潛艇AIP系統(tǒng)技術(shù)特點及其未來應(yīng)用前景研究

伍賽特

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司 上海 200438)

0 引言

常規(guī)潛艇不依賴空氣的推進(jìn)系統(tǒng)(Air Independent Propulsion System，AIP)是指不需要外界空氣而僅依靠潛艇儲存的能源物質(zhì)(例如燃油、氫氣或能產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)等)與氧化劑(通常是液態(tài)氧)并提供能量轉(zhuǎn)換條件，完成能量轉(zhuǎn)換，以保證潛艇動力需求的裝置。是自20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的應(yīng)用于常規(guī)潛艇水下長時間潛航推進(jìn)系統(tǒng)的總稱。AIP系統(tǒng)與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池組成常規(guī)潛艇的混合推進(jìn)系統(tǒng)。

常規(guī)潛艇加裝AIP系統(tǒng)的主要目的是減少潛艇通氣管航行時間，增加潛艇的水下續(xù)航力，降低潛艇的暴露率[1]。由于近年來各國所研制的AIP系統(tǒng)的輸出功率尚未達(dá)到取代潛艇常規(guī)柴電動力的程度。因此，目前常規(guī)潛艇上已經(jīng)裝艇或計劃裝艇的AIP系統(tǒng)通常是作為輔助動力而得以使用。常規(guī)潛艇在水面和通氣管狀態(tài)航行時，仍使用柴油發(fā)電機(jī)組充電、航行，水下中高速航行由蓄電池作為動力[2]，而在水下航行狀態(tài)除了可應(yīng)用原有的蓄電池推進(jìn)外，主要由AIP系統(tǒng)提供經(jīng)航電力。通過加裝AIP系統(tǒng)，可使?jié)撏吕m(xù)航力顯著增加，暴露率大幅降低[3-4]，增加了隱蔽性。而付出的成本則相對較低，潛艇的排水量稍有增加、最大航速稍有下降。

1 常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)的發(fā)展歷程

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國海軍由于受到盟軍反潛力量的沉重打擊，曾經(jīng)嘗試研制不依賴空氣的主動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)以過氧化氫為氧化劑、煤油為燃料的瓦爾特發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力，作為潛艇推進(jìn)的動力源。這種不依賴空氣的主動力源若要為潛艇持續(xù)提供足夠的續(xù)航力，則必須要攜帶大量的過氧化氫，考慮到潛艇內(nèi)空間較為有限，因此該要求通常難以實現(xiàn)。而且由于過氧化氫易于發(fā)生爆炸，會對潛艇和人員產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，該類不依賴空氣的主動力系統(tǒng)在潛艇上的實際應(yīng)用效果較差。同時，由于當(dāng)時德國研制出了通氣管裝置，使?jié)撏Р裼蜋C(jī)可以在通氣管狀態(tài)下長期運(yùn)行，從而在當(dāng)時顯著提高了常規(guī)潛艇的隱蔽性和作戰(zhàn)能力。因此，在二戰(zhàn)時期，基于AIP系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)并未得到進(jìn)一步發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是反潛探測技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)潛艇即便采用通氣管航行狀態(tài)，也會提高暴露率，而在水下進(jìn)行隱蔽航行時，通常只能以蓄電池作為動力源，容量有限的蓄電池使得常規(guī)潛艇必須頻繁地浮到水面或以通氣管狀態(tài)航行充電，這樣一來常規(guī)潛艇極易受到反潛力量的攻擊。

因此，從20世紀(jì)80年代開始，西方常規(guī)潛艇技術(shù)較為先進(jìn)的國家，如德國、英國[5]、瑞典、俄國、法國等國家重新將技術(shù)關(guān)注點聚焦到不依賴空氣的AIP系統(tǒng)上，同時對其的使用觀念也逐步發(fā)生了轉(zhuǎn)變。目前，世界各國主要將AIP系統(tǒng)作為常規(guī)潛艇水下低速航行的輔助動力，而非作為主動力，因此AIP系統(tǒng)所需攜帶的氧化劑大幅減少，使其在常規(guī)潛艇上的應(yīng)用成為現(xiàn)實。

2 常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)的類型

根據(jù)AIP系統(tǒng)的定義，凡是不需要依靠大氣環(huán)境即可投入運(yùn)作的輔助推進(jìn)系統(tǒng)被統(tǒng)稱為常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)。AIP系統(tǒng)一般可分為小型核動力裝置AIP系統(tǒng)和非核AIP系統(tǒng)兩大類。而非核AIP系統(tǒng)又分為熱機(jī)型AIP系統(tǒng)和電化學(xué)AIP系統(tǒng)。

熱機(jī)型AIP系統(tǒng)有：閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)、斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)等；電化學(xué)AIP系統(tǒng)主要包括質(zhì)子交換膜(質(zhì)子交換膜)燃料電池AIP系統(tǒng)等[6]。

3 斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)及其技術(shù)特點

3.1 斯特林發(fā)動機(jī)

斯特林發(fā)動機(jī)是一種通過外部熱源加熱內(nèi)部工質(zhì)的活塞式往復(fù)發(fā)動機(jī)。內(nèi)部工質(zhì)被封閉在缸內(nèi)，通過加熱后得以膨脹做功。所遵循的熱力循環(huán)是一種閉式的，采用定容回?zé)岬臍怏w循環(huán)，被稱為斯特林循環(huán)[7]。外部熱源是由柴油(或其它燃料)與液氧(或過氧化氫等高效氧化劑)混合，可在高壓下燃燒時提供，也可由放射性同位素的衰變熱提供。

3.2 斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的技術(shù)特點

(1)斯特林發(fā)動機(jī)所采用的外部加熱裝置對熱源形式無特殊要求，凡是溫度在400 ℃以上的任何形式發(fā)熱裝置都可成為斯特林發(fā)動機(jī)外部加熱系統(tǒng)的熱源[8-9]。因此，其對燃料及能源有著較高的適應(yīng)性；

(2)排氣污染低。斯特林發(fā)動機(jī)的燃燒是連續(xù)進(jìn)行的，燃油和空氣混合良好，空燃比的變化對熱效率影響不大，對功率更是幾乎沒有影響。因此，燃燒過程可在具有較高過量空氣系數(shù)的情況下運(yùn)行，接近于完全燃燒，這樣就使得排氣中的NOx、CO和碳煙排放較少；

(3)噪聲低。斯特林發(fā)動機(jī)的燃燒是在接近于大氣壓的壓力下連續(xù)進(jìn)行的，不會像內(nèi)燃機(jī)一樣產(chǎn)生劇烈噪聲；

(4)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小；

(5)效率高，而且在部分負(fù)荷下工作的效率也較高；

(6)轉(zhuǎn)速扭矩特性好；

(7)超負(fù)荷能力強(qiáng)，可達(dá)額定扭矩的150%；

(8)具有良好的加速性能，發(fā)動機(jī)從怠速工況加速到全負(fù)荷的時間一般僅需0.1 s～0.3 s；

(9)斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的工作狀態(tài)與潛艇深度無關(guān)，但是斯特林發(fā)動機(jī)的制造難度大、造價高，同時很難以民用市場作為技術(shù)依托。

4 閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)及技術(shù)特點

閉式循環(huán)柴油機(jī)是通過對通用型柴油機(jī)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其能不依賴空氣即可正常工作的柴油機(jī)。

4.1 閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)的工作原理

閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、供油系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、廢氣噴淋冷卻裝置、CO2吸收裝置、水管理系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成[10]。

閉式循環(huán)柴油機(jī)的工作原理主要如下。將氣缸內(nèi)燃燒做功后的廢氣以350 ℃～450 ℃的溫度及0.3 MPa～0.5 MPa的壓力排出，廢氣主要由CO2、N2、水蒸氣和少量未燃燒的氧氣構(gòu)成。經(jīng)噴淋冷卻后，其溫度降至80 ℃～100 ℃，然后送入CO2吸收器，在吸收器中大部分CO2和水蒸氣溶解在加壓的海水中，剩下的不可溶氣體則進(jìn)入混合室，在混合室內(nèi)與加入的氧氣和少量的惰性氣體(氬氣)進(jìn)行混合，配制成可滿足柴油機(jī)工作要求的“人造大氣”，重新送入氣缸參加燃燒做功，從而實現(xiàn)閉式循環(huán)。

意大利對閉式循環(huán)柴油機(jī)的研究歷史已達(dá)數(shù)十年。早在1982 年，意大利方面曾將1臺閉式循環(huán)柴油機(jī)用于深潛器，后又在一艘袖珍潛艇上使用，水下航速達(dá)18 kn(節(jié))，續(xù)航里程為400 n mile(海里)。如德國、荷蘭、英國等國都對閉式循環(huán)柴油機(jī)進(jìn)行了多次試驗研究，并取得了一定成果。

4.2 閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)的技術(shù)特點

(1)單機(jī)功率大；

(2)可以通過對通用型柴油機(jī)進(jìn)行改裝來實現(xiàn)，大部分零部件可與一般柴油機(jī)實現(xiàn)通用，技術(shù)成熟、研制費用低、可靠性高；

(3)振動噪聲較大，而且對外排氣需要一套比較復(fù)雜的水管理系統(tǒng)；

(4) 由于系統(tǒng)與外界仍存在一定的工質(zhì)交換，因此并非完全意義上的閉式循環(huán)，將其稱作為“半閉式循環(huán)”或“半開式循環(huán)”更為合適。

5 閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)及其技術(shù)特點

通常，閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)也被稱為自主式水下能源系統(tǒng)，下面將詳細(xì)闡述其工作原理[11]。

5.1 閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)的工作原理

閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)通常由兩個回路組成，即高溫燃?xì)猱a(chǎn)生回路和蒸汽產(chǎn)生回路。儲存在氧罐中的液態(tài)氧，通過液氧低溫輸送泵使壓力提高并將其加熱成氣態(tài)氧，氣態(tài)氧通過管路進(jìn)入高壓燃燒室中，與從燃油儲存箱送來的燃料(一般為乙醇)進(jìn)行混合并燃燒，在高壓燃燒室里產(chǎn)生溫度高達(dá)700 ℃、壓力為6 MPa的高溫高壓氣體，這種高溫高壓氣體被送往蒸汽發(fā)生器放熱后依靠自身的高壓排放到艇外，這部分便是組成自主式潛艇能源系統(tǒng)的高溫燃?xì)猱a(chǎn)生回路分系統(tǒng)。

蒸汽產(chǎn)生回路系統(tǒng)采用的是一種以淡水作為工質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)。在蒸汽發(fā)生器里，管路外面的水通過吸收高溫高壓的燃燒氣體放出的熱量而變成高溫高壓的過熱蒸汽，過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)做功后被送入冷凝器，在冷凝器中經(jīng)海水冷卻后冷凝成水，通過給水泵再將其送往蒸汽發(fā)生器以進(jìn)行循環(huán)。汽輪機(jī)驅(qū)動交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行并進(jìn)行發(fā)電，為潛艇提供所需的電能。

5.2 閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)的主要設(shè)備組成

閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)以乙醇作燃料，氧氣作為氧化劑，工作壓力為6.0 MPa左右，該系統(tǒng)主要設(shè)備主要包括：

(1)燃燒室，乙醇和氧氣在其中進(jìn)行燃燒，并由再循環(huán)氣體冷卻；

(2)蒸汽發(fā)生器，其為循環(huán)系統(tǒng)的熱源；

(3)冷卻器，用于冷凝燃燒產(chǎn)物和工作后的乏汽；

(4)再循環(huán)回路，將冷卻后的部分氣體返回到燃料室，冷卻煙道壁，同時降低燃料氣體的溫度，避免蒸汽發(fā)生器管壁溫度過高。

閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)配備有一回路及二回路。氧氣與乙醇在高壓燃燒室燃燒，產(chǎn)生熱量[12]，通過一回路將熱量導(dǎo)入蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生汽輪機(jī)所需要的工作蒸汽，燃燒產(chǎn)生的廢氣通過排氣系統(tǒng)排出艇外。二回路則為汽輪發(fā)電機(jī)組及其系統(tǒng)回路。

5.3 閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)的技術(shù)特點

(1)單機(jī)功率大；

(2)汽輪機(jī)制造技術(shù)較為成熟，研制難度相對較小；

(3)汽輪機(jī)為旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，振動較小，隱蔽性好；

(4)閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置系統(tǒng)復(fù)雜，輔助冷凝設(shè)備多，布置困難，而且熱效率低，經(jīng)濟(jì)性差。

6 燃料電池AIP系統(tǒng)及技術(shù)特點

6.1 燃料電池AIP系統(tǒng)及其歷史發(fā)展

燃料電池AIP 系統(tǒng)是一種電化學(xué)裝置，其利用潛艇上攜帶的氧和氫作為燃料，在特定的燃燒室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和電解，通過直流電能直接驅(qū)動電動機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，推動潛艇航行。其化學(xué)反應(yīng)生成物是水，無須排出艇外，既不會產(chǎn)生航跡，又不受深水背壓變化影響，同時具有噪音低、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用安全等優(yōu)勢，其為一種較理想的潛艇AIP 系統(tǒng)。

燃料電池從20 世紀(jì)60 年代中期就已在航天工業(yè)中使用， 20 世紀(jì)70 年代以來，又曾在深潛器中使用。20 世紀(jì)80 年代以后， 部分國家對燃料電池AIP 系統(tǒng)在潛艇上的應(yīng)用進(jìn)行了研究試驗。

目前，德國、俄羅斯、英國、加拿大等國家都在針對燃料電池AIP系統(tǒng)以開展試驗研究。其中德國、俄羅斯已分別在212級潛艇、阿穆爾級潛艇上使用燃料電池AIP系統(tǒng)，加拿大已在支持者級潛艇上加裝了燃料電池AIP系統(tǒng)。

6.2 燃料電池AIP系統(tǒng)的技術(shù)特點

燃料電池是直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，省去了一般熱力發(fā)動機(jī)中的熱能轉(zhuǎn)換過程，因此，其技術(shù)特點主要如下：

(1)效率高；

(2)內(nèi)部無回轉(zhuǎn)機(jī)械，幾乎無噪聲，排溫低，信號特征小，隱蔽性好；

(3)功率密度大，過載能力強(qiáng)；

(4)配置靈活；

(5)環(huán)境污染小。

但是，在潛艇內(nèi)除液態(tài)氧外，還必須配備有氫燃料，燃料電池的氫燃料主要有以下幾種：

(1)以純氫為燃料，高壓存儲；

(2)通過甲醇蒸汽以重整制氫；

(3)通過對碳?xì)浠衔镞M(jìn)行部分重整以制氫。

以純氫為燃料，可以使燃料電池具有較好的性能。但是通常氫是以氣態(tài)存在的，由此使得氫的燃料來源及其儲存和運(yùn)輸技術(shù)成為目前亟待解決的問題。液態(tài)儲氫同氣態(tài)儲氫相比，效率得以顯著提高，而且能使整個裝置的重量減輕，體積也相對減小。同時，由于氫氣的液化要消耗大量的能源，而且對氫的純度要求比較高[13-14]。為了實現(xiàn)液態(tài)儲氫，需要開發(fā)出絕熱性非常好的真空儲氫罐，防止揮發(fā)與泄漏。

雖然發(fā)展前景較好，但燃料電池仍有一定不足之處，主要是其成本較高、系統(tǒng)較復(fù)雜、燃料儲備占據(jù)空間較大，安全性較差，為此仍需開展進(jìn)一步研究。

7 小型核動力AIP系統(tǒng)及其技術(shù)特點

7.1 小型核動力AIP系統(tǒng)及其組成

小型核動力AIP系統(tǒng)就是在常規(guī)潛艇中加入1個帶有小型核反應(yīng)堆的艙段，使?jié)撏г跐摵綍r，既可使用核動力推進(jìn)，也可使用蓄電池推進(jìn)，在采用核動力推進(jìn)時，可以長時間以10 kn左右的航速進(jìn)行連續(xù)的水下航行。此外，當(dāng)潛艇蓄電池的電能耗盡時，利用艇上的核動力裝置就可為蓄電池緩慢地充電。在安全海域，也可使用通氣管裝置對蓄電池進(jìn)行快速充電。

小型核動力裝置通常由五個主系統(tǒng)及輔助設(shè)備組成，該五個主系統(tǒng)分別為核反應(yīng)堆熱源、能量轉(zhuǎn)換裝置、控制和監(jiān)視系統(tǒng)、功率分配系統(tǒng)，以及連續(xù)供電系統(tǒng)。

在小型核動力AIP推進(jìn)系統(tǒng)中，最主要的部分是核反應(yīng)堆熱源，通常為小型核動力反應(yīng)堆堆芯選用TRGA 型核燃料。該類核燃料的性能穩(wěn)定，在裂變功率、熱流量、燃料消耗，以及所需冷卻劑壓力等方面均已經(jīng)歷了多年的實踐考驗，有著較高的技術(shù)成熟度。

TRGA型核燃料的主要成分是鈾-鋯-氫化物(U-Zr-H)，該類核燃料的基本特點是具有較高的瞬時負(fù)溫度系數(shù)和較好的裂變產(chǎn)物抑制特性。在使用這種核燃料時，如需對核反應(yīng)堆進(jìn)行功率調(diào)整，可在控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)的操縱下，通過調(diào)節(jié)中子吸收器的位置而得以實現(xiàn)。反應(yīng)堆進(jìn)行核反應(yīng)時所產(chǎn)生的熱量，由流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯的輕水(反應(yīng)堆冷卻劑)帶出，再經(jīng)氟利昂蒸發(fā)器將熱量轉(zhuǎn)送到能量轉(zhuǎn)換裝置。

核反應(yīng)堆的主要元件，包括反應(yīng)堆的堆芯、反射器、一次屏蔽，以及一回路冷卻劑管道等設(shè)備，都安裝在一個較大的備用冷卻水艙中，一旦一回路冷卻劑的循環(huán)遭到破壞時，被動冷卻機(jī)械就會在反應(yīng)堆芯與備用冷卻劑之間自動實現(xiàn)冷卻劑的對流流動。

小型核動力核反應(yīng)堆采用了一種特殊的能量轉(zhuǎn)換裝置，該轉(zhuǎn)換裝置可將反應(yīng)堆所產(chǎn)生的低溫能量連續(xù)轉(zhuǎn)換成電功率。在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時，所采用的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)主要是低溫汽輪機(jī)。反應(yīng)堆堆芯的工作溫度為一回路壓力的函數(shù)，在進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，氟利昂作為工質(zhì)以進(jìn)行循環(huán)。

在整個能量轉(zhuǎn)換裝置中，一回路將來自堆芯的高溫水通過二回路的熱交換器進(jìn)行循環(huán)，而二回路蒸發(fā)器內(nèi)部則充滿了氟利昂，氟利昂被加熱變成氣態(tài)的氟利昂蒸汽，再通過單級徑流式汽輪發(fā)電機(jī)組后，將熱能轉(zhuǎn)換成電能。隨后，氟利昂再流至整流器中。

作為小型核動力AIP系統(tǒng)反應(yīng)堆的控制和監(jiān)視系統(tǒng)以微處理機(jī)為基礎(chǔ)。該系統(tǒng)所具有的功能可對小型核動力AIP系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行掃描，并對輸入信號偏離設(shè)定值的誤差進(jìn)行檢驗和校核，執(zhí)行控制計算，如出現(xiàn)問題可即時產(chǎn)生報警信號。

7.2 小型核動力AIP系統(tǒng)的技術(shù)特點

小型核動力AIP不同于傳統(tǒng)核潛艇的核動力裝置，并具有以下技術(shù)特點。

(1)輸出功率選用范圍較大

小型核動力裝置的凈輸出功率范圍較大，可在100 kW～1 MW的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行變化。通常而言，輸出功率為100 kW的小型核動力AIP系統(tǒng)可應(yīng)用于排水量為1,000 t的潛艇上，輸出功率為400 kW的小型核動力AIP系統(tǒng)可應(yīng)用于2,000 t排水量的潛艇上。

(2)核反應(yīng)堆具有自動停堆能力

小型核動力裝置核反應(yīng)堆是不加壓或輕度加壓的輕水冷卻型核反應(yīng)堆，當(dāng)核反應(yīng)堆突發(fā)故障時，可對核燃料棒進(jìn)行冷卻，從而避免危險。由于自動冷卻系統(tǒng)沒有可動部件，因此，在無人操作或艇內(nèi)電源斷掉的情況下，冷卻系統(tǒng)仍然發(fā)生作用，使發(fā)生故障的反應(yīng)堆自動停堆。

(3)結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，工作壽命長

小型核動力AIP系統(tǒng)的核反應(yīng)堆與傳統(tǒng)核反應(yīng)堆相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。由于小型核動力裝置核反應(yīng)堆具有低壓和低溫的特點，因而簡化了反應(yīng)堆的操作，其使用壽命一般為8年～10 年，與潛艇的大修周期基本同步。

(4)核反應(yīng)堆核燃料安全可靠

小型核動力裝置核反應(yīng)堆使用的是僅含19.7%濃縮鈾的核燃料，其特點是當(dāng)發(fā)生核反應(yīng)堆功率突然升高時，核燃料自身所具有的補(bǔ)償特性會使核反應(yīng)堆的運(yùn)行速度得以減緩。

(5)核反應(yīng)堆設(shè)計尺寸可與潛艇實現(xiàn)有機(jī)匹配

小型核動力裝置核反應(yīng)堆設(shè)計尺寸與當(dāng)前大多數(shù)潛艇的主尺度匹配，完全可以被裝入2,000 t級常規(guī)潛艇7 m直徑的耐壓殼內(nèi)。因此，小型核動力AIP系統(tǒng)的核反應(yīng)堆既可用于新建潛艇，也可用于對現(xiàn)役潛艇的改裝。小型核動力AIP系統(tǒng)能充分適應(yīng)較小排水量的裝備平臺環(huán)境，在盡量不改變常規(guī)潛艇總體動力系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過裝備小型核動力裝置，使?jié)撏г诓灰蕾嚳諝猱a(chǎn)生的前提下，獲得水下推進(jìn)動力。

不像傳統(tǒng)核潛艇那樣追求高航速的強(qiáng)大動力，但是也不等同于航天工業(yè)中只需要為電子元器件、控制和照明提供小功率電源的需求，小型核動力AIP系統(tǒng)輸出的功率能滿足潛艇中、低航速推進(jìn)的能量需求。

盡管性能優(yōu)越，但同時小型核動力AIP系統(tǒng)也存在著以下缺陷：

(1)存在核動力裝置安全、核輻射、核設(shè)施管理、報廢處理等問題；

(2)該系統(tǒng)的工質(zhì)參數(shù)及工作效率均較低，冷卻水流量大，同時由于系統(tǒng)配備有較多的大型噪聲源設(shè)備和大流量管路，噪聲控制等問題較為嚴(yán)重。

8 幾類AIP系統(tǒng)技術(shù)特點的比較

分別選擇熱機(jī)型AIP系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)、電化學(xué)AIP系統(tǒng)中的燃料電池AIP系統(tǒng)，以及小型核動力AIP系統(tǒng)進(jìn)行對比研究。這幾類種AIP系統(tǒng)是目前世界上比較成熟的AIP系統(tǒng)，根據(jù)其各自的工作原理和在常規(guī)潛艇中的應(yīng)用情況，主要從如下幾個方面對各自的特點進(jìn)行比較。

8.1 系統(tǒng)技術(shù)成熟度

從國外常規(guī)潛艇應(yīng)用AIP系統(tǒng)的情況看，斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)已有多年的運(yùn)行經(jīng)驗。無論從系統(tǒng)本身還是應(yīng)用于潛艇的相關(guān)總體技術(shù)方面都沒有遺留的問題，可以說是一種較為成熟的AIP系統(tǒng)，目前已應(yīng)用于瑞典“哥特蘭”號潛艇，該潛艇已得以正式交付。燃料電池AIP系統(tǒng)在德國已進(jìn)行過艇上運(yùn)行試驗，目前也已裝備于該國212級、214級等潛艇上。小型核動力AIP系統(tǒng)已在加拿大、法國和俄羅斯等同進(jìn)行過應(yīng)用于潛艇的相關(guān)研究，并已應(yīng)用到潛艇上。因此，這幾種AIP系統(tǒng)技術(shù)均有一定的技術(shù)成熟度。

8.2 系統(tǒng)的輸出功率

目前，單臺V4-275R型斯特林發(fā)動機(jī)的輸出功率最大可達(dá)75 kW，發(fā)電機(jī)組輸出功率約為65 kW，考慮到系統(tǒng)本身消耗的功率，其系統(tǒng)功率輸出更低。燃料電池AIP系統(tǒng)單個電池功率可達(dá)50 kW，其裝置的總功率根據(jù)潛艇的需要可以增加電池個數(shù)。小型核動力AIP系統(tǒng)的提供的輸出功率則明顯高于上述兩種AIP系統(tǒng)。

8.3 系統(tǒng)的工作效率

在上述幾類AIP系統(tǒng)中，小型核動力AIP的系統(tǒng)效率大約為10%，盡管該指標(biāo)相對較低，但其核燃料可為潛艇提供足夠的水下續(xù)航里程。斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的理論效率可達(dá)42.5%，但其實際有效效率目前僅為30%左右。而燃料電池AIP系統(tǒng)的效率理論上可達(dá)到80%～90%，實際效率可達(dá)到50%～70%，是所有AIP系統(tǒng)中系統(tǒng)最高的。

8.4 系統(tǒng)的安全性

斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的安全性與艇上儲存的大量液氧有關(guān)，液氧對潛艇安全性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面。其一是液氧罐的安全性，其二是氧氣在艙室中的泄漏。從國內(nèi)外的試驗來看，液氧儲存技術(shù)是較為成熟的，艙室內(nèi)氧氣濃度也可通過檢測以進(jìn)行控制，因此，斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的安全性可得到充分保證。

燃料電池AIP系統(tǒng)的安全性既與艇上儲存的大量液氧有關(guān)，又與燃料電池工作時需要的氫燃料有關(guān)。若使用純氫，無疑將影響到潛艇的安全性。因此，國外一般采用金屬氫化物制氫或甲醇等燃料重整制氫，但無論采取哪一種方式制取氫燃料，在潛艇密閉空間內(nèi)必須高度關(guān)注氫氣和氧氣的安全性問題。

小型核動力AIP則是以核燃料的裂變反應(yīng)的熱量加熱蒸汽以作為工質(zhì)，艇上無須攜帶專用液氧和氫氣，無須考慮由其引起的安全性問題，但務(wù)須重視小型核動力裝置的核安全性及其核輻射防護(hù)等問題。

8.5 系統(tǒng)的水下續(xù)航力

配備有熱機(jī)型AIP系統(tǒng)的潛艇和燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇，其水下續(xù)航力主要取決于其所攜帶的燃料和氧化劑。尤其是氧化劑更是制約這兩種AIP系統(tǒng)的主要因素。在液氧攜帶量一定的前提下，由于燃料電池AIP系統(tǒng)的效率較高，比斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的效率高出近一倍，因此在攜帶的液氧為一定的情況下，裝備燃料電池AIP系統(tǒng)潛艇的水下續(xù)航力約為斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的兩倍。而裝備小型核動力AIP系統(tǒng)的潛艇水下續(xù)航力在一段時間內(nèi)，可認(rèn)為是近乎無限的。

8.6 系統(tǒng)的信號特征和隱蔽性

潛艇的隱蔽性主要可從信號特征和暴露率兩方面衡量。信號特征又分為噪聲振動信號特征和紅外信號特征。

由于燃料電池AIP系統(tǒng)基本無回轉(zhuǎn)設(shè)備，系統(tǒng)噪聲振動較低。斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)則屬于熱機(jī)AIP系統(tǒng)，有機(jī)械運(yùn)動和系統(tǒng)冷卻泵組等，其噪聲振動高于燃料電池AIP系統(tǒng)。小型核動力AIP系統(tǒng)的一、二回路均布置有泵組，二回路還配備有汽輪發(fā)電機(jī)組，因此振動噪聲相對較大。當(dāng)然，上述振動噪聲可以通過減振降噪技術(shù)來解決。

同時，幾類AIP系統(tǒng)工作均需要通過舷外海水來冷卻，只是冷卻程度不同而已。閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)需要大量海水來進(jìn)行冷卻，燃料電池AIP系統(tǒng)的冷卻要求則相對更低。

單從水下續(xù)航力來看，裝備小型核動力AIP系統(tǒng)的潛艇暴露率最小，裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇暴露率次之，裝備斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)的潛艇暴露率最高。

8.7 各類AIP系統(tǒng)的技術(shù)性能的比較

上文簡要介紹了幾類常用AIP系統(tǒng)的構(gòu)成原理與特點。各種AIP系統(tǒng)的技術(shù)性能比較歸納于表1中[15]。

表1 各類AIP系統(tǒng)的技術(shù)性能的比較

9 潛艇AIP系統(tǒng)未來發(fā)展前景展望

9.1 非核AIP系統(tǒng)未來發(fā)展前景展望

斯特林發(fā)動機(jī)由于其低噪聲、高效率、可使用多種燃料[16]、發(fā)動機(jī)壽命長，目前是較有前途的一類AIP系統(tǒng)。由于其自身固有的低功率密度等特點，決定了斯特林發(fā)動機(jī)裝置功率密度小于閉式循環(huán)柴油機(jī)裝置。如需加大斯特林發(fā)動機(jī)的功率，則需要多臺發(fā)動機(jī)進(jìn)行并聯(lián)輸出，又會影響到潛艇艙室布局。斯特林發(fā)動機(jī)實現(xiàn)功率突破的難度較大。與柴油機(jī)相比，斯特林發(fā)動機(jī)的效率稍低，油耗略高。同時其成本昂貴、研制風(fēng)險大、技術(shù)門檻高、開發(fā)周期較長，可靠性還需進(jìn)一步提高。為滿足潛艇低速航行的功率需求，需要進(jìn)一步提高斯特林發(fā)動機(jī)單機(jī)功率。為滿足將來進(jìn)一步發(fā)展的需要，應(yīng)開發(fā)既可以使用液氧，也可以使用大氣中氧成分的斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。

閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)主要技術(shù)優(yōu)點是柴油機(jī)技術(shù)成熟、性能可靠、壽命長。目前，此類AIP系統(tǒng)所使用的柴油機(jī)可以為標(biāo)準(zhǔn)潛艇用柴油機(jī)，其制造和裝配技術(shù)成熟，工作壽命比其他AIP系統(tǒng)更長。同時，其燃料可以實現(xiàn)通用，其所使用的柴油與普通非核動力潛艇一樣，采購方便，保障簡單。AIP系統(tǒng)隨時可在閉式和開式循環(huán)兩種工作方式間轉(zhuǎn)換，增大了使用靈活性。由于大量使用成熟技術(shù)，且水上、水下均可使用，耗油率低，維修費用低，因此是AIP系統(tǒng)中最為經(jīng)濟(jì)的一種形式。

閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)存在的缺點和不足是工作效率低、氧氣消耗量大、排放熱量大，以及系統(tǒng)噪聲大。閉式循環(huán)柴油機(jī)使用普通柴油機(jī)，運(yùn)動部件多，工作過程中產(chǎn)生的機(jī)械噪聲難以避免。雖然可以采用降噪技術(shù)將噪聲降至安靜航行狀態(tài)下的水平，但總體上比燃料電池噪聲更大，同時也使系統(tǒng)輸出功率受到限制。

閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)的技術(shù)難點在于液氧采用高壓或低溫儲存。無論液氧儲存罐置于何處，必須要經(jīng)得起高達(dá)5 g的加速度的沖擊。同時，其主要優(yōu)點是功率較高，可滿足潛艇水下高速航行的需要。閉式循環(huán)汽輪機(jī)功率可達(dá)200 kW。燃燒產(chǎn)物排放較為隱蔽。同時由于燃燒壓力較大，燃燒產(chǎn)物壓力也較大，無須加壓就能排出艇外，以此即可減少潛艇噪聲。采用氣泡分裂系統(tǒng)使排出二氧化碳?xì)馀葜睆綔p小，提高了廢氣的海水溶解度。如情況危急，可將燃燒產(chǎn)物冷凝后儲存艇內(nèi)。

閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)的主要缺點是其系統(tǒng)尺寸大、輔助機(jī)械和設(shè)備多。裝置主要設(shè)備和部件包括燃燒室、蒸汽發(fā)生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、汽輪機(jī)、交流發(fā)電機(jī)，以及各類泵等設(shè)備，由此存在安裝布置困難的問題，并需要較大的艙室空間。此外，由于汽輪機(jī)裝置熱效率低、經(jīng)濟(jì)性較差，耗氧率比閉式循環(huán)柴油機(jī)高出約15%。同時，在相同水下續(xù)航力的前提下，乙醇燃料所占用的空間比閉式循環(huán)柴油機(jī)高出一倍，且所有系統(tǒng)設(shè)備和部件都需專門設(shè)計，投資大，性價比較低。

燃料電池裝置是最具競爭力的AIP系統(tǒng)之一。燃料電池AIP系統(tǒng)的主要優(yōu)點是能量轉(zhuǎn)換效率高。燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)燃料和氧化劑的化學(xué)能變?yōu)殡娔躘17-18]，省去了熱機(jī)發(fā)電時的“燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能”等較為復(fù)雜且低效的能量轉(zhuǎn)換過程，減少了能量損耗。理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%，其實際工作效率可達(dá)60%。

氫氧燃料電池唯一的反應(yīng)產(chǎn)物為水。同時，由于能量轉(zhuǎn)換過程中能量損耗較少，所以相應(yīng)的散熱也少，以此有效地降低了潛艇的熱輻射和熱特征。

同時，燃料電池具有噪聲較低的技術(shù)優(yōu)勢。由于在其內(nèi)部能量得以直接轉(zhuǎn)換，并無運(yùn)動部件，因此工作過程較為安靜，可使?jié)撏Ш叫袝r具有極佳的聲學(xué)隱蔽性。燃料電池維護(hù)保養(yǎng)方便，對零部件加工要求低，便于制造加工[19]。由于并無運(yùn)動部件，也就不存在磨損故障，通過集中控制裝置可以實現(xiàn)自動化運(yùn)行。

燃料電池過載能力強(qiáng)，短時過載能力可達(dá)額定功率的2倍，而柴油機(jī)等傳統(tǒng)熱機(jī)難以實現(xiàn)該指標(biāo)，因此裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇可進(jìn)行短時加速航行。燃料電池配置靈活，便于安裝。燃料電池效率隨輸出功率變化特性較好，適合作為功率范圍寬且效率要求高的潛艇AIP系統(tǒng)。

燃料電池AIP系統(tǒng)的不足之處在于其所使用的氫燃料危險性較高。目前燃料電池只能用氫作燃料，氫的制備和提取復(fù)雜。在潛艇狹小空間內(nèi)，一旦發(fā)生氫氣泄漏，氫氣濃度超過限值極易引發(fā)爆炸和火災(zāi)等現(xiàn)象。燃料電池裝置功率密度較小。由于必須為燃料電池源源不斷地供應(yīng)氫和氧，使用燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇一般都需要配備有較大容量的液氧罐和液氫罐。同時，燃料電池也面臨著生產(chǎn)技術(shù)難度大、對基礎(chǔ)工業(yè)要求高、研制周期長、投入多、技術(shù)風(fēng)險大等一系列問題。

這四大類潛艇AIP系統(tǒng)共同特點是運(yùn)行都需耗氧，并且需要考慮艇上氧的儲存。因此，從現(xiàn)階段非核動力潛艇AIP系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r來看，如何解決在潛艇上氧的儲存問題，是潛艇AIP系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，燃料電池需要使用氫，斯特林發(fā)動機(jī)和閉式循環(huán)柴油機(jī)需要使用柴油。

不同潛艇AIP系統(tǒng)要求的燃料儲存條件有所不同。以氫為例，氫既可像其他氣體那樣在高壓下儲存，也可以液態(tài)或金屬氫化物形式儲存。由于儲存危險性較高，一般不考慮以氣態(tài)形式儲存。當(dāng)其以液態(tài)或金屬氫化物形式儲存時，還需估算儲存系統(tǒng)的重量和容積。

在選用潛艇AIP系統(tǒng)時，還要考慮的另一重要因素是裝置效率。從現(xiàn)有的潛艇AIP系統(tǒng)來看，斯特林發(fā)動機(jī)、閉式循環(huán)柴油機(jī)和閉式循環(huán)汽輪機(jī)的裝置效率約為25%～30%，燃料電池裝置效率約為60%。如果能夠解決在潛艇上氧和氫的制備與儲存問題，僅從裝置效率這方面來看，燃料電池更具優(yōu)勢。

其中熱機(jī)型AIP系統(tǒng)存在化學(xué)能-熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換，均需要熱力發(fā)動機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，從而不可避免地對潛艇的隱蔽性產(chǎn)生影響。因此，對于熱機(jī)型AIP系統(tǒng)，降低振動噪聲是其發(fā)展的關(guān)鍵，如精心設(shè)計發(fā)動機(jī)的工作過程、提高發(fā)動機(jī)的加工工藝、采取主被動隔振措施等。同時，提高系統(tǒng)的效率和可靠性、安全性，使得一定量的液氧攜帶量可以在水下航行更長的距離及安全可靠地使用。

電化學(xué)型AIP系統(tǒng)可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其中質(zhì)子交換膜型燃料電池是常規(guī)潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)的發(fā)展方向，其關(guān)鍵部件為質(zhì)子交換膜，并以鉑作為催化劑的陰陽電極，因此未來的發(fā)展趨勢是進(jìn)一步提高質(zhì)子交換膜型燃料電池的工作效率、降低燃料電池的研制成本；對于目前的儲氫技術(shù)仍將開展進(jìn)一步研究，在金屬儲氫、甲醇重整等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究，尤其是在金屬儲氫的效率方面將有新突破，爭取以更小的空間存儲更多的氫，進(jìn)一步提高燃料電池AIP系統(tǒng)的發(fā)電能力；同時，注重電化學(xué)型AIP系統(tǒng)的安全性。除此之外，通過研制新型高能動力電池(如鋰電池等)來代替目前的鉛酸蓄電池，以求大幅增加常規(guī)潛艇水下連續(xù)潛航續(xù)航力，有望成為電化學(xué)型AIP系統(tǒng)發(fā)展方向之一。

當(dāng)前正在研制、使用的非核動力AIP系統(tǒng)，無論是斯特林發(fā)動機(jī)AIP 系統(tǒng)，還是燃料電池AIP系統(tǒng)都存在一些關(guān)鍵問題，這些關(guān)鍵問題主要包括液氧的儲運(yùn)技術(shù)、氫氣的儲運(yùn)技術(shù)、廢氣的處理技術(shù)、高溫高壓燃燒及密封技術(shù)等，對這些關(guān)鍵問題有的已得以充分解決，但還有待進(jìn)一步完善，有的又帶來新的問題，如氫氣儲運(yùn)通常通過金屬棒來進(jìn)行攜帶。采用該方式時，不僅攜帶氫氣量有限，而且會增加潛艇重量，并占用有限的潛艇空間，如何解決這些矛盾就成為潛艇設(shè)計者的一項重要課題，由此針對核動力AIP系統(tǒng)的開發(fā)也引起了進(jìn)一步關(guān)注。

9.2 潛艇小型核動力AIP系統(tǒng)未來發(fā)展前景展望

核動力裝置是真正的不依賴艇外空氣的推進(jìn)系統(tǒng)，由于核動力裝置所具有的此類優(yōu)越性，所以諸多海軍強(qiáng)國都將其應(yīng)用于本國的潛艇上。以核動力裝置為主推進(jìn)方式的潛艇具有功率大、續(xù)航力長的特點，但同時它也有造價高、建造周期長、維修復(fù)雜等缺點。

與傳統(tǒng)核動力潛艇相比，小型核動力AIP系統(tǒng)的區(qū)別在于：

(1)參數(shù)更低，燃料富集度較低，效率較低，反應(yīng)堆熱工裕量更大、系統(tǒng)固有安全性更高；

(2)系統(tǒng)簡單，只作為潛艇電站出現(xiàn)，為全電力推進(jìn)；

(3)總功率僅用于滿足潛艇中低速獨立電能供應(yīng)要求。

由于安全性和技術(shù)成熟因素，核動力潛艇反應(yīng)堆主要采用壓水堆。在減小體積重量方面，逐步由緊湊式布置反應(yīng)堆向一體化反應(yīng)堆發(fā)展。

縱觀各國發(fā)展?jié)撏в眯⌒秃藙恿IP系統(tǒng)的發(fā)展歷程，可以看出：從傳統(tǒng)的雙回路核能發(fā)電系統(tǒng)，到全自然循環(huán)一體化反應(yīng)堆和熱電直接轉(zhuǎn)換的發(fā)電系統(tǒng)，代表著近年來小型核動力AIP系統(tǒng)日益小型化和低噪聲化的發(fā)展趨勢。但即便如此，小型核動力AIP系統(tǒng)仍無法全面取代單一核動力裝置。

10 結(jié)論及展望

斯特林發(fā)動機(jī)AIP 系統(tǒng)具有振動小、噪音低、廢氣可在海水中溶解等優(yōu)點，潛艇航跡小，隱蔽性能好，但其開發(fā)成本高，研制周期長，可靠性仍有待提升。

閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)的各項技術(shù)都比較成熟，閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP系統(tǒng)主要問題是噪音大，系統(tǒng)較復(fù)雜、有廢氣排出，深潛時背壓對其影響較大，而且對外排氣需要一套比較復(fù)雜的水管理系統(tǒng)，上述問題還有待于進(jìn)一步解決。

閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)單機(jī)功率較大，技術(shù)較為成熟，且振動噪聲小，隱蔽性較好，但其裝置系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備繁多，布置較為困難，且熱效率較低。

燃料電池AIP系統(tǒng)高效、清潔、振動噪聲小，且隱蔽性好，有望成為潛艇單一系統(tǒng)。但就其使用的氫燃料的制取、儲備、運(yùn)輸及安全性等問題而言，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。

小型核動力AIP系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)核潛艇的動力系統(tǒng)而言，更著重追求簡單的熱力架構(gòu)、更好的固有安全性、更低的配套要求、更簡易方便的操作使用和更低廉的全壽期價格。相對于非核的AIP系統(tǒng)，將使?jié)撏С浞纸鉀Q水下續(xù)航力不足的難題，并相應(yīng)具有更大的功率和更好的機(jī)動能力。但由于其采用核燃料作為動力來源，因此仍面臨著安全性隱患及系統(tǒng)復(fù)雜、效率低下，以及對核輻射和核廢料的處理等其他問題。同時，小型核動力AIP系統(tǒng)更多僅可作為潛艇在水下航行時的替代性動力設(shè)備，仍無法取代單一核動力裝置。

因此，基于本文研究，就不同潛艇動力裝置的未來發(fā)展前景而言，直接發(fā)展采用單一核動力裝置的大型核動力潛艇更為適宜。核動力裝置以核反應(yīng)堆為能源，核裂變不需要氧氣，可使?jié)撏г谒鲁掷m(xù)地高速航行，極大地提高潛艇的隱蔽性和水下生命力，是潛艇較理想的系統(tǒng)。不僅如此，核動力推進(jìn)系統(tǒng)使得核動力潛艇在執(zhí)行各種任務(wù)期間無須浮出水面，實現(xiàn)了潛艇的暴露率接近于零，同時有著較強(qiáng)的續(xù)航力。由此，從長遠(yuǎn)角度來看，發(fā)展核動力潛艇更具前景[20-21]。