就是不依賴空氣動(dòng)力裝置（AIP）
閉式循環(huán)柴油機(jī)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池
為了增加常規(guī)柴電潛艇一次水下續(xù)航時(shí)間及距離，降低通氣管暴露率，提高常規(guī)潛艇作戰(zhàn)威力，世界各主要海軍強(qiáng)國(guó)大力發(fā)展具有不依賴空氣動(dòng)力裝置（AIP）的混合型柴電潛艇，如德、英、瑞典、荷蘭等〔1〕。
縱觀世界各國(guó)AIP發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，我們可以選擇的AIP方案有：閉式循環(huán)柴油機(jī)（CCD）AIP、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（SE）AIP以及燃料電池（FC）AIP。這三種AIP方案都已被各海軍強(qiáng)國(guó)分別采用〔1〕，如英國(guó)、荷蘭等已采用CCDAIP方案，瑞典等已采用SEAIP方案，德國(guó)已采用FCAIP方案。
本文介紹3種AIP裝置的組成、工作原理，分析對(duì)比各種AIP方案特點(diǎn)，提出對(duì)發(fā)展我國(guó)常規(guī)潛艇AIP的看法。
各種AIP技術(shù)原理及裝置的組成
閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP（CCDAIP）
該系統(tǒng)以閉式循環(huán)柴油機(jī)為發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)。為使柴油機(jī)在沒有空氣供氣狀況下工作，必須提供模擬空氣成份的進(jìn)氣氣體，使柴油機(jī)發(fā)火燃燒工作。為此，將柴油機(jī)排出的廢氣經(jīng)CO2吸收器吸收部分CO2氣體，廢氣中未被吸收部分氣體再加入適量氧氣，即組成人造大氣。但由于這種人造大氣中CO2含量總比新鮮空氣多，使人造空氣的比熱值低于正?？諝猓瑸楸ＷC一般標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)在閉式循環(huán)狀態(tài)下正常工作，一般在再循環(huán)的氣體中加入適量單原子氣體氬，使混合成的人造大氣與正?？諝獗葻岜戎狄恢?。這樣柴油機(jī)即可在閉式循環(huán)狀態(tài)下正常工作，也可以在開式空氣供應(yīng)時(shí)正常工作，實(shí)現(xiàn)開、閉合用。為了高效地吸收柴油機(jī)廢氣中的CO2，應(yīng)首先將溫度為350～400℃、壓力為0.2～0.5Mpa的廢氣噴淋冷卻至80～100℃。再將冷卻后的廢氣送進(jìn)CO2海水吸收器中，讓海水充分溶解吸收CO2氣體，而其他成分氣體在吸收器中吸收量很少。經(jīng)這種“洗滌”后的廢氣進(jìn)入混合室與氧氣、氬氣混合后再循環(huán)。而溶有大量CO2的海水經(jīng)海水處理系統(tǒng)（WMS），排出舷外。海水處理系統(tǒng)利用深水能量，不需消耗較多能量而將較低壓力的海水（2～5 bar）排放到深水中（如下潛300 m則為30bar），而水泵耗功只用于克服流動(dòng)阻力，因此耗功少，整套裝置效率較高。
為使整個(gè)AIP系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，設(shè)置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以控制水處理系統(tǒng)的海水流量，供氧量等，使整套系統(tǒng)適應(yīng)柴油機(jī)負(fù)荷、潛艇下潛深度的變化，保證正常工作。
為保證氧氣供應(yīng)，CCDAIP設(shè)置一個(gè)較大容量的液氧罐（液氧貯存溫度-180℃）。由于氬氣消耗量很小，故AIP裝置中只要幾個(gè)較小容積的氬氣瓶就足夠了。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP（SEAIP）
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（SE）AIP以不依賴空氣的斯特林機(jī)（Stirling Engine）為發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外部加熱的連續(xù)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，它通過外部燃燒的高溫氣體經(jīng)加熱管加熱內(nèi)部循環(huán)的工質(zhì)（船用斯特林機(jī)通常用氦氣作循環(huán)工質(zhì)），內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)受熱膨脹推動(dòng)活塞作功，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在無空氣條件下連續(xù)運(yùn)行，同樣需要連續(xù)不斷地供應(yīng)氧氣燃燒供應(yīng)熱量，因而SEAIP也裝有較大容量的液氧罐。為了排除燃燒后廢氣，有兩種方法可選擇。一種是利用廢氣壓力直接排到舷外海水，這需要較高的燃燒壓力（30 bar左右），且未燃燒的O2會(huì)隨廢氣直接排至舷外，導(dǎo)致未燃O2氣和來不及溶解的CO2氣冒至海面。另一種方法是象CCDAIP系統(tǒng)一樣，裝備排氣冷卻O2海水吸收器及水管理系統(tǒng)，這樣裝置會(huì)比直接排出廢氣的辦法復(fù)雜些，但可使燃燒壓力降低，燃燒不隨潛深影響，不會(huì)產(chǎn)生氣泡航跡，隱蔽性較好。
燃料電池FC（FCAIP）.
德國(guó)已裝艇海試的燃料電池為氫氧燃料電池，其基本工作原理是靠氫和氧反應(yīng)直接產(chǎn)生電能而工作的，它唯一的副產(chǎn)品為水，這個(gè)過程正好與通過電解分解水的過程相反。燃料電池必須源源不斷地供應(yīng)氫和氧，為此，AIP裝置不僅要有較大容量的液氧罐，而且要有一個(gè)較大容量的液氫貯存罐，而液氫要比液氧貯存條件苛刻得多。
2 世界潛艇3大AIP技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較
3種AIP特點(diǎn)分析
CCD-AIP中，柴油機(jī)本身幾乎無需作重大改進(jìn)，主機(jī)技術(shù)成熟，其他輔助系統(tǒng)問題，如再循環(huán)氣體混成、廢氣的噴淋冷卻、CO2海水吸收原理、水處理系統(tǒng)的原理，有關(guān)單位已有研究，不存在較大技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。因而開發(fā)CCDAIP能在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，投資少（例如引進(jìn)一臺(tái)CCD只需150萬美元），且可在我們工藝、工業(yè)水平能達(dá)到的情況下早日獲得。當(dāng)然，相對(duì)來說，柴油機(jī)本身結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪音較大，但現(xiàn)代隔振技術(shù)完全可使柴油機(jī)經(jīng)隔振后噪聲指標(biāo)達(dá)到要求。由于水處理系統(tǒng)耗能少，因此CCDAIP系統(tǒng)效率可達(dá)35%。
SE-AIP主機(jī)即斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，外部連續(xù)燃燒加熱工質(zhì)作功，因此結(jié)構(gòu)噪聲及空氣噪音比柴油機(jī)小，這是它一大特點(diǎn)。目前，我國(guó)已研制出75 kW斯特林原理樣機(jī)，其效率為35%。與柴油機(jī)相比，效率稍低，而其技術(shù)成熟程度存在較大差距，工作可靠性有待進(jìn)一步考驗(yàn)。目前存在較大難度的技術(shù)問題尚需進(jìn)一步解決，如高性能加熱器材料、加熱器頭工作溫度均勻、工質(zhì)流動(dòng)均勻、工質(zhì)密封、功率調(diào)控、壓力燃燒等。因此，研制SEAIP必然投資較大（例如引進(jìn)一臺(tái)熱氣機(jī)需300萬美元，一個(gè)艙段需要1億美元），技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也比CCDAIP高。據(jù)稱，韓國(guó)引進(jìn)瑞典斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)后認(rèn)為40～70%零部件不能自己生產(chǎn)，結(jié)果否定了SEAIP方案。另?yè)?jù)消息，澳大利亞從瑞典購(gòu)買熱氣機(jī)做評(píng)估試驗(yàn)，3個(gè)月未達(dá)到額定功率，被否定。SEAIP研制周期相應(yīng)也會(huì)較長(zhǎng)。
燃料電池具有最高的能量與重量比，效率高（達(dá)50～60%），而且?guī)缀跏遣划a(chǎn)生廢氣，可無聲航行。但在潛艇上貯存液態(tài)氫是有很大的技術(shù)難度。同時(shí)因?yàn)闅錃庖妆兹?，?duì)使用氫的安全有嚴(yán)格要求，裝置中的膜要依賴美國(guó)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)尚無生產(chǎn)能力。由此可見燃料電池技術(shù)難度大，工業(yè)基礎(chǔ)要求較高，要使燃料電池上艇作AIP動(dòng)力，需要很高的技術(shù)儲(chǔ)備，而我國(guó)對(duì)燃料電池的研究水平還比較低。所以，如果研制FCAIP，則研制周期較大（據(jù)估計(jì)，至少需要10～15年），投入經(jīng)費(fèi)也很大，例如引進(jìn)5 kW燃料電池，需3萬美元，自己研制至少需要1億元人民幣，同時(shí)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也大。
將上述3種AIP作全面的各性能指標(biāo)評(píng)價(jià)，如果某項(xiàng)性能最好的定“好”，相比較居中者為“中等”，相比較性能較差者為“較差”（說明：“較差”并不意味這個(gè)性能達(dá)不到潛艇用要求，而僅表示三者相比為“較差”）。如果兩種或三種AIP性能分不出明顯優(yōu)勢(shì)，則同為“好”或“中等”。比較結(jié)果列表如下：
表13種AIP的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)AIP方案性能指標(biāo)CCDAIP SEAIP FCAIP 航程了中等中等好潛水深度中等中等好低噪聲級(jí)較差中等好散發(fā)至舷外熱量中等中等好研制費(fèi)用好中等較差運(yùn)行費(fèi)用好中等較差研制周期好中等較差裝置安全性好好中等維修性能好中等好研制風(fēng)驗(yàn)好中等較差
評(píng)論
因?yàn)镃CDAIP柴油機(jī)技術(shù)十分成熟，振動(dòng)噪音經(jīng)減振降噪后能滿足常規(guī)潛艇“安靜”性要求，而且研制費(fèi)用低、周期短、風(fēng)險(xiǎn)小、見效快，因此深入研究CCDAIP，并向?qū)嵱没~進(jìn)，是我們應(yīng)該重點(diǎn)抓好的大事，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展。SEAIP在我國(guó)也具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，技術(shù)成熟后裝艇性能較好，因而也是有發(fā)展前途的AIP。燃料電池，由于研制風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、盡管其性能優(yōu)良，但近期應(yīng)用前景畢竟因現(xiàn)實(shí)條件制約而受到很大限制，但它是今后發(fā)展的主要方向，我們應(yīng)做好技術(shù)跟蹤工作。
可以設(shè)想，若利用現(xiàn)有柴油機(jī)主機(jī)技術(shù)，作CCDAIP實(shí)驗(yàn)研究，那么不僅閉式循環(huán)柴油機(jī)可較快研制成功，而且輔助系統(tǒng)如CO2吸收器、水處理系統(tǒng)等均可隨之試驗(yàn)研制，這樣主機(jī)和輔機(jī)系統(tǒng)能同步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)AIP潛艇將不是一件遙遠(yuǎn)的事情了。
還應(yīng)看到，盡快發(fā)展CCDAIP能促進(jìn)SEAIP的研究工作，因?yàn)镃CDAIP的CO2溶解排出技術(shù)、液氧貯存技術(shù)等均可移植至SEAIP中。因此CCDAIP在較短時(shí)間內(nèi)研制成功可促進(jìn)SEAIP的研制開發(fā)工作。
總之，根據(jù)國(guó)際及周邊環(huán)境國(guó)家的常規(guī)潛艇AIP現(xiàn)狀，常規(guī)潛艇裝備AIP是必然的發(fā)展趨勢(shì)。但AIP屬高新尖端技術(shù)，完全依賴進(jìn)口則很可能受制于人。所以應(yīng)加速研究開發(fā)我國(guó)AIP特別是CCDAIP，盡快加大投入，加緊AIP系統(tǒng)研究，以期早日裝備實(shí)艇，充分發(fā)揮常規(guī)潛艇的威力。
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