國外潛艇AIP技術發展現狀與趨勢分析?

胡 靜 孫俊忠 周智勇 郝海靜

1 引言

常規動力潛艇以其造價低、機動性好、技術成熟、輻射噪聲小、適于中近海作戰等特點，一直備受各國海軍的重視，而其水下續航能力較差、通氣管航行暴露率高的缺點，嚴重制約了進一步的發展。為提高常規潛艇的綜合作戰效能，許多國家都在探索不依賴空氣的推進裝置（Air Independent Propul?sion，AIP）。AIP技術的應用使常規潛艇進入了一個新的發展時代，同時也對常規潛艇兵力作戰使用帶來了深遠的影響［1-3］。目前相對成熟，且進入了實用階段的AIP技術可分為熱機系統、電化學系統和小堆系統三大類，其中熱機系統包括斯特林發動機（SE/AIP）、閉式循環柴油機（CCD/AIP）、閉式循環渦輪機（MESMA/AIP）等形式；電化學系統以燃料電池（FC/AIP）形式為主；小堆系統是基于低功率核動力裝置（LLNP/AIP）的動力系統。

2 幾種典型AIP基本原理及發展現狀

2.1 斯特林發動機AIP系統（SE/AIP）

SE/AIP系統主要由斯特林發動機、發電機、液氧系統、供油系統、冷卻系統、工質系統及控制系統等組成，其工作過程是：在燃燒室內，氧氣和燃油持續燃燒，燃燒的火焰將加熱器加熱，由加熱器把熱能不斷地傳遞給流經其內部的工作介質（氦氣或氬氣），介質吸收熱量膨脹做功，推動活塞運動，再通過曲柄、連桿機構變往復運動為旋轉運動，使曲軸旋轉并輸出功率。

瑞典最早將斯特林發動機技術應用到常規潛艇上。1996年4月，瑞典A-19級首艇“哥特蘭”號潛艇服役，該潛艇為世界上第一艘實用型AIP潛艇。“哥特蘭”號潛艇動力系統采用的MK2（V4-275R）發動機是目前技術最為成熟的AIP斯特林發動機，其額定功率為65kW，最大功率為75kW［4］。瑞典對MK2型斯特林發動機的改進很緩慢，后續型是MK3。MK3主要在發動機效率、輸出功率、水下運行深度、隱蔽性等方面有所改進。目前裝備有SE/AIP系統潛艇的國家有瑞典、新加坡、日本等，其中日本SE/AIP技術引進于瑞典，并于2003年在“春潮”級和“朝潮”級常規潛艇上試航成功。

2.2 閉式循環汽輪機AIP系統（MEMSA/AIP）

MEMSA/AIP系統由液氧儲罐、燃料儲罐、燃燒室、冷卻裝置、蒸汽發生器、汽輪機等部分組成。閉式循環汽輪機AIP系統的工作過程是：一回路中的氧氣與乙醇在燃燒室內混合燃燒，產生的高溫高壓燃氣將二回路中的淡水加熱成蒸汽，蒸汽對蒸汽輪機做功，使汽輪機驅動交流電機產生直流電，從而為潛艇提供直流電源。

MEMSA/AIP系統的研究國家主要是法國，法國DCN公司開發了CCST裝置，功率范圍為150kw～600kw。法國第一代MESMA/AIP系統功率為200kw，安裝于出口巴基斯坦的“阿哥斯塔”90B級潛艇上，這也是MESMA/AIP技術的代表艇型。法國和西班牙聯合開發的“魷魚”級潛艇，可以加裝MESMA/AIP系統，該潛艇已成功銷往馬來西亞、印度、巴西等國［5］。

2.3 閉式循環柴油機AIP系統（CCD/AIP）

CCD/AIP系統主要由柴油機、發電機、吸收裝置、水管理系統、冷卻系統、液氧系統、供油系統和控制系統等組成。CCD/AIP系統采用傳統的柴油機，潛艇攜帶的氧氣和氬氣按一定比例混合后在柴油機內與柴油發生燃燒反應，排出的廢氣經一套噴淋冷卻系統冷卻后，被送入吸收器中，吸收器使廢氣中的二氧化碳溶于海水，從而起到凈化廢氣的作用，冷卻所需海水量由在任意水深下均可運行的海水管理系統控制，凈化后的廢氣被混入新鮮的氧氣，再次進入柴油機做功。

英國目前在CCD/AIP的研究上處于世界領先水平。英國的CDSS公司，現有可達144kW的D2566ME型、250kW的MTU8V183TE52型、400kW的MAN型CCD/AIP系統［4］。1993年，德國蒂森公司北海船廠（TNKS）利用250kW閉式循環柴油機系統在退役205級U-1艇上成功進行了試驗，論證了在209型潛艇上加裝CCD/AIP艙段的可行性。目前，德國、英國、荷蘭、意大利、以及英國等國都在積極研制閉式循環柴油機系統。

2.4 燃料電池AIP系統（FC/AIP）

FC/AIP系統由燃料電池本體、氫源、氧源、輔助系統和管理系統組成［6］。輔助系統主要包括水收集系統、惰性氣體保護、冷卻系統等。管理系統包括氫氣供給、氧氣供給、尾氣管理、氣體增濕、控制單元、DC/DC變換單元、安全管理等模塊。氧源的液氧罐儲存方式技術成熟，是目前最適合艇用化的儲氧方式［7］，氫源金屬氫化物是目前最適合潛艇FC/AIP系統的儲氫方式。FC/AIP在潛艇上應用的基本原理是氫燃料和氧化劑在燃料電池質子交換膜兩側催化劑表面進行化學反應，直接將化學轉化為電能，為潛艇提供電源。

目前，在德國、俄羅斯等國家的FC/AIP技術已成功應用于潛艇，其中德國潛艇對燃料電池潛艇最早，研制水平在世界上也一直處于領先地位。德國的西門子公司和HDW公司生產的FC/AIP代表艇型是214型和214A型。俄羅斯研制的677型“拉達”級潛艇，可以加裝燃料電池AIP系統，由于造價昂貴尚未安裝，其出口型“阿穆爾”級潛艇于2004年成功進行了海試［8］。“阿穆爾”-1650 型潛艇的AIP系統額定功率為300kW，FC效率約為70%。

2.5 低功率核動力裝置AIP系統（LLNP/AIP）

LLNP/AIP系統由反應堆、預熱器、蒸發器、冷凝器、透平、發電機等部分組成。該系統包括兩個獨立回路，一回路中反應堆運行，反應堆活性區流出的高溫水通過蒸發器將熱量傳給二回路工質氟利昂，透平中工質焓降做功，帶動發電機，為潛艇提供電源。冷凝器中將做功后乏汽冷凝，泵送入預熱器，再回到蒸發器。

目前加拿大ECS集團在LLNP/AIP的研究上處于世界領先水平，該公司研發的AMPS系統是目前實際裝備和運行的小型反應堆裝置，技術也最為成熟。加拿大曾研究了不同AMPS裝置方案，包括1000t級排水量潛艇使用100kW和400kW功率的AMPS裝置，可以安裝在德國U-209級和瑞典A-17級潛艇上。法國曾將小型反應堆裝置安裝在排水量1050t“阿戈斯塔”級非核動力潛艇上，實驗表明13kn水下航速下續航力可達12500海里［9］。此外，法國、西班牙、美國、日本均對類似潛艇動力裝置進行了研究［10～12］。

3 不同AIP技術的性能對比

不同AIP技術具有不同特點，表1列出了不同AIP系統的主要性能對比。

當前各國AIP技術仍是以斯特林發動機和燃料電池為主要潮流。對于熱機系統的AIP而言，他們的共同點是均需要燃料的燃燒和機械的傳動，因此無法避免熱輻射和機械噪聲的產生，且熱機系統的最高效率受卡諾循環的限制，最高效率不會超過50%。此外，高耗氧量和廢氣的處理也是制約熱機系統AIP綜合性能的一個重要原因。閉式循環汽輪機雖然利用一種分裂氣泡的系統使二氧化碳氣泡盡量變小，降低了廢氣排放的噪聲，但是多回路結構設計占據了潛艇大量的重量和空間，所以應用前景不大。

小堆AIP潛艇不需要消耗氧氣，續航力和水下航速相對使用常規碳氫燃料的非核潛艇有了較大的提升，但小堆LLNP/AIP設備造價昂貴，使用復雜，維護費用相對較高，小堆AIP潛艇的技術參數和戰斗性能與常規核動力潛艇還有很大差距，因此LLNP/AIP技術仍無法成為主流發展方向。

燃料電池無轉動機械的特性在很大程度上減少了噪音，增加隱蔽性，且生成的直接產物水也易于處理。燃料電池直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學能轉換為電能，能量轉換比傳統熱機轉換減少了2個環節，高效率（最高可達80%）這一絕對優勢決定了FC/AIP技術未來良好的發展前景。

表1 不同AIP系統的主要性能比較

4 未來FC/AIP技術的發展趨勢

瑞典和德國在AIP潛艇技術水平和研制數量上處于世界領先地位，SE/AIP和FC/AIP是目前技術最為成熟、潛艇裝備數最多的方案。SE/AIP系統屬于熱機系統，工作過程中需經過燃油燃燒或氣缸內爆炸產生旋轉機械能，再經過發電機產生電能，能量轉化環節多，能量轉化效率低，發展受輻射噪音和運行效率和廢氣處理的限制。FC/AIP系統屬于電化學系統，工作時無需經過燃燒而將化學能直接轉變為電能的發電裝置，理論轉化效率接近90%，且無機械噪聲、熱輻射小、反應生成物排放簡單，不受潛艇航行深度的限制。近年來FC/AIP潛艇受到越來越多國家的關注，列裝數量也明顯增多，FC/AIP潛艇將會成為未來常規潛艇的一個重要發展方向。

從世界AIP技術的發展現狀而言，各種AIP技術各有優點，也均有其不足，各國根據本國的國情、潛艇技術發展戰略和技術儲備狀況選擇了適合本國國情的AIP技術。表2為國外正在研制中的AIP潛艇主要性能，從表中可以看出裝備AIP動力系統已經成為了常規潛艇的主流趨勢，多數艇型采用了FC/AIP系統。瑞典仍堅持將SE/AIP系統應用于下一代常規動力潛艇，這與瑞典國內積累的技術經驗有關，其他國家則更加看中了燃料電池的發展前景。

最初燃料電池被引入到潛艇動力系統時，設計思路是燃料電池作為潛艇的主推進系統，美國、日本、法國等均投入了大量的人力、物力對其進行研究，但由于早期燃料電池技術不成熟、功率有限等原因停止了研究。德國提出將燃料電池作為潛艇的輔助動力系統，即同時保留柴電系統和燃料電池系統，實現了潛艇水下續航力較大程度的提升。1993年，德國研制出單塊功率為34kW的質子交換膜燃料電池（PEMFC），標志著燃料電池的研制取得了突破的進展。隨后，德國成功將燃料電池應用到潛艇上，建造出首艘裝有FC/AIP的212A級潛艇。該級潛艇水下排水量為1830t，AIP功率為300kW，可提供潛艇水下最高8kn的航速，持續航行7天，水下4.5kn航速下的續航力可達1250海里。同時，德國成功研制了214型潛艇，是針對212A型FC/AIP潛艇的出口型。該型潛艇先后出售給意大利、希臘、南非、土耳其、韓國等國海軍約20余艘潛艇。各國對FC/AIP潛艇的訂購數量不斷增多，按照目前的訂單，到2020年，至少有29艘燃料電池AIP潛艇在上述各國服役，未來它們將成為這些國家海軍的主要水下作戰力量［13］。

俄羅斯向外推出了裝備堿性FC/AIP動力系統的潛艇，即“阿穆爾”級潛艇。該級艇水上排水量為2180t，燃料電池功率為300kW，水下3.5kn航速下的續航力為1680海里。

據報道，日本于2015年以后開始建造新一代潛艇，也就是所謂的次世代潛艇，它將在2020年以后替代現役的親潮級，該型潛艇將裝備日本自行研制的燃料電池［14］。

表2 國外正在研制的AIP潛艇主要性能［6］

5 結語

AIP系統在潛艇上的成功應用，提高了潛艇的水下續航能力，降低了暴露率，提高了潛艇的隱蔽性，使得其綜合作戰能力和生存能力明顯高于普通常規潛艇。世界各潛艇強國均對AIP技術的研究給予了高度重視，但在AIP研究方向上有所差異。各國在發展AIP潛艇的同時也會考慮本國的工業基礎、研究成本、技術成熟度、潛艇安全性和可靠性等因素。

不同AIP技術具有不同特點，當前的應用現狀也有所差異。目前SE/AIP和FC/AIP的技術成熟度最高，潛艇裝備數量最多。此外，FC/AIP在效率、輻射和噪音方面均具有很大優勢；CCD/AIP單機功率大，安全性最高；MEMSA/AIP功率大，廢氣排放噪音較低；LLNP/AIP在水下續航力和水下最大航速方面具有明顯優勢。

目前國外FC/AIP技術不斷成熟，其高效率、低噪聲、低輻射等優良特性引起越來越多國家的關注，各潛艇強國均對該技術展開了積極的研究，該技術將成為未來國內外AIP潛艇發展的重要研究方向。

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