潛艇AIP系統技術特點及其未來應用前景研究

伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司 上海 200438)

0 引言

常規潛艇不依賴空氣的推進系統(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(例如燃油、氫氣或能產生氫氣的物質等)與氧化劑(通常是液態氧)并提供能量轉換條件，完成能量轉換，以保證潛艇動力需求的裝置。是自20世紀80年代發展起來的應用于常規潛艇水下長時間潛航推進系統的總稱。AIP系統與傳統的柴油發電機組和蓄電池組成常規潛艇的混合推進系統。

常規潛艇加裝AIP系統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系統的輸出功率尚未達到取代潛艇常規柴電動力的程度。因此，目前常規潛艇上已經裝艇或計劃裝艇的AIP系統通常是作為輔助動力而得以使用。常規潛艇在水面和通氣管狀態航行時，仍使用柴油發電機組充電、航行，水下中高速航行由蓄電池作為動力[2]，而在水下航行狀態除了可應用原有的蓄電池推進外，主要由AIP系統提供經航電力。通過加裝AIP系統，可使潛艇水下續航力顯著增加，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 常規潛艇AIP系統的發展歷程

早在第二次世界大戰期間，德國海軍由于受到盟軍反潛力量的沉重打擊，曾經嘗試研制不依賴空氣的主動力系統，該系統以過氧化氫為氧化劑、煤油為燃料的瓦爾特發動機產生動力，作為潛艇推進的動力源。這種不依賴空氣的主動力源若要為潛艇持續提供足夠的續航力，則必須要攜帶大量的過氧化氫，考慮到潛艇內空間較為有限，因此該要求通常難以實現。而且由于過氧化氫易于發生爆炸，會對潛艇和人員產生嚴重威脅。因此，該類不依賴空氣的主動力系統在潛艇上的實際應用效果較差。同時，由于當時德國研制出了通氣管裝置，使潛艇柴油機可以在通氣管狀態下長期運行，從而在當時顯著提高了常規潛艇的隱蔽性和作戰能力。因此，在二戰時期，基于AIP系統的相關技術并未得到進一步發展。

隨著科學技術的進步，特別是反潛探測技術的發展，常規潛艇即便采用通氣管航行狀態，也會提高暴露率，而在水下進行隱蔽航行時，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潛艇必須頻繁地浮到水面或以通氣管狀態航行充電，這樣一來常規潛艇極易受到反潛力量的攻擊。

因此，從20世紀80年代開始，西方常規潛艇技術較為先進的國家，如德國、英國[5]、瑞典、俄國、法國等國家重新將技術關注點聚焦到不依賴空氣的AIP系統上，同時對其的使用觀念也逐步發生了轉變。目前，世界各國主要將AIP系統作為常規潛艇水下低速航行的輔助動力，而非作為主動力，因此AIP系統所需攜帶的氧化劑大幅減少，使其在常規潛艇上的應用成為現實。

2 常規潛艇AIP系統的類型

根據AIP系統的定義，凡是不需要依靠大氣環境即可投入運作的輔助推進系統被統稱為常規潛艇AIP系統。AIP系統一般可分為小型核動力裝置AIP系統和非核AIP系統兩大類。而非核AIP系統又分為熱機型AIP系統和電化學AIP系統。

熱機型AIP系統有：閉式循環柴油機AIP系統、斯特林發動機AIP系統、閉式循環汽輪機AIP系統、閉式循環汽輪機AIP系統等；電化學AIP系統主要包括質子交換膜(質子交換膜)燃料電池AIP系統等[6]。

3 斯特林發動機AIP系統及其技術特點

3.1 斯特林發動機

斯特林發動機是一種通過外部熱源加熱內部工質的活塞式往復發動機。內部工質被封閉在缸內，通過加熱后得以膨脹做功。所遵循的熱力循環是一種閉式的，采用定容回熱的氣體循環，被稱為斯特林循環[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 斯特林發動機AIP系統的技術特點

(1)斯特林發動機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 ℃以上的任何形式發熱裝置都可成為斯特林發動機外部加熱系統的熱源[8-9]。因此，其對燃料及能源有著較高的適應性；

(2)排氣污染低。斯特林發動機的燃燒是連續進行的，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的情況下運行，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。斯特林發動機的燃燒是在接近于大氣壓的壓力下連續進行的，不會像內燃機一樣產生劇烈噪聲；

(4)運轉平穩、振動??；

(5)效率高，而且在部分負荷下工作的效率也較高；

(6)轉速扭矩特性好；

(7)超負荷能力強，可達額定扭矩的150%；

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

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

4 閉式循環柴油機AIP系統及技術特點

閉式循環柴油機是通過對通用型柴油機的進、排氣系統進行改造，使其能不依賴空氣即可正常工作的柴油機。

4.1 閉式循環柴油機AIP系統的工作原理

閉式循環柴油機系統主要由柴油機、供油系統、供氧系統、廢氣噴淋冷卻裝置、CO2吸收裝置、水管理系統及控制系統組成[10]。

閉式循環柴油機的工作原理主要如下。將氣缸內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成。經噴淋冷卻后，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入混合室，在混合室內與加入的氧氣和少量的惰性氣體(氬氣)進行混合，配制成可滿足柴油機工作要求的“人造大氣”，重新送入氣缸參加燃燒做功，從而實現閉式循環。

意大利對閉式循環柴油機的研究歷史已達數十年。早在1982 年，意大利方面曾將1臺閉式循環柴油機用于深潛器，后又在一艘袖珍潛艇上使用，水下航速達18 kn(節)，續航里程為400 n mile(海里)。如德國、荷蘭、英國等國都對閉式循環柴油機進行了多次試驗研究，并取得了一定成果。

4.2 閉式循環柴油機AIP系統的技術特點

(1)單機功率大；

(2)可以通過對通用型柴油機進行改裝來實現，大部分零部件可與一般柴油機實現通用，技術成熟、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雜的水管理系統；

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

5 閉式循環汽輪機AIP系統及其技術特點

通常，閉式循環汽輪機AIP系統也被稱為自主式水下能源系統，下面將詳細闡述其工作原理[11]。

5.1 閉式循環汽輪機AIP系統的工作原理

閉式循環汽輪機AIP系統通常由兩個回路組成，即高溫燃氣產生回路和蒸汽產生回路。儲存在氧罐中的液態氧，通過液氧低溫輸送泵使壓力提高并將其加熱成氣態氧，氣態氧通過管路進入高壓燃燒室中，與從燃油儲存箱送來的燃料(一般為乙醇)進行混合并燃燒，在高壓燃燒室里產生溫度高達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的高溫燃氣產生回路分系統。

蒸汽產生回路系統采用的是一種以淡水作為工質的循環系統。在蒸汽發生器里，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，過熱蒸汽驅動汽輪機做功后被送入冷凝器，在冷凝器中經海水冷卻后冷凝成水，通過給水泵再將其送往蒸汽發生器以進行循環。汽輪機驅動交流發電機運行并進行發電，為潛艇提供所需的電能。

5.2 閉式循環汽輪機AIP系統的主要設備組成

閉式循環汽輪機AIP系統以乙醇作燃料，氧氣作為氧化劑，工作壓力為6.0 MPa左右，該系統主要設備主要包括：

(1)燃燒室，乙醇和氧氣在其中進行燃燒，并由再循環氣體冷卻；

(2)蒸汽發生器，其為循環系統的熱源；

(3)冷卻器，用于冷凝燃燒產物和工作后的乏汽；

(4)再循環回路，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，避免蒸汽發生器管壁溫度過高。

閉式循環汽輪機AIP系統配備有一回路及二回路。氧氣與乙醇在高壓燃燒室燃燒，產生熱量[12]，通過一回路將熱量導入蒸汽發生器，以產生汽輪機所需要的工作蒸汽，燃燒產生的廢氣通過排氣系統排出艇外。二回路則為汽輪發電機組及其系統回路。

5.3 閉式循環汽輪機AIP系統的技術特點

(1)單機功率大；

(2)汽輪機制造技術較為成熟，研制難度相對較小；

(3)汽輪機為旋轉式機械，振動較小，隱蔽性好；

(4)閉式循環汽輪機裝置系統復雜，輔助冷凝設備多，布置困難，而且熱效率低，經濟性差。

6 燃料電池AIP系統及技術特點

6.1 燃料電池AIP系統及其歷史發展

燃料電池AIP 系統是一種電化學裝置，其利用潛艇上攜帶的氧和氫作為燃料，在特定的燃燒室內進行化學反應和電解，通過直流電能直接驅動電動機帶動螺旋槳旋轉，推動潛艇航行。其化學反應生成物是水，無須排出艇外，既不會產生航跡，又不受深水背壓變化影響，同時具有噪音低、效率高、結構緊湊、使用安全等優勢，其為一種較理想的潛艇AIP 系統。

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

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，加拿大已在支持者級潛艇上加裝了燃料電池AIP系統。

6.2 燃料電池AIP系統的技術特點

燃料電池是直接將燃料中的化學能轉換成電能，省去了一般熱力發動機中的熱能轉換過程，因此，其技術特點主要如下：

(1)效率高；

(2)內部無回轉機械，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；

(4)配置靈活；

(5)環境污染小。

但是，在潛艇內除液態氧外，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)通過對碳氫化合物進行部分重整以制氫。

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存在的，由此使得氫的燃料來源及其儲存和運輸技術成為目前亟待解決的問題。液態儲氫同氣態儲氫相比，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]。為了實現液態儲氫，需要開發出絕熱性非常好的真空儲氫罐，防止揮發與泄漏。

雖然發展前景較好，但燃料電池仍有一定不足之處，主要是其成本較高、系統較復雜、燃料儲備占據空間較大，安全性較差，為此仍需開展進一步研究。

7 小型核動力AIP系統及其技術特點

7.1 小型核動力AIP系統及其組成

小型核動力AIP系統就是在常規潛艇中加入1個帶有小型核反應堆的艙段，使潛艇在潛航時，既可使用核動力推進，也可使用蓄電池推進，在采用核動力推進時，可以長時間以10 kn左右的航速進行連續的水下航行。此外，當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行快速充電。

小型核動力裝置通常由五個主系統及輔助設備組成，該五個主系統分別為核反應堆熱源、能量轉換裝置、控制和監視系統、功率分配系統，以及連續供電系統。

在小型核動力AIP推進系統中，最主要的部分是核反應堆熱源，通常為小型核動力反應堆堆芯選用TRGA 型核燃料。該類核燃料的性能穩定，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歷了多年的實踐考驗，有著較高的技術成熟度。

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溫度系數和較好的裂變產物抑制特性。在使用這種核燃料時，如需對核反應堆進行功率調整，可在控制系統和監測系統的操縱下，通過調節中子吸收器的位置而得以實現。反應堆進行核反應時所產生的熱量，由流經反應堆堆芯的輕水(反應堆冷卻劑)帶出，再經氟利昂蒸發器將熱量轉送到能量轉換裝置。

核反應堆的主要元件，包括反應堆的堆芯、反射器、一次屏蔽，以及一回路冷卻劑管道等設備，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遭到破壞時，被動冷卻機械就會在反應堆芯與備用冷卻劑之間自動實現冷卻劑的對流流動。

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

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

作為小型核動力AIP系統反應堆的控制和監視系統以微處理機為基礎。該系統所具有的功能可對小型核動力AIP系統的參數進行掃描，并對輸入信號偏離設定值的誤差進行檢驗和校核，執行控制計算，如出現問題可即時產生報警信號。

7.2 小型核動力AIP系統的技術特點

小型核動力AIP不同于傳統核潛艇的核動力裝置，并具有以下技術特點。

(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的區間內進行變化。通常而言，輸出功率為100 kW的小型核動力AIP系統可應用于排水量為1,000 t的潛艇上，輸出功率為400 kW的小型核動力AIP系統可應用于2,000 t排水量的潛艇上。

(2)核反應堆具有自動停堆能力

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

(3)結構簡單，操作容易，工作壽命長

小型核動力AIP系統的核反應堆與傳統核反應堆相比，結構簡單，造價低廉。由于小型核動力裝置核反應堆具有低壓和低溫的特點，因而簡化了反應堆的操作，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)核反應堆核燃料安全可靠

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

(5)核反應堆設計尺寸可與潛艇實現有機匹配

小型核動力裝置核反應堆設計尺寸與當前大多數潛艇的主尺度匹配，完全可以被裝入2,000 t級常規潛艇7 m直徑的耐壓殼內。因此，小型核動力AIP系統的核反應堆既可用于新建潛艇，也可用于對現役潛艇的改裝。小型核動力AIP系統能充分適應較小排水量的裝備平臺環境，在盡量不改變常規潛艇總體動力系統架構的基礎上，通過裝備小型核動力裝置，使潛艇在不依賴空氣產生的前提下，獲得水下推進動力。

不像傳統核潛艇那樣追求高航速的強大動力，但是也不等同于航天工業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系統輸出的功率能滿足潛艇中、低航速推進的能量需求。

盡管性能優越，但同時小型核動力AIP系統也存在著以下缺陷：

(1)存在核動力裝置安全、核輻射、核設施管理、報廢處理等問題；

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

8 幾類AIP系統技術特點的比較

分別選擇熱機型AIP系統中的斯特林發動機AIP系統、電化學AIP系統中的燃料電池AIP系統，以及小型核動力AIP系統進行對比研究。這幾類種AIP系統是目前世界上比較成熟的AIP系統，根據其各自的工作原理和在常規潛艇中的應用情況，主要從如下幾個方面對各自的特點進行比較。

8.1 系統技術成熟度

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

8.2 系統的輸出功率

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

8.3 系統的工作效率

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

8.4 系統的安全性

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

燃料電池AIP系統的安全性既與艇上儲存的大量液氧有關，又與燃料電池工作時需要的氫燃料有關。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，在潛艇密閉空間內必須高度關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的熱量加熱蒸汽以作為工質，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，但務須重視小型核動力裝置的核安全性及其核輻射防護等問題。

8.5 系統的水下續航力

配備有熱機型AIP系統的潛艇和燃料電池AIP系統的潛艇，其水下續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系統的效率較高，比斯特林發動機AIP系統的效率高出近一倍，因此在攜帶的液氧為一定的情況下，裝備燃料電池AIP系統潛艇的水下續航力約為斯特林發動機AIP系統的兩倍。而裝備小型核動力AIP系統的潛艇水下續航力在一段時間內，可認為是近乎無限的。

8.6 系統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系統基本無回轉設備，系統噪聲振動較低。斯特林發動機AIP系統則屬于熱機AIP系統，有機械運動和系統冷卻泵組等，其噪聲振動高于燃料電池AIP系統。小型核動力AIP系統的一、二回路均布置有泵組，二回路還配備有汽輪發電機組，因此振動噪聲相對較大。當然，上述振動噪聲可以通過減振降噪技術來解決。

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

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

8.7 各類AIP系統的技術性能的比較

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

表1 各類AIP系統的技術性能的比較

9 潛艇AIP系統未來發展前景展望

9.1 非核AIP系統未來發展前景展望

斯特林發動機由于其低噪聲、高效率、可使用多種燃料[16]、發動機壽命長，目前是較有前途的一類AIP系統。由于其自身固有的低功率密度等特點，決定了斯特林發動機裝置功率密度小于閉式循環柴油機裝置。如需加大斯特林發動機的功率，則需要多臺發動機進行并聯輸出，又會影響到潛艇艙室布局。斯特林發動機實現功率突破的難度較大。與柴油機相比，斯特林發動機的效率稍低，油耗略高。同時其成本昂貴、研制風險大、技術門檻高、開發周期較長，可靠性還需進一步提高。為滿足潛艇低速航行的功率需求，需要進一步提高斯特林發動機單機功率。為滿足將來進一步發展的需要，應開發既可以使用液氧，也可以使用大氣中氧成分的斯特林發動機系統。

閉式循環柴油機AIP系統主要技術優點是柴油機技術成熟、性能可靠、壽命長。目前，此類AIP系統所使用的柴油機可以為標準潛艇用柴油機，其制造和裝配技術成熟，工作壽命比其他AIP系統更長。同時，其燃料可以實現通用，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系統隨時可在閉式和開式循環兩種工作方式間轉換，增大了使用靈活性。由于大量使用成熟技術，且水上、水下均可使用，耗油率低，維修費用低，因此是AIP系統中最為經濟的一種形式。

閉式循環柴油機AIP系統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，以及系統噪聲大。閉式循環柴油機使用普通柴油機，運動部件多，工作過程中產生的機械噪聲難以避免。雖然可以采用降噪技術將噪聲降至安靜航行狀態下的水平，但總體上比燃料電池噪聲更大，同時也使系統輸出功率受到限制。

閉式循環汽輪機AIP系統的技術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，必須要經得起高達5 g的加速度的沖擊。同時，其主要優點是功率較高，可滿足潛艇水下高速航行的需要。閉式循環汽輪機功率可達200 kW。燃燒產物排放較為隱蔽。同時由于燃燒壓力較大，燃燒產物壓力也較大，無須加壓就能排出艇外，以此即可減少潛艇噪聲。采用氣泡分裂系統使排出二氧化碳氣泡直徑減小，提高了廢氣的海水溶解度。如情況危急，可將燃燒產物冷凝后儲存艇內。

閉式循環汽輪機AIP系統的主要缺點是其系統尺寸大、輔助機械和設備多。裝置主要設備和部件包括燃燒室、蒸汽發生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、汽輪機、交流發電機，以及各類泵等設備，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，由于汽輪機裝置熱效率低、經濟性較差，耗氧率比閉式循環柴油機高出約15%。同時，在相同水下續航力的前提下，乙醇燃料所占用的空間比閉式循環柴油機高出一倍，且所有系統設備和部件都需專門設計，投資大，性價比較低。

燃料電池裝置是最具競爭力的AIP系統之一。燃料電池AIP系統的主要優點是能量轉換效率高。燃料電池通過電化學反應將化學能直接轉燃料和氧化劑的化學能變為電能[17-18]，省去了熱機發電時的“燃料化學能→熱能→機械能→電能”等較為復雜且低效的能量轉換過程，減少了能量損耗。理論能量轉換效率可達90%，其實際工作效率可達60%。

氫氧燃料電池唯一的反應產物為水。同時，由于能量轉換過程中能量損耗較少，所以相應的散熱也少，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優勢。由于在其內部能量得以直接轉換，并無運動部件，因此工作過程較為安靜，可使潛艇航行時具有極佳的聲學隱蔽性。燃料電池維護保養方便，對零部件加工要求低，便于制造加工[19]。由于并無運動部件，也就不存在磨損故障，通過集中控制裝置可以實現自動化運行。

燃料電池過載能力強，短時過載能力可達額定功率的2倍，而柴油機等傳統熱機難以實現該指標，因此裝備燃料電池AIP系統的潛艇可進行短時加速航行。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。

燃料電池AIP系統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，氫的制備和提取復雜。在潛艇狹小空間內，一旦發生氫氣泄漏，氫氣濃度超過限值極易引發爆炸和火災等現象。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氫和氧，使用燃料電池AIP系統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技術難度大、對基礎工業要求高、研制周期長、投入多、技術風險大等一系列問題。

這四大類潛艇AIP系統共同特點是運行都需耗氧，并且需要考慮艇上氧的儲存。因此，從現階段非核動力潛艇AIP系統發展狀況來看，如何解決在潛艇上氧的儲存問題，是潛艇AIP系統發展的關鍵技術之一。此外，燃料電池需要使用氫，斯特林發動機和閉式循環柴油機需要使用柴油。

不同潛艇AIP系統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，一般不考慮以氣態形式儲存。當其以液態或金屬氫化物形式儲存時，還需估算儲存系統的重量和容積。

在選用潛艇AIP系統時，還要考慮的另一重要因素是裝置效率。從現有的潛艇AIP系統來看，斯特林發動機、閉式循環柴油機和閉式循環汽輪機的裝置效率約為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，燃料電池更具優勢。

其中熱機型AIP系統存在化學能-熱能-機械能-電能的轉換，均需要熱力發動機作為能量轉換設備，從而不可避免地對潛艇的隱蔽性產生影響。因此，對于熱機型AIP系統，降低振動噪聲是其發展的關鍵，如精心設計發動機的工作過程、提高發動機的加工工藝、采取主被動隔振措施等。同時，提高系統的效率和可靠性、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。

電化學型AIP系統可直接將化學能轉變為電能，其中質子交換膜型燃料電池是常規潛艇燃料電池AIP系統的發展方向，其關鍵部件為質子交換膜，并以鉑作為催化劑的陰陽電極，因此未來的發展趨勢是進一步提高質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仍將開展進一步研究，在金屬儲氫、甲醇重整等方面進一步加強研究，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，進一步提高燃料電池AIP系統的發電能力；同時，注重電化學型AIP系統的安全性。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，以求大幅增加常規潛艇水下連續潛航續航力，有望成為電化學型AIP系統發展方向之一。

當前正在研制、使用的非核動力AIP系統，無論是斯特林發動機AIP 系統，還是燃料電池AIP系統都存在一些關鍵問題，這些關鍵問題主要包括液氧的儲運技術、氫氣的儲運技術、廢氣的處理技術、高溫高壓燃燒及密封技術等，對這些關鍵問題有的已得以充分解決，但還有待進一步完善，有的又帶來新的問題，如氫氣儲運通常通過金屬棒來進行攜帶。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計者的一項重要課題，由此針對核動力AIP系統的開發也引起了進一步關注。

9.2 潛艇小型核動力AIP系統未來發展前景展望

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

與傳統核動力潛艇相比，小型核動力AIP系統的區別在于：

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

(2)系統簡單，只作為潛艇電站出現，為全電力推進；

(3)總功率僅用于滿足潛艇中低速獨立電能供應要求。

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

縱觀各國發展潛艇用小型核動力AIP系統的發展歷程，可以看出：從傳統的雙回路核能發電系統，到全自然循環一體化反應堆和熱電直接轉換的發電系統，代表著近年來小型核動力AIP系統日益小型化和低噪聲化的發展趨勢。但即便如此，小型核動力AIP系統仍無法全面取代單一核動力裝置。

10 結論及展望

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

閉式循環柴油機AIP系統的各項技術都比較成熟，閉式循環柴油機AIP系統主要問題是噪音大，系統較復雜、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雜的水管理系統，上述問題還有待于進一步解決。

閉式循環汽輪機AIP系統單機功率較大，技術較為成熟，且振動噪聲小，隱蔽性較好，但其裝置系統復雜，設備繁多，布置較為困難，且熱效率較低。

燃料電池AIP系統高效、清潔、振動噪聲小，且隱蔽性好，有望成為潛艇單一系統。但就其使用的氫燃料的制取、儲備、運輸及安全性等問題而言，仍需要進一步優化。

小型核動力AIP系統相對于傳統核潛艇的動力系統而言，更著重追求簡單的熱力架構、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，將使潛艇充分解決水下續航力不足的難題，并相應具有更大的功率和更好的機動能力。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復雜、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系統更多僅可作為潛艇在水下航行時的替代性動力設備，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展前景而言，直接發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堆為能源，核裂變不需要氧氣，可使潛艇在水下持續地高速航行，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。不僅如此，核動力推進系統使得核動力潛艇在執行各種任務期間無須浮出水面，實現了潛艇的暴露率接近于零，同時有著較強的續航力。由此，從長遠角度來看，發展核動力潛艇更具前景[20-21]。