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

方曉旻，宋義超

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

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、基本原理、結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)特點及發(fā)展現(xiàn)狀，對AIP系統(tǒng)的性能參數(shù)和國外AIP潛艇的裝備現(xiàn)狀進行了比較分析，介紹了FC/AIP系統(tǒng)的技術(shù)研究動態(tài)和發(fā)展方向，提出FC/AIP技術(shù)更符合未來常規(guī)潛艇超靜音、大潛深、長續(xù)航力的發(fā)展趨勢。

常規(guī)潛艇 燃料電池 FC/AIP SE/AIP

0 引言

不依賴空氣推進系統(tǒng)（AIP）是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進動力和其他動力的能源系統(tǒng)。常規(guī)潛艇AIP系統(tǒng)主要分為兩大類：電化學(xué)AIP系統(tǒng)和熱機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AIP系統(tǒng)主要包括閉式循環(huán)柴油機(CCD/AIP)、斯特林發(fā)動機(SE/AIP)、閉式循環(huán)汽輪機(MESMA/AIP)。目前已經(jīng)實際裝艇使用的有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。國內(nèi)外多年的探索和實踐證明，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：氫燃料通過儲氫合金儲存，氧化劑以液氧方式儲存，使用時將氫燃料和氧化劑輸送到燃料電池模塊，通過兩種物質(zhì)在質(zhì)子交換膜兩側(cè)催化劑表面進行化學(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)，就可以長時間連續(xù)運行，具有效率高、振動噪聲小、輸出功率大、工作溫度低、無尾流特征、工作潛深大、布置方式靈活、安裝和維護簡單等特點。

德國在燃料電池AIP系統(tǒng)技術(shù)的研究方面走在世界前列。 20世紀80年代初，德國就將FC/AIP系統(tǒng)作為潛艇的專門研制項目進行了聯(lián)合開發(fā)。1991年德國國會通過212A級潛艇設(shè)計方案審查；2002年3月，首艘212A級FC/AIP潛艇下水(圖2所示)，該FC/AIP系統(tǒng)包括9個34 kW的燃料電池模塊、液氧儲罐、儲氫合金罐等，總輸出功率達306 kW，在水下可以2～6節(jié)的航速持續(xù)航行14～21天。德國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)航行時間（2～6節(jié)航速）可達到2～3周。2011年德國在國際潛艇學(xué)術(shù)交流會上推出216級潛艇概念方案，采用鋰離子電池加燃料電池 AIP系統(tǒng)，水下續(xù)航時間可達28天。

1.2 閉式循環(huán)熱氣機AIP系統(tǒng)

閉式循環(huán)熱氣機屬于外部燃燒的發(fā)動機，亦稱為“斯特林”發(fā)動機。SE/AIP系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖及原理樣機分別如圖3、圖4所示。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)簡單，運行可靠性高，靈活性較好，造價和運行費用相對較低。SE/AIP系統(tǒng)受限于其工作原理，存在單機功率較低、設(shè)計制造和使用要求較高的缺點。另外，其瞬間提速或減速能力較弱，不利于潛艇機動性。在潛深較大時，需要用壓縮機將廢氣加壓后才能排出艙外，提高了振動噪音等級和能耗。

SE/AIP系統(tǒng)技術(shù)上比較成熟，最先達到實用化先水平。典型代表是瑞典海軍的“哥特蘭”級潛艇與日本海上自衛(wèi)隊的“蒼龍”級潛艇。1996年7月，世界上第一艘裝備SE/AIP系統(tǒng)的潛艇“哥特蘭”號正式服役于瑞典皇家海軍。該艇上裝備有兩臺功率各為75千瓦的V4－275R型斯特林發(fā)動機，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”級改進型潛艇，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A IP系統(tǒng)

MESMA /AIP系統(tǒng)又稱為水下自主能源系統(tǒng)，由液氧儲存罐及回路、燃料儲存罐及回路、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)點在于燃燒產(chǎn)物排放設(shè)備簡單，而且隱蔽性較強，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。該系統(tǒng)的缺點在于效率較低、系統(tǒng)裝置體積、重量過大，不利于增加總體輸出功率，經(jīng)濟性較差。法國從1988年開始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90B型潛艇上。該潛艇在水下以4節(jié)航速潛行時，其連續(xù)潛航時間比原來延長3～5倍。法國還研制了出口的“天蝎座”級潛艇，MESMA /AIP系統(tǒng)被列入裝備內(nèi)容。

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

CCD/AIP系統(tǒng)由柴油機、吸氣排導(dǎo)系統(tǒng)、反應(yīng)劑儲存罐和控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)工作模式靈活，能隨時進行開式或閉式循環(huán)運行，具有單機輸出功率大、壽命長、運行成本低、維護保養(yǎng)方便等優(yōu)點；不足之處在于系統(tǒng)耗氧量大、產(chǎn)生的廢熱多、柴油機噪聲大、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。德國蒂森公司、英國CDSS公司和荷蘭鹿特丹船廠曾合作開發(fā)了CCD/AIP系統(tǒng)，1986 年進行了性能試驗。1993年2～4月間在波羅地海進行了海上試驗。同時，他們還推薦給阿根廷用于改裝該公司的TR1700 型圣克盧斯級潛艇，但因撥款原因使計劃擱淺。目前，CCD/AIP系統(tǒng)尚未裝備于實艇上應(yīng)用。

2 幾種AIP系統(tǒng)的性能比較分析

目前已達實用化的四種常規(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)對比如表1所示。

通過表1的性能參數(shù)對比可以看出，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，但斯特林發(fā)動機由于其自身固有的低功率密度特點，決定了整個SE/AIP系統(tǒng)效率較低，實現(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，振動噪聲最低，工作溫度低，無尾跡特征，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，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)、無機械振動、過載能力強、無潛深限制等特點，在水下深潛器、水下無人潛器、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 國外主要AIP潛艇的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

由表2可知，世界主要潛艇強國都在發(fā)展AIP潛艇，各國根據(jù)本國的國情、潛艇技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)貯備狀況來探索、選用適合本國特點的AIP技術(shù)。選擇FC/AIP技術(shù)的有德國、意大利、韓國、希臘、土耳其、葡萄牙、西班牙等國海軍；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、馬來西亞等國則選擇了MESMA/AIP技術(shù)。從裝備數(shù)量來看(包括服役的或正在計劃建造的) , 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海軍認可和青睞。

4 FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

AIP系統(tǒng)的出現(xiàn)，為克服常規(guī)潛艇水下連續(xù)潛航時間短的弱點，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。鑒于此，世界各潛艇強國均在爭先恐后地研究AIP 系統(tǒng)技術(shù)。FC/AIP系統(tǒng)通過電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽蚨c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、過載能力等方面具有領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢，更符合未來常規(guī)潛艇超靜音、大潛深、長續(xù)航力的發(fā)展趨勢。從德國FC/AIP系統(tǒng)研究應(yīng)用的三個歷史階段及其發(fā)展方向來看，未來FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）高可靠性、長壽命燃料電池模塊

目前，裝艇實用的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)的進一步發(fā)展。因此，通過開發(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)研究來進一步提高燃料電池壽命和可靠性是未來FC/AIP系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2）高功率密度、高效率燃料電池模塊

德國研制的FC/AIP系統(tǒng)燃料電池均采用了模塊化設(shè)計技術(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，各項性能指標(biāo)將進一步提高。潛艇用模塊功率等級也將逐漸加大，1997年，德國212A型潛艇使用的西門子公司單堆功率只有34 kW，2010年214級艇已達到120kW；模塊和系統(tǒng)工作效率也將進一步提高，1997年212A級潛艇燃料電池模塊工作效率為40～45%，目前214級潛艇已達到50～60%；功率電流密度將增大，重量比功率會進一步提高。

3）高效、多元化氫燃料儲存技術(shù)

德國212A和214級潛艇采用的是鈦鐵系合金儲氫技術(shù)，其儲氫密度為1.8wt%左右，且體積重量較大。因此，開發(fā)新型儲氫技術(shù)，進一步提高氫燃料的儲存密度，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-有機框架物（MOFs）等新型儲氫材料的儲氫密度達到2.0 wt%以上，其技術(shù)成熟度待進一步提高。此外，氫燃料儲氫技術(shù)還呈多元化發(fā)展趨勢，目前處于研究中的無機氫化物水解制氫、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，高級工程師。研究方向：AIP技術(shù)。