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1、352006.3MILITARY TECHNOLOGY 军事技术常规潜艇的 “ 芯 动 力 ”近年来， 随着科学技术的进步， 反潜探测装备和技术迅猛发展，各型声纳、 磁探仪、天基雷达、激光探测器、红外探测仪等新型反潜设备投入使用， 大大降低了常规潜艇的作战效能。 这其中的主要原因就是常规潜艇水下航行时， 蓄电池储备电能极其有限，当电能消耗到一定程度时，就需要上浮至通气管航行状态利用柴油发电机组对蓄电池进行补充充电。 而此时是常规潜艇最容易暴露的时刻， 这也是常规潜艇最致命的弱点之一。因此， 增大常规潜艇水下续航力和续航时间， 减小通气管航行状态的暴露几率，提高隐蔽性， 一直是常规潜艇设计者和使
2、用者长期为之奋斗的目标。不依赖空气推进系统 （A I P ） 是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。常规潜艇的A I P（A i r I n d e p e n d e n t P r o p u l s i o n ） 系统主要利用自身携带的氧气 （通常为液氧） ， 为热机或电化学发电装置提供燃烧条件， 完成能量转换， 提供水下航行所需的推进动力。目前， 国外常规潜艇的A I P 系统主要分为两大类：热机系统和电化学系统。 其中热机A I P 系统主要包括闭式循环柴油机（C C D / A I P ） 、 斯特林发动机 （S E / A I P ） 、 闭式循环
3、汽轮机（M E S M A / A I P ） 、核电混合推进系统（S S N / A I P ） ；电化学A I P 系统主要是聚合物电解质膜燃料电池（P E M /A I P ） ， 包括碱性燃料电池、 质子交换膜燃料电池。但目前国外技术较为成熟、 或者已进入实用阶段能够大幅提高常规潜艇水下作战能力的A I P 系统主要是闭式循环柴油机、斯特林发动机、 闭式循环汽轮机和燃料电池这四种。这些A I P 系统有的已经成功进行了试验，有的已经装备新型潜艇。以下就目前这四种A I P 系统，剖析并比较其工作原理和优缺点， 同时设想我国未来常规潜艇的可能选择。闭式循环柴油机系统闭式循环柴油机 （C
4、C D / A I P ） 除了进、排气系统与普通柴油机不同外， 其工作原理与目前常规动力潜艇所使用的普通柴油机是一样的。其工作原理是：用潜艇自带的氧气代替空气中的氧， 将废气中的二氧化碳经过冷却和吸收后排到艇外， 部分二氧化碳作为工质参加循环工作； 同时用氩气取代空气中的氮气， 改善循环气体的燃烧质量。其具体工作流程是：将氧气和氩气按一定比例混合成相当于空气成分的气体输入到柴油机的气缸中， 然后柴油与氧气发生燃烧反应， 产生的热能推动活塞运动进而带动曲轴运转，产生机械能。 燃烧后的废气从柴油机排出，温度大约在3 5 0 4 0 0 之间，主要成分是二氧化碳、水蒸气、氩气和部分氧气。 这些废气
5、经过喷淋冷却器被冷却到 1 0 0 左右，其中的水蒸气被冷却成水， 剩余废气进入一个吸收器。 二氧化碳与吸收器喷淋的海水混合章 明A I P原理比析闭式循环柴油机系统工作流程简示图二氧化碳及氩气喷淋制冷装置水水及二氧化碳出水口氧气柴油机主机箱氧气、二氧化碳及氩气吸收器二氧化碳及氩气氩气水分离器编者按：2 0 0 5 年1 0 月1 9 日， 继瑞典 “哥特兰” ( A-19) 级潜艇 （题图） 之后，德国2 1 2 A 型潜艇U-31和U-32号正式加入海军行列。 作为世界最先进的两级常规动力潜艇， 最让人感兴趣的是它们所装备的新型A I P 系统， 那么， A I P 系统为什么总是吸引着人
6、们的眼球呢？水362006.3 军事技术 MILITARY TECHNOLOGY海上空中反潜力量是现今 潜艇生存的“克星”德国海军2 1 2 型U - 3 1 号首艇并被吸收，由海水管理系统排出艇外。 这套系统与柴油机的工作深度、 潜艇下潜深度均无关系。 部分经过处理的废气补充氧气和氩气后，再进入柴油机参加循环工作， 整个过程均使柴油机在闭式循环的工况下工作， 可由一台中央计算机控制并管理。技术实现的难点和重点 其一是将废气中的水蒸气和二氧化碳排出是实现闭式循环的关键所在。 其中水蒸气可以通过冷却成水加以解决， 但是二氧化碳的吸收排除却是难中之难， 主要方法是碱溶液吸收法、再生吸收剂吸收法和海
7、水溶解法， 其中最好的应是海水溶解法，原料取之不竭，用之方便，实现难度较小。其二是使柴油机在使用循环气体的情况下能保证足够的燃烧质量，产生足够大的功率。 虽然循环气体中的二氧化碳经过吸收排除， 但是整个循环气体中二氧化碳的浓度依然很高，势必影响柴油机的效率， 因此通过加入少量氩气来克服。主要的技术优点 柴油机技术成熟，性能比较可靠，寿命长，目前此A I P 系统所用柴油机可以是标准的潜艇用柴油机，制造和装配技术非常成熟， 工作寿命要比则需3 0 吨左右的液氧；产生的噪声大， 闭式循环柴油机采用的是普通柴油机，系统的运动部件较多， 工作过程中机械运动产生的噪声较大， 虽然可以采取降噪技术将噪声降
8、低到安静航行时的水平，但是总体上比采用燃料电池噪声要大；系统输出功率受到限制，因为受到潜艇的噪声控制指标的限制， 一般要求每台普通柴油机的输出功率5 0 0千瓦，因此闭式循环柴油机的输出功率很难再增加。目前德国、 荷兰、 意大利和英国都在积极开发研制此类A I P 系统。 1 9 9 3 年， 德国在退役的2 0 5 级潜艇U 1 号上成功试验了2 5 0 千瓦的闭式循环柴油机系统， 并将眼光投向大量出口国外的2 0 9 型潜艇的改装上，拟用一个附加耐压舱段来安装 A I P 系统， 以插入方式加到2 0 9 潜艇中， 这样可使潜艇水下最高航速不变，水下续航时间增加4 5 倍， 水下4 . 5
9、 节航速可连续航行3 8 6 小时， 续航力接近1 8 0 0海里。荷兰和意大利也先后成功试验了闭式循环其他A I P 系统的主机时间长；燃料可以通用，此A I P 系统所用柴油与普通常规潜艇所用的一样，可广泛采购， 不存在后勤供应问题； 随时可以在闭式循环和开式循环两种工况下进行自由转换， 因为该系统所用柴油机与普通柴油机一样， 所以可以进行自由转换，增加潜艇使用的灵活性；由于可以使用大量成熟技术，且水上、 水下均可使用，耗油率较低， 维修费用相对较低， 因此是A I P 系统中最经济的一种形式 ；工作不受潜艇下潜深度影响。存在的缺点和不足 工作效率低、 氧气消耗量大、排出的热量多，按1 3
10、 0 0 0 海里的续航能力计算， 一艘2 0 9 型潜艇采用燃料电池仅需携带 1 5吨左右的液氧， 而采用闭式循环柴油机372006.3MILITARY TECHNOLOGY 军事技术柴油机系统， 准备用于对现役潜艇进行改装或用于新建的常规动力潜艇。斯特林发动机系统斯特林发动机 （S E / A I P ） 系统与闭式循环柴油机系统大致相同， 最主要的不同就是发动机。S E / A I P系统使用的是热气机， 而C C D / A I P 系统使用的是闭式循环柴油机。热气机的构想是英国科学家罗伯特斯特林于1 8 1 6 年率先提出来的， 它是一种由外部热源加热， 并将热能转换为机械能的热机，
11、其循环是一种闭式、 采用定容下回热的气体循环，简称斯特林循环，其具体工作原理是： 斯特林发动机的活塞上室为热室，它与另一活塞的下室相连，四个缸相互连接在一起，具体的是1 号缸上部的热室与2 号缸下部的冷室相连， 2 号缸上部的热室与3 号缸下部的冷室相连， 3号缸上部的热室与4 号缸下部的冷室相连，4 号缸上部的热室与 1 号缸下部的冷室相连， 互相差9 0 角。 它们使工作气体在热室和冷室之间来回移动， 使活塞运动并带动曲柄转动。 斯特林发动机主要是在水下续航状态下工作，与蓄电池并联， 向推进电机、 全艇辅机及其他用电设备供电。技术实现的难点和重点 主要在于斯特林发动机的水下燃烧系统， 因为
12、该系统所使用的氧化剂是纯氧， 燃烧方式为燃气再循环， 并且是在高于周围海水压力的高压情况下进行燃烧。主要技术优点 机械噪声与振动较小，因为斯特林发动机是一种从外部对内部气体工质连续加热使之做功的活塞式往复发动机，燃烧过程中没有柴油机的爆燃现象，燃烧过程平稳， 因此发动机的噪声与振动较小， 但是有些斯特林发动机的部件依然采用往复式运动机械， 所以在装备潜艇时仍要加装双层隔振系统以减小水下噪声。废气排放方便， 当热气机的燃烧压力为2 2 公斤/ 厘米2时， 废气水下排放不需要闭式循环柴油机系统的庞大水管理系统，在潜深2 0 0 米内可以自主排放， 即使增加潜深也只需要小型压缩机协助。 当燃烧压力小
13、于2 0 公斤/ 厘米2时， 废气水下自主排放的深度要相应减小。 这种发动机的废气排放深度与燃烧压力有关， 这也是技术实现的一个难点。缺点和不足 功率较低， 斯特林发动机由于其自身固有的低功率密度的特点，因而决定了整个A I P 系统的功率密度小于C C D / A I P 系统，如果要加大功率，需要配几台发动机， 但这又影响到整个潜艇的布局与使用，实现功率突破难度较大；燃油消耗量较大， 目前要高于普通柴油机。当前， 在S E / A I P 系统较有建树的国家是瑞典。 瑞典考库姆公司从上世纪6 0 年代末就开始斯特林发动机的研制工作， 目前已经成功研制出7 1 千瓦的V 4 - 2 7 5
14、R 型斯特林发动机， 装备于1 9 9 5 年2 月2 日下水的“哥特兰” 号潜艇， 并使之成为世界上第一艘装备S E / A I P 系统的常规潜艇， 这也标志着斯特林发动机进入了实用阶段。近年来，日本也从瑞典引进了斯特林发动机的建造技术， 用于装备或改装海上自卫队潜艇。闭式循环汽轮机系统闭式循环汽轮机系统（M E S M A / A I P ）系统主要由4 个分系统构成 ： 液氧储存罐、燃料储存罐及一、二回路系统。 其中燃料通常选择乙醇， 存放在储存罐中的橡胶袋中；一回路系统包括高压燃烧室、 热交换机、 冷凝器 ； 二回路系统包括蒸汽发生器、蒸汽轮机、 冷凝器。 具体工作原理及过程 ：将储
15、存在绝热罐中的低温液氧送到加热器中加温呈气态， 乙醇和气态氧在高压燃烧室里燃烧， 燃气通过蒸汽发生器后大部分被冷却， 这些经冷却的燃气重新回到燃烧室， 用于冷却烟道壁， 调节燃烧壁壁温， 使液氢罐液氮罐燃料“斯特林”主机直流发电机推进装置液氧罐主电池组“斯特林” 动力工作流程系统简示图废气瑞典考库姆公司“斯特林”动力舱段382006.3 军事技术 MILITARY TECHNOLOGY其保持在1 0 0 0 以下， 同时稀释乙醇/ 氧气的混合气体，使其燃烧温度保持在7 0 0的最佳状态。 一小部分未经冷却的燃气有些直接排出艇外， 有些以液态方式储存在艇内。 水在蒸汽发生器吸收燃气热量后变成高温
16、高压蒸汽， 温度达5 0 0 ， 压力大约为1 8 公斤/ 厘米2， 这些蒸汽推动蒸汽轮机做功， 驱动交流发电机和整流机组产生直流电，为推进系统提供能量。 水蒸汽冷凝成水后，返回蒸汽发生器， 完成循环过程。技术实现的难点和重点 主要在于此系统的液氧采用的是高压储存 （6 0 公斤/ 厘米2）或者低温低压储存（- 1 8 5 ，2 1 0公斤/ 厘米2） ， 无论液氧储存罐置于何处，必须要经得起5 g 的冲击。 因此液氧储存罐的安装应在低频率的弹性基座上， 基座固有频率应小于5 赫兹。主要技术优点 功率大， 可满足潜艇水下航行需要， 法国在为巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B级潜艇上所安装的M E S M A / A I P 系统的功率为2 0 0 千瓦；燃烧产物的排放非常隐蔽， 由于燃烧时的压力较大，燃烧产物的压力也较大， 不需要使用其他机械系统加压就能自动排出艇外，相应也就减少了潜艇的自噪声； 另外使用气泡分裂系统使排出的二氧化碳气泡减小，提高废气的海水溶解度， 如果情况危急，可将燃烧产物进行冷凝储
