国外潜艇AIP技术发展现状与趋势分析∗

2018-03-31孙俊忠周智勇郝海静

舰船电子工程 2018年3期

胡静孙俊忠周智勇郝海静

1 引言

常规动力潜艇以其造价低、机动性好、技术成熟、辐射噪声小、适于中近海作战等特点，一直备受各国海军的重视，而其水下续航能力较差、通气管航行暴露率高的缺点，严重制约了进一步的发展。为提高常规潜艇的综合作战效能，许多国家都在探索不依赖空气的推进装置（Air Independent Propul⁃sion，AIP）。AIP技术的应用使常规潜艇进入了一个新的发展时代，同时也对常规潜艇兵力作战使用带来了深远的影响［1-3］。目前相对成熟，且进入了实用阶段的AIP技术可分为热机系统、电化学系统和小堆系统三大类，其中热机系统包括斯特林发动机（SE/AIP）、闭式循环柴油机（CCD/AIP）、闭式循环涡轮机（MESMA/AIP）等形式；电化学系统以燃料电池（FC/AIP）形式为主；小堆系统是基于低功率核动力装置（LLNP/AIP）的动力系统。

2 几种典型AIP基本原理及发展现状

2.1 斯特林发动机AIP系统（SE/AIP）

SE/AIP系统主要由斯特林发动机、发电机、液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统及控制系统等组成，其工作过程是：在燃烧室内，氧气和燃油持续燃烧，燃烧的火焰将加热器加热，由加热器把热能不断地传递给流经其内部的工作介质（氦气或氩气），介质吸收热量膨胀做功，推动活塞运动，再通过曲柄、连杆机构变往复运动为旋转运动，使曲轴旋转并输出功率。

瑞典最早将斯特林发动机技术应用到常规潜艇上。1996年4月，瑞典A-19级首艇“哥特兰”号潜艇服役，该潜艇为世界上第一艘实用型AIP潜艇。“哥特兰”号潜艇动力系统采用的MK2（V4-275R）发动机是目前技术最为成熟的AIP斯特林发动机，其额定功率为65kW，最大功率为75kW［4］。瑞典对MK2型斯特林发动机的改进很缓慢，后续型是MK3。MK3主要在发动机效率、输出功率、水下运行深度、隐蔽性等方面有所改进。目前装备有SE/AIP系统潜艇的国家有瑞典、新加坡、日本等，其中日本SE/AIP技术引进于瑞典，并于2003年在“春潮”级和“朝潮”级常规潜艇上试航成功。

2.2 闭式循环汽轮机AIP系统（MEMSA/AIP）

MEMSA/AIP系统由液氧储罐、燃料储罐、燃烧室、冷却装置、蒸汽发生器、汽轮机等部分组成。闭式循环汽轮机AIP系统的工作过程是：一回路中的氧气与乙醇在燃烧室内混合燃烧，产生的高温高压燃气将二回路中的淡水加热成蒸汽，蒸汽对蒸汽轮机做功，使汽轮机驱动交流电机产生直流电，从而为潜艇提供直流电源。

MEMSA/AIP系统的研究国家主要是法国，法国DCN公司开发了CCST装置，功率范围为150kw～600kw。法国第一代MESMA/AIP系统功率为200kw，安装于出口巴基斯坦的“阿哥斯塔”90B级潜艇上，这也是MESMA/AIP技术的代表艇型。法国和西班牙联合开发的“鱿鱼”级潜艇，可以加装MESMA/AIP系统，该潜艇已成功销往马来西亚、印度、巴西等国［5］。

2.3 闭式循环柴油机AIP系统（CCD/AIP）

CCD/AIP系统主要由柴油机、发电机、吸收装置、水管理系统、冷却系统、液氧系统、供油系统和控制系统等组成。CCD/AIP系统采用传统的柴油机，潜艇携带的氧气和氩气按一定比例混合后在柴油机内与柴油发生燃烧反应，排出的废气经一套喷淋冷却系统冷却后，被送入吸收器中，吸收器使废气中的二氧化碳溶于海水，从而起到净化废气的作用，冷却所需海水量由在任意水深下均可运行的海水管理系统控制，净化后的废气被混入新鲜的氧气，再次进入柴油机做功。

英国目前在CCD/AIP的研究上处于世界领先水平。英国的CDSS公司，现有可达144kW的D2566ME型、250kW的MTU8V183TE52型、400kW的MAN型CCD/AIP系统［4］。1993年，德国蒂森公司北海船厂（TNKS）利用250kW闭式循环柴油机系统在退役205级U-1艇上成功进行了试验，论证了在209型潜艇上加装CCD/AIP舱段的可行性。目前，德国、英国、荷兰、意大利、以及英国等国都在积极研制闭式循环柴油机系统。

2.4 燃料电池AIP系统（FC/AIP）

FC/AIP系统由燃料电池本体、氢源、氧源、辅助系统和管理系统组成［6］。辅助系统主要包括水收集系统、惰性气体保护、冷却系统等。管理系统包括氢气供给、氧气供给、尾气管理、气体增湿、控制单元、DC/DC变换单元、安全管理等模块。氧源的液氧罐储存方式技术成熟，是目前最适合艇用化的储氧方式［7］，氢源金属氢化物是目前最适合潜艇FC/AIP系统的储氢方式。FC/AIP在潜艇上应用的基本原理是氢燃料和氧化剂在燃料电池质子交换膜两侧催化剂表面进行化学反应，直接将化学转化为电能，为潜艇提供电源。

目前，在德国、俄罗斯等国家的FC/AIP技术已成功应用于潜艇，其中德国潜艇对燃料电池潜艇最早，研制水平在世界上也一直处于领先地位。德国的西门子公司和HDW公司生产的FC/AIP代表艇型是214型和214A型。俄罗斯研制的677型“拉达”级潜艇，可以加装燃料电池AIP系统，由于造价昂贵尚未安装，其出口型“阿穆尔”级潜艇于2004年成功进行了海试［8］。“阿穆尔”-1650 型潜艇的AIP系统额定功率为300kW，FC效率约为70%。

2.5 低功率核动力装置AIP系统（LLNP/AIP）

LLNP/AIP系统由反应堆、预热器、蒸发器、冷凝器、透平、发电机等部分组成。该系统包括两个独立回路，一回路中反应堆运行，反应堆活性区流出的高温水通过蒸发器将热量传给二回路工质氟利昂，透平中工质焓降做功，带动发电机，为潜艇提供电源。冷凝器中将做功后乏汽冷凝，泵送入预热器，再回到蒸发器。

目前加拿大ECS集团在LLNP/AIP的研究上处于世界领先水平，该公司研发的AMPS系统是目前实际装备和运行的小型反应堆装置，技术也最为成熟。加拿大曾研究了不同AMPS装置方案，包括1000t级排水量潜艇使用100kW和400kW功率的AMPS装置，可以安装在德国U-209级和瑞典A-17级潜艇上。法国曾将小型反应堆装置安装在排水量1050t“阿戈斯塔”级非核动力潜艇上，实验表明13kn水下航速下续航力可达12500海里［9］。此外，法国、西班牙、美国、日本均对类似潜艇动力装置进行了研究［10～12］。

3 不同AIP技术的性能对比

不同AIP技术具有不同特点，表1列出了不同AIP系统的主要性能对比。

当前各国AIP技术仍是以斯特林发动机和燃料电池为主要潮流。对于热机系统的AIP而言，他们的共同点是均需要燃料的燃烧和机械的传动，因此无法避免热辐射和机械噪声的产生，且热机系统的最高效率受卡诺循环的限制，最高效率不会超过50%。此外，高耗氧量和废气的处理也是制约热机系统AIP综合性能的一个重要原因。闭式循环汽轮机虽然利用一种分裂气泡的系统使二氧化碳气泡尽量变小，降低了废气排放的噪声，但是多回路结构设计占据了潜艇大量的重量和空间，所以应用前景不大。

小堆AIP潜艇不需要消耗氧气，续航力和水下航速相对使用常规碳氢燃料的非核潜艇有了较大的提升，但小堆LLNP/AIP设备造价昂贵，使用复杂，维护费用相对较高，小堆AIP潜艇的技术参数和战斗性能与常规核动力潜艇还有很大差距，因此LLNP/AIP技术仍无法成为主流发展方向。

燃料电池无转动机械的特性在很大程度上减少了噪音，增加隐蔽性，且生成的直接产物水也易于处理。燃料电池直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转换为电能，能量转换比传统热机转换减少了2个环节，高效率（最高可达80%）这一绝对优势决定了FC/AIP技术未来良好的发展前景。

表1 不同AIP系统的主要性能比较

4 未来FC/AIP技术的发展趋势

瑞典和德国在AIP潜艇技术水平和研制数量上处于世界领先地位，SE/AIP和FC/AIP是目前技术最为成熟、潜艇装备数最多的方案。SE/AIP系统属于热机系统，工作过程中需经过燃油燃烧或气缸内爆炸产生旋转机械能，再经过发电机产生电能，能量转化环节多，能量转化效率低，发展受辐射噪音和运行效率和废气处理的限制。FC/AIP系统属于电化学系统，工作时无需经过燃烧而将化学能直接转变为电能的发电装置，理论转化效率接近90%，且无机械噪声、热辐射小、反应生成物排放简单，不受潜艇航行深度的限制。近年来FC/AIP潜艇受到越来越多国家的关注，列装数量也明显增多，FC/AIP潜艇将会成为未来常规潜艇的一个重要发展方向。

从世界AIP技术的发展现状而言，各种AIP技术各有优点，也均有其不足，各国根据本国的国情、潜艇技术发展战略和技术储备状况选择了适合本国国情的AIP技术。表2为国外正在研制中的AIP潜艇主要性能，从表中可以看出装备AIP动力系统已经成为了常规潜艇的主流趋势，多数艇型采用了FC/AIP系统。瑞典仍坚持将SE/AIP系统应用于下一代常规动力潜艇，这与瑞典国内积累的技术经验有关，其他国家则更加看中了燃料电池的发展前景。

最初燃料电池被引入到潜艇动力系统时，设计思路是燃料电池作为潜艇的主推进系统，美国、日本、法国等均投入了大量的人力、物力对其进行研究，但由于早期燃料电池技术不成熟、功率有限等原因停止了研究。德国提出将燃料电池作为潜艇的辅助动力系统，即同时保留柴电系统和燃料电池系统，实现了潜艇水下续航力较大程度的提升。1993年，德国研制出单块功率为34kW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的进展。随后，德国成功将燃料电池应用到潜艇上，建造出首艘装有FC/AIP的212A级潜艇。该级潜艇水下排水量为1830t，AIP功率为300kW，可提供潜艇水下最高8kn的航速，持续航行7天，水下4.5kn航速下的续航力可达1250海里。同时，德国成功研制了214型潜艇，是针对212A型FC/AIP潜艇的出口型。该型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。各国对FC/AIP潜艇的订购数量不断增多，按照目前的订单，到2020年，至少有29艘燃料电池AIP潜艇在上述各国服役，未来它们将成为这些国家海军的主要水下作战力量［13］。

俄罗斯向外推出了装备碱性FC/AIP动力系统的潜艇，即“阿穆尔”级潜艇。该级艇水上排水量为2180t，燃料电池功率为300kW，水下3.5kn航速下的续航力为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［14］。

表2 国外正在研制的AIP潜艇主要性能［6］

5 结语

AIP系统在潜艇上的成功应用，提高了潜艇的水下续航能力，降低了暴露率，提高了潜艇的隐蔽性，使得其综合作战能力和生存能力明显高于普通常规潜艇。世界各潜艇强国均对AIP技术的研究给予了高度重视，但在AIP研究方向上有所差异。各国在发展AIP潜艇的同时也会考虑本国的工业基础、研究成本、技术成熟度、潜艇安全性和可靠性等因素。

不同AIP技术具有不同特点，当前的应用现状也有所差异。目前SE/AIP和FC/AIP的技术成熟度最高，潜艇装备数量最多。此外，FC/AIP在效率、辐射和噪音方面均具有很大优势；CCD/AIP单机功率大，安全性最高；MEMSA/AIP功率大，废气排放噪音较低；LLNP/AIP在水下续航力和水下最大航速方面具有明显优势。

目前国外FC/AIP技术不断成熟，其高效率、低噪声、低辐射等优良特性引起越来越多国家的关注，各潜艇强国均对该技术展开了积极的研究，该技术将成为未来国内外AIP潜艇发展的重要研究方向。

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