今天补了补点ＡＩＰ知识

AIP技术在国外的研究及应用综述
作者：杨晔　李宗和马运义
1 前言

2 AIP技术在国外的研究及应用状况
为了克服常规潜艇水下连续潜航时间短、暴露率高这个突出的弱点，人们曾做出了各种努力，并经不断探索和实践，至今已有多种AIP系统问世，主要有：斯特林发动机(SE／AIP)、燃料电池(FC／AIP)、低功率核动力装置(Low Lever NuclearPower Plant．以下简称LLNP／AIP)、闭式循环柴油机(ccD／AIP)、闭式循环涡轮机(CCT／AIP)等。
2．1 SE／AIP在国外的研究夏应用
SE／A1P的效率：33％ ，耗氧量：950 S／kWh。在SE／AIP的研究上，处于世界领先水平的是瑞典的考库姆公司，它的MK2(V4—275R)是目前最成熟的AlP系统，其额定功率为65 kW，最大功率为75 kW。瑞典的3艘哥特兰级(A19型、排水量为1500 t)和水怪级(A14型)都装有2台MK2发动机，其中哥特兰级留有4台发动机的布置空间，首艇于1996年7月服役+不使用蓄电池供电能在水下航行l4天(5 kn航速)。瑞典、丹麦和挪威共同研制的SM2000型潜艇，也准备装3台MK2 SE／AIP。日本采购了两台MK2，已经与考库姆公司合作完成了热气机试验，并准备在2 700 t亲潮级潜艇装上4台，到时4×75 kw 的SE／AIP使其比自己排水量还小300 t的春潮级潜艇的水下续航时间增加5—7倍。考库姆公司与瑞典国防物资局联合，从提高效率和输出功率、增加下潜深度和进一步降低特征着手，已经做好了MK3的研制计划，准备2003年开始批量生产。澳大利亚已取消曾选择的SE／AIP系统，购买了加拿大的5 kW燃料电池实验系统进行研究
2．2 FC／AlP在国外的研究及应用
FC／AIP的效率：44％ ～60％ ，耗氧量：450—540 g／kwh。在FC／AIP的研究上，处于世界领先水平的是德国的西门子公司和HDW 公司，其最早的100kW 碱性燃料电池曾装在德国的U—l试验艇上。西门子公司和HDW 公司研制的PEM(聚合物电解质薄膜)燃料电池，每台输出功率为30—50 kW，额定输出功率为34 kW，并首次在德国的L一212型潜艇上应用。U一212型潜艇50％ 以上的任务时间(14天左右)都使用PEM／AIP系统巡航，当燃料电池输出功率为300 kW时．潜艇不使用蓄电池供电能达到8 kn的高速。HDW 公司正洽谈用250 kW燃料电池AlP系统改装现有209型潜艇的台同。西门子公司新一代PEM燃料电池额定输出功率120 kw，2×120 kW 的PEM／AIP系统被指定安装到德国第二批U一212型潜艇上(首艇2003年交艇)，而且，德国自己和希腊定购的214型潜艇上(HDW 公司制造)、还有台湾经美国转手定购的214型潜艇上(首艇2005年交艇)也均有安装此系统的准备。俄罗斯曾于1981年在w级潜艇装上PEM燃料电池进行海上试验，并已于1993年向国际市场推出。它的新一代阿穆尔级潜艇也装燃料电池系统，它还为K级潜艇设计了舱长为lO～12m的装燃料电池系统。英国一公司准备对支持者号潜艇加装300 kW燃料电池系统。
2．3 CCI)／AIP在国外的研究及应用
CCD／AIP的效率约为30％ ，耗氧量约为822+58(At)g／kwh。在CCD／AIP的研究上，处于世界领先水平的是英国的CDSS公司，现有可达144 kW 的D2566ME型、250 kW 的MTu 8 Vl83 TE 52型、400kW 的MAN型CCD系统。8O年代后期，蒋国的TNSW 公司和荷兰的RDM公司都选择了使用英国的CDSS公司的CCD技术 TNSW 公司与RDM公司和CDSS公司合作，将一套250 kW CCD系统安装在德国的前U—l型潜艇上，并于1993年2～4月问在波罗地海进行了海上试验。之后，TNSW 公司根据275 kWMTU 8V SE92型柴油机研制出插入式CCD系统，准备改装在德国海军的209／1400型潜艇上。同时，他们还推荐给阿根廷用于改装该公司的TRI700型圣克卢斯级潜艇，但困拨款原因使计划搁浅。RDM公司的2×300 kW 的CCD系统准备装在海鳝1800型潜艇上(计划开始建造)，其不使用蓄电池供电能在水下航行20天(2 kn航速)。海鳝1400型潜艇上的CCD系统装艇方案也已初步确定 CCD系统在韩国也得到了应用，其中包括改装韩国海军的9艘209／1200型潜艇、KSS一2型新一代常规潜艇、从俄罗斯购买的K级潜艇。俄罗斯80年代也恢复了CCD研究，并装在白鲸号l 900 t潜艇上(1987年完工、l991年海上试验成功)。意大利研制了采用闭式循环柴油机的s一300CC型潜艇和吨位为I20 t和80 t的小潜艇。
2．4 CCT／AIP在国外的研究及应用
CCT／AIP的效率约为25％(闭式循环蒸汽透平CCST)和30％ 一60％(闭式循环燃汽透平ccc )。以法国DCN公司为主的ccsr装置，功率范围为150～600 kW，第一台200 kW样机1997年开始台架试验。巴基斯坦海军的3艘阿戈斯塔90B级潜艇都将安装这种系统，舱长8 In，该系统使水下续航力增加3～5倍(4 kn)。首艇未装MESMA／AlP 1999年9月交付巴基斯坦海军。法国还在开发功率为600 kW 的闭式循环汽轮机，并计划提高到1 300 kW。
2 5 LLNP／AlP在国外的研究及应用
LLNP／AlP的效率只有10％左右。在LLNP／AlP的研究上，加拿大的ECS集团的AMPS系统(即LLNP／AIP)处于领先地位。该公司自1984年开始研制功率为100～400 kW 低温低压轻水冷却反应堆—— 有机工质透平的装置，拟装于1 000～2 000 t潜艇上近阶段，加拿大的小型核动力装置也有很大发展，预计2l世纪初即可达实用水平 理论输出功率为4OO kW 的LLNP一4OO型和理论输出功率为l 000 kW 的AMPS一1000型可用于排水量居于2 000t以上的潜艇，使其水下续航力有显著提高，其通气管暴露率为零。据报道，荷兰RDM公司与ECS集团已签定协议，以共同研究AMPS用于海象级潜艇的可行性。据报道，法国也曾有意装阿戈斯塔级潜艇。
3 各类AIP系统的优缺点
各类AlP系统各有优点，也均有其不足。SE／AIP与柴油机相比，发动机运行平稳、噪声小、振动小、辐射低及比较好的燃料经济性，且适合多种燃料。一次投资和运行费用较低，技术较成熟。但目前功率尚低，深潜(>200 m)时需增加压缩机功率，自身固有低功率密度使其不利于布置和使用。FC／AIP具有噪声低、效率高的优点。但系统技术复杂，初始研制费用和运行费用都较高。能量密度不高，燃料储存占用空问较大，对氧的纯度要求高(不能兼用通气管)。液氢(或高压氢)运输不安全，且费用高。用金属氢化物储存氢，虽安全性较好，但体积增加太多。用氢作燃料，其生成物为水，可作生活用水，但用甲醇或柴油作燃料的电池，需要专门的废气排出装置。CCD／AIP技术较成熟，造价和运行费用较低，系统功率密度大，热效率高，废气排放不受深度限制，可使用于水上和水下。但噪声大、废气处理系统复杂、潜深越大柴油机效率越低6与柴油机相比，涡轮机具有明显的结构简单、振动小、噪声低、可靠性高以及一次性投资和运行费用较低等优点。系统与潜深无关。LLNP／AIP几乎无限的储能可满足常规潜艇长期低、中速在水下巡逻和搜索的需要，短时高速可由蓄电池提供，“爬行／冲刺”比大，使常规潜艇实现在其自持力期间暴露率为零的要求；与大型核动力装置相比，结构简单、尺寸小、重量轻、造价低(建造费约为大型核动力装置的l／10～1／5)，资料表明，常规潜艇装备AMPS1000小型核动力装置后，艇造价约增加20％ ，这可能使LLNP／AIP系统比其它“AIP”系统的初始建造费略高。若考虑到其它AIP系统潜艇每次出海要补充燃料，使用费高，则两者费用接近。LLNP／AIP系统的安全性好，工作深度和艇下潜深度相同，而且因需要调节的功率范围小，所以控制系统简单。缺点是效率低，热辐射信号强，所需耐压壳体容积较多。
4 结束语
总之，从世界AlP技术的发展现状来看，各潜艇强国是根据本国的国情、潜艇技术发展战略和技术贮备状况来探索、选用适合本国特点的AlP技术的 如世界上第一个实艇使用SE／AIP系统的是瑞典，FC／AIP技术最成熟的是德国，研究开发CCD／AIP技术的有荷兰、英国、德国、意大利等国(但英国比较成熟)。俄罗斯探索开发了FC／AIP、LLNP／AIP系统，加拿大曾开发研制过低温、低压的LLNP／AIP(AMPS)系统，法国主要探索了CCT／AlP(MESMA)技术。此外，日本、加拿大、澳大利亚、英国等也均在开展FC／AIP技术的研究。从潜艇对其动力装置的要求来看，各类AlP系统各有千秋，这主要表现在：1)在效率方面，燃料电池系统的效率最高，其次是闭式循环斯特林发动机、闭式循环柴油机和闭式循环涡轮机，小型核动力装置的效率则最低。2)在安全性方面，柴油机的安全性最高，其次是小型核动力装置，而燃料电池由于用氢，尤其是以压缩气态和液态形式储存于潜艇上，其储存和使用的安全性要求特别高。3)在噪声振动方面，它们的排序为：闭式循环涡轮机>闭式循环柴油机>闭式循环斯特林发动机>小型核动力装置>燃料电池系统。AIP技术在国外的研究及应用综述
作者：杨晔　李宗和马运义
1 前言

2 AIP技术在国外的研究及应用状况
为了克服常规潜艇水下连续潜航时间短、暴露率高这个突出的弱点，人们曾做出了各种努力，并经不断探索和实践，至今已有多种AIP系统问世，主要有：斯特林发动机(SE／AIP)、燃料电池(FC／AIP)、低功率核动力装置(Low Lever NuclearPower Plant．以下简称LLNP／AIP)、闭式循环柴油机(ccD／AIP)、闭式循环涡轮机(CCT／AIP)等。
2．1 SE／AIP在国外的研究夏应用
SE／A1P的效率：33％ ，耗氧量：950 S／kWh。在SE／AIP的研究上，处于世界领先水平的是瑞典的考库姆公司，它的MK2(V4—275R)是目前最成熟的AlP系统，其额定功率为65 kW，最大功率为75 kW。瑞典的3艘哥特兰级(A19型、排水量为1500 t)和水怪级(A14型)都装有2台MK2发动机，其中哥特兰级留有4台发动机的布置空间，首艇于1996年7月服役+不使用蓄电池供电能在水下航行l4天(5 kn航速)。瑞典、丹麦和挪威共同研制的SM2000型潜艇，也准备装3台MK2 SE／AIP。日本采购了两台MK2，已经与考库姆公司合作完成了热气机试验，并准备在2 700 t亲潮级潜艇装上4台，到时4×75 kw 的SE／AIP使其比自己排水量还小300 t的春潮级潜艇的水下续航时间增加5—7倍。考库姆公司与瑞典国防物资局联合，从提高效率和输出功率、增加下潜深度和进一步降低特征着手，已经做好了MK3的研制计划，准备2003年开始批量生产。澳大利亚已取消曾选择的SE／AIP系统，购买了加拿大的5 kW燃料电池实验系统进行研究
2．2 FC／AlP在国外的研究及应用
FC／AIP的效率：44％ ～60％ ，耗氧量：450—540 g／kwh。在FC／AIP的研究上，处于世界领先水平的是德国的西门子公司和HDW 公司，其最早的100kW 碱性燃料电池曾装在德国的U—l试验艇上。西门子公司和HDW 公司研制的PEM(聚合物电解质薄膜)燃料电池，每台输出功率为30—50 kW，额定输出功率为34 kW，并首次在德国的L一212型潜艇上应用。U一212型潜艇50％ 以上的任务时间(14天左右)都使用PEM／AIP系统巡航，当燃料电池输出功率为300 kW时．潜艇不使用蓄电池供电能达到8 kn的高速。HDW 公司正洽谈用250 kW燃料电池AlP系统改装现有209型潜艇的台同。西门子公司新一代PEM燃料电池额定输出功率120 kw，2×120 kW 的PEM／AIP系统被指定安装到德国第二批U一212型潜艇上(首艇2003年交艇)，而且，德国自己和希腊定购的214型潜艇上(HDW 公司制造)、还有台湾经美国转手定购的214型潜艇上(首艇2005年交艇)也均有安装此系统的准备。俄罗斯曾于1981年在w级潜艇装上PEM燃料电池进行海上试验，并已于1993年向国际市场推出。它的新一代阿穆尔级潜艇也装燃料电池系统，它还为K级潜艇设计了舱长为lO～12m的装燃料电池系统。英国一公司准备对支持者号潜艇加装300 kW燃料电池系统。
2．3 CCI)／AIP在国外的研究及应用
CCD／AIP的效率约为30％ ，耗氧量约为822+58(At)g／kwh。在CCD／AIP的研究上，处于世界领先水平的是英国的CDSS公司，现有可达144 kW 的D2566ME型、250 kW 的MTu 8 Vl83 TE 52型、400kW 的MAN型CCD系统。8O年代后期，蒋国的TNSW 公司和荷兰的RDM公司都选择了使用英国的CDSS公司的CCD技术 TNSW 公司与RDM公司和CDSS公司合作，将一套250 kW CCD系统安装在德国的前U—l型潜艇上，并于1993年2～4月问在波罗地海进行了海上试验。之后，TNSW 公司根据275 kWMTU 8V SE92型柴油机研制出插入式CCD系统，准备改装在德国海军的209／1400型潜艇上。同时，他们还推荐给阿根廷用于改装该公司的TRI700型圣克卢斯级潜艇，但困拨款原因使计划搁浅。RDM公司的2×300 kW 的CCD系统准备装在海鳝1800型潜艇上(计划开始建造)，其不使用蓄电池供电能在水下航行20天(2 kn航速)。海鳝1400型潜艇上的CCD系统装艇方案也已初步确定 CCD系统在韩国也得到了应用，其中包括改装韩国海军的9艘209／1200型潜艇、KSS一2型新一代常规潜艇、从俄罗斯购买的K级潜艇。俄罗斯80年代也恢复了CCD研究，并装在白鲸号l 900 t潜艇上(1987年完工、l991年海上试验成功)。意大利研制了采用闭式循环柴油机的s一300CC型潜艇和吨位为I20 t和80 t的小潜艇。
2．4 CCT／AIP在国外的研究及应用
CCT／AIP的效率约为25％(闭式循环蒸汽透平CCST)和30％ 一60％(闭式循环燃汽透平ccc )。以法国DCN公司为主的ccsr装置，功率范围为150～600 kW，第一台200 kW样机1997年开始台架试验。巴基斯坦海军的3艘阿戈斯塔90B级潜艇都将安装这种系统，舱长8 In，该系统使水下续航力增加3～5倍(4 kn)。首艇未装MESMA／AlP 1999年9月交付巴基斯坦海军。法国还在开发功率为600 kW 的闭式循环汽轮机，并计划提高到1 300 kW。
2 5 LLNP／AlP在国外的研究及应用
LLNP／AlP的效率只有10％左右。在LLNP／AlP的研究上，加拿大的ECS集团的AMPS系统(即LLNP／AIP)处于领先地位。该公司自1984年开始研制功率为100～400 kW 低温低压轻水冷却反应堆—— 有机工质透平的装置，拟装于1 000～2 000 t潜艇上近阶段，加拿大的小型核动力装置也有很大发展，预计2l世纪初即可达实用水平 理论输出功率为4OO kW 的LLNP一4OO型和理论输出功率为l 000 kW 的AMPS一1000型可用于排水量居于2 000t以上的潜艇，使其水下续航力有显著提高，其通气管暴露率为零。据报道，荷兰RDM公司与ECS集团已签定协议，以共同研究AMPS用于海象级潜艇的可行性。据报道，法国也曾有意装阿戈斯塔级潜艇。
3 各类AIP系统的优缺点
各类AlP系统各有优点，也均有其不足。SE／AIP与柴油机相比，发动机运行平稳、噪声小、振动小、辐射低及比较好的燃料经济性，且适合多种燃料。一次投资和运行费用较低，技术较成熟。但目前功率尚低，深潜(>200 m)时需增加压缩机功率，自身固有低功率密度使其不利于布置和使用。FC／AIP具有噪声低、效率高的优点。但系统技术复杂，初始研制费用和运行费用都较高。能量密度不高，燃料储存占用空问较大，对氧的纯度要求高(不能兼用通气管)。液氢(或高压氢)运输不安全，且费用高。用金属氢化物储存氢，虽安全性较好，但体积增加太多。用氢作燃料，其生成物为水，可作生活用水，但用甲醇或柴油作燃料的电池，需要专门的废气排出装置。CCD／AIP技术较成熟，造价和运行费用较低，系统功率密度大，热效率高，废气排放不受深度限制，可使用于水上和水下。但噪声大、废气处理系统复杂、潜深越大柴油机效率越低6与柴油机相比，涡轮机具有明显的结构简单、振动小、噪声低、可靠性高以及一次性投资和运行费用较低等优点。系统与潜深无关。LLNP／AIP几乎无限的储能可满足常规潜艇长期低、中速在水下巡逻和搜索的需要，短时高速可由蓄电池提供，“爬行／冲刺”比大，使常规潜艇实现在其自持力期间暴露率为零的要求；与大型核动力装置相比，结构简单、尺寸小、重量轻、造价低(建造费约为大型核动力装置的l／10～1／5)，资料表明，常规潜艇装备AMPS1000小型核动力装置后，艇造价约增加20％ ，这可能使LLNP／AIP系统比其它“AIP”系统的初始建造费略高。若考虑到其它AIP系统潜艇每次出海要补充燃料，使用费高，则两者费用接近。LLNP／AIP系统的安全性好，工作深度和艇下潜深度相同，而且因需要调节的功率范围小，所以控制系统简单。缺点是效率低，热辐射信号强，所需耐压壳体容积较多。
4 结束语
总之，从世界AlP技术的发展现状来看，各潜艇强国是根据本国的国情、潜艇技术发展战略和技术贮备状况来探索、选用适合本国特点的AlP技术的 如世界上第一个实艇使用SE／AIP系统的是瑞典，FC／AIP技术最成熟的是德国，研究开发CCD／AIP技术的有荷兰、英国、德国、意大利等国(但英国比较成熟)。俄罗斯探索开发了FC／AIP、LLNP／AIP系统，加拿大曾开发研制过低温、低压的LLNP／AIP(AMPS)系统，法国主要探索了CCT／AlP(MESMA)技术。此外，日本、加拿大、澳大利亚、英国等也均在开展FC／AIP技术的研究。从潜艇对其动力装置的要求来看，各类AlP系统各有千秋，这主要表现在：1)在效率方面，燃料电池系统的效率最高，其次是闭式循环斯特林发动机、闭式循环柴油机和闭式循环涡轮机，小型核动力装置的效率则最低。2)在安全性方面，柴油机的安全性最高，其次是小型核动力装置，而燃料电池由于用氢，尤其是以压缩气态和液态形式储存于潜艇上，其储存和使用的安全性要求特别高。3)在噪声振动方面，它们的排序为：闭式循环涡轮机>闭式循环柴油机>闭式循环斯特林发动机>小型核动力装置>燃料电池系统。