基于斯特林發(fā)動機(jī)的第5代非核動力潛艇方案設(shè)計(jì)

李大鵬，王肇曦

(1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.海軍北海艦隊(duì)，山東青島 110000)

0 引言

非核動力潛艇可以顯著減少了使用通氣管航行時間，增大潛艇不間斷水下續(xù)航力，降低潛艇的暴露率。

1988年，瑞典將斯特林發(fā)動機(jī)作為潛艇動力裝置，開創(chuàng)了潛艇 AIP裝置的新時代。自 1995年下水的“哥特蘭”級潛艇開始，瑞典潛艇普遍安裝有斯特林發(fā)動機(jī)[1]。

目前，各國研發(fā)中的第4代非核動力潛艇均安裝有AIP裝置，但功率不大，作為輔助動力，不能滿足潛艇水下長時間航行需要。

第5代非核動力潛艇的最大特點(diǎn)，是潛艇在水面和水下航行狀態(tài)都采用單一的全工況發(fā)動機(jī)，AIP裝置作為主動力裝置，且是唯一的動力裝置[2]。

非核動力潛艇在向巡邏區(qū)域航渡過程中，為減少通氣管航行時間，避免噪聲增大，通常選擇使用中等航速完成航渡；到達(dá)巡邏區(qū)域后，為增加巡邏時間，保證艇上聲吶探測的靈敏度，降低噪聲，通常以低速航行。

從各國在役非核動力潛艇運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，潛艇在其全部航行過程中，約有80%的時間處于低速和中速狀態(tài)，而中速和低速航行所需功率，恰好處于AIP裝置額定功率的中間區(qū)段。因此，AIP裝置運(yùn)行特性可與非核動力潛艇航行工況做到良好匹配。

在運(yùn)行噪聲、功率、造價、使用成本、壽命、可靠性、岸上保障設(shè)施等指標(biāo)方面，斯特林發(fā)動機(jī)超過其他類型AIP裝置，成為第5代非核動力潛艇動力裝置的不二選擇。目前，瑞典、日本等國已經(jīng)開始研發(fā)使用斯特林發(fā)動機(jī)的第5代非核動力潛艇。

本文所進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是保證第 5代非核動力潛艇在水下不間斷續(xù)航力、最大航速、經(jīng)濟(jì)航速、低噪聲航速等技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)上，全面超過了第3代和第4代非核動力潛艇，從而具有較大的性能優(yōu)勢。

1 海軍部系數(shù)

在方案設(shè)計(jì)階段，動力裝置需求功率與潛艇排水量、航速之間的關(guān)系是重點(diǎn)考察內(nèi)容，可根據(jù)海軍部系數(shù)估算：

其中，N—動力裝置需求功率，kW；?—航速，kn；D—排水量，t；C—海軍部系數(shù)。海軍部系數(shù)在一定程度上反映了船艇阻力特性?，F(xiàn)代化非核動力潛艇艇型均趨近于回轉(zhuǎn)體，可參考使用在役的第3代和第4代非核動力潛艇海軍部系數(shù)，見表1。

表1 不同航行狀態(tài)下的潛艇海軍部系數(shù)

通過艇型優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝的提高，可以適當(dāng)提高海軍部系數(shù)，故第5代非核動力潛艇選取表中海軍部系數(shù)的最大值計(jì)算。

2 動力裝置需求功率

針對不同水下排水量的非核動力潛艇，經(jīng)估算，得到在不同航行狀態(tài)下，航速與需求功率之間的關(guān)系。見圖2～圖5。

可見，隨著潛艇水下排水量和最大航速提高，動力裝置需求功率增加很快。現(xiàn)代潛艇大部分航行處于水下狀態(tài)，水面和通氣管航行狀態(tài)在方案設(shè)計(jì)時可不予重點(diǎn)考查。

圖1 水下最大航速與需求功率關(guān)系

圖2 水下低噪聲航速與需求功率關(guān)系

圖3 水下經(jīng)濟(jì)航速與需求功率關(guān)系

一般來說，一艘排水量為1500～2000 t的非核動力潛艇，水下航速為 2～4 kn，潛艇推進(jìn)功率為幾十kW，艇內(nèi)生活負(fù)載為50～150 kW。

在潛艇處于水下低速航行狀態(tài)時，生活負(fù)載占據(jù)動力裝置功率輸出的大部分。第5代非核動力潛艇自動化水平高，艇員數(shù)目將進(jìn)一步減少，但為保證艇員高水平的工作和生活條件，使得艇員能夠更好地適應(yīng)長期水下航行環(huán)境，提高戰(zhàn)斗力，生活負(fù)載應(yīng)得到保證。

圖4 通氣管航速與需求功率關(guān)系

圖5 水面最大航速與需求功率關(guān)系

國外對AIP潛艇進(jìn)行的總體方案設(shè)計(jì)，通常是以排水量2000 t、生活負(fù)載為100 kW的非核動力潛艇為對象進(jìn)行的。本研究同樣設(shè)定生活負(fù)載為100 kW。

水下最大航速為潛艇一項(xiàng)重要的技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)，目前，各國在役現(xiàn)代化非核動力潛艇水下最大航速一般在18～24 kn。不同水下最大航速，水下最大排水量與需求功率之間關(guān)系見圖6。在相同水下最大航速下，隨著水下最大排水量的增加，動力裝置需求功率大幅增加。

為了使第5代非核動力潛艇不低于典型的第4代非核動力潛艇所具有的水下最大航速，對于2000 t級排水量潛艇而言，若水下最大航速為21 kn，動力裝置短時發(fā)出功率不應(yīng)低于4000 kW。

水下經(jīng)濟(jì)航速航行是潛艇使用最多的工況，對于未來的第5代非核動力潛艇同樣如此。各國第 3代和第 4代非核動力潛艇水下經(jīng)濟(jì)航速在8～10 kn，以此航速為基礎(chǔ)，得到不同水下經(jīng)濟(jì)航速下，水下最大排水量與需求功率之間的關(guān)系見圖7。在相同水下經(jīng)濟(jì)航速下，隨著水下最大排水量的增加，動力裝置需求功率大幅增加。

為使第5代非核動力潛艇不低于典型的第4代非核動力潛艇所具有的水下經(jīng)濟(jì)航速，對于2000 t級排水量潛艇而言，若水下經(jīng)濟(jì)航速為10 kn，動力裝置短時發(fā)出功率不應(yīng)低于270 kW。

圖6 不同水下最大航速下水下最大排水量與需求功率關(guān)系

圖7 不同水下經(jīng)濟(jì)航速下水下最大排水量與需求功率關(guān)系

3 蓄電池組功率

蓄電池組可為非核動力潛艇水下最大航速航行、低噪聲航速航行、應(yīng)急電力提供能量。目前在役的幾種非核動力潛艇蓄組短時可發(fā)出的最大功率見表2。

由表可見，在艇型基本布置不做較大改變的情況下，第 5代非核動力潛艇蓄電池組可裝備4500 W蓄電池組，作為應(yīng)急電力以及水下最大航速航行時使用。

4 斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林發(fā)動機(jī)裝備第5代非核動力潛艇，將替代第3代和第4代非核動力潛艇上裝備的柴油機(jī)，作為發(fā)電機(jī)的原動機(jī)。

斯特林發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)形狀對比見圖8。斯特林發(fā)動機(jī)對潤滑的要求相比柴油機(jī)有所降低，因此，通過使用較小的帶油底座，可在一定程度上降低斯特林發(fā)動機(jī)高度。此外，斯特林發(fā)動機(jī)可使用比柴油機(jī)更低標(biāo)號的潤滑油。

作為艙室布置需要，需估算斯特林發(fā)動機(jī)的主要尺寸和占用空間。由于設(shè)計(jì)母型潛艇裝備的是柴油機(jī)，可通過將斯特林發(fā)動機(jī)與柴油機(jī)的主要尺寸和占用空間進(jìn)行估算后對比，見表3。

表2 蓄電池組的短時最大功率

圖8 斯特林發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的形狀

表3 斯特林發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的尺寸和占用空間

斯特林發(fā)動機(jī)中的氣缸軸間距（1.6D，D—?dú)飧字睆剑┮炔裼蜋C(jī)（1.3D）大，這是因?yàn)樗固亓职l(fā)動機(jī)氣缸需要承受相當(dāng)高的工質(zhì)壓力，需要較大的氣缸壁厚。此外，斯特林發(fā)動機(jī)氣缸分為溫度不同的兩個區(qū)域，高溫區(qū)域和低溫區(qū)域所使用材料分別為耐高溫鋼和普通鋼。

如果考慮到輔助設(shè)備后的發(fā)動機(jī)寬度，斯特林發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)相差不大。

發(fā)動機(jī)平均有效壓力或發(fā)動機(jī)有用功與氣缸排量之比，無渦輪增壓柴油機(jī)為 0.8 MPa，平均工質(zhì)壓力11 MPa的斯特林發(fā)動機(jī)為1.8 MPa，比值（1.8/0.8）相當(dāng)于用曲柄半徑表示的發(fā)動機(jī)高度比（HS/HD=25/10）的倒數(shù)。斯特林發(fā)動機(jī)曲柄半徑和活塞行程較小，對于同樣高度的斯特林發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)，其有效功率近似相等。

斯特林發(fā)動機(jī)燃燒室和空氣預(yù)熱器傳遞單位熱量所需功率體積約為2 cm3/W。對于無增壓柴油機(jī)，包括氣缸頭、氣體管路、消聲器和其他設(shè)備后，相應(yīng)值約為斯特林發(fā)動機(jī)的一半，即 1 cm3/W左右。

斯特林發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)制造具有一定的自由度。例如，可調(diào)整燃燒室與空氣預(yù)熱器尺寸，而不會增大發(fā)動機(jī)總體尺寸。

斯特林發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷要比柴油機(jī)高2 倍以上。此外，斯特林發(fā)動機(jī)效率直接取決于冷卻水溫度，并隨冷卻水溫度降低而增大。這與柴油機(jī)不同，柴油機(jī)效率隨冷卻溫度升高而增大。因此，斯特林發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)有著更嚴(yán)格的溫度限制。

總的說來，斯特林發(fā)動機(jī)和柴油機(jī)的體積質(zhì)量（kg/m3）相差不大。依據(jù)現(xiàn)役AIP潛艇，如“蒼龍”級、“哥特蘭”級的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般裝備 2 臺柴油機(jī)，2～4臺斯特林發(fā)動機(jī)。第5代非核動力潛艇水面和水下航行采用同一臺全工況斯特林發(fā)動機(jī)，不再安裝柴油機(jī)，因此，安裝和布置方式可參考柴油機(jī)。

由丹麥、挪威和瑞典三國聯(lián)合研發(fā)的“維京”級潛艇，計(jì)劃安裝單臺800 kW功率斯特林發(fā)動機(jī)。日本三菱公司為新型潛艇研發(fā)的斯特林發(fā)動機(jī)已經(jīng)成功進(jìn)行了臺架測試，發(fā)動機(jī)功率超過600 kW。德國MAN公司為其未來的非核動力潛艇研發(fā)的斯特林發(fā)動機(jī)功率為700 kW，MTU公司競標(biāo)獲得了 2 臺總功率 2100 kW斯特林發(fā)動機(jī)動力裝置研發(fā)合同。根據(jù)國內(nèi)外斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)水平及研發(fā)現(xiàn)狀，第5代非核動力潛艇可選用4 臺單臺功率800 kW的斯特林發(fā)動機(jī)。在此情況下，配合使用蓄電池組，潛艇可以實(shí)現(xiàn)不低于24節(jié)的水下最大航速，遠(yuǎn)超第3代和第4代非核動力潛艇。

5 水下不間斷續(xù)航力

相同水下排水量的AIP潛艇，水下不間斷續(xù)航力與燃料攜載量直接相關(guān)。

斯特林發(fā)動機(jī)需要使用潛艇自帶的氧化劑—液氧，且第5代非核動力潛艇的水下航行也需使用斯特林發(fā)動機(jī)，因此，對燃料和氧化劑的攜載量需求均較大，相比現(xiàn)役AIP潛艇，需要加大液氧攜載量。依據(jù)現(xiàn)有艇型，可以估算出最大燃料攜載量與水下排水量的關(guān)系。

由表4可見，燃料搭載量一般為潛艇水下排水量的10 %。如果采用大功率斯特林發(fā)動機(jī)，安裝的斯特林機(jī)數(shù)量減少，可用于搭載燃料和液氧的空間增加?；诖?，可將第5代非核動力潛艇燃料攜載量定為潛艇水下排水量的12 %。

表4 水下排水量與燃料攜載量關(guān)系

對于瑞典V4—275型斯特林發(fā)動機(jī)[2]，氧耗率為 820～920 g/(kW·h)，燃耗率為 350～610 g/(kW·h)，氧耗率與燃耗率基本為2:1。因此，可將潛艇燃料攜載與液氧攜載量之比也為2:1。

根據(jù)斯特林機(jī)工作特性，經(jīng)濟(jì)航速下燃耗率最低，低噪聲航速下燃耗率提高，最大航速下燃耗率最高。基于此，可設(shè)定經(jīng)濟(jì)航速下燃耗率為350 g/(kW·h)，低噪聲航速下燃耗率為 450 g/(kW·h)，水下最大航速下燃耗率為 600 g/(kW·h)。

計(jì)算得到不同水下排水量下，水下不間斷續(xù)航力與水下航速之間的關(guān)系，見圖9。

圖9 水下不間斷續(xù)航力與水下航速關(guān)系

由圖可見，第5代非核動力潛艇的水下不間斷續(xù)航力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通柴—電動力潛艇幾百海里的水下不間斷續(xù)航力，也高于使用AIP作為輔助動力裝置的第 3代和第 4代非核動力潛艇 1～2周的水下不間斷續(xù)航力，已經(jīng)接近核動力潛艇。

6 潛艇主要技戰(zhàn)術(shù)性能

第5代非核動力潛艇主要在瀕海海域執(zhí)行任務(wù)，面臨的主要威脅是敵方水面水面艦艇、第 3代和第4代非核動力潛艇和反潛航空兵。因此，第 5代非核動力潛艇主要技戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù)的選擇，要與其執(zhí)行任務(wù)的種類和性質(zhì)相一致。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以計(jì)算出3種水下排水量下的第 5代非核動力潛艇的主要技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)，見表5所示。

由表可見，對于3種水下最大排水量的第5代非核動力潛艇，隨著水下最大排水量的增大，水下最大航速略有下降，但水下不間斷續(xù)航力和水下自持力有大幅提高。

1500 t級潛艇具有27 kn的水下最大航速，水下最大航速僅比2000 t和2500 t級潛艇分別高出2 kn和3 kn。但是，2500 t級潛艇擁有最大的8000 海里水下不間斷續(xù)航力，相比1500 t和2000 t級潛艇分別高出2200 海里和1000 海里，且由于噸位較大，可搭載更多先進(jìn)的武器和軍事技術(shù)裝備，可遂行更為多樣化的任務(wù)，適航性更好，因此，具有較大的綜合性能優(yōu)勢，可作為第5代非核動力潛艇的排水量選擇。

7 小結(jié)

第5代非核動力潛艇使用斯特林發(fā)動機(jī)，可滿足水面和水下長時間航行的需要，在水下最大航速、水下不間斷續(xù)航力等潛艇主要技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)上，全面超過第3代和第4代非核動力潛艇。

2500 t級水下最大排水量，因在主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)上具有綜合優(yōu)勢，可作為第5代非核動力潛艇排水量的選擇。

要實(shí)現(xiàn)本研究所提出的方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于研制大功率斯特林發(fā)動機(jī)。目前，斯特林發(fā)動機(jī)功率尚不能滿足要求，需要加大投入。國外先進(jìn)的潛艇國家，如德國、日本、瑞典，都已開始大功率斯特林發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作，不遠(yuǎn)的將來，將有型號產(chǎn)品面世。

表5 潛艇技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)

[1]金東寒.斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)技術(shù)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

[2]李大鵬.不依賴空氣的潛艇動力裝置[M].國防工業(yè)出版社，2015.

[3]Дядик А.Н.Корабельные воздухонезависимые энергетические установки[M].СПб:Судостроение,2006.

[4]Худяков Л.Ю.Подводные лодки XXI века[M].СПб.:Изд.СПМБМ Малахит,1994.