潛水艇對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求,非?？量?即要有強(qiáng)大的動(dòng)力.更要能非常的安安靜靜.盡量是無聲.AIP發(fā)動(dòng)機(jī)就是這樣的發(fā)動(dòng)機(jī).再加上燃料電池驅(qū)動(dòng).更是完美的搭配.因?yàn)榈侥壳盀橹?除了聲納探測(cè)可發(fā)現(xiàn)水下潛艇.還未有真正的探測(cè)技術(shù),能發(fā)現(xiàn)潛艇.所以中國(guó)潛艇在日本近海.能駛到美國(guó)航空母艦的身邊浮出水面,才被老美發(fā)現(xiàn).當(dāng)然那是故意叫老美知道."請(qǐng)不要在我家門口耀武揚(yáng)威"!AIP發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（SE/AIP）系統(tǒng)與閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)大致相同，最主要的不同就是發(fā)動(dòng)機(jī)。SE/AIP系統(tǒng)使用的是熱氣機(jī)，而CCD/AIP系統(tǒng)使用的是閉式循環(huán)柴油機(jī)。熱氣機(jī)的構(gòu)想是英國(guó)科學(xué)家羅伯特·斯特林于1816年率先提出來的，它是一種由外部熱源加熱，并將熱能轉(zhuǎn)換為
機(jī)械能的熱機(jī)，其循環(huán)是一種閉式、采用定容下回?zé)岬臍怏w循環(huán)，簡(jiǎn)稱斯特林循環(huán)，其具體工作原理是：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上室為熱室，它與另一活塞的下室相連，四個(gè)缸相互連接在一起，具體的是1號(hào)缸上部的熱室與2號(hào)缸下部的冷室相連，2號(hào)缸上部的熱室與3號(hào)缸下部的冷室相連，3號(hào)缸上部的熱室與4號(hào)缸下部的冷室相連，4號(hào)缸上部的熱室與1號(hào)缸下部的冷室相連，互相差90°角。它們使工作氣體在熱室和冷室之間來回移動(dòng)，使活塞運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要是在水下續(xù)航狀態(tài)下工作，與蓄電池并聯(lián)，向推進(jìn)電機(jī)、全艇輔機(jī)及其他用電設(shè)備供電。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn) 主要在于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的水下燃燒系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)所使用的氧化劑是純氧，燃燒方式為燃?xì)庠傺h(huán)，并且是在高于周圍海水壓力的高壓情況下進(jìn)行燃燒。
主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 機(jī)械噪聲與振動(dòng)較小。因?yàn)樗固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)是一種從外部對(duì)內(nèi)部氣體工質(zhì)連續(xù)加熱使之做功的活塞式往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒過程中沒有柴油機(jī)的爆燃現(xiàn)象，燃燒過程平穩(wěn)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲與振動(dòng)較小，但是有些斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的部件依然采用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械，所以在裝備潛艇時(shí)仍要加裝雙層隔振系統(tǒng)以減小水下噪聲。廢氣排放方便，當(dāng)熱氣機(jī)的燃燒壓力為22公斤／厘米2時(shí)，廢氣水下排放不需要閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)的龐大水管理系統(tǒng)，在潛深200米內(nèi)可以自主排放，即使增加潛深也只需要小型壓縮機(jī)協(xié)助。當(dāng)燃燒壓力小于20公斤／厘米2時(shí)，廢氣水下自主排放的深度要相應(yīng)減小。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放深度與燃燒壓力有關(guān)，這也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。
缺點(diǎn)和不足 功率較低，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由于其自身固有的低功率密度的特點(diǎn)，因而決定了整個(gè)AIP系統(tǒng)的功率密度小于CCD/AIP系統(tǒng)。如果要加大功率，需要配幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但這又影響到整個(gè)潛艇的布局與使用，實(shí)現(xiàn)功率突破難度較大；燃油消耗量較大，目前要高于普通柴油機(jī)。
當(dāng)前，在SE/AIP系統(tǒng)較有建樹的國(guó)家是瑞典。瑞典考庫(kù)姆公司從上世紀(jì)60年代末就開始斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，目前已經(jīng)成功研制出71千瓦的 V4-275R 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，裝備于1995年2月2日下水的“哥特蘭”號(hào)潛艇，并使之成為世界上第一艘裝備SE/AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇，這也標(biāo)志著斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。近年來，日本也從瑞典引進(jìn)了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的建造技術(shù)，用于裝備或改裝海上自衛(wèi)隊(duì)潛艇。
閉式循環(huán)汽輪相系統(tǒng) 閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng)（MESMA/IP）系統(tǒng)主要由4個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成：液氧儲(chǔ)存罐、燃料儲(chǔ)存罐及一、二回路系統(tǒng)。其中燃料通常選擇乙醇，存放在儲(chǔ)存罐中的橡膠袋中；一回路系統(tǒng)包括高壓燃燒室、熱交換機(jī)、冷凝器；二回路系統(tǒng)包括蒸汽發(fā)生器、蒸汽輪機(jī)、冷凝器。具體工作原理及過程：將儲(chǔ)存在絕熱罐中的低溫液氧送到加熱器中加溫呈氣態(tài)，乙醇和氣態(tài)氧在高壓燃燒室里燃燒，燃?xì)馔ㄟ^蒸汽發(fā)生器后大部分被冷卻，這些經(jīng)冷卻的燃?xì)庵匦禄氐饺紵?，用于冷卻煙道壁，調(diào)節(jié)燃燒壁壁溫，使其保持在1000℃以下，同時(shí)稀釋乙醇／氧氣的混合氣體，使其燃燒溫度保持在700℃的最佳狀態(tài)。一小部分未經(jīng)冷卻的燃?xì)庥行┲苯优懦鐾?，有些以液態(tài)方式儲(chǔ)存在艇內(nèi)。水在蒸汽發(fā)生器吸收燃?xì)鉄崃亢笞兂筛邷馗邏赫羝瑴囟冗_(dá)500℃ ，壓力大約為18公斤／厘米2，這些蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)和整流機(jī)組產(chǎn)生直流電，為推進(jìn)系統(tǒng)提供能量。水蒸汽冷凝成水后，返回蒸汽發(fā)生器，完成循環(huán)過程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn) 主要在于此系統(tǒng)的液氧采用的是高壓儲(chǔ)存（60公斤／厘米2）或者低溫低壓儲(chǔ)存（??185℃，2-10公斤／厘米2） ，無論液氧儲(chǔ)存罐置于何處，必須要經(jīng)得起5g的沖擊。因此液氧儲(chǔ)存罐應(yīng)安裝在低頻率的彈性基座上，基座固有頻率應(yīng)小于5赫茲。
主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 功率大，可滿足潛艇水下航行需要，法國(guó)在為巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B級(jí)潛艇上所安裝的 MESMA/AIP系統(tǒng)的功率為200千瓦；燃燒產(chǎn)物的排放非常隱蔽，由于燃燒時(shí)的壓力較大，燃燒產(chǎn)物的壓力也較大，不需要使用其他機(jī)械系統(tǒng)加壓就能自動(dòng)排出艇外，相應(yīng)也就減少了潛艇的自噪聲；另外使用氣泡***系統(tǒng)使排出的二氧化碳?xì)馀轀p小，提高廢氣的海水溶解度，如果情況危急，可將燃燒產(chǎn)物進(jìn)行冷凝儲(chǔ)存在艇內(nèi)，此舉將大大提高潛艇的隱蔽性。
缺點(diǎn)和不足 整個(gè)系統(tǒng)非常龐大，輔助機(jī)械設(shè)備較多，此AIP系統(tǒng)主要部件有燃燒室、蒸汽發(fā)生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、渦輪交流發(fā)電機(jī)、各類泵，所以系統(tǒng)安裝布置比較困難，需較大艙室空間，這直接影響此AIP系統(tǒng)的實(shí)用性；熱效率低、經(jīng)濟(jì)性較差，此AIP系統(tǒng)的氧消耗量比閉式循環(huán)柴油機(jī)（CCD/AIP）系統(tǒng)要高15％左右，同時(shí)在相同水下續(xù)航力的條件下，乙醇所占容積要比CCD/AIP系統(tǒng)多一倍，而且所有系統(tǒng)部件都需要特殊的設(shè)計(jì)，投資較大，經(jīng)濟(jì)性差。
目前法國(guó)是在MESMA/AIP系統(tǒng)上取得進(jìn)展最大的國(guó)家。1988年以來，法國(guó)就使用400千瓦燃燒室平臺(tái)進(jìn)行該系統(tǒng)的試驗(yàn)，并且取得較大進(jìn)展，已進(jìn)入實(shí)用階段。1994年，巴基斯坦從法國(guó)艦艇建造局訂購(gòu)了3艘“阿戈斯塔”90B級(jí)潛艇，這三艘潛艇將安裝法國(guó)自主研制的MESMA/AIP系統(tǒng)，這將大大提高巴基斯坦的水下作戰(zhàn)能力。除此之外，德國(guó)MTU公司也在加大對(duì)MESMA/AIP系統(tǒng)的研究力度，其使用的燃料將是柴油，功率也會(huì)增大到700千瓦，一旦研制成功，將會(huì)大大提高M(jìn)ESMA/AIP系統(tǒng)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。
燃料電池系統(tǒng) 燃料電池（FC/AIP）系統(tǒng)是最具競(jìng)爭(zhēng)力的AIP系統(tǒng)，它是直接將反應(yīng)物質(zhì)化學(xué)能用電化學(xué)方式直接轉(zhuǎn)換為電能的能量供應(yīng)系統(tǒng)。主要組成部分有燃料電池及其儲(chǔ)存設(shè)備和轉(zhuǎn)換器、氧化劑及其儲(chǔ)存設(shè)備和轉(zhuǎn)換器、控制裝置。其中燃料電池主要種類有堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸燃料電池、固體氧化物電解燃料電池等，其中最有前途的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中的氫／氧燃料電池的工作原理實(shí)際上就是電解水的逆過程。質(zhì)子從陽極移到陰極，在陰極氧氣反應(yīng)形成陰離子，陰離子與透過薄膜的氫陽離子反應(yīng)生成水。這種燃料電池采用鉑作催化劑的氣體擴(kuò)散電極，其負(fù)載量為4毫克/平方厘米，碳板用作導(dǎo)電體。電池雙極板之間的冷卻裝置將水從系統(tǒng)中排出。一定數(shù)量的電池模塊通過串、并聯(lián)方式組成燃料電池裝置，這只是一種單純的能量轉(zhuǎn)換裝置。 燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成與一般電池有很大差別。在此系統(tǒng)中，反應(yīng)物質(zhì)及其存儲(chǔ)裝置與能量轉(zhuǎn)換裝置是相互獨(dú)立的。燃料電池的大小決定系統(tǒng)的輸出功率，與儲(chǔ)存能量多少無關(guān)；反應(yīng)物質(zhì)多少?zèng)Q定系統(tǒng)儲(chǔ)存能量，在一定的輸出功率下如果要增大儲(chǔ)存能量，只需增大反應(yīng)物質(zhì)及其存儲(chǔ)裝置，無須增大能量轉(zhuǎn)換裝置，即燃料電池。反應(yīng)物質(zhì)用完后，補(bǔ)充反應(yīng)物質(zhì)即可，無需更換燃料電池。 主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 能量轉(zhuǎn)換效率很高，燃料電池通過電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，省去了熱機(jī)發(fā)電時(shí)所必須經(jīng)過的“燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能”復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過程，減少了能量損耗，理論上的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到100%，實(shí)際效率可達(dá)到70%；對(duì)外熱輻射較少。由于能量轉(zhuǎn)換過程中能量損耗較少，所以相應(yīng)的散熱也少，這就有效的降低了潛艇的熱輻射，減小被敵紅外探測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)的幾率；噪聲較小，燃料電池系統(tǒng)由于直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因此本身并無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此工作過程中非常安靜，可以使得潛艇在航行時(shí)獲得極佳的隱蔽性；系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)、制造加工很方便，由于系統(tǒng)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此就沒有磨損造成的故障，同時(shí)對(duì)于零部件的加工要求低，也便于制造加工，通過集中控制裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)輔助系統(tǒng)的控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；過載能力強(qiáng)，燃料電池的短時(shí)過載能力可達(dá)額定功率的2倍，而柴油機(jī)等熱機(jī)卻沒有這么大的過載能力，因此裝備燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇可進(jìn)行短時(shí)的加速航行；系統(tǒng)配置靈活，便于安裝，燃料電池是由若干個(gè)電池單元串、并聯(lián)而成，可根據(jù)潛艇內(nèi)部布置的需要，靈活選擇燃料電池的配置方式；效率隨輸出功率變化特性較好，特別適合潛艇對(duì)于動(dòng)力裝置需要功率范圍寬而效率高的要求。 缺點(diǎn)和不足 燃料危險(xiǎn)性非常大，易發(fā)生險(xiǎn)情，目前的燃料電池只能用純氫作燃料，純氫的加工提取工作異常復(fù)雜，且在潛艇狹小空間內(nèi)，純氫一旦發(fā)生泄漏，濃度超過極限易發(fā)生爆炸，危險(xiǎn)性很大；系統(tǒng)比功率較小，目前質(zhì)子膜燃料電池的比功率只有100瓦／公斤，比之柴油機(jī)的300瓦／公斤相差較遠(yuǎn)，要想達(dá)到相同功率，燃料電池所需重量要大于柴油機(jī)等；工作壽命短、價(jià)格較高，目前的質(zhì)子膜燃料電池的工作壽命只有5000小時(shí)，距離40000小時(shí)的目標(biāo)壽命相距較遠(yuǎn)，同時(shí)其價(jià)格也是柴油發(fā)電機(jī)組的3-6倍，約為3000美元／千瓦，不是一般國(guó)家海軍可以承受了的。 潛艇用燃料電池（FC/AIP）系統(tǒng)的開發(fā)工作已經(jīng)走過了三個(gè)歷史階段。第一階段，隨著1960年燃料電池在航天領(lǐng)域率先成功運(yùn)用后，很多國(guó)家對(duì)其在潛艇上的運(yùn)用產(chǎn)生了濃厚的興趣，美國(guó)、瑞典先后投入了大量的人力、物力、財(cái)力對(duì)此進(jìn)行研究，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)工藝水平尚不能達(dá)到實(shí)用要求，不久遂停止了研制工作。第二階段是1970 -1980年，日本進(jìn)行了大量的開發(fā)研制工作，后來也因種種原因停止。第三階段是1980年之后，德國(guó)加大了此項(xiàng)研究力度，并成功地將燃料電池安裝到潛艇上進(jìn)行海上試驗(yàn)，引起全世界的關(guān)注，各國(guó)隨后都加大了對(duì)FC/AIP系統(tǒng)的研究投入。 此外，核電混合推進(jìn)系統(tǒng)（SSN/AIP）的研制工作也在不斷推進(jìn)和深入，加拿大在此類AIP系統(tǒng)的研究方面走在了世界各國(guó)的前面，其研制的AMPS型核電混合推進(jìn)系統(tǒng)即將邁入實(shí)用階段，這種只需經(jīng)過簡(jiǎn)單改裝就可使常規(guī)潛艇變成小型核潛艇的動(dòng)力系統(tǒng)日益引起各國(guó)海軍的注意。但必須指出的是，目前無論哪種AIP系統(tǒng)，其輸出功率均不能滿足常規(guī)潛艇水下最大航速航行的需求。只有將AIP系統(tǒng)與當(dāng)前潛艇的“柴電”動(dòng)力裝置組合在一起，構(gòu)成混合推進(jìn)裝置才具備實(shí)用價(jià)值。AIP系統(tǒng)只有在作戰(zhàn)情況下使用，作為輔助動(dòng)力系統(tǒng)，延長(zhǎng)潛艇水下續(xù)航時(shí)間和航行距離，擴(kuò)大水下活動(dòng)范圍。而在一般情況下，還需“柴電”動(dòng)力裝置作為主要推進(jìn)系統(tǒng)。無論怎樣，AIP系統(tǒng)使得常規(guī)潛艇可以在敵情威脅嚴(yán)重的情況下取消通氣管狀態(tài)，減少暴露幾率，提高隱蔽性，一旦裝備潛艇后，無疑將會(huì)使現(xiàn)代常規(guī)潛艇的攻防作戰(zhàn)能力得到大幅提升。 對(duì)于未來常規(guī)潛艇的AIP系統(tǒng)的選擇，一直是大家所關(guān)注的。從目前來看，燃料電池（FC/AIP）系統(tǒng)綜合性能最佳，但危險(xiǎn)性也相對(duì)較高，因此在解決燃料安全性的問題之后，這類系統(tǒng)無疑是潛艇的最佳選擇。而其他三類AIP系統(tǒng)，無論從性能和安全性來講，都相差不大，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度來看，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（SE/AIP）系統(tǒng)也最小，因此可以作為當(dāng)前的選擇。
