改变海战场的新技术常规潜艇AIP技术(精).doc

改变海战场的新技术——常规潜艇 AIP 技术常规潜艇的 AIP 动力装置是指利用潜艇自身携带的氯化剂， 而不需要与空气 接触就能为潜艇提供能量的一种动力装置 AIP 动力装置可明显提高常规潜艇的 水下自持力和生命力在柴电潜艇上加装 AIP 装置之后，通气管航行时间减少， 降低了暴露率，提高了隐蔽性和安全性 AIP 动力装置包括：斯特林发动机、燃 料电池和闭循环蒸汽轮机等斯特林发动机技术 斯特林发动机是外部加热闭式循环发动机， 通过压缩和膨胀将热能转化成机 械能与普通柴油机的不同之处是， 动力活塞在闭合的氦气工作气体系统中， 燃 烧产生的热量经换热器传递到循环回路早在20世纪60年代末，瑞典联合斯特林公司（USAB就开始研究斯特林发动 机技术 70 年代初又进行了斯特林发动机水下应用研究，包括为瑞典海军和考 库姆公司进行的初步研究项目，以及为瑞典海军进行的潜艇用斯特林发动机研 究1982年该公司开始研制潜艇用 V4-275斯特林发动机为了验证斯特林发动机的可行性， 瑞典考库姆公司设计了一段浮动式舱段进 行海上试验 舱内主要装有 1 台 V4—275 斯特林发动机， 以及全尺寸的液氧罐和 辅助设备，并于 1985年 5月由瑞典海军潜艇艇员按整套系统鉴定试验要求进行 运行试验。

这些试验为以后加装潜艇舱段设计提供了重要依据1988 年，瑞典海军决定改装“水怪”号潜艇 （1980 年服役） 改装后的“水 怪”号于 l988 年9月重新下水， 11 月开始海上试验， l989 年 4月重新服役 它 是世界上第一艘使用斯特林发动机的潜艇1988 年，瑞典联合斯特林公司并入考库姆公司后，考库姆公司开发了 MK2 生产型斯特林发动机， 其主要目标是提高可靠性和减少维修， 达到平均大修时间 2000 小时，最大轴功率仍为 75 千瓦，同时开发能在更深下潜深度工作和具有低 信号特征的排气系统第一批 4 台于 l990 年开始制造1996 年 7 月，世界上第一艘从建造开始就装备斯特林发动机的潜艇——瑞 典海军“哥得兰”号服役 “哥得兰”号潜艇采用考库姆公司研制的单机功率 75 千瓦的V4-275RU型斯特林发动机其后又在其“西约特兰”级的基础上，通过 加装70千瓦的V4-275RE型斯特林发动机舱段，又建造了 2艘改进型潜艇目 前瑞典海军使用斯特林发动机的潜艇共 5艘至 2006年，斯特林发动机的运行 时间已累计达 30000小时以上 （含潜艇租借给丹麦时的使用时间 ）2005 年，日本海上自卫队开始在“亲潮”级潜艇上加装 4 台考库姆公司研 制的V4-275R型斯特林发动机，4台斯特林发动机的总推进功率达 300千瓦。

2007 年 12 月，装备斯特林发动机的日本“苍龙”号潜艇下水， 并于 2008年 3月服役斯特林发动机是目前正在潜艇上使用的 3种AIP动力装置之一斯特林发动 机具有技术成熟、 易于开发、系统工作噪声小、 声学特性好和系统支持费用比较 低等特点斯特林发动机的隐身能力和在解决大潜深使用后的水下航行能力使这 种 AIP 动力装置具有重要的技术发展前景燃料电池技术 燃料电池是一种通过电化学反应把燃料储存的能量转化成电能的能源装置 燃料电池具有效率高 （比柴油机和燃气轮机的效率高 ） ，更节省燃料并且几乎没有 任何污染、没有运动部件，运行和维修人员少等优点德国潜艇燃料电池的研制在世界上一直处于领先地位 1989 年德国研制的 碱性氢氧燃料电池装在205级U1潜艇上成功地进行了海试；1993年，成功研制 出性能更好的质子交换膜燃料电池； 2003年 4 月，德国首艘装备质子交换膜燃 料电池的212A级潜艇U 31下水212A级潜艇采用9组34千瓦燃料电池组，每 个电池组由72个单电池组成，额定电压为52.3伏（0.725伏X 72），额定电流650 安， 20％负载的效率为 72％，满负载时效率为 62％。

在希腊和韩国的 214级潜 艇以及葡萄牙海军类似 214级新潜艇和 3艘209级潜艇改装艇上使用的德国第三 代质子交换膜燃料电池，由 2组单组功率各达 120千瓦的电池组构成 （每组 320 个单电池），额定电压215伏（0.6718伏X 320），额定电流570安，20%负载效 率为 68％，满负荷时效率为 58％俄罗斯常规潜艇的燃料电池主要由圣彼得堡特种锅炉设计制造局研制 装备 碱性燃料电池的“阿穆尔” -1650型潜艇于 2003年秋下水，并于 2004年进行了 海试阿穆尔” -1650 型潜艇的碱性燃料电池动力装置额定功率为 300 千瓦， 效率约 70%，额定功率时的单位耗氢量为 0.042 千克/ 千瓦，单位耗氧量为 0.336 千克/千瓦燃料电池系统的工作温度为 100C，压力0.4兆帕，氢氧化钾浓度 为 38% 〜40%西班牙海军正在为其 2500 吨的 S-80 型潜艇研制质子交换膜燃料电池， 2006 年7月西班牙海军向联合技术公司订购了一套功率为 300千瓦的质子交换膜燃料电池模块该质子交换膜燃料电池利用乙醇重整制取的氢气和纯氧为燃料意大利泛安科纳造船公司和俄罗斯红宝石船舶设计局联合为意大利海军S-1000 型潜艇研制燃料电池。

该潜艇水下排水量 1100吨，耐压艇体直径 5.35 米，总长 56.2 米，吃水 5.4 米，下潜深度 250米，最大潜航航速 14节，航速 4 节，以燃料电池潜航时的潜航距离为 1000海里以色列海军由德国新造的 2 艘改进型“海豚”级潜艇可能采用类似于 212A 级（或214级）潜艇的燃料电池 燃料电池系统由 9块西门子质子交换膜燃料电池 组成每块功率 30〜50 千瓦，每套（9 块）售价 4500〜5500万欧元新造的 2艘 改进型“海豚”级潜艇由于装用燃料电池，其下潜深度较早期建造的 1925吨的 3艘“海豚”级潜艇稍有提高，续航力在 45天以上目前潜艇燃料电池的功率都在 300千瓦以内，但是它的功率相比于整个推进 系统要求的功率所占的比例是相当低的， 因而作用也有限， 只能在低速航行时起 一定作用，相对延长水下航行时间目前对燃料电池要求的比能量目标是 1.2千瓦时/ 千克，但实际上远远未达到这一目标因此不断提高其技术水平特别是 比功率，可在同等装备的情况下成倍地增加燃料电池系统的功率， 增加燃料电池 系统的作用；同时降低成本 由于质子交换膜燃料电池使用性能较好的质子交换 膜，其成本相对较高，约占整个电池的 1/3 以上。

目前各国正在寻找其替代品， 在保证性能的前提下把成本降下来 如能降低成本， 将促进燃料电池技术的成熟 和大规模地在潜艇上应用； 完善燃料电池系统并提高其安全可靠性 燃料电池系 统具有一定的复杂性， 工艺技术有一定的难度， 要携带大量的燃料和氧， 潜艇又 是独立密闭的移动作战工具， 因此，完善燃料电池系统和提高安全可靠性对整个 潜艇来说相当重要其他 AIP 动力技术 闭循环蒸汽轮机这是一种将乙醇和氧气的气态混合物燃烧产生热量， 通过普 通的朗肯循环将热能转化成机械能的蒸汽轮机动力装置 闭循环蒸汽轮机由于没 有新增加噪声和热信号， 因此不会增强潜艇的信号特征 蒸汽可通过冷凝器回收 再利用在设计要求的潜深范围内， 其二氧化碳废气均可通过耐压艇体直排入海1982 年，法国海军舰艇建造局就组织多家公司联合开始闭循环蒸汽轮机 （MESMA的开发法国第一台闭循环蒸汽轮机装在 2000年出口巴基斯坦海军的“阿戈斯塔” 908级第 3艘艇上，为 200千瓦、8米长的嵌加舱段它与热蒙工 业公司的永磁交流同步电动机一起，可使该艇具有 18天以上的水下续航力法国目前还在开发功率为 600千瓦的闭循环蒸汽轮机， 并计划将功率进一步 提高到 1300 千瓦。

闭循环蒸汽轮机与其他 AIP 装置相比，在价格、效率、尺寸、重量和应用潜 力上没有任何优势 迄今为止， 法国海军自己的潜艇尚未采用这种动力装置， 闭 循环蒸汽轮机在未来的常规潜艇市场上可能很难有大作为闭式循环柴油机柴油机具有能量密度高、经济性好、成本低、工作可靠、维 护操纵方便等优点 由于柴油机技术较为成熟， 因此许多人认为， 闭式循环柴油 机研制周期短、研制风险较低二战结束后， 苏联和多个西欧国家就进行过闭式循环柴油机的研究 在经历 了一段时间的停滞后， 上世纪 70年代，这一技术重新得到发展， 到 90年代已有 试验产品进入海试阶段但到目前为止，尚未有安装闭式循环柴油机的常规 AIP 潜艇投入使用未来发展趋势在几种 AIP 动力装置中，燃料电池目前是许多国家发展的重点，也是几种 AIP 中最有发展前途的动力装置除潜艇外，燃料电池还可在水面舰艇上使用 美国正在研制作发电装置使用的水面舰艇燃料电池， 这种燃料电池采用柴油重整 制氢，与 212A 潜艇使用的氢源有所不同作者：华阳 汤建华。