國(guó)外常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

方曉旻，宋義超

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國(guó)外常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

方曉旻1，宋義超2

(1.海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西桂林 541000；2.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局, 武漢 430064)

本文論述了潛艇AIP系統(tǒng)的分類(lèi)、基本原理、結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)AIP系統(tǒng)的性能參數(shù)和國(guó)外AIP潛艇的裝備現(xiàn)狀進(jìn)行了比較分析，介紹了FC/AIP系統(tǒng)的技術(shù)研究動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向，提出FC/AIP技術(shù)更符合未來(lái)常規(guī)潛艇超靜音、大潛深、長(zhǎng)續(xù)航力的發(fā)展趨勢(shì)。

常規(guī)潛艇 燃料電池 FC/AIP SE/AIP

0 引言

不依賴(lài)空氣推進(jìn)系統(tǒng)（AIP）是指潛艇在水下不依賴(lài)外界的空氣也能提供推進(jìn)動(dòng)力和其他動(dòng)力的能源系統(tǒng)。常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)主要分為兩大類(lèi)：電化學(xué)AIP系統(tǒng)和熱機(jī)AIP系統(tǒng)。其中，電化學(xué)AIP系統(tǒng)主要是燃料電池AIP系統(tǒng)（FC/AIP）；熱機(jī)AIP系統(tǒng)主要包括閉式循環(huán)柴油機(jī)(CCD/AIP)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(SE/AIP)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)(MESMA/AIP)。目前已經(jīng)實(shí)際裝艇使用的有FC/AIP，SE/AIP和MESMA/AIP，其中MESMA/AIP技術(shù)在常規(guī)潛艇的應(yīng)用最為廣闊。國(guó)內(nèi)外多年的探索和實(shí)踐證明，AIP系統(tǒng)能行之有效地提高常規(guī)潛艇的作戰(zhàn)范圍、潛航時(shí)間和隱蔽性，它引領(lǐng)著新一代常規(guī)潛艇的發(fā)展方向。

1 幾種AIP系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1燃料電池AIP系統(tǒng)

FC/AIP系統(tǒng)的基本原理是：氫燃料通過(guò)儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)存，氧化劑以液氧方式儲(chǔ)存，使用時(shí)將氫燃料和氧化劑輸送到燃料電池模塊，通過(guò)兩種物質(zhì)在質(zhì)子交換膜兩側(cè)催化劑表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的方式將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，以提供潛艇在水下的巡航動(dòng)力。其基本原理圖如圖1所示。

FC/AIP系統(tǒng)不受卡諾循環(huán)限制，只要有足夠的氫氣和氧氣供應(yīng)，就可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，具有效率高、振動(dòng)噪聲小、輸出功率大、工作溫度低、無(wú)尾流特征、工作潛深大、布置方式靈活、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

德國(guó)在燃料電池AIP系統(tǒng)技術(shù)的研究方面走在世界前列。 20世紀(jì)80年代初，德國(guó)就將FC/AIP系統(tǒng)作為潛艇的專(zhuān)門(mén)研制項(xiàng)目進(jìn)行了聯(lián)合開(kāi)發(fā)。1991年德國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)212A級(jí)潛艇設(shè)計(jì)方案審查；2002年3月，首艘212A級(jí)FC/AIP潛艇下水(圖2所示)，該FC/AIP系統(tǒng)包括9個(gè)34 kW的燃料電池模塊、液氧儲(chǔ)罐、儲(chǔ)氫合金罐等，總輸出功率達(dá)306 kW，在水下可以2～6節(jié)的航速持續(xù)航行14～21天。德國(guó)214出口型FC/AIP潛艇，裝備了2組新型質(zhì)子交換膜燃料電池單元，總輸功率240 kW，水下連續(xù)航行時(shí)間（2～6節(jié)航速）可達(dá)到2～3周。2011年德國(guó)在國(guó)際潛艇學(xué)術(shù)交流會(huì)上推出216級(jí)潛艇概念方案，采用鋰離子電池加燃料電池 AIP系統(tǒng)，水下續(xù)航時(shí)間可達(dá)28天。

1.2 閉式循環(huán)熱氣機(jī)AIP系統(tǒng)

閉式循環(huán)熱氣機(jī)屬于外部燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)，亦稱(chēng)為“斯特林”發(fā)動(dòng)機(jī)。SE/AIP系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖及原理樣機(jī)分別如圖3、圖4所示。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高，靈活性較好，造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低。SE/AIP系統(tǒng)受限于其工作原理，存在單機(jī)功率較低、設(shè)計(jì)制造和使用要求較高的缺點(diǎn)。另外，其瞬間提速或減速能力較弱，不利于潛艇機(jī)動(dòng)性。在潛深較大時(shí)，需要用壓縮機(jī)將廢氣加壓后才能排出艙外，提高了振動(dòng)噪音等級(jí)和能耗。

SE/AIP系統(tǒng)技術(shù)上比較成熟，最先達(dá)到實(shí)用化先水平。典型代表是瑞典海軍的“哥特蘭”級(jí)潛艇與日本海上自衛(wèi)隊(duì)的“蒼龍”級(jí)潛艇。1996年7月，世界上第一艘裝備SE/AIP系統(tǒng)的潛艇“哥特蘭”號(hào)正式服役于瑞典皇家海軍。該艇上裝備有兩臺(tái)功率各為75千瓦的V4－275R型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，能以大約5節(jié)水下航速連續(xù)航行14天。日本裝備了SE/AIP系統(tǒng)的“親潮”級(jí)改進(jìn)型潛艇，該艇已于2007年12月下水。目前，瑞典正在研制的新型A26潛艇，計(jì)劃采用最新的SE/AIP系統(tǒng)研制成果。

1.3 閉式循環(huán)汽輪機(jī)A IP系統(tǒng)

MESMA /AIP系統(tǒng)又稱(chēng)為水下自主能源系統(tǒng)，由液氧儲(chǔ)存罐及回路、燃料儲(chǔ)存罐及回路、生產(chǎn)熱的一回路及蘭金循環(huán)二回路組成。MESMA /AIP系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)在于燃燒產(chǎn)物排放設(shè)備簡(jiǎn)單，而且隱蔽性較強(qiáng)，適合潛艇的大潛深排氣要求。二回路以普通的水為介質(zhì)，具有安全，

保證循環(huán)管路清潔的特點(diǎn)。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于效率較低、系統(tǒng)裝置體積、重量過(guò)大，不利于增加總體輸出功率，經(jīng)濟(jì)性較差。法國(guó)從1988年開(kāi)始MESMA /AIP系統(tǒng)的研制，其第一代該系統(tǒng)首先用于出口到巴基斯坦的“阿戈斯塔”級(jí)90B型潛艇上。該潛艇在水下以4節(jié)航速潛行時(shí)，其連續(xù)潛航時(shí)間比原來(lái)延長(zhǎng)3～5倍。法國(guó)還研制了出口的“天蝎座”級(jí)潛艇，MESMA /AIP系統(tǒng)被列入裝備內(nèi)容。

1.4 閉式循環(huán)柴油機(jī)A IP系統(tǒng)(CCD/AIP)

CCD/AIP系統(tǒng)由柴油機(jī)、吸氣排導(dǎo)系統(tǒng)、反應(yīng)劑儲(chǔ)存罐和控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)工作模式靈活，能隨時(shí)進(jìn)行開(kāi)式或閉式循環(huán)運(yùn)行，具有單機(jī)輸出功率大、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行成本低、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)；不足之處在于系統(tǒng)耗氧量大、產(chǎn)生的廢熱多、柴油機(jī)噪聲大、廢氣處理系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)效率低。

CCD/AIP系統(tǒng)技術(shù)成熟，既適用于新建艇，又適用于改裝艇。德國(guó)蒂森公司、英國(guó)CDSS公司和荷蘭鹿特丹船廠曾合作開(kāi)發(fā)了CCD/AIP系統(tǒng)，1986 年進(jìn)行了性能試驗(yàn)。1993年2～4月間在波羅地海進(jìn)行了海上試驗(yàn)。同時(shí)，他們還推薦給阿根廷用于改裝該公司的TR1700 型圣克盧斯級(jí)潛艇，但因撥款原因使計(jì)劃擱淺。目前，CCD/AIP系統(tǒng)尚未裝備于實(shí)艇上應(yīng)用。

2 幾種AIP系統(tǒng)的性能比較分析

目前已達(dá)實(shí)用化的四種常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)中，F(xiàn)C/AIP、SE/AIP、MESMA /AIP系統(tǒng)技術(shù)最為成熟，已裝艇服役多年，CCD/AIP系統(tǒng)也達(dá)到可裝艇的成熟狀態(tài)。四種AIP系統(tǒng)的基本性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

通過(guò)表1的性能參數(shù)對(duì)比可以看出，F(xiàn)C /AIP和SE/AIP系統(tǒng)技術(shù)最為成熟，綜合性能最好，最具發(fā)展前途。SE/AIP系統(tǒng)具有振動(dòng)噪聲特性好、建造和使用成本較低、有利于總體布置等優(yōu)點(diǎn)，但斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由于其自身固有的低功率密度特點(diǎn)，決定了整個(gè)SE/AIP系統(tǒng)效率較低，實(shí)現(xiàn)功率突破難度大，燃油消耗量及耗氧量均較大。FC/AIP系統(tǒng)效率最高，振動(dòng)噪聲最低，工作溫度低，無(wú)尾跡特征，工作潛深大，具有優(yōu)異的“隱形”作戰(zhàn)能力。此外，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可靈活的根據(jù)不同作戰(zhàn)要求增減輸出功率。

此外，與其他AIP系統(tǒng)相比， FC/AIP系統(tǒng)還具有體積小、工作效率高、輸出功率平穩(wěn)、無(wú)機(jī)械振動(dòng)、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)潛深限制等特點(diǎn)，在水下深潛器、水下無(wú)人潛器、水下自主航行器、水下不間斷電源等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

3 國(guó)外主要AIP潛艇的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外裝備AIP系統(tǒng)的潛艇主要包括瑞典的“哥特蘭”級(jí)，日本的“親潮”級(jí)，德國(guó)的212A 和214級(jí)，法國(guó)的“阿哥斯塔90B”級(jí)、魷魚(yú)級(jí)，西班牙的S80A級(jí)等，具體情況及參數(shù)如表2所示。

由表2可知，世界主要潛艇強(qiáng)國(guó)都在發(fā)展AIP潛艇，各國(guó)根據(jù)本國(guó)的國(guó)情、潛艇技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)貯備狀況來(lái)探索、選用適合本國(guó)特點(diǎn)的AIP技術(shù)。選擇FC/AIP技術(shù)的有德國(guó)、意大利、韓國(guó)、希臘、土耳其、葡萄牙、西班牙等國(guó)海軍；選擇SE/AIP技術(shù)的有瑞典、丹麥、新加坡、日本等；巴基斯坦、智利、馬來(lái)西亞等國(guó)則選擇了MESMA/AIP技術(shù)。從裝備數(shù)量來(lái)看(包括服役的或正在計(jì)劃建造的) , 采用FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的潛艇數(shù)量最多，占據(jù)AIP潛艇一半以上，證明FC/AIP系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性、可靠性及其在提高常規(guī)潛艇續(xù)航力和隱蔽性方面更受各國(guó)海軍認(rèn)可和青睞。

4 FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

AIP系統(tǒng)的出現(xiàn)，為克服常規(guī)潛艇水下連續(xù)潛航時(shí)間短的弱點(diǎn)，降低暴露率，提高潛艇的隱蔽性，提供了一種理想的途徑和技術(shù)手段。多年的試驗(yàn)及應(yīng)用研究證明，常規(guī)潛艇裝備AIP系統(tǒng)后，其綜合作戰(zhàn)能力和生存能力顯著增強(qiáng)。鑒于此，世界各潛艇強(qiáng)國(guó)均在爭(zhēng)先恐后地研究AIP 系統(tǒng)技術(shù)。FC/AIP系統(tǒng)通過(guò)電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因而與目前世界上其他幾種AIP系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在工作效率、隱蔽性、續(xù)航力、過(guò)載能力等方面具有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更符合未來(lái)常規(guī)潛艇超靜音、大潛深、長(zhǎng)續(xù)航力的發(fā)展趨勢(shì)。從德國(guó)FC/AIP系統(tǒng)研究應(yīng)用的三個(gè)歷史階段及其發(fā)展方向來(lái)看，未來(lái)FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）高可靠性、長(zhǎng)壽命燃料電池模塊

目前，裝艇實(shí)用的FC/AIP系統(tǒng)大多采用的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），該電池選用鉑催化劑作為電極，鉑用量大、價(jià)格高且利用率低。另外，燃料電池采用的Nafion膜生產(chǎn)工藝復(fù)雜，使用壽命有限。上述因素制約了FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)高效催化劑、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、提高質(zhì)子交換膜使用壽命等技術(shù)研究來(lái)進(jìn)一步提高燃料電池壽命和可靠性是未來(lái)FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2）高功率密度、高效率燃料電池模塊

德國(guó)研制的FC/AIP系統(tǒng)燃料電池均采用了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，這樣有利于減小裝置占用空間，提高維修性和可靠性。隨著燃料電池各部件制造及系統(tǒng)集成技術(shù)的提升，燃料電池模塊向高功率密度、高效率方向發(fā)展，各項(xiàng)性能指標(biāo)將進(jìn)一步提高。潛艇用模塊功率等級(jí)也將逐漸加大，1997年，德國(guó)212A型潛艇使用的西門(mén)子公司單堆功率只有34 kW，2010年214級(jí)艇已達(dá)到120kW；模塊和系統(tǒng)工作效率也將進(jìn)一步提高，1997年212A級(jí)潛艇燃料電池模塊工作效率為40～45%，目前214級(jí)潛艇已達(dá)到50～60%；功率電流密度將增大，重量比功率會(huì)進(jìn)一步提高。

3）高效、多元化氫燃料儲(chǔ)存技術(shù)

德國(guó)212A和214級(jí)潛艇采用的是鈦鐵系合金儲(chǔ)氫技術(shù)，其儲(chǔ)氫密度為1.8wt%左右，且體積重量較大。因此，開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)氫技術(shù)，進(jìn)一步提高氫燃料的儲(chǔ)存密度，從而提高系統(tǒng)能量密度是FC/AIP系統(tǒng)的研究重點(diǎn)方向之一。目前，探索和研究中的鎂系合金、釩基固溶體、三氫化鋁、金屬-有機(jī)框架物（MOFs）等新型儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫密度達(dá)到2.0 wt%以上，其技術(shù)成熟度待進(jìn)一步提高。此外，氫燃料儲(chǔ)氫技術(shù)還呈多元化發(fā)展趨勢(shì)，目前處于研究中的無(wú)機(jī)氫化物水解制氫、甲醇重整、乙醇重整等制氫技術(shù)也可顯著提高儲(chǔ)氫密度。

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Review on Air Independent Propulsion System Technology for Conventional Submarine

Fang Xiaomin1, Song Yichao2

(1. Naval Representatives Office of PLAN in Guilin, Guilin 541000,China; 2. Naval Representaives Office of Naval Armament Department of PLAN in Wuhan, Wuhan 430064, China)

U674.76

A

1003-4862（2015）01-0040-05

2014-08-29

方曉旻(1972-), 男，高級(jí)工程師。研究方向：AIP技術(shù)。