fig.3 No n-nuclear submarine propulsion system

紅寶石設(shè)計局設(shè)計師認為，潛艇推進系統(tǒng)的一個發(fā)展方向是使用基于永磁場帶有勵磁系統(tǒng)的整流式主軸系推進電機［5］，這種電機轉(zhuǎn)速可降低到120 r／min。推進電機的低轉(zhuǎn)速對降低噪聲有利。

5 閉式循環(huán)柴油機裝置

前蘇聯(lián)和俄羅斯是潛艇AIP技術(shù)研制、開發(fā)和應(yīng)用最早的國家之一。在閉式循環(huán)柴油機裝置、閉式循環(huán)蒸汽動力裝置、電化學(xué)發(fā)電機裝置等方面都有成熟的技術(shù)，并積累了豐富的使用經(jīng)驗［6］。

1953年，前蘇聯(lián)在德國閉式循環(huán)柴油機動力裝置技術(shù)基礎(chǔ)上，研制出A615系列潛艇。A615系列潛艇正常排水量400 t，潛深140 m，使用2臺功率為700 hp的M-50n型柴油機。1953年～1962年期間，前蘇聯(lián)建造了近30艘采用化學(xué)吸收廢氣方法的單一發(fā)動機的A615潛艇（圖5）。A615潛艇動力裝置布置如圖6所示，工作原理如圖7所示。柴油機排放的廢氣進入氣體冷卻器，在其中冷卻，并除去水蒸汽和部分機械雜質(zhì)后進入化學(xué)過濾器，在其中除去碳酸氣體，同時加熱，補充氧氣后進入柴油機汽缸。這種動力裝置的一個嚴重缺陷是液氧具有高蒸發(fā)性，故在潛艇使用條件下存在著事故隱患。曾經(jīng)因上述原因發(fā)生過若干起嚴重事故。

圖5 A615潛艇艙室布置Fig.5 Cabin layout of A615 submarine

圖6 A615潛艇動力裝置布置Fig.6 A615 submarine power plant collocation

圖7 A615潛艇動力裝置Fig.7 A615 submarine power plant

1988年，俄羅斯國家應(yīng)用化學(xué)研究中心研究了用于閉式循環(huán)柴油機裝置的氧氣制備方法。這種方法使用NaClO3，分解時不會有危險性產(chǎn)物生成，并且釋放熱量低，可在局部高溫下進行。這種氧氣制備方法稱為“熱解法”。1990年～1992年期間，由圣彼得堡軍事工程技術(shù)大學(xué)、小星星機器制造聯(lián)合體、俄羅斯國家應(yīng)用化學(xué)研究中心、符拉迪沃斯托克高等海運工程學(xué)院、坦波夫化學(xué)科學(xué)研究院等研究機構(gòu)和廠家組成的研究組完成了使用熱解法制備氧氣的閉式循環(huán)柴油機裝置選型設(shè)計優(yōu)化。1993年，研究組開展了500 kW和1 500 kW閉式循環(huán)柴油機裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用12ЧН18／20 和 12ЧН20／21型柴油機裝置， 制訂了以熱解法為基礎(chǔ)的人造氣體混合物制備規(guī)范性文檔標準。

1995年，圣彼得堡軍事工程技術(shù)大學(xué)完成了使用被稱為“水解法”制備氧氣的閉式循環(huán)柴油機裝置原型試驗。采用“水解法”制備人造氣體混合物的100 kW閉式循環(huán)柴油機裝置方案如圖8所示。柴油機排放廢氣在經(jīng)過噴射室預(yù)先冷卻到95～100℃后進入直流式噴射吸收器，廢氣中的二氧化碳通過與堿溶液相互作用而被吸收，并由溶液泵從氧和堿性溶液箱中泵出。在冷卻—發(fā)生器中廢氣進行最后的凈化和冷卻。在慣性分離器中，氣相和液相分離。為補充惰性氣體消耗，設(shè)置了惰性氣體儲存箱，使用過的堿性溶液收集在堿性乏溶液收集箱內(nèi)。這種AIP裝置方案可用于在瀕海區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的小型潛艇。

閉式循環(huán)柴油機裝置的優(yōu)點是技術(shù)成熟、造價低，缺點之一是噪聲較大，必須采取減振降噪措施，在目前技術(shù)水平下可以較好地解決。另外，在潛艇使用環(huán)境下，裝置廢氣排放是個難題。廢氣的主要成分是難溶性氣體，若直接排放舷外，會留下尾跡和化學(xué)信號，對潛艇的隱蔽性有重要影響，且其排氣與下潛深度、發(fā)動機輸出功率有關(guān)。研究表明，對于排到海水中的直徑為2.5mm的廢氣氣泡，如果含有5%的氧氣和95%的二氧化碳，廢氣氣泡可以在5℃溫度的海水中存在約90 s，其中氧氣泡的存在時間會大于180 s，在此過程中，廢氣氣泡將浮升5m。如果潛艇以7.5 kn速度航行，海水中將會留下340m左右長度的氣泡帶，而且排氣系統(tǒng)也存在噪聲。如果采取吸收、加壓等措施后進行排放，則會消耗發(fā)動機功率，進而影響裝置性能。

6 閉式循環(huán)蒸汽動力裝置

圖8 100 kW功率閉式循環(huán)柴油機裝置Fig.8 100 kW closed-cycle diesel power plant

1948年，前蘇聯(lián)СКБ-143結(jié)構(gòu)設(shè)計局以德國XXVI型潛艇蒸汽動力裝置技術(shù)和設(shè)備為基礎(chǔ)，設(shè)計了617型潛艇。在甲板間龍骨位置處布置了32個過氧化氫儲存箱（圖9）。

圖9 617型潛艇動力裝置艙段布置Fig.9 Layout of 617 submarine power plant

1952年，首艇C-99下水。617潛艇內(nèi)部布局如圖10所示。閉式循環(huán)蒸汽動力裝置額定功率7 500 hp，可保證潛艇從10 kn到全速下的航行。排氣系統(tǒng)工作深度80 m。隨著潛深增大，向舷外排放二氧化碳氣體的壓縮機消耗功率也相應(yīng)增加。此外，汽輪機裝置功率還提供給處于發(fā)電機工作狀態(tài)下的主推進電機。在30～40m下潛深度時，蒸汽動力裝置推進功率為7 250 hp，速度可達23 kn。艇載過氧化氫可保證6～23 h的航行。1956年～1959年期間，C-99潛艇完成了98次出航，水面航行超過6 000 n mile，水下航行超過800 n mile，其中315 nmile是在閉式循環(huán)蒸汽動力裝置工作狀態(tài)下完成的。

圖10 617型潛艇艙室布置Fig.10 Layout of 617 submarine cabin

根據(jù)航速和續(xù)航力指標衡量，617型潛艇性能優(yōu)異，但也存在缺陷。例如，汽輪機裝置的工作噪聲較大。617型潛艇在使用過程中曾發(fā)生過嚴重爆炸事故。

1953年，СКБ-143設(shè)計局開始設(shè)計643型潛艇。643型潛艇吸收了C-99潛艇的設(shè)計和使用經(jīng)驗，水下排水量1 865 t，水下航速不低于22 kn。1953年，前蘇聯(lián)開始了第1艘核動力潛艇的研究設(shè)計，于是643型潛艇項目被中止。1953年，在前蘇聯(lián)第1艘核動力潛艇627型潛艇的汽輪機動力裝置中采用了經(jīng)617型潛艇驗證的設(shè)計。

7 電化學(xué)發(fā)電機裝置

卡拉列夫“能源”火箭—航天委員會研制了采用低溫儲存氫和氧的運輸用РЭУ-99型自動化動力裝置，使用由烏拉爾電化學(xué)聯(lián)合體研制的用于“暴風(fēng)雪”號航天運輸軌道飛船的“光子”電化學(xué)發(fā)電機，做成嵌入式潛艇AIP艙段。艙段長9.8m，平均需求功率為100 kW時，可保證潛艇水下不間斷航行20晝夜［7］。裝置額定功率300 kW，效率70%，耗氧率 0.336 kg／kW·h，耗氫率 0.042 kg／kW·h。 動力裝置從冷態(tài)啟動到滿功率額定工況的所需時間不超過240min，從額定工況到完全停機所需的時間不超過5 h。低溫反應(yīng)物加注的時間為18～30 min。電化學(xué)發(fā)電機使用期限10年，使用壽命6 000 h，其余部件使用期限25年，使用壽命12 000 h。

AIP艙段設(shè)計成可以在潛艇進行現(xiàn)代化改裝時嵌入潛艇中后部的形式，這樣的改裝和建造費用最低。為此，紅寶石設(shè)計局的專家在潛艇相鄰艙室間的電力線路和管路接口等方面進行了研究設(shè)計。也可以在潛艇建造時就采用AIP設(shè)計。AIP艙段布置如圖11所示，加裝有電化學(xué)發(fā)電機的“阿穆爾”級潛艇電力系統(tǒng)如圖12所示。

圖11 氫和氧采用低溫儲存方案的AIP艙段Fig.11 AIP cabin with hydrogen and oxygen c r yo-storage

圖12 加裝有電化學(xué)發(fā)電機的“阿穆爾”級潛艇電力系統(tǒng)Fig.12 Amu r submarine electric power system installed with electric-chemical generator

1998年，紅寶石設(shè)計局和“能源”火箭—航天委員會研制了潛艇低溫儲氫系統(tǒng)，借鑒了在環(huán)月飛船和“暴風(fēng)雪”號飛船上積累的豐富經(jīng)驗。低溫液態(tài)儲氫系統(tǒng)相當復(fù)雜，且儲氫系統(tǒng)占AIP裝置和裝載反應(yīng)物總質(zhì)量近70%，但儲氫量占儲存系統(tǒng)總質(zhì)量卻不超過5%，重量尺寸指標特性毫無優(yōu)勢。在電化學(xué)發(fā)電機AIP艙段內(nèi)，低溫儲氫罐垂直布置在豎井內(nèi)，低溫儲氧罐水平布置在潛艇耐壓殼體內(nèi)。儲氧罐由AIP潛艇壓殼體保護，可以防止戰(zhàn)斗損壞（圖13）。儲氫罐的豎井殼體要完全承受潛艇的舷外水壓力。豎井頂蓋安裝有充注和排放接口。

紅寶石設(shè)計局研制了金屬氫化物制氫和低溫儲氧的電化學(xué)發(fā)電機AIP裝置艙段，如圖14所示。由于金屬氫化物密度較大，一般為5.65～8.25 t／m3，為保持潛艇穩(wěn)性和重心，可將金屬氫化物儲存箱布置在龍骨上。液氧罐垂直布置，其余設(shè)備布置方式與前述相同。

圖13 采用低溫反應(yīng)物儲存的電化學(xué)發(fā)電機動力裝置潛艇AIP艙段Fig.13 AIP cabin of e lectric-chemical generator power plantwith hydrogen and oxygen c r yo-storage

圖14 采用金屬氫化物制氫和液氧儲存的AIP艙段Fig.14 AIP cabin withmetal hydride hydrogen generation and liquid oxygen storage

AIP裝置的造價決定了潛艇的軍事—經(jīng)濟性能［8］。俄羅斯奧姆斯克儀表特種結(jié)構(gòu)設(shè)計局研制的電化學(xué)發(fā)電機裝置功率600 kW，短期峰值功率可達4 000 kW，潛艇自持力可達60～90晝夜，已經(jīng)接近核動力潛艇。但這種電化學(xué)發(fā)電機裝置造價幾乎占潛艇動力裝置總造價的絕大部分。與其選擇這種潛艇與常規(guī)柴—電潛艇形成 “高低”搭配，還不如直接建造核動力潛艇［9-10］。

氧的制備與儲存技術(shù)已經(jīng)非常成熟，制氫與儲氫已成為潛艇電化學(xué)發(fā)電機裝置發(fā)展的“瓶頸”。

8 結(jié)束語

俄羅斯在非核動力潛艇推進系統(tǒng)的研究、設(shè)計和使用上積累了非常豐富的經(jīng)驗，且在AIP裝置上的技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，研制的AIP艙段可用于新型潛艇或?qū)υ谝蹪撏нM行AIP改裝。

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Solutions and Development Trends of Russian Navy's Non-Nuclear Submarine Propulsion System

LiDa－peng Zhang Xiao－dong
College of Naval Architecture and power， University of Naval Engineering， Wuhan 430033， China

This p aper introduces the components and main technical parameters of Russian Navy＇s （including ex-USSR） non-nuclear submarine propulsion systems， in regard to diesel power， main axial propulsion electricalmotor power， max surface and submerged speed， together with themajor configurations of propulsion system and cabin layouts.Particular introductions are given to a variety of researches carried out by the Russian on the non-nuclear submarine power system，including closed-cycle diesel power plant， closed-cycle steam power plant and electric-chemical generator plant.Based on that，the development trends and future prospect of the Russian navy＇s non-nuclear submarine power system are also provided.

Russia； no-nuclear submarine； propulsion system

U664；E925

A

1673-3185（2011）06-102-07

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.021

2011-06-20

李大鵬（1972-），男，博士，副教授。研究方向：艦船動力裝置。E-mail：dapenglee＠126.com

張曉東（1969- ） ，男，碩士，副教授。 研究方向：艦船動力裝置。 E-mail：593974755＠qq.com

李大鵬。