POP3：潜艇AIP技术漫谈

潜艇AIP技术漫谈

AIP（Air Independent Propulsion）是一种不依赖空气的推进装置的英文简称，是指潜艇水下航行时利用自身携带的氧(通常为液态氧)，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，为潜艇提供推进动力和电能，常规潜艇安装AIP系统后，水下续航力成倍增加，噪声指标明显降低，潜艇的作战效能得到显著的提高。AIP技术是目前世界各潜艇强国研究的主要方向之一，因其所具有的优良性能，各国海军常规潜艇上安装AIP系统已经成为趋势。

目前世界上主要的AIP系统主要有四类，即SE/AIP热气机系统、FC/AIP燃料电池系统、MESMA/AIP闭式循环汽轮机系统、CCD/AIP闭式循环柴油机系统。随着AIP技术的不断完善，AIP系统已经成为世界各国常规潜艇的标准配置。各国根据自己的实际情况和技术成熟程度选择了适合本国特点的AIP技术，新研制的潜艇基本都安装了AIP系统。有的国家还对原有潜艇进行改装，安装AIP系统。其中较为典型的AIP潜艇有安装FC/AIP燃料电池系统的德国212A型、214型潜艇和俄罗斯的“阿穆尔”级潜艇；安装MESMA/AIP闭式循环汽轮机的法国“阿哥斯塔90B”型潜艇；安装SE/AIP热气机系统的瑞典“哥特兰”级、日本“亲潮”级潜艇和中国的039系列潜艇。

对比四种AIP系统的主要性能指标，FC/AIP的功率最大，达到300千瓦，MESMA/AIP最低，为200千瓦。效率值上，FC/AIP最高为55%，MESMA/AIP为25%。而上述两项指标在CCD/AIP和SE/AIP上基本接近，为250左右和30%左右；从振动噪声上比较，FC/AIP和SE/AIP较低，而CCD/AIP和MESMA/AIP则较高；从经济性上比较，FC/AIP最差，CCD/AIP最高，另外两种则较为适中；从安全性上比较，FC/AIP最差，其他的三种水平大致相当。全面综合分析对比，SE/AIP和FC/AIP技术综合性能最好，最具发展前途，也是较多国家的选择。

FC/AIP燃料电池系统是直接将反应物质化学能用电化学方式转换为电能的能量供应系统，效率最高，实际效率可达到70%。燃料电池系统由于直接进行能量转换，本身并无机械运动部件，因此工作过程中非常安静，可以使得潜艇在航行时获得较为优秀的隐蔽性。由于能量转换过程中能量损耗较少，所以相应的散热也少，这就有效的降低了潜艇的热辐射，环境特性较好。但目前的燃料电池只能用纯氢作燃料，安全性要求极高，一旦泄漏极易发生爆炸，危险性很大。此外，FC/AIP燃料电池系统的系统比功率较小，要达到柴油机相同功率，燃料电池所需重量要大于柴油机。同时其价格也比柴油发电机组高了近六倍，造价较为昂贵。选择FC/AIP技术的国家有德国、希腊、意大利、俄罗斯、韩国等。

SE/AIP热气机系统技术在四类AIP中最成熟、安全性最好，这些都己得到了充分的验证。从使用的情况上分析，目前世界上共有超过30艘的SE/AIP潜艇在服役，其中最长的服役期已达到20年，对SE/AIP潜艇在安全性、可靠性和适用性方面的验证是相当充分的。常规潜艇加装SE/AIP系统后可以大幅提高水下续航力，具有优异的隐蔽性和适应能力，能显著增强潜艇的作战效能。相对其它AIP技术来说，SE/AIP潜艇建造和使用成本低，保障性好，潜艇日常消耗品的补给可以在民用码头甚至海上进行，勤务性非常好。SE/AIP系统具有振动噪声特性好、建造和使用成本低、功率密度高、有利于总体布置等优点。热气机还具有转速扭矩特性好、超负荷能力强、适合多种燃料或加热热源的特点，例如蓄热器蓄热、金属燃烧化学能源等热源模式，十分适合各种中小型潜艇和AUV、UUV等对动力系统能量密度要求高的水下航行器。SE/AIP潜艇是世界上装备数量最多的潜艇，选择SE/AIP技术的国家主要有瑞典、丹麦、日本、新加坡等。中国根据自身的特点、技术水平及国外主流发展方向，选择研究发展的也是SE/AIP热气机AIP系统。中国进行AIP系统研究始于上个世纪九十年代，由中船重工集团七一一研究所负责全面研制工作，中国在热气机AIP领域的技术水平已经处于国际先进行列，是继瑞典之后能独立掌握SE/AIP技术的国家。中国自行研发的AIP技术已经全面广泛地使用在中国海军常规潜艇上，如中国海军装备的039B型潜艇，该艇采用单轴、单桨、对称尖尾长水滴型双壳体艇型，艇长77米，水上正常排水量近2600吨，是中国海军现役较新型号的潜艇，中国海军在该型潜艇的V舱设置了SE/AIP系统。目前，中国正在进行下一代AIP技术的研究工作。

SE/AIP热气机AIP系统是一种闭式循环往复式外燃机，由十九世纪苏格兰牧师罗伯特-斯特林发明，故也称为斯特林发动机。热气机是一种活塞式往复发动机，可用空气、氮气、氦气或氢气等作为工质，按斯特林循环工作。工质始终被封闭在一个闭式循环回路中，在较低的温度和压力下压缩，在较高的温度和压力下膨胀，实现对外作功。由外部燃烧对闭式回路中的工质进行加热，受热后的工质在活塞腔中膨胀作功，所以又称外燃机。热气机的燃烧在气缸外的燃烧室进行，整个燃烧过程是连续的并且非常充分，故此不会产生内燃机的爆燃现象，具有噪声低、运行平稳、污染小、适用多种能源等优点。斯特林循环的效率等于最高循环效率的卡诺效率，所以热气机是一种高效率的能量转换装置。

SE/AIP系统由热气机发电机组模块、供氧系统、辅助装置和监控装置四部分组成。潜艇水下主航工况由蓄电池供电，水下经航工况由AIP系统供电，热气机发电机组的输出端与蓄电池组并联，向推进电机、全艇辅机和其他设备供电，蓄电池处于浮充电状态。热气机与内燃机相比有很多优点，可利用多种燃料或热源进行外部连续燃烧；与同功率的柴油机相比，噪音低25分贝以上；效率高，热气机的理论效率等于卡诺循环的效率；功率和效率与排气背压无关，非常适合艇用环境。

艇用热气机常采用双作用热气机型式，其采用环形回热器/冷却器原理，四缸共用一个燃烧室，呈方形布置，形成环型串联机构，每个气缸有一套活塞连杆组，每个活塞上下各有一个热腔和一个冷腔，相邻两个气缸的冷热腔连成一个循环回路。潜艇热气机一般采用的燃料是燃油加上液态氧，燃油和氧气在燃烧室内混合形成可燃混合气，由点火器点燃燃烧，燃油的化学能以热的形式传给热气机加热器，加热加热器管内的工质，工质随着不断的加热和冷却，往复式地在冷腔和热腔之间循环，气体温度的改变同时引起了气缸内压力也随之变化，通过气体在高压下膨胀、低压下压缩的原理推动活塞连杆组做往复运动，由曲轴实现对外输出功率，实现了化学能一热量一机械能的转换。实现斯特林循环的核心部件是热交换器，包括加热器、冷却器和回热器。加热器的功能是在高温下从燃烧室吸热，然后把热量传给加热器管内的工质；回热器的功能是当气体从热腔流向冷腔时，在循环放热过程中存储工质释放的热量，当气体从冷腔流向热腔时，在循环吸热的过程中将存储的热量传给工质，即相当一个蓄能器；冷却器的功能是吸收工质的热量，并由冷却水将热量带走。

瑞典是最早开始AIP潜艇研究的国家之一，其热气机技术领域处于世界领先水平。1988年，瑞典开始实艇研究，将一艘A14型NaKen级潜艇切成两段，接入装备有2台热气机的AlP舱段开展试验，试验取得圆满成功。1990年，瑞典开始研制A19型Gotland级潜艇，该艇装备2台功率为120千瓦的V4-275R型热气机，于1995年下水、1996年服役。2007年，瑞典决定单独推行被搁置的“北欧海盗计划”(Viking Project)，并重命名为“下一代潜艇”(NGS)计划，总价值超过10亿美元，于2008年启动。目前瑞典正在研制新一代的A26型潜艇，设计工作从2006年开始，计划2015年服役。A26将形成一个潜艇平台基础结构，能完成多种作战任务，具备多种能力，如水下部署和回收UUV/ROV，布放和回收特种部队的能力。A26将装备最新的热气机AIP系统，水下续航力将达到1900千米，续航时间超过3周。

目前世界上采用热气机AIP潜艇技术的国家除中国为自行研制以外，其技术基本都是源自瑞典。2002年，瑞典对NaKen级潜艇再次改装后卖给了丹麦，更名为Krcmborg。2005年，新加坡与瑞典签署了购买2艘二手瓦斯哥特兰级潜艇的合同，考库姆公司对这2艘潜艇进行现代化改装，改装项目包括加装AIP系统和为适应热带海域环境加装的气候控制系统等。日本也从瑞典引进热气机技术发展了AIP潜艇，2003年，装备了4台热气机的“春潮”级训练潜艇“朝潮”号试验成功，在使用两年后经过系统综合评估，日本于2005年正式与瑞典签署引进热气机合同，用于装备“亲潮”级改进型潜艇，单艇造价超过5亿美元，瑞典负责提供发动机部件，川崎重工负责组装，首艇“苍龙”号已于2007年12月5日在日本三菱重工神户造船厂下水。

SE/AIP系统AIP技术的发展主要有以下几个方面：一个是将此技术运用到老旧潜艇上，通过对旧艇改造，加装AIP系统的技术研究，使老旧潜艇获得性能上较大的提升。瑞典先后对A14、A17型潜艇进行了改造，加装了AIP系统，并出口到丹麦和新加坡。此外还针对庞大的德国209型潜艇用户群，制定了加装AIP舱段的改造方案。中国也在进行较早期型号潜艇加装AIP系统的研究；研制大功率热气机，如瑞典开发的MK3型热气机为70千瓦，虽然较MK2提高了5千瓦，但功率仍然偏小，瑞典目前正在研制600千瓦大功率热气机，如果研制成功，则可以彻底取代柴油机作为潜艇的单一动力；对潜艇的整个动力系统进行优化匹配研究，包括对配备发电模块的数量、单机功率、液氧携带量、蓄电池储量等进行综合优化匹配，以期提高整个动力系统的综合效能；进行热气机性能优化研究，包括燃烧系统优化、循环优化、控制程序优化、氢气工质可行性研究，以提高效率和输出功率，降低氧耗，如瑞典在MK3型热气机上，通过改进氧引射器结构，改变喷油器安装方式，采用氧气冷却喷油器油器的形式，同时优化控制程序，将过量氧气系数从1.10降到1.05，减少了5%左右的氧气消耗．使热气机功率从65千瓦提高到70千瓦；开展艇用热气机氢气工质的可行性研究，在确保安全性的前提下，采用氢气工质热气机的综合效率将提高约10％；排气系统的排气压力直接影响潜艇的最大下潜深度，为提高排气压力，进行提高热气机燃烧室压力、单缸燃烧室技术、排气增压、闭式排气系统等方案的研究。其中单缸燃烧室技术为每一个气缸配备一个燃烧室，这样燃烧室容积很小，在保证燃烧室耐压壳厚度不变的情况下，可以显著提高承受压力，改善燃烧均匀性。排气增压方案是通过在排气管路上增加压缩机提高排气压力；对热气机发电机组箱装体模块的内部设备的布置、外形尺寸等进行优化，改善维修性，提高可靠性。如将排气处理系统设备、水泵等设备直接布置到箱装体模块内部，改善舱室布置难度的同时还有利于减振降噪。采月电机和热气机刚性联接的方式可以减小模块尺寸。对模块外部接口优化布置，提高维修性。如瑞典的MK3型热气机模块，经过优化后长度从2500毫米减小到了1850毫米，而且热气机大部分维修可以在模块内部完成。


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潜艇AIP技术漫谈

AIP（Air Independent Propulsion）是一种不依赖空气的推进装置的英文简称，是指潜艇水下航行时利用自身携带的氧(通常为液态氧)，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，为潜艇提供推进动力和电能，常规潜艇安装AIP系统后，水下续航力成倍增加，噪声指标明显降低，潜艇的作战效能得到显著的提高。AIP技术是目前世界各潜艇强国研究的主要方向之一，因其所具有的优良性能，各国海军常规潜艇上安装AIP系统已经成为趋势。

目前世界上主要的AIP系统主要有四类，即SE/AIP热气机系统、FC/AIP燃料电池系统、MESMA/AIP闭式循环汽轮机系统、CCD/AIP闭式循环柴油机系统。随着AIP技术的不断完善，AIP系统已经成为世界各国常规潜艇的标准配置。各国根据自己的实际情况和技术成熟程度选择了适合本国特点的AIP技术，新研制的潜艇基本都安装了AIP系统。有的国家还对原有潜艇进行改装，安装AIP系统。其中较为典型的AIP潜艇有安装FC/AIP燃料电池系统的德国212A型、214型潜艇和俄罗斯的“阿穆尔”级潜艇；安装MESMA/AIP闭式循环汽轮机的法国“阿哥斯塔90B”型潜艇；安装SE/AIP热气机系统的瑞典“哥特兰”级、日本“亲潮”级潜艇和中国的039系列潜艇。

对比四种AIP系统的主要性能指标，FC/AIP的功率最大，达到300千瓦，MESMA/AIP最低，为200千瓦。效率值上，FC/AIP最高为55%，MESMA/AIP为25%。而上述两项指标在CCD/AIP和SE/AIP上基本接近，为250左右和30%左右；从振动噪声上比较，FC/AIP和SE/AIP较低，而CCD/AIP和MESMA/AIP则较高；从经济性上比较，FC/AIP最差，CCD/AIP最高，另外两种则较为适中；从安全性上比较，FC/AIP最差，其他的三种水平大致相当。全面综合分析对比，SE/AIP和FC/AIP技术综合性能最好，最具发展前途，也是较多国家的选择。

FC/AIP燃料电池系统是直接将反应物质化学能用电化学方式转换为电能的能量供应系统，效率最高，实际效率可达到70%。燃料电池系统由于直接进行能量转换，本身并无机械运动部件，因此工作过程中非常安静，可以使得潜艇在航行时获得较为优秀的隐蔽性。由于能量转换过程中能量损耗较少，所以相应的散热也少，这就有效的降低了潜艇的热辐射，环境特性较好。但目前的燃料电池只能用纯氢作燃料，安全性要求极高，一旦泄漏极易发生爆炸，危险性很大。此外，FC/AIP燃料电池系统的系统比功率较小，要达到柴油机相同功率，燃料电池所需重量要大于柴油机。同时其价格也比柴油发电机组高了近六倍，造价较为昂贵。选择FC/AIP技术的国家有德国、希腊、意大利、俄罗斯、韩国等。

SE/AIP热气机系统技术在四类AIP中最成熟、安全性最好，这些都己得到了充分的验证。从使用的情况上分析，目前世界上共有超过30艘的SE/AIP潜艇在服役，其中最长的服役期已达到20年，对SE/AIP潜艇在安全性、可靠性和适用性方面的验证是相当充分的。常规潜艇加装SE/AIP系统后可以大幅提高水下续航力，具有优异的隐蔽性和适应能力，能显著增强潜艇的作战效能。相对其它AIP技术来说，SE/AIP潜艇建造和使用成本低，保障性好，潜艇日常消耗品的补给可以在民用码头甚至海上进行，勤务性非常好。SE/AIP系统具有振动噪声特性好、建造和使用成本低、功率密度高、有利于总体布置等优点。热气机还具有转速扭矩特性好、超负荷能力强、适合多种燃料或加热热源的特点，例如蓄热器蓄热、金属燃烧化学能源等热源模式，十分适合各种中小型潜艇和AUV、UUV等对动力系统能量密度要求高的水下航行器。SE/AIP潜艇是世界上装备数量最多的潜艇，选择SE/AIP技术的国家主要有瑞典、丹麦、日本、新加坡等。中国根据自身的特点、技术水平及国外主流发展方向，选择研究发展的也是SE/AIP热气机AIP系统。中国进行AIP系统研究始于上个世纪九十年代，由中船重工集团七一一研究所负责全面研制工作，中国在热气机AIP领域的技术水平已经处于国际先进行列，是继瑞典之后能独立掌握SE/AIP技术的国家。中国自行研发的AIP技术已经全面广泛地使用在中国海军常规潜艇上，如中国海军装备的039B型潜艇，该艇采用单轴、单桨、对称尖尾长水滴型双壳体艇型，艇长77米，水上正常排水量近2600吨，是中国海军现役较新型号的潜艇，中国海军在该型潜艇的V舱设置了SE/AIP系统。目前，中国正在进行下一代AIP技术的研究工作。

SE/AIP热气机AIP系统是一种闭式循环往复式外燃机，由十九世纪苏格兰牧师罗伯特-斯特林发明，故也称为斯特林发动机。热气机是一种活塞式往复发动机，可用空气、氮气、氦气或氢气等作为工质，按斯特林循环工作。工质始终被封闭在一个闭式循环回路中，在较低的温度和压力下压缩，在较高的温度和压力下膨胀，实现对外作功。由外部燃烧对闭式回路中的工质进行加热，受热后的工质在活塞腔中膨胀作功，所以又称外燃机。热气机的燃烧在气缸外的燃烧室进行，整个燃烧过程是连续的并且非常充分，故此不会产生内燃机的爆燃现象，具有噪声低、运行平稳、污染小、适用多种能源等优点。斯特林循环的效率等于最高循环效率的卡诺效率，所以热气机是一种高效率的能量转换装置。

SE/AIP系统由热气机发电机组模块、供氧系统、辅助装置和监控装置四部分组成。潜艇水下主航工况由蓄电池供电，水下经航工况由AIP系统供电，热气机发电机组的输出端与蓄电池组并联，向推进电机、全艇辅机和其他设备供电，蓄电池处于浮充电状态。热气机与内燃机相比有很多优点，可利用多种燃料或热源进行外部连续燃烧；与同功率的柴油机相比，噪音低25分贝以上；效率高，热气机的理论效率等于卡诺循环的效率；功率和效率与排气背压无关，非常适合艇用环境。

艇用热气机常采用双作用热气机型式，其采用环形回热器/冷却器原理，四缸共用一个燃烧室，呈方形布置，形成环型串联机构，每个气缸有一套活塞连杆组，每个活塞上下各有一个热腔和一个冷腔，相邻两个气缸的冷热腔连成一个循环回路。潜艇热气机一般采用的燃料是燃油加上液态氧，燃油和氧气在燃烧室内混合形成可燃混合气，由点火器点燃燃烧，燃油的化学能以热的形式传给热气机加热器，加热加热器管内的工质，工质随着不断的加热和冷却，往复式地在冷腔和热腔之间循环，气体温度的改变同时引起了气缸内压力也随之变化，通过气体在高压下膨胀、低压下压缩的原理推动活塞连杆组做往复运动，由曲轴实现对外输出功率，实现了化学能一热量一机械能的转换。实现斯特林循环的核心部件是热交换器，包括加热器、冷却器和回热器。加热器的功能是在高温下从燃烧室吸热，然后把热量传给加热器管内的工质；回热器的功能是当气体从热腔流向冷腔时，在循环放热过程中存储工质释放的热量，当气体从冷腔流向热腔时，在循环吸热的过程中将存储的热量传给工质，即相当一个蓄能器；冷却器的功能是吸收工质的热量，并由冷却水将热量带走。

瑞典是最早开始AIP潜艇研究的国家之一，其热气机技术领域处于世界领先水平。1988年，瑞典开始实艇研究，将一艘A14型NaKen级潜艇切成两段，接入装备有2台热气机的AlP舱段开展试验，试验取得圆满成功。1990年，瑞典开始研制A19型Gotland级潜艇，该艇装备2台功率为120千瓦的V4-275R型热气机，于1995年下水、1996年服役。2007年，瑞典决定单独推行被搁置的“北欧海盗计划”(Viking Project)，并重命名为“下一代潜艇”(NGS)计划，总价值超过10亿美元，于2008年启动。目前瑞典正在研制新一代的A26型潜艇，设计工作从2006年开始，计划2015年服役。A26将形成一个潜艇平台基础结构，能完成多种作战任务，具备多种能力，如水下部署和回收UUV/ROV，布放和回收特种部队的能力。A26将装备最新的热气机AIP系统，水下续航力将达到1900千米，续航时间超过3周。

目前世界上采用热气机AIP潜艇技术的国家除中国为自行研制以外，其技术基本都是源自瑞典。2002年，瑞典对NaKen级潜艇再次改装后卖给了丹麦，更名为Krcmborg。2005年，新加坡与瑞典签署了购买2艘二手瓦斯哥特兰级潜艇的合同，考库姆公司对这2艘潜艇进行现代化改装，改装项目包括加装AIP系统和为适应热带海域环境加装的气候控制系统等。日本也从瑞典引进热气机技术发展了AIP潜艇，2003年，装备了4台热气机的“春潮”级训练潜艇“朝潮”号试验成功，在使用两年后经过系统综合评估，日本于2005年正式与瑞典签署引进热气机合同，用于装备“亲潮”级改进型潜艇，单艇造价超过5亿美元，瑞典负责提供发动机部件，川崎重工负责组装，首艇“苍龙”号已于2007年12月5日在日本三菱重工神户造船厂下水。

SE/AIP系统AIP技术的发展主要有以下几个方面：一个是将此技术运用到老旧潜艇上，通过对旧艇改造，加装AIP系统的技术研究，使老旧潜艇获得性能上较大的提升。瑞典先后对A14、A17型潜艇进行了改造，加装了AIP系统，并出口到丹麦和新加坡。此外还针对庞大的德国209型潜艇用户群，制定了加装AIP舱段的改造方案。中国也在进行较早期型号潜艇加装AIP系统的研究；研制大功率热气机，如瑞典开发的MK3型热气机为70千瓦，虽然较MK2提高了5千瓦，但功率仍然偏小，瑞典目前正在研制600千瓦大功率热气机，如果研制成功，则可以彻底取代柴油机作为潜艇的单一动力；对潜艇的整个动力系统进行优化匹配研究，包括对配备发电模块的数量、单机功率、液氧携带量、蓄电池储量等进行综合优化匹配，以期提高整个动力系统的综合效能；进行热气机性能优化研究，包括燃烧系统优化、循环优化、控制程序优化、氢气工质可行性研究，以提高效率和输出功率，降低氧耗，如瑞典在MK3型热气机上，通过改进氧引射器结构，改变喷油器安装方式，采用氧气冷却喷油器油器的形式，同时优化控制程序，将过量氧气系数从1.10降到1.05，减少了5%左右的氧气消耗．使热气机功率从65千瓦提高到70千瓦；开展艇用热气机氢气工质的可行性研究，在确保安全性的前提下，采用氢气工质热气机的综合效率将提高约10％；排气系统的排气压力直接影响潜艇的最大下潜深度，为提高排气压力，进行提高热气机燃烧室压力、单缸燃烧室技术、排气增压、闭式排气系统等方案的研究。其中单缸燃烧室技术为每一个气缸配备一个燃烧室，这样燃烧室容积很小，在保证燃烧室耐压壳厚度不变的情况下，可以显著提高承受压力，改善燃烧均匀性。排气增压方案是通过在排气管路上增加压缩机提高排气压力；对热气机发电机组箱装体模块的内部设备的布置、外形尺寸等进行优化，改善维修性，提高可靠性。如将排气处理系统设备、水泵等设备直接布置到箱装体模块内部，改善舱室布置难度的同时还有利于减振降噪。采月电机和热气机刚性联接的方式可以减小模块尺寸。对模块外部接口优化布置，提高维修性。如瑞典的MK3型热气机模块，经过优化后长度从2500毫米减小到了1850毫米，而且热气机大部分维修可以在模块内部完成。


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