潛艇動(dòng)力裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司 上海 200438）

0 引言

潛艇是一類可在水下航行的艦船［1］。在潛艇領(lǐng)域，由柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和蓄電池組所組成的動(dòng)力裝置被稱為常規(guī)動(dòng)力裝置。此類動(dòng)力裝置已在潛艇領(lǐng)域應(yīng)用多年，在核動(dòng)力裝置出現(xiàn)以前，潛艇多采用此類動(dòng)力裝置。

1 潛艇常規(guī)動(dòng)力裝置及其技術(shù)特點(diǎn)

1.1 柴油機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

由于潛艇內(nèi)部的工作條件較為惡劣，因而在選用潛艇柴油機(jī)時(shí)要求較為嚴(yán)格。目前所使用的柴油機(jī)均會(huì)采用各種增壓方式來(lái)提高功率，其中采用渦輪增壓的效果最為顯著。但在較大背壓及真空度的條件下，特別在背壓波動(dòng)時(shí)，渦輪增壓柴油機(jī)的工作穩(wěn)定性和可靠性均會(huì)受到較大影響。

潛艇柴油機(jī)還應(yīng)具有耗氣量低、耗油量少的特性。耗氣量低可以減小通氣管尺寸或降低排氣背壓，這樣有利于減小潛艇流體阻力，并改善柴油機(jī)的工作條件，從而降低機(jī)艙真空度。耗油少可以增大潛艇續(xù)航力。與兩行程柴油機(jī)相比，四行程柴油機(jī)由于具有單獨(dú)吸氣行程，其加速性能及高背壓性能較好，更適用于潛艇的通氣管航行狀態(tài)。此外，四行程柴油機(jī)耗氣量較低，僅為兩行程柴油機(jī)的56%～66%，其燃燒也更充分，故燃油消耗率低于兩行程柴油機(jī)。

潛艇柴油機(jī)的選型還取決于動(dòng)力裝置的傳動(dòng)型式。二次世界大戰(zhàn)前，潛艇水面航速是一項(xiàng)重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，動(dòng)力裝置均采用直接傳動(dòng)，柴油機(jī)多選用中速機(jī)。而隨著技術(shù)的發(fā)展，潛艇多處于潛航狀態(tài)，在水面活動(dòng)的機(jī)會(huì)日益減少，水面航速的戰(zhàn)術(shù)重要性逐步降低，水下航速則亟待持續(xù)提高。據(jù)此，各國(guó)相繼為潛艇選用了電力推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅避免了直接傳動(dòng)系統(tǒng)所具有的動(dòng)力性匹配問題，而且也為潛艇選用重量輕、尺寸小的中、高速柴油機(jī)開辟了新的發(fā)展路徑。目前，中、高速柴油機(jī)的壽命也有了大幅度提升。隨著中、高速柴油機(jī)性能的與日俱增，其在潛艇上已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。就目前而言，采用機(jī)械增壓系統(tǒng)及中冷系統(tǒng)的四行程中、高速柴油機(jī)已成為常規(guī)潛艇的主流動(dòng)力裝置。

為適應(yīng)潛艇的特殊要求，并確保柴油機(jī)工作的可靠性和壽命，潛艇柴油機(jī)往往會(huì)以低工況狀態(tài)運(yùn)行，這就導(dǎo)致潛艇柴油機(jī)有著較高的功率儲(chǔ)備。目前，已通過(guò)提高加工精度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的靜平衡及動(dòng)平衡等措施，進(jìn)一步降低潛艇柴油機(jī)的噪聲。為使柴油機(jī)適應(yīng)戰(zhàn)斗過(guò)程的需要，各國(guó)均開展了新的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程。

就現(xiàn)階段而言，各國(guó)柴油機(jī)的發(fā)展途徑是增加缸數(shù)，擴(kuò)大缸徑，并適當(dāng)提升活塞平均速度，通過(guò)提高平均有效壓力的方式來(lái)提升單機(jī)功率。

1.2 蓄電池及其技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 蓄電池的定義

蓄電池是一類可實(shí)現(xiàn)充電和放電的便攜式直流電源。按電解液性質(zhì)可分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。前者包括鉛酸電池等，后者包括鎳鎘電池及鋅銀電池等。

1.2.2 鉛酸電池及其技術(shù)特點(diǎn)

鉛酸電池是一類常見的蓄電池，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車及船舶等移動(dòng)設(shè)備，同樣也是潛艇的傳統(tǒng)水下動(dòng)力來(lái)源，其自19 世紀(jì)末期開始用于潛艇以來(lái)，已經(jīng)歷了多年發(fā)展歷程，各方面性能均有了長(zhǎng)足進(jìn)步，以提高潛艇水下航行速度，確保潛艇的作戰(zhàn)性能。鉛酸電池具備如下技術(shù)特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全部元件可以組裝在箱體內(nèi)；②單個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)較高、內(nèi)阻較??；③能量轉(zhuǎn)換效率較高；④能實(shí)現(xiàn)大電流放電；⑤可以在海水壓力下工作，而且壓力對(duì)電池性能影響較??；⑥由于無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，故不會(huì)產(chǎn)生顯著的振動(dòng)與噪聲；⑦可以在明顯高于或低于海水溫度的環(huán)境下運(yùn)作；⑧可靠性高，即便單體電池出現(xiàn)了技術(shù)故障，也不會(huì)影響整個(gè)電池系統(tǒng)的輸出，仍可持續(xù)工作；⑨成本低廉。

鉛酸電池的技術(shù)弊端在于：①比能量較低；②總功率較低；③尺寸和重量較大；④循環(huán)壽命較短。

1.2.3 鋅銀電池及其技術(shù)特點(diǎn)

鋅銀電池是一類常見的蓄電池，有著較長(zhǎng)的發(fā)展史。目前多用于飛機(jī)、潛艇、魚雷等移動(dòng)設(shè)備及武器裝備的直流電源。鋅銀電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：①具有較高的比功率；②具有較高的比能量；③自放電率低；④機(jī)械強(qiáng)度高；⑤能較好地承受短期超負(fù)荷。

但是鋅銀電池也存在如下諸多缺陷：①電池成本昂貴；②壽命較短；③容量衰減速度快；④充電時(shí)間長(zhǎng)。

上述不利因素限制了鋅銀電池的應(yīng)用，但由于鋅銀電池具有較高的放電速率，因此在深海潛水器中仍得到了良好的應(yīng)用。需要注意的是，雖然鋅銀電池能在較高的壓力環(huán)境下重復(fù)放電，但由于海水壓力的原因，會(huì)使其極化現(xiàn)象衰退，從而會(huì)使放電電壓較高，而充電電壓較低。此外，深海的低溫對(duì)鋅銀電池的性能也會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度下降時(shí)，鋅銀電池的極化現(xiàn)象增強(qiáng)。綜上所述，由于受到水下惡劣工作環(huán)境與潛艇體積的嚴(yán)格限制，使用鋅銀電池時(shí)需要重點(diǎn)考慮可靠性和安全性。

1.2.4 鎳鎘電池及其技術(shù)特點(diǎn)

鎳鎘電池是一類常見的蓄電池。其優(yōu)勢(shì)是使用壽命較長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度較高，承受沖擊和振動(dòng)的能力較強(qiáng)，低溫條件下的工作性能較好，并且放電電壓平穩(wěn)，維護(hù)簡(jiǎn)便。其弊端在于耗鎳較多，成本較高，多用于通信、照明、電子儀器等設(shè)備的直流電源。

1.2.5 3 類蓄電池的對(duì)比

綜合上文所述，3 類蓄電池特性總結(jié)如表1 所示［2］。

表1 蓄電池技術(shù)特性總結(jié)

與鉛酸電池相比，鋅銀電池的特點(diǎn)是體積小、重量輕、比能量高，短時(shí)間內(nèi)可以釋放較多電量，但較高的成本、較短的壽命及較長(zhǎng)的充電時(shí)間限制了其在常規(guī)潛艇領(lǐng)域的應(yīng)用。

與鉛酸電池相比，鎳鎘電池在能量密度、使用便捷性等方面均有顯著優(yōu)勢(shì)，但鎳鎘電池能量密度較低，且對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，某些國(guó)家已禁止生產(chǎn)該類電池。然而，考慮到鎳鎘電池在大電流放電、自放電和成本方面的突出優(yōu)勢(shì)，仍有一定的用武之地。

1.3 不依賴于空氣的推進(jìn)（AIP）系統(tǒng)及其技術(shù)特點(diǎn)

1.3.1 AIP 系統(tǒng)概述

常規(guī)潛艇的主要弊端在于以蓄電池作為水下潛航時(shí)的能源，致使全艇的水下續(xù)航里程和續(xù)航時(shí)間較為有限，需要頻繁浮上水面充電，導(dǎo)致全艇的隱蔽性較差。為彌補(bǔ)這一弊端，AIP 系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展［3］。AIP 系統(tǒng)由于在工作時(shí)不依賴于艇外空氣，可為常規(guī)潛艇提供持續(xù)的動(dòng)力來(lái)源，使其水下續(xù)航里程和續(xù)航時(shí)間大幅提升，擴(kuò)大了水下作戰(zhàn)半徑，有效提升了潛艇的隱蔽性及綜合作戰(zhàn)能力［4］。

1.3.2 閉式循環(huán)柴油機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

閉式循環(huán)柴油機(jī)通常由柴油機(jī)、排氣冷卻裝置、氣水分離裝置、二氧化碳吸收裝置、氧源與混合裝置等組成，工質(zhì)在封閉回路中完成熱力循環(huán)［5］。閉式循環(huán)柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、易于投產(chǎn)，可由常規(guī)柴油機(jī)改型而來(lái)，技術(shù)成熟，成本低廉，并可采用潛艇自行攜帶的氧，運(yùn)作時(shí)可完全脫離大氣，熱效率較高，且不受潛航深度的影響。其弊端在于氧氣的儲(chǔ)存過(guò)程較為困難，具有一定的危險(xiǎn)性，而且其功率往往受到諸多限制，相應(yīng)地限制了潛艇的水下航速。與一般的鉛酸電池相比，閉式循環(huán)柴油機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能量密度較高，其比能量顯著高于鉛酸電池。

（2）重新補(bǔ)給所需的時(shí)間較短，并且設(shè)備的使用壽命較長(zhǎng)。

1.3.3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)特點(diǎn)

1816 年，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由蘇格蘭人羅伯特·斯特林發(fā)明。該類發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式循環(huán)，燃燒過(guò)程在機(jī)組外部進(jìn)行。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有熱效率高、排放性性好、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、扭矩特性好、燃料適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)［6］。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由外部供熱系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置和輔助系統(tǒng)等組成。按結(jié)構(gòu)型式的不同，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可分為配氣活塞式和雙活塞式；按活塞工作情況的不同，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可分為單作用式和雙作用式；按傳動(dòng)方式的不同，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可分為曲柄連桿式、斜盤或擺盤傳動(dòng)式，自由活塞式和膜片式。

由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作過(guò)程能完全脫離大氣，因此適合用作于潛艇在水下航行時(shí)的推進(jìn)動(dòng)力，也可作為單獨(dú)的水下發(fā)電裝置使用。該類發(fā)動(dòng)機(jī)采用外部燃燒系統(tǒng)，即使?jié)撏幱谒聽顟B(tài)，仍可正常運(yùn)行。該類發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安靜、效率高，可采用多種工質(zhì)，振動(dòng)及噪聲較低。

1.3.4 燃料電池及其技術(shù)特點(diǎn)

燃料電池是20 世紀(jì)60 年代開始興起的一類新型電源，至今已有許多類型，并已運(yùn)用在許多領(lǐng)域中，特別是用在航天領(lǐng)域。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，其以氫氣為燃料、以空氣中的氧氣作為氧化劑，直接將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、清潔地轉(zhuǎn)化為電能。

在燃料電池中，由于燃料直接經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)而放出電能，無(wú)需中間設(shè)備，所以其能量轉(zhuǎn)換效率明顯高于柴油機(jī)，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%～70%。在扣除了相關(guān)系統(tǒng)和輔機(jī)設(shè)備的損耗后，燃料電池的最終效率也有約45%。而柴油發(fā)電機(jī)組的這一指標(biāo)僅為30%～40%。

燃料電池的比能量較大、連續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)，噪聲小，有較強(qiáng)的過(guò)載能力，使用壽命可達(dá)數(shù)千小時(shí)，特別適用于潛艇；但其輔助系統(tǒng)復(fù)雜，大多需要金屬催化劑，成本高昂。即便如此，綜合相關(guān)因素來(lái)看，普遍認(rèn)為燃料電池是最有前景的常規(guī)潛艇動(dòng)力裝置，有望從AIP 系統(tǒng)發(fā)展成單一潛艇動(dòng)力裝置［7］。目前，制約燃料電池在常規(guī)潛艇動(dòng)力裝置領(lǐng)域大規(guī)模推廣的因素主要有以下5 點(diǎn)。

（1）功率仍需提升。燃料電池如需應(yīng)用于潛艇，就必須滿足潛艇所需的推進(jìn)功率，因此各國(guó)都在努力提高燃料電池的功率。

（2）延長(zhǎng)使用壽命。燃料電池的壽命通常會(huì)隨輸出功率的增大而減小，這樣的壽命水平較難滿足潛艇要求。為進(jìn)一步提高潛艇的水下航速，并提升其續(xù)航力，要求燃料電池必須以大電流密度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間放電，由此會(huì)影響電池壽命。

（3）需充分解決氫燃料的制取、儲(chǔ)備及運(yùn)輸?shù)葐栴}。

（4）燃料電池的成本依然過(guò)高。

（5）燃料電池如需應(yīng)用于潛艇，還需要對(duì)復(fù)雜的輔助系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。燃料電池的輔助系統(tǒng)包含若干部件，有燃料和氧化劑的供給系統(tǒng)；電解質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)，廢物處理系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等。這些輔助系統(tǒng)本身體積尺寸龐大，控過(guò)程制復(fù)雜，又會(huì)消耗較大的功率，因而當(dāng)燃料電池需要布置到體積、重量受到嚴(yán)格限制的潛艇上，矛盾會(huì)顯得更加突出。

2 潛艇核動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展

2.1 潛艇核動(dòng)力裝置的技術(shù)特點(diǎn)

與常規(guī)動(dòng)力裝置不同，核動(dòng)力裝置利用核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，釋放出巨大的熱量，從而加熱冷卻劑（液體或氣體），冷卻劑吸收熱能后再直接或間接地導(dǎo)入主機(jī)中以產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力。

核動(dòng)力裝置主要由核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、加壓器、循環(huán)泵和汽輪機(jī)等設(shè)備組成。現(xiàn)代潛艇大多采用壓水堆，并利用主循環(huán)泵使載熱劑（高壓水）通過(guò)堆芯，并將熱量帶走，通過(guò)蒸汽發(fā)生器將水加熱成蒸汽，供給汽輪機(jī)以驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，產(chǎn)生推力推動(dòng)潛艇前行［8］。為了提升潛艇的生命力，通常會(huì)為核動(dòng)力潛艇配置電力推進(jìn)系統(tǒng)，作為應(yīng)急狀態(tài)下的動(dòng)力來(lái)源。

2.2 核潛艇的發(fā)展

1946 年，美國(guó)決定研制第一艘核潛艇，命名為“鸚鵡螺”號(hào)。該核潛艇于1954 年1 月21 日舉行了下水儀式，同年9 月正式服役。在穿越大西洋的航行過(guò)程中，該核潛艇平均航速為20 kn（節(jié)），是同期常規(guī)潛艇的1.5 倍。

核潛艇發(fā)展之初，主要以魚雷作攻擊武器，但隨著現(xiàn)代武器的迅速發(fā)展和核動(dòng)力技術(shù)的不斷改進(jìn)，特別是將戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈裝備核潛艇后，按其配備武器的不同，也可將其區(qū)分為攻擊型核潛艇和彈道導(dǎo)彈型核潛艇兩類；此外美、俄等國(guó)還發(fā)展了巡航導(dǎo)彈核潛艇［9-11］。核潛艇的出現(xiàn)使?jié)撏д嬲龑?shí)現(xiàn)了不依賴大氣且在水下長(zhǎng)期航行的目標(biāo)，因此得到了長(zhǎng)足發(fā)展［12］。

3 潛艇動(dòng)力裝置未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

就目前而言，柴油機(jī)與蓄電池的組合仍為常規(guī)潛艇的主要?jiǎng)恿?lái)源。但由于水下無(wú)空氣，常規(guī)潛艇在水下無(wú)法使用柴油機(jī)，需以蓄電池作為水下潛航時(shí)的動(dòng)力來(lái)源。以鉛酸電池為例，其在潛艇領(lǐng)域的應(yīng)用已有百余年的歷史，是1 種較為可靠的電源。但潛艇在水下如以全速航行，通常會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)將蓄電池的電量悉數(shù)耗盡，為此又需浮至水面，并重新通過(guò)柴油機(jī)為蓄電池充電，方可繼續(xù)潛航。即使是以5 km/h 的速度航行，在水下至多僅能維持?jǐn)?shù)天，為此需采用AIP 系統(tǒng)來(lái)為潛艇的水下潛航提供動(dòng)力來(lái)源。

對(duì)于采用閉式循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如要應(yīng)用于水下，要考慮到其受水下特殊條件的制約，如較高的排氣背壓、二氧化碳吸收、氧化劑儲(chǔ)存等問題，同時(shí)也需實(shí)現(xiàn)機(jī)組的小型化，并使其具備較高的效率。以閉式循環(huán)柴油機(jī)為例，在水下運(yùn)作時(shí)，多采用儲(chǔ)存的氣態(tài)或液態(tài)氧，并配備有1 套廢氣還原裝置，將部分廢氣進(jìn)行還原處理，隨后重新使用，而將剩余的廢氣排出舷外，可以確保潛艇在水下的長(zhǎng)時(shí)間航行。

燃料電池是1 類具有較好發(fā)展前景的動(dòng)力裝置。與蓄電池相比，燃料電池的比能量更高，更易于滿足潛艇在水下高速航行的要求。雖然燃料電池目前已在潛艇中得以應(yīng)用，但要想完全取代其他類型的電池，必須充分解決安全性、高效性、可靠性及成本等問題。隨著燃料電池能量密度及總?cè)萘康闹鸩教嵘?，其有望在潛艇中得到廣泛應(yīng)用。

不同于常規(guī)潛艇，核動(dòng)力潛艇更具發(fā)展前景。采用核動(dòng)力裝置后，潛艇無(wú)需浮上水面，僅需攜帶足夠的裝備及物資，即可在深水下連續(xù)航行達(dá)數(shù)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間，水下航速亦不受影響，可實(shí)現(xiàn)真正的長(zhǎng)期潛航狀態(tài)。

4 結(jié)論與展望

考慮到潛艇在海防事業(yè)中所起到的重要作用，而動(dòng)力裝置又能為潛艇提供必要的推進(jìn)動(dòng)力，因此基于各類潛艇動(dòng)力裝置所開展的技術(shù)研究有著重要而深遠(yuǎn)的意義。

就目前來(lái)看，核潛艇將是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。潛艇核動(dòng)力裝置將趨向小型化，從而使核潛艇尺度減小，造價(jià)降低，但作戰(zhàn)功能更加強(qiáng)大。此外，AIP 系統(tǒng)將在常規(guī)潛艇上得到廣泛應(yīng)用。隨著燃料電池技術(shù)的不斷完善，其在潛艇上的應(yīng)用也使得潛艇的水下續(xù)航力與日俱增?？梢灶A(yù)見，未來(lái)的AIP 技術(shù)將包含多種模式，輸出功率更高，技術(shù)更加成熟。