潛艇電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展探究

（海軍工程大學(xué)干部訓(xùn)練大隊(duì)，湖北 武漢 430033）

潛艇電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展探究

曹森

（海軍工程大學(xué)干部訓(xùn)練大隊(duì)，湖北 武漢 430033）

潛艇作為海軍作戰(zhàn)力量的重要組成部分，憑借其優(yōu)良的隱蔽性在海洋戰(zhàn)場上發(fā)揮著越來越重要的作用。電力推進(jìn)是潛艇水下航行的主要方式，因此研究潛艇電力推進(jìn)技術(shù)，對降低潛艇的噪聲，提高潛艇的隱蔽性和水下續(xù)航力有著重要作用。本文從電力推進(jìn)技術(shù)的起源入手，介紹了電力推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢，分析了當(dāng)前電力推進(jìn)技術(shù)存在的問題，并對電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

電力推進(jìn)；永磁電機(jī)；常規(guī)潛艇

電力推進(jìn)技術(shù)作為常規(guī)潛艇水下航行的推進(jìn)方式，決定著潛艇的水下續(xù)航力和隱蔽性。傳統(tǒng)的常規(guī)潛艇通常采用的是柴發(fā)機(jī)組發(fā)電給蓄電池充電，再由蓄電池帶動推進(jìn)電機(jī)，工況單一，水下續(xù)航力差。近幾年，以AIP技術(shù)為代表的新型電力推進(jìn)系統(tǒng)在潛艇上的列裝，極大的提高了潛艇的水下續(xù)航力和隱蔽性。本文著重列舉了幾種新型電力推進(jìn)技術(shù)，比較了幾種新型電力推進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)和不足。

1 潛艇電力推進(jìn)技術(shù)簡介

二戰(zhàn)時期是潛艇發(fā)展較為迅速的一個時期，戰(zhàn)爭的需要刺激了潛艇技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)運(yùn)用于潛艇的動力系統(tǒng)，就是起源于這一時期。在這一時期，潛艇多采用直流供電的技術(shù)，在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上較為簡單。在水下航行時，潛艇往往使用預(yù)先儲備在蓄電池中的電力推動潛艇的航行，受限于當(dāng)時的電池技術(shù)，潛艇在航行很短的一段時間后，就需要浮出水面，啟動柴發(fā)機(jī)組進(jìn)行再次充電。在這種技術(shù)條件的限制下，潛艇的隱蔽性能受到極大限制。潛艇作戰(zhàn)功能的實(shí)現(xiàn)，都離不開電力的支持，而受限于潛艇電池容量，潛艇各個功能都受到一定程度的限制，降低了潛艇的綜合戰(zhàn)斗力。這一狀況一直持續(xù)到通氣管在潛艇上的使用。通氣管發(fā)明以后，使得潛艇可以在通氣管航行狀態(tài)下給蓄電池充電，大大提高了潛艇的水下續(xù)航能力，提高了潛艇的隱蔽能力。這一時期的潛艇排水量增加到了2000余噸，航速保持在10Kn左右，續(xù)航能力增大到了1萬海里左右，可以在水下保持活動一個月左右。在第二次世界大戰(zhàn)以后，潛艇受到各國海軍的重視，潛艇相關(guān)研究工作得到了大力支持，潛艇的建設(shè)速度增快。在二戰(zhàn)后出現(xiàn)了多種經(jīng)典常規(guī)潛艇，如日本的“蒼龍”級潛艇。“蒼龍”級潛艇是日本目前潛艇部隊(duì)的主力，還出口過其他國家，是日本目前最先進(jìn)的常規(guī)潛艇?！吧n龍”級潛艇就采用了先進(jìn)的AIP技術(shù)，最大航速20Kn，水下可持續(xù)潛航3周。

2 電力推進(jìn)技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢

得益于交流電力技術(shù)的成熟和運(yùn)用，使得潛艇的動力系統(tǒng)在降低體積的同時，大大提高了潛艇的綜合性能。電力推進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的艦艇推進(jìn)技術(shù)相比，具有以下的技術(shù)優(yōu)勢：（1）減小了潛艇電力設(shè)備的體積，大大拓展了潛艇的內(nèi)部空間。潛艇是一個密閉性的空間，受限于潛艇的體積，布置更多的作戰(zhàn)設(shè)備，必然要盡可能的節(jié)約潛艇內(nèi)部的空間。使用電力推進(jìn)技術(shù)可以有效的節(jié)省潛艇內(nèi)部的空間，使?jié)撏Э梢园惭b更多的作戰(zhàn)設(shè)備，在有限的空間內(nèi)，發(fā)揮出更大的作用。（2）統(tǒng)一供電模式，使用電力推進(jìn)技術(shù)可以有效的提高潛艇內(nèi)供電的穩(wěn)定性。在由電力推進(jìn)系統(tǒng)供電以后，可以保障潛艇內(nèi)電流的穩(wěn)定性，使各電子設(shè)備處于一個安全可靠的電力環(huán)境中，降低了潛艇電子設(shè)備因?yàn)殡娐饭收蠈?dǎo)致的事故，減輕了潛艇對電子設(shè)備的維護(hù)工作量，提高了電子設(shè)備的耐用性。（3）提升了潛艇的可操作性，電力推進(jìn)技術(shù)可以提高潛艇的靈活性，降低了潛艇操作的難度，增強(qiáng)了潛艇的機(jī)動性。（4）增強(qiáng)潛艇反潛能力，在潛艇技術(shù)發(fā)展的同時，反潛技術(shù)也獲得了快速發(fā)展，使用電力推進(jìn)技術(shù)，可以降低潛艇工作時的螺旋槳聲音，降低潛艇因?yàn)樵胍暨^大而被聲吶發(fā)現(xiàn)的可能性，提高了潛艇的隱蔽性，提高了潛艇的生存能力。此外將交流電網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于潛艇之上，可以降低潛艇的能耗，降低潛艇航行對海洋的污染，起到環(huán)保的作用。

3 電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 斯特林發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展和完善

斯特林發(fā)動機(jī)是目前世界上許多常規(guī)潛艇使用的AIP技術(shù)。斯特林發(fā)動機(jī)通過氣體受熱膨脹、遇冷空氣壓縮而產(chǎn)生動力的。斯特林發(fā)動機(jī)不需要排廢氣，除燃燒室內(nèi)原有的空氣外，不需要其它空氣，非常適合潛艇的水下航行。1995年下水的“哥特蘭”號潛艇是世界上第一艘裝備AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇，這也標(biāo)志著斯特林發(fā)動機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。目前世界上較先進(jìn)的潛艇如德國的214型潛艇、日本的蒼龍級潛艇等都采用了斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)。但斯特林發(fā)動機(jī)仍存在許多問題需要解決，如膨脹室降溫成本高、功率低等。隨著斯特林發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，其在潛艇上的應(yīng)用也會更加廣泛。

3.2 燃料電池的成熟與應(yīng)用

燃料電池是一種可以將燃料經(jīng)過氧化劑的化學(xué)作用直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型電池技術(shù)。燃料電池的電能轉(zhuǎn)化效率高，經(jīng)過氧化劑可以轉(zhuǎn)換出50%左右的電能，大大提高了燃料的利用率，是火力發(fā)電和柴油發(fā)電的30%，可以極大的節(jié)省燃料。對于內(nèi)部空間有限的潛艇來說，使用燃料電池作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的能源，可以使用有限的資源，盡可能的延長潛艇對電能的需要，同時降低了電力設(shè)備在潛艇內(nèi)部的使用。使用燃料電池+柴電混合電力的推進(jìn)系統(tǒng)，既可以滿足潛艇續(xù)航的需要，也能夠使?jié)撏У碾娏υO(shè)備正常工作。以德國的PEMFC燃料電池為例，該型號的燃料電池可以在一個安靜的環(huán)境中完成電能的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換，使?jié)撏У脑肼暯档阶畹?。在熱能的轉(zhuǎn)換過程中，燃料電池產(chǎn)生的熱量較小，即使在高負(fù)荷的狀態(tài)下，燃料電池的熱負(fù)荷也是極低的，對于潛艇這種密閉性的空間，可以提高潛艇的舒適度。燃料電池通常使用模塊化設(shè)計(jì)，在輸出大功率電流的同時，也不會占用潛艇過多的空間。

3.3 永磁電機(jī)推進(jìn)技術(shù)

永磁電機(jī)也是一種新興的電力推進(jìn)技術(shù)，由于永磁電機(jī)的制造費(fèi)用昂貴，限制了永磁電機(jī)的使用范圍。不過隨著近年來制造永磁電機(jī)的材料價格降低，永磁電機(jī)逐漸可能列裝到潛艇。永磁電機(jī)是一種交流供電電動機(jī)，永磁電機(jī)利用轉(zhuǎn)子和定子的物理作用產(chǎn)生電能，不需要使用空氣，而且永磁電機(jī)在轉(zhuǎn)換電能的過程中，所產(chǎn)生的熱能較少，而轉(zhuǎn)換的電能較多。使用永磁電機(jī)可以滿足潛艇對電能的需要。將永磁電機(jī)作為潛艇的動力系統(tǒng)，具有以下的優(yōu)勢：（1）永磁電機(jī)的體積小，重量也小，以某型號永磁電機(jī)舉例，該型號的永磁電機(jī)可以產(chǎn)生5兆瓦電能，轉(zhuǎn)速達(dá)到150r/s，而重量僅為4噸左右，相比較同等發(fā)電規(guī)模的電動機(jī)來說，永磁電機(jī)推進(jìn)機(jī)的重量是很輕的。（2）電能轉(zhuǎn)換效率高，這是其他發(fā)電方式所無法比擬的，也是永磁電機(jī)的一大優(yōu)勢，永磁電機(jī)在電能的轉(zhuǎn)換效率上，達(dá)到了85%以上。（3）永磁電機(jī)與潛艇的推進(jìn)系統(tǒng)切合度高。經(jīng)過科學(xué)計(jì)算和精準(zhǔn)射擊，將潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的螺旋槳系統(tǒng)和永磁電機(jī)有機(jī)整合到一起，可以有效的提升螺旋槳的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對螺旋槳的精準(zhǔn)操控，由此提升了潛艇的操控能力，使?jié)撏Ь哂袠O強(qiáng)的機(jī)動性。同時，永磁電機(jī)推進(jìn)機(jī)在低俗螺旋槳方面的優(yōu)勢，可以使?jié)撏б暂^低的能耗巡航，提高了潛艇的續(xù)航能力。但是永磁電機(jī)也有技術(shù)短板，主要是容易受到金屬方面的影響，降低其性能。另外高溫對永磁電機(jī)的傷害較為嚴(yán)重，由于潛艇長期處于密封狀態(tài)，其內(nèi)部溫度較高，而當(dāng)溫度超過80℃時，將會降低永磁電機(jī)的發(fā)電效率，這一點(diǎn)需要在以后的研發(fā)過程中加以解決。

4 目前潛艇蓄電池的改進(jìn)

使用蓄電池電力推進(jìn)技術(shù)，是由于潛艇航行的特殊性來決定的。在常規(guī)潛艇中，無論柴電動力潛艇還是使用AIP技術(shù)的潛艇，都離不開蓄電池，蓄電池性能對于潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)，有著直接的影響。目前潛艇依然大量使用鉛酸電池，為此針對鉛酸電池的優(yōu)化，有利于提升潛艇蓄電池的蓄電能力，從而提升潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的性能。隨著AIP系統(tǒng)在潛艇中的普遍應(yīng)用，電力推進(jìn)系統(tǒng)所發(fā)揮的重要作用與日俱增，當(dāng)下使用蓄電池作為潛艇的電力推進(jìn)技術(shù)，需要著重于解決蓄電池的蓄電能力及功率問題。蓄電池技術(shù)目前主要是解放人工的壓力，提升蓄電池內(nèi)部電能的轉(zhuǎn)換效率，如將電池中的氧氣和氫氣相融合，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水，使蓄電池內(nèi)的氫含量提升，由此提升蓄電池對電能的保存能力，延長蓄電池的使用壽命。調(diào)整蓄電池的結(jié)構(gòu)也可以有效提升潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的性能，經(jīng)過實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，管狀電池最有利于電能的保存，相比較平板電池，管狀電池可以有效提升30%的電能保存效果。為了使蓄電池推進(jìn)系統(tǒng)的電能得到充分的發(fā)揮，改革蓄電池正負(fù)極的金屬，可以起到相應(yīng)的效果，目前常用的金屬為銅。

5 結(jié)語

潛艇作為隱蔽打擊敵人的重要手段，在未來戰(zhàn)場上的作用也越來越大。新型電力推進(jìn)技術(shù)在潛艇上的使用，極大提升了潛艇的生存能力和綜合作戰(zhàn)能力。通過本文的分析研究，目前AIP技術(shù)中的斯特林發(fā)動機(jī)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛，其他幾種新型電力推進(jìn)技術(shù)仍在實(shí)驗(yàn)研究階段，沒有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的地步，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，這些新型電力推進(jìn)技術(shù)也將應(yīng)用到潛艇上。

[1]郭冰.水面艦船推進(jìn)電機(jī)技術(shù)發(fā)展與展望[J].船舶電氣,2008,2(4):32-34.

[2]何金平.雙燃料電力推進(jìn)（PFDE）系統(tǒng)集成研究[J].船海工程, 2014,43(5):161-163.

E925.66

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1671-0711（2017）04（上）-0142-02