未来常规潜艇对新型动力系统的需求

2016-03-27潘基松

船电技术 2016年10期

潘基松

未来常规潜艇对新型动力系统的需求

潘基松

（海军参谋部潜艇局，北京 100841）

本文从未来常规潜艇作战需求出发，提出必须发展新型动力系统，以满足全程水下、隐蔽作战需要的观点；分析了燃料电池的先进性，得出燃料电池是常规潜艇AIP最佳的动力方案；介绍燃料电池在国外常规潜艇的应用情况及我国潜艇用燃料电池发展情况；提出了我国燃料电池技术有关科研单位应当继续跟踪世界燃料电池技术并加强研究、有关职能部门应当及时推进燃料电池实艇应用的建议。

潜艇动力系统燃料电池

0 引言

常规潜艇至今已有百余年的历史，它经历了两次世界大战的洗礼，取得了非凡的战果，已成为各国海军主战装备之一。但是，随着探测潜艇装备的发展和军事战术的进步，以柴油发电机为主动力的常规潜艇已暗然失色，因此，各国海军发展常规潜艇时，对动力系统提出了更高需求。

1 未来常规潜艇作战需求

目前，军事强国已经形成了水下、水面、空中和太空四位一体的反潜侦察能力，其侦察卫星除过顶30～40 min间隔外均可发现水下70 m内活动的潜艇，战时还可临时发射侦察卫星对战区进行无缝式搜索。目前我国现役以柴油发电机为主动力的潜艇通常2昼夜须上浮充电，即使采用快速充电方式，也不能在40 min内完成充电并下潜到安全深度，被敌发现概率几乎为100%，实际上从近几年来，我常规潜艇在海上屡被发现跟踪的事实，可见一斑。部分以热气机（SE/AIP）为主动力的潜艇，其水下连续航行续航力虽然有较大提高，但是仍然不能满足全程水下状态作战需求，而且以热气机（SE/AIP）为动力的潜艇降低辐射噪声已变得越来越难。因此，为了蠃得未来的战争，从延长潜艇水下续航力、降低辐射噪声等方面来说，必须发展新型动力系统，以满足全程水下、隐蔽作战需要。

2 燃料电池的先进性

为了减少常规潜艇暴露率，增加隐蔽性，早在二战期间，德国及苏联就曾经涉足AIP的研究。进入20世纪后半期以来，AIP更如繁花怒放，纷纷在各国潜艇上“安家落户”。目前，国外在役或者在建的新一代常规潜艇数量较多，新一代常规潜艇呈现出以下发展趋势：几乎所有最新研制的常规潜艇都在考虑或者已经使用各类AIP系统，包括：热气机、燃料电池、闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机，而且燃料电池AIP潜艇居多。

燃料电池适合作潜艇动力，是因为其效率高、比能大、功率范围宽、无噪声、无污染、可以模块化设计、使用维修方便。它的先进性主要如下所述。

2.1能量转换效率高

燃料电池理论效率可接近90％，实际效率已达到60％～70％；目前闭式循环汽轮发电机组效率为25%左右，热气机发电机组效率为32%左右，闭式循环柴油发电机组效率为33%左右。这意味着在燃料贮存量相同的条件下，燃料电池AIP潜艇水下续航力将是其他AIP潜艇的2倍以上。

2.2振动小、噪声低

燃料电池是一种无声的动力装置，自身不产生振动和噪声，有利于潜艇的隐蔽。而热气机、柴油机都属于往复运动机械，其振动和噪声远远高于燃料电池。

2.3热辐射小，能减少被红外探测概率

质子交换膜燃料电池，电堆工作温度为60℃～70℃左右，红外辐射低。而闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机和热气机均存在燃烧室内高温燃烧、红外目标特征明显，需要采取冷却降温措施。

2.4生成物清洁，排放不受深度限制

燃料电池生成物是水，可供艇员使用，方便储存，排放简单，不受潜艇工作深度限制。闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机和热气机的生成物是CO2或者其他废物，必须有处理装置，既增加了复杂性，又浪费能源。

2.5功率适应范围宽，过载能力强

燃料电池具有功率适应范围宽的特性，方便潜艇水下状态随时增速机动。其他AIP动力没有这种特性，潜艇水下增速机动时，需启动另外一台AIP设备或者蓄电池放电。

2.6模块化设计，方便使用管理

燃料电池可以进行模块化设计，配置机动灵活，有利总体布置，使用、维护和修理方便，更换简单，系统可靠性高，维修性、保障性好。

潜艇用燃料电池在增大水下续航力、降低振动噪声和热辐射方面，在满足功率、生成物排放、总体布置和可靠性要求方面，均能很好地满足潜艇对AIP系统的要求，综上所述，燃料电池是常规潜艇上佳候选电源、理想的AIP系统，是几种AIP中最有发展前途的动力装置。因此，世界上研究、应用燃料电池AIP的国家也最多，而且许多国家已把是否加装燃料电池AIP视为21世纪常规潜艇现代化的主要标志之一。

3 燃料电池AIP在国外潜艇的应用情况

由于燃料电池适合用于潜艇的水下动力，因此受到各国海军的重视，很多国家都投入了大量的人力、物力进行研究，其中美国、日本、法国等都积极投入这一工作，由于各种原因，停止了研究、应用工作。但是，德国对燃料电池的研究一直没有停止，在世界上一直处于领先地位，1989年研制的碱性燃料电池装在205级U1型潜艇，成功地进行了海试，1993年研制出性能更好的单块功率为34 kW的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，标志着燃料电池的研制取得了突破性的进展。随后，德国决定建造4艘装有燃料电池AIP的212A级潜艇。首艇于1997年开工建造，2004年3月正式交付德国海军服役，编号为“U31”，这是第一艘正式服役的燃料电池AIP潜艇。德国海军212A型潜艇装备了300 kW的燃料电池AIP，采用9个燃料电池模块，每个模块34 kW，氢源采用金属储氢方案，该级潜艇水下排水量为1830吨，燃料电池供电时最高速度可达8节，并可在水下连续航行7天，如果以4.5节的水下速度航行，续航力可达1250海里。德国针对出口，研制成功了214型燃料电池动力系统的潜艇，先后出售给意大利、希腊、南非、土耳其、韩国等国海军约20余艘潜艇。2009年德国又开始了216型潜艇的研制工作，该型潜艇装备的燃料电池AIP所需的氢是由甲醇重整制成，不使用通气管隐蔽航行可持续28天。

韩国海军向德国购买了3艘214型潜艇，首艇“孙元一”号于2007年服役。2015年5月7日韩国在大宇船厂举行第六艘214型潜艇“柳宽顺”号(1800吨级)的下水，该艘潜艇采用燃料电池AIP动力系统推进，能持续在水下执行任务长达2周，水下航速最大可达20节。根据韩国海军的计划，“柳宽顺”号将于2016年11月正式服役。韩国海军此前曾经表示计划到2019年至少再建造5艘214型潜艇。

目前，俄罗斯正式向外推出装备碱性燃料电池AIP动力系统潜艇，即“阿穆尔”级潜艇。该级艇水上排水量为2180吨，燃料电池功率为300千瓦，水下3.5节时，连续续航力约为1680海里。

据报道，日本于2015年以后开始建造新一代潜艇，也就是所谓的次世代潜艇，它将在2020年以后替代现役的亲潮级，该型潜艇将装备日本自行研制的燃料电池。

燃料电池AIP在国外常规潜艇的成功应用，为我国未来常规潜艇发展新型动力系统提供了经验借鉴和信心。

4 我国燃料电池AIP发展情况

近年来，针对国内城市清洁能源发展需求，以及电动汽车用燃料电池急需，国内许多单位积极开展了质子交换膜燃料电池的研究工作。目前，国内研制民用质子交换膜燃料电池的单位包括中国科学院大连化物所、上海神力科技有限公司、东方电气集团中央研究院、航天一院十五所、清华大学、上海交通大学、同济大学等。在国家863计划及各省市科技攻关项目的支持下，我国燃料电池的研究开发取得了长足的进步，车用燃料电池堆技术已具有较高水平，特别是在质子交换膜燃料电池方面，达到了或者接近了世界水平。此外，712所根据军贸潜艇装备需求，一直跟踪和开展潜艇用燃料电池AIP技术的相关研究工作，也取得了进展。在储氢合金的开发方面，上海冶金研究院、北京金属研究院、四川大学、浙江大学等单位已经取得了一定成就，但目前都仅限于试验研究阶段，还未实现大规模生产。在微型化甲醇重整制氢方面，广东合即得能源有限公司等单位已经突破了关键技术。但是在总体上，我国潜艇用燃料电池技术水平低，仍然处于科研阶段，燃料电池电堆实艇环境下使用技术仍有待于突破和验证。

5 结论

未来战争牵引着潜艇的发展，燃料电池的特点和国外燃料电池成功应用于潜艇表明，燃料电池作为潜艇动力将会大辐提高潜艇水下续航力、降低辐射噪声等，能较好地满足未来潜艇作战需求。潜艇用燃料电池与其他非核AIP相比具有明显的优势；国外燃料电池技术成熟，而且燃料电池已成功应用于潜艇动力系统；我国在这方面也有相当的技术储备。为此，建议我国燃料电池技术有关科研单位继续积极跟踪世界燃料电池技术的发展，充分借鉴国外成功经验，消化吸收先进技术，加强燃料电池技术的消化和储备；同时建议有关职能部门应当大力支持燃料电池实艇使用研究开发工作，加大投入，适时组织相关单位进行军事需求论证，并开展演示验证及工程应用工作。