俄罗斯电化学发电机AIP潜艇的设计与发展

李大鹏 张晓东

（海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

电化学发电机装置是最具竞争力的潜艇 AIP装置之一，主要组成包括燃料电池、反应物的储存容器及制备设备、控制装置等。燃料电池通过电化学反应将化学能直接转变为电能，理论上能量转换效率可以达到 100%，唯一的反应产物为水。由于进行的是能量直接转换过程，电化学发电机本身并无机械运动部件，因此工作中非常安静，可以使潜艇在航行时具有极佳的声学隐蔽性。燃料电池维护保养方便，便于实现集中控制和自动化。燃料电池过载能力强，其短时过载能力可达额定功率2倍，远胜于柴油机等热力机械，因此装备电化学发电机的潜艇可进行短时“冲刺”。燃料电池是由若干个燃料单元串、并联而成，可根据潜艇内部空间需要选择配置方式。燃料电池效率随输出功率变化特性好，适合对于功率范围宽而效率要求高的潜艇应用场合。不足之处在于所使用氢燃料危险性大。电化学发电机装置功率密度较小。目前质子交换膜燃料电池的典型功率密度为100 W/kg，比起柴油机的300 W/kg相差较远。要想达到相同功率，电化学发电机装置所需重量要大于柴油机动力装置。另外，目前质子交换膜燃料电池工作寿命一般为5000 h，造价是柴油发电机组的3-6倍。

1 苏联电化学发电机AIP潜艇

苏联在潜艇电化学发电机装置领域的研究始于20世纪70年代中期。天青石设计局对613型柴-电动力潜艇进行了电化学发电机改装[1]，命名为613Э型（俄文字母“Э”代表“电化学发电机”）见图1，613Э潜艇舱室布置见图2。1988年，613Э型潜艇通过了国家验收，表明电化学发电机装置原则上可以制造并用作新型潜艇动力装置。613Э型潜艇在宽度和排水量上略有增大。电化学发电机装置能够保证潜艇在经济航速下轴系推进电机和全船电力用户用电。在蓄电池不充电情况下，613型潜艇可以2 kn速度水下连续航行3-7昼夜，而613Э型潜艇可以2.5 kn速度水下连续航行4周。潜艇耐压壳体外布置有4个巨大的液氢和液氧储存罐。这种布置除了不十分美观外，更重要的是使潜艇的水动力学性能恶化。

图1 613Э型潜艇

图2 613Э型潜艇舱室布置

613和 613Э型潜艇的主要技战术参数见表1，AIP舱段布置见图3[2-4]。反应产物水储存在舱底水箱。载氧32 t，载氢4 t。电化学发电机由28个低温氢氧燃料电池单元组成，使用金属陶瓷电极和液体电解质。天青石设计局还对陆上原型装置在浮动实验台架上进行了实验，研究电化学发电机装置在海洋条件下的使用性能及火灾爆炸安全性等。

图3 AIP装置舱段布置

在 613Э型潜艇取得经验基础上，苏联对电化学发电机装置在小排水量潜艇上的应用进行了研究。1978～1986年，研制了比拉鱼级小型潜艇、搜寻-6型深潜器和塞丘-K型水下航行器等。比拉鱼级小型潜艇由孔雀石设计局研制、位于列宁格勒（现在的圣彼得堡）的波罗的海造船厂建造。 耐压壳体采用钛合金，非耐压壳体采用钛合金和玻璃钢制成，排水量为100（水面）/218（水下）t，潜艇主尺度：长×宽×吃水=28.3×3.7×2.5 m，下潜深度180（工作）/200（最大）m。1991年，为比拉鱼级小型潜艇设计、制造、交付了“水晶-20”小型氢氧燃料电池电化学发电机装置。“水晶-20”小型 AIP装置由作为苏联电化学发电机 AIP装置研制的主要组织者和实施者的列宁格勒特种锅炉制造设计局设计制造，借鉴了航天技术，采用金属氢化物储氢。1991年，苏联国防部对“水晶-20”装置进行了全面测试。苏联解体后，财政拨款停止，装置最终未能装艇。

2 俄罗斯电化学发电机AIP潜艇

作为苏联主要继承者的俄罗斯一直没有间断对潜艇AIP装置的研究。红宝石设计局和孔雀石设计局一直在进行AIP潜艇的研究和设计，特种锅炉制造设计局一直在研制“水晶-27”型第二代AIP装置，主要供拉达级677型潜艇及其出口型阿穆尔-1650级潜艇、阿穆尔-950级潜艇使用。一种方案是在潜艇中部嵌入一个AIP辅助动力装置舱段，在潜艇排水量略有增加、最大航速略有降低的情况下，可以不消耗蓄电池组电量，成倍提高水下续航力。图4所示是加装了电化学发动机装置的阿穆尔-1650型潜艇舱室布置。目前，电化学发电机装置还不能保证大洋级潜艇所要求的战役-战术性能，如在追踪目标过程中所需的速度和机动性，或摆脱潜在敌人的快速攻击等。因此，俄罗斯AIP潜艇设计上采用了“杂交”动力装置[5]，水下高速使用蓄电池组，经济航行使用电化学发电机，水面航行使用柴油发电机。

图4 安装有电化学发动机装置的阿穆尔-1650型潜艇舱室布置

3 电化学发电机AIP嵌入舱段

俄罗斯卡拉列夫“能源”火箭航天委员会研制了采用低温储存氢和氧的运输用“РЭУ-99”型自动化装置，可做成嵌入式潜艇AIP舱段[5]。舱段长9.8 m，当平均需求功率为100 kW时，可保证潜艇水下不间断航行20昼夜。额定功率300 kW，效率70%，氧耗率0.336 kg/kW·h，氢耗率0.042 kg/(kW·h)。装置从冷态启动到满功率额定工况所需时间不超过 240 min，额定工况到完全停机所需时间不超过 5 h，加注低温反应物需要时间18-30 min。电化学发电机使用期限10 y，使用寿命6000 h。电化学发电机并行工作，如同蓄电池。变流器可以工作在升压器状态，或根据需求工作在宽幅降压调制器状态。变流器由6个模块组成，每个模块对应于电化学发电机的一个能量模块，起到电力保护和协调相互间并行工作的作用。

AIP舱段可以在潜艇现代化改装时嵌入潜艇中后部，这样的改装和建造费用最低。红宝石设计局专家进行了潜艇相邻舱室间的电力线路和管路接口设计。当然，也可以在潜艇建造时就采用AIP设计。舱室布置取决于艇上氢和氧的储存、生产和制备方式。见图5所示，氢和氧采用低温储存方案的阿穆尔-1650型潜艇电化学发电机装置嵌入舱段，电力系统见图6。

图5 氢和氧采用低温储存方案的AIP舱段

红宝石设计局还研制了基于金属互化物制氢和低温储氧的电化学发电机 AIP舱段，见图7[5]。由于金属互化物密度较大，一般为5.65～8.25 t/m3，为保证潜艇的稳性和重心，将金属互化物储存箱布置在舱段底部龙骨上。液氧罐垂直布置，系统其余设备的布置方式与低温反应物储存技术方案相似。

图6 加装了电化学发电机的阿穆尔级潜艇电力系统

图7 采用金属互化物制氢和液氧储存的AIP舱段

4 现状分析与预测

自第二次世界大战以来，在常规柴-电动力潜艇设计制造方面，俄罗斯（苏联）是无可争议的世界领先国家。苏联研究设计了超过300种型号潜艇，大部分都曾列入现役。2009年，在俄新社网站及其他俄罗斯媒体上报道了俄罗斯有意向国外购买第4代非核动力潜艇及德国U-212A级潜艇生产许可证的消息。俄罗斯海军司令弗拉基米尔·维索斯基上将表示[6]，俄罗斯有意购买德国AIP技术。

以1998年HDW和TNSW开工建造的首批4条使用电化学发电机装置的 U-212A级潜艇为标志，德国可以说成功解决了第4代非核动力潜艇的设计制造问题。这一级潜艇在技战性能如战斗效率、自持力、隐蔽性、不间断水下航行时间、水声性能和潜艇系统自动化水平等方面都接近当时先进的核动力潜艇。但俄罗斯第4代非核动力潜艇建造却不顺利，677型拉达级潜艇自1989年开始由红宝石设计局开始设计，直到1997年12月26日，第一条“圣彼得堡”号才在圣彼得堡海军部造船厂开工建造，并计划采用与 U-212A级潜艇类似的电化学发电机AIP装置。“圣彼得堡”号直到2007年才建成，同年开始进行船厂系泊和航行实验，但试航并未取得完全成功，所以直至今日该艇仍未被海军接收。“圣彼得堡”号上未安装AIP装置，不能称为真正的第4代非核动力潜艇。

瑞典、日本等国家已经公开表示要研制建造第5代非核动力潜艇。第5代非核动力潜艇将采用单一全工况（水面与水下航行状态）发动机。如果俄罗斯不具备AIP制造技术，就不可能研制出第5代非核动力潜艇。这是在过去的一个多世纪中，俄罗斯首次失去潜艇建造技术的领先地位。俄罗斯作为世界上第二大武器出口国，并且是能够出口现代海军武器装备为数不多的国家之一，可以说，目前在潜艇建造上面临的最大挑战就是AIP技术。

尽管世界上发达国家在电化学发电机的研制上已经开展了近30年，但距开发预期目标还有相当大的距离。现在 1 kW 功率燃料单元造价约5000～1000美元，最成熟产品的使用寿命低于6000 h，全寿命周期内平均效率为22～25%。俄罗斯技术最成熟的25 kW功率“光子”电化学发电机造价超过30万美元，相当于12000＄/kW的造价，而使用寿命仅为2000 h左右。

5 小结

制造电化学发电机AIP装置需要进行大量的科学技术研究和较高的工艺水平，主要在于制造基于燃料单元的电化学发电机。俄罗斯在该领域的技术基础雄厚，主要问题在于投入。如果近期俄罗斯潜艇制造业和AIP技术现状没有得到明显改善，则随着其他国家第5代非核动力潜艇的出现，俄罗斯海军可能不得不采用其他国家的技术。这不仅体现在俄罗斯需要向别国购买AIP技术，甚至可能直接向别国购买AIP潜艇。

[1]Постнов А.А. Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами[J].Судостроение, №2. 1998： 41-45.

[2]Кормилицин Ю.Н. KILO CLASS. Optimum performance for all naval scenarios[J]. Naval forces.No.6, 1995： 121-126.

[3]Кормилицин Ю.Н. Подводная лодка проект 877[J].Военный парад, июль-август, 1996： 35-39.

[4]Сагайдаков Ф.Р., Чекалов Ю.Н., Чернецова Н.А.Состояние и перспективны развития мирового рынка подводных лодок с неатомными энергетическими установками[M]. СПб：Моринтех-96, 1996.

[5]Никифоров Б.В.,Соколов В.С., Юрин А.В. Новые источники электроэнергии для подводных аппаротов. Вопросы проектирования подводных лодок： электроэнергетические системы[R]. СПб.：ФГУП ЦКБ МТ Рубин, Вып.12, 2000.

[6]Николай Кириллов. Германия России предложила подводные лодки.....[J/OL]. Независимая газета, 29 февраля, 2010.