閉式循環柴油機斯特林發動機燃料電池
前言
為了增加常規柴電潛艇壹次水下續航時間及距離，降低通氣管暴露率，提高常規潛艇作戰威力，世界各主要海軍強國大力發展具有不依賴空氣動力裝置（AIP）的混合型柴電潛艇，如德、英、瑞典、荷蘭等〔1〕。
縱觀世界各國AIP發展歷史和現狀，我們可以選擇的AIP方案有：閉式循環柴油機（CCD）AIP、斯特林發動機（SE）AIP以及燃料電池（FC）AIP。這三種AIP方案都已被各海軍強國分別采用〔1〕，如英國、荷蘭等已采用CCDAIP方案，瑞典等已采用SEAIP方案，德國已采用FCAIP方案。
本文介紹3種AIP裝置的組成、工作原理，分析對比各種AIP方案特點，提出對發展我國常規潛艇AIP的看法。
各種AIP技術原理及裝置的組成
閉式循環柴油機AIP（CCDAIP）
該系統以閉式循環柴油機為發電機原動機。為使柴油機在沒有空氣供氣狀況下工作，必須提供模擬空氣成份的進氣氣體，使柴油機發火燃燒工作。為此，將柴油機排出的廢氣經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。但由於這種人造大氣中CO2含量總比新鮮空氣多，使人造空氣的比熱值低於正常空氣，為保證壹般標準柴油機在閉式循環狀態下正常工作，壹般在再循環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常空氣比熱比值壹致。這樣柴油機即可在閉式循環狀態下正常工作，也可以在開式空氣供應時正常工作，實現開、閉合用。為了高效地吸收柴油機廢氣中的CO2，應首先將溫度為350～400℃、壓力為0.2～0.5Mpa的廢氣噴淋冷卻至80～100℃。再將冷卻後的廢氣送進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。經這種“洗滌”後的廢氣進入混合室與氧氣、氬氣混合後再循環。而溶有大量CO2的海水經海水處理系統（WMS），排出舷外。海水處理系統利用深水能量，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），而水泵耗功只用於克服流動阻力，因此耗功少，整套裝置效率較高。
為使整個AIP系統協調工作，設置計算機控制系統，以控制水處理系統的海水流量，供氧量等，使整套系統適應柴油機負荷、潛艇下潛深度的變化，保證正常工作。
為保證氧氣供應，CCDAIP設置壹個較大容量的液氧罐（液氧貯存溫度-180℃）。由於氬氣消耗量很小，故AIP裝置中只要幾個較小容積的氬氣瓶就足夠了。
斯特林發動機AIP（SEAIP）
斯特林發動機（SE）AIP以不依賴空氣的斯特林機（Stirling Engine）為發電機原動機。斯特林發動機是壹種外部加熱的連續燃燒發動機，它通過外部燃燒的高溫氣體經加熱管加熱內部循環的工質（船用斯特林機通常用氦氣作循環工質），內部循環工質受熱膨脹推動活塞作功，使發動機輸出軸功率。為了使發動機在無空氣條件下連續運行，同樣需要連續不斷地供應氧氣燃燒供應熱量，因而SEAIP也裝有較大容量的液氧罐。為了排除燃燒後廢氣，有兩種方法可選擇。壹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會隨廢氣直接排至舷外，導致未燃O2氣和來不及溶解的CO2氣冒至海面。另壹種方法是象CCDAIP系統壹樣，裝備排氣冷卻?O2海水吸收器及水管理系統，這樣裝置會比直接排出廢氣的辦法復雜些，但可使燃燒壓力降低，燃燒不隨潛深影響，不會產生氣泡航跡，隱蔽性較好。
燃料電池FC（FCAIP）.?
德國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直接產生電能而工作的，它唯壹的副產品為水，這個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氫和氧，為此，AIP裝置不僅要有較大容量的液氧罐，而且要有壹個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技術的優缺點比較
3種AIP特點分析
CCD-AIP中，柴油機本身幾乎無需作重大改進，主機技術成熟，其他輔助系統問題，如再循環氣體混成、廢氣的噴淋冷卻、CO2海水吸收原理、水處理系統的原理，有關單位已有研究，不存在較大技術風險。因而開發CCDAIP能在技術風險小，投資少（例如引進壹臺CCD只需150萬美元），且可在我們工藝、工業水平能達到的情況下早日獲得。當然，相對來說，柴油機本身結構噪聲和空氣噪音較大，但現代隔振技術完全可使柴油機經隔振後噪聲指標達到要求。由於水處理系統耗能少，因此CCDAIP系統效率可達35%。
SE-AIP主機即斯特林發動機，外部連續燃燒加熱工質作功，因此結構噪聲及空氣噪音比柴油機小，這是它壹大特點。目前，我國已研制出75 kW斯特林原理樣機，其效率為35%。與柴油機相比，效率稍低，而其技術成熟程度存在較大差距，工作可靠性有待進壹步考驗。目前存在較大難度的技術問題尚需進壹步解決，如高性能加熱器材料、加熱器頭工作溫度均勻、工質流動均勻、工質密封、功率調控、壓力燃燒等。因此，研制SEAIP必然投資較大（例如引進壹臺熱氣機需300萬美元，壹個艙段需要1億美元），技術風險也比CCDAIP高。據稱，韓國引進瑞典斯特林發動機後認為40～70%零部件不能自己生產，結果否定了SEAIP方案。另據消息，澳大利亞從瑞典購買熱氣機做評估試驗，3個月未達到額定功率，被否定。SEAIP研制周期相應也會較長。
燃料電池具有最高的能量與重量比，效率高（達50～60%），而且幾乎是不產生廢氣，可無聲航行。但在潛艇上貯存液態氫是有很大的技術難度。同時因為氫氣易爆易燃，對使用氫的安全有嚴格要求，裝置中的膜要依賴美國進口，國內尚無生產能力。由此可見燃料電池技術難度大，工業基礎要求較高，要使燃料電池上艇作AIP動力，需要很高的技術儲備，而我國對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（據估計，至少需要10～15年），投入經費也很大，例如引進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，同時技術風險也大。
將上述3種AIP作全面的各性能指標評價，如果某項性能最好的定“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”並不意味這個性能達不到潛艇用要求，而僅表示三者相比為“較差”）。如果兩種或三種AIP性能分不出明顯優勢，則同為“好”或“中等”。比較結果列表如下：
表13種AIP的性能指標評價AIP方案性能指標CCDAIP SEAIP FCAIP 航程了中等中等好潛水深度中等中等好低噪聲級較差中等好散發至舷外熱量中等中等好研制費用好中等較差運行費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驗好中等較差
評論
因為CCDAIP柴油機技術十分成熟，振動噪音經減振降噪後能滿足常規潛艇“安靜”性要求，而且研制費用低、周期短、風險小、見效快，因此深入研究CCDAIP，並向實用化邁進，是我們應該重點抓好的大事，應優先發展。SEAIP在我國也具有壹定的技術基礎，技術成熟後裝艇性能較好，因而也是有發展前途的AIP。燃料電池，由於研制風險大、費用高、周期長、盡管其性能優良，但近期應用前景畢竟因現實條件制約而受到很大限制，但它是今後發展的主要方向，我們應做好技術跟蹤工作。
可以設想，若利用現有柴油機主機技術，作CCDAIP實驗研究，那麽不僅閉式循環柴油機可較快研制成功，而且輔助系統如CO2吸收器、水處理系統等均可隨之試驗研制，這樣主機和輔機系統能同步發展，實現AIP潛艇將不是壹件遙遠的事情了。
還應看到，盡快發展CCDAIP能促進SEAIP的研究工作，因為CCDAIP的CO2溶解排出技術、液氧貯存技術等均可移植至SEAIP中。因此CCDAIP在較短時間內研制成功可促進SEAIP的研制開發工作。
總之，根據國際及周邊環境國家的常規潛艇AIP現狀，常規潛艇裝備AIP是必然的發展趨勢。但AIP屬高新尖端技術，完全依賴進口則很可能受制於人。所以應加速研究開發我國AIP特別是CCDAIP，盡快加大投入，加緊AIP系統研究，以期早日裝備實艇，充分發揮常規潛艇的威力。