中国潜艇AIP技术的选择

中国潜艇AIP技术的选择     

　　为了增加常规柴电潜艇一次水下续航时间及距离，降低通气管暴露率，提高常规潜艇作战威力，世界各主要海军强国大力发展具有不依赖空气动力装置（AIP）的混合型柴电潜艇，如德、英、瑞典、荷兰等。

　　纵观世界各国AIP发展历史和现状，我们可以选择的AIP方案有：闭式循环柴油机（CCD）AIP、斯特林发动机（SE）AIP以及燃料电池（FC）AIP。这三种AIP方案都已被各海军强国分别采用，如英国、荷兰等已采用CCDAIP方案，瑞典等已采用SEAIP方案，德国已采用FCAIP方案。

　　各种AIP技术原理及装置的组成

　　1、闭式循环柴油机AIP（CCDAIP）

　　该系统以闭式循环柴油机为发电机原动机。为使柴油机在没有空气供气状况下工作，必须提供模拟空气成份的进气气体，使柴油机发火燃烧工作。为此，将柴油机排出的废气经CO2吸收器吸收部分CO2气体，废气中未被吸收部分气体再加入适量氧气，即组成人造大气。但由于这种人造大气中CO2含量总比新鲜空气多，使人造空气的比热值低于正常空气，为保证一般标准柴油机在闭式循环状态下正常工作，一般在再循环的气体中加入适量单原子气体氩，使混合成的人造大气与正常空气比热比值一致。这样柴油机即可在闭式循环状态下正常工作，也可以在开式空气供应时正常工作，实现开、闭合用。为了高效地吸收柴油机废气中的CO2，应首先将温度为350～400 ℃、压力为0.2～0.5　Mpa的废气喷淋冷却至80～100 ℃。再将冷却后的废气送进CO2海水吸收器中，让海水充分溶解吸收CO2气体，而其他成分气体在吸收器中吸收量很少。经这种“洗涤”后的废气进入混合室与氧气、氩气混合后再循环。而溶有大量CO2的海水经海水处理系统（WMS），排出舷外。海水处理系统利用深水能量，不需消耗较多能量而将较低压力的海水（2～5 bar）排放到深水中（如下潜300 m则为30　bar），而水泵耗功只用于克服流动阻力，因此耗功少，整套装置效率较高。

　　为使整个AIP系统协调工作，设置计算机控制系统，以控制水处理系统的海水流量，供氧量等，使整套系统适应柴油机负荷、潜艇下潜深度的变化，保证正常工作。

　　为保证氧气供应，CCDAIP设置一个较大容量的液氧罐（液氧贮存温度-180 ℃）。由于氩气消耗量很小，故AIP装置中只要几个较小容积的氩气瓶就足够了。

　　2、斯特林发动机AIP （SEAIP）

　　斯特林发动机（SE）AIP以不依赖空气的斯特林机（Stirling Engine）为发电机原动机。斯特林发动机是一种外部加热的连续燃烧发动机，它通过外部燃烧的高温气体经加热管加热内部循环的工质（船用斯特林机通常用氦气作循环工质），内部循环工质受热膨胀推动活塞作功，使发动机输出轴功率。为了使发动机在无空气条件下连续运行，同样需要连续不断地供应氧气燃烧供应热量，因而SEAIP也装有较大容量的液氧罐。为了排除燃烧后废气，有两种方法可选择。一种是利用废气压力直接排到舷外海水，这需要较高的燃烧压力（30 bar左右），且未燃烧的O2会随废气直接排至舷外，导致未燃O2气和来不及溶解的CO2气冒至海面。另一种方法是象CCDAIP系统一样，装备排气冷却?O2海水吸收器及水管理系统，这样装置会比直接排出废气的办法复杂些，但可使燃烧压力降低，燃烧不随潜深影响，不会产生气泡航迹，隐蔽性较好。

　　3、燃料电池FC（FCAIP）

　　德国已装艇海试的燃料电池为氢氧燃料电池，其基本工作原理是靠氢和氧反应直接产生电能而工作的，它唯一的副产品为水，这个过程正好与通过电解分解水的过程相反。燃料电池必须源源不断地供应氢和氧，为此，AIP装置不仅要有较大容量的液氧罐，而且要有一个较大容量的液氢贮存罐，而液氢贮存的低温要求为零下250℃，要比液氧贮存条件苛刻得多。

　　三种AIP特点分析

　　CCD-AIP中，柴油机本身几乎无需作重大改进，主机技术成熟，其他辅助系统问题，如再循环气体混成、废气的喷淋冷却、CO2海水吸收原理、水处理系统的原理，有关单位已有研究，不存在较大技术风险。因而开发CCDAIP能在技术风险小，投资少（例如引进一台CCD只需150万美元），且可在我们工艺、工业水平能达到的情况下早日获得。当然，相对来说，柴油机本身结构噪声和空气噪音较大，但现代隔振技术完全可使柴油机经隔振后噪声指标达到要求。由于水处理系统耗能少，因此CCDAIP系统效率可达35%。

　　SE-AIP主机即斯特林发动机，外部连续燃烧加热工质作功，因此结构噪声及空气噪音比柴油机小，这是它一大特点。目前，我国已研制出75 kW斯特林原理样机，其效率为35%。与柴油机相比，效率稍低，而其技术成熟程度存在较大差距，工作可靠性有待进一步考验。目前存在较大难度的技术问题尚需进一步解决，如高性能加热器材料、加热器头工作温度均匀、工质流动均匀、工质密封、功率调控、压力燃烧等。因此，研制SEAIP必然投资较大（例如引进一台热气机需300万美元，一个舱段需要1亿美元），技术风险也比CCDAIP高。据称，韩国引进瑞典斯特林发动机后认为40～70%零部件不能自己生产，结果否定了SEAIP方案。另据消息，澳大利亚从瑞典购买热气机做评估试验，3个月未达到额定功率，被否定。SEAIP研制周期相应也会较长。

　　燃料电池具有最高的能量与重量比，效率高（达50～60%），而且几乎是不产生废气，可无声航行。但在潜艇上贮存液态氢是有很大的技术难度。同时因为氢气易爆易燃，对使用氢的安全有严格要求，装置中的膜要依赖美国进口，国内尚无生产能力。由此可见燃料电池技术难度大，工业基础要求较高，要使燃料电池上艇作AIP动力，需要很高的技术储备，而我国对燃料电池的研究水平还比较低。所以，如果研制FCAIP，则研制周期较大（据估计，至少需要10～15年），投入经费也很大，例如引进5 kW燃料电池，需3万美元，自己研制至少需要1亿元人民币，同时技术风险也大。

 　　将上述3种AIP作全面的各性能指标评价，如果某项性能最好的定“好”，相比较居中者为“中等”，相比较性能较差者为“较差”（说明：“较差”并不意味这个性能达不到潜艇用要求，而仅表示三者相比为“较差”）。如果两种或三种AIP性能分不出明显优势，则同为“好”或“中等”。比较结果列表如下：

 

三种AIP的性能指标评价

闭式循环柴油机AIP：CCDAIP

斯特林发动机AIP：SEAIP

燃料电池FC：FCAIP

AIP方案性能指标 CCDAIP SEAIP FCAIP

航 程 了------- 中等 -- 中等 -- 好

潜水深度------- 中等 -- 中等 -- 好

低噪声级------- 较差 -- 中等 -- 好

散发至舷外热量--中等 -- 中等 -- 好

研制费用-------- 好 --- 中等 -- 较差

运行费用-------- 好 --- 中等 -- 较差

研制周期-------- 好 --- 中等 -- 较差

装置安全性------ 好 ---- 好 --- 中等

维修性能-------- 好 --- 中等 -- 好 

研制风验-------- 好 --- 中等 -- 较差

 

　　评论

　　因为CCDAIP柴油机技术十分成熟，振动噪音经减振降噪后能满足常规潜艇“安静”性要求，而且研制费用低、周期短、风险小、见效快，因此深入研究CCDAIP，并向实用化迈进，是我们应该重点抓好的大事，应优先发展。SEAIP在我国也具有一定的技术基础，技术成熟后装艇性能较好，因而也是有发展前途的AIP。燃料电池，由于研制风险大、费用高、周期长、尽管其性能优良，但近期应用前景毕竟因现实条件制约而受到很大限制，但它是今后发展的主要方向，我们应做好技术跟踪工作。

　　可以设想，若利用现有柴油机主机技术，作CCDAIP实验研究，那么不仅闭式循环柴油机可较快研制成功，而且辅助系统如CO2吸收器、水处理系统等均可随之试验研制，这样主机和辅机系统能同步发展，实现AIP潜艇将不是一件遥远的事情了。

　　还应看到，尽快发展CCDAIP能促进SEAIP的研究工作，因为CCDAIP的CO2溶解排出技术、液氧贮存技术等均可移植至SEAIP中。因此CCDAIP在较短时间内研制成功可促进SEAIP的研制开发工作。

　　总之，根据国际及周边环境国家的常规潜艇AIP现状，常规潜艇装备AIP是必然的发展趋势。

　　中国可能不会大批量装备AIP潜艇

　　AIP装置能够极大改善常规潜艇的水下机动性，因此成为现代潜艇的首选动力技术。中国在燃料电池技术方面也拥有国际领先的技术，实际上也拥有AIP技术，发展潜艇AIP技术也是顺理成章的事。

　　但是，现代电池技术的发展有可能改变了中国潜艇的发展路线。现代高能蓄电池例如锂电池技术的发展提供了新的水下动力技术。现代高能电池能够提供超过老式铅酸蓄电池十几倍的能量输出，能够提供潜艇几倍的水下机动力。高能锂电池已经解决了造价高，安全性和快速充电等问题，使用高能电池已经能够提供接近AIP动力的水下机动能力。而AIP动力存在着成本高、结构复杂、安全性差。如果使用燃料电池技术，必须解决液氧和氢气的储存问题，氢气可以采取金属储存，但液氧非常麻烦，属于高危险物品，储存使用都麻烦。

从《现代舰船》采访潜艇设计师的文章看，中国不太欣赏AIP技术。一方面常规潜艇的使用不强调远洋作战，远洋作战的主力是核潜艇。常规潜艇的优势在浅水水域。中国潜艇的作战战术是在基地充满电以后出航，在敌情不严重的情况下上浮充电。在使用上比AIP动力还灵活一些，因为使用AIP动力一旦液氧使用光必须回基地。相比较，AIP动力潜艇并不比高能电池常规潜艇具有明显优势。而且造价远远超过高能电池常规潜艇。因此虽然不排除中国建造AIP潜艇作为技术验证，但是估计中国不会批量制造装备部队。

本人认为，AIP潜艇是无核国家发展方向。对于不能开发、或不允许开发核动力的国家来说，这是最好的选择。但是，AIP潜艇从各方面来评判，都远不如核动力潜艇。中国是核大国，有能力、有基础开发核潜艇。我觉得，中国不会、也不应该把重点放在AIP潜艇上，而是进一步发展、完善核动力潜艇，建立一支以核动力潜艇为主的水下长城。