国外常规潜艇AIP系统技术现状及发展趋势

方晓旻，宋义超



国外常规潜艇AIP系统技术现状及发展趋势

方晓旻1，宋义超2

(1.海军驻桂林地区军事代表室，广西桂林 541000；2.海军装备部驻武汉地区军事代表局, 武汉 430064)

本文论述了潜艇AIP系统的分类、基本原理、结构组成、技术特点及发展现状，对AIP系统的性能参数和国外AIP潜艇的装备现状进行了比较分析，介绍了FC/AIP系统的技术研究动态和发展方向，提出FC/AIP技术更符合未来常规潜艇超静音、大潜深、长续航力的发展趋势。

常规潜艇 燃料电池 FC/AIP SE/AIP

0 引言

不依赖空气推进系统（AIP）是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。常规潜艇AIP系统主要分为两大类：电化学AIP系统和热机AIP系统。其中，电化学AIP系统主要是燃料电池AIP系统（FC/AIP）；热机AIP系统主要包括闭式循环柴油机(CCD/AIP)、斯特林发动机(SE/AIP)、闭式循环汽轮机(MESMA/AIP)。目前已经实际装艇使用的有FC/AIP，SE/AIP和MESMA/AIP，其中MESMA/AIP技术在常规潜艇的应用最为广阔。国内外多年的探索和实践证明，AIP系统能行之有效地提高常规潜艇的作战范围、潜航时间和隐蔽性，它引领着新一代常规潜艇的发展方向。

1 几种AIP系统的技术特点及发展现状

1.1燃料电池AIP系统

FC/AIP系统的基本原理是：氢燃料通过储氢合金储存，氧化剂以液氧方式储存，使用时将氢燃料和氧化剂输送到燃料电池模块，通过两种物质在质子交换膜两侧催化剂表面进行化学反应的方式将化学能直接转化为电能，以提供潜艇在水下的巡航动力。其基本原理图如图1所示。

FC/AIP系统不受卡诺循环限制，只要有足够的氢气和氧气供应，就可以长时间连续运行，具有效率高、振动噪声小、输出功率大、工作温度低、无尾流特征、工作潜深大、布置方式灵活、安装和维护简单等特点。

德国在燃料电池AIP系统技术的研究方面走在世界前列。 20世纪80年代初，德国就将FC/AIP系统作为潜艇的专门研制项目进行了联合开发。1991年德国国会通过212A级潜艇设计方案审查；2002年3月，首艘212A级FC/AIP潜艇下水(图2所示)，该FC/AIP系统包括9个34 kW的燃料电池模块、液氧储罐、储氢合金罐等，总输出功率达306 kW，在水下可以2～6节的航速持续航行14～21天。德国214出口型FC/AIP潜艇，装备了2组新型质子交换膜燃料电池单元，总输功率240 kW，水下连续航行时间（2～6节航速）可达到2～3周。2011年德国在国际潜艇学术交流会上推出216级潜艇概念方案，采用锂离子电池加燃料电池 AIP系统，水下续航时间可达28天。

1.2 闭式循环热气机AIP系统

闭式循环热气机属于外部燃烧的发动机，亦称为“斯特林”发动机。SE/AIP系统原理结构示意图及原理样机分别如图3、图4所示。该系统的优点在于结构紧凑，技术简单，运行可靠性高，灵活性较好，造价和运行费用相对较低。SE/AIP系统受限于其工作原理，存在单机功率较低、设计制造和使用要求较高的缺点。另外，其瞬间提速或减速能力较弱，不利于潜艇机动性。在潜深较大时，需要用压缩机将废气加压后才能排出舱外，提高了振动噪音等级和能耗。

SE/AIP系统技术上比较成熟，最先达到实用化先水平。典型代表是瑞典海军的“哥特兰”级潜艇与日本海上自卫队的“苍龙”级潜艇。1996年7月，世界上第一艘装备SE/AIP系统的潜艇“哥特兰”号正式服役于瑞典皇家海军。该艇上装备有两台功率各为75千瓦的V4－275R型斯特林发动机，能以大约5节水下航速连续航行14天。日本装备了SE/AIP系统的“亲潮”级改进型潜艇，该艇已于2007年12月下水。目前，瑞典正在研制的新型A26潜艇，计划采用最新的SE/AIP系统研制成果。

1.3 闭式循环汽轮机A IP系统

MESMA /AIP系统又称为水下自主能源系统，由液氧储存罐及回路、燃料储存罐及回路、生产热的一回路及兰金循环二回路组成。MESMA /AIP系统的突出优点在于燃烧产物排放设备简单，而且隐蔽性较强，适合潜艇的大潜深排气要求。二回路以普通的水为介质，具有安全，

保证循环管路清洁的特点。该系统的缺点在于效率较低、系统装置体积、重量过大，不利于增加总体输出功率，经济性较差。法国从1988年开始MESMA /AIP系统的研制，其第一代该系统首先用于出口到巴基斯坦的“阿戈斯塔”级90B型潜艇上。该潜艇在水下以4节航速潜行时，其连续潜航时间比原来延长3～5倍。法国还研制了出口的“天蝎座”级潜艇，MESMA /AIP系统被列入装备内容。

1.4 闭式循环柴油机A IP系统(CCD/AIP)

CCD/AIP系统由柴油机、吸气排导系统、反应剂储存罐和控制系统组成。该系统工作模式灵活，能随时进行开式或闭式循环运行，具有单机输出功率大、寿命长、运行成本低、维护保养方便等优点；不足之处在于系统耗氧量大、产生的废热多、柴油机噪声大、废气处理系统复杂、系统效率低。

CCD/AIP系统技术成熟，既适用于新建艇，又适用于改装艇。德国蒂森公司、英国CDSS公司和荷兰鹿特丹船厂曾合作开发了CCD/AIP系统，1986 年进行了性能试验。1993年2～4月间在波罗地海进行了海上试验。同时，他们还推荐给阿根廷用于改装该公司的TR1700 型圣克卢斯级潜艇，但因拨款原因使计划搁浅。目前，CCD/AIP系统尚未装备于实艇上应用。

2 几种AIP系统的性能比较分析

目前已达实用化的四种常规潜艇AIP系统中，FC/AIP、SE/AIP、MESMA /AIP系统技术最为成熟，已装艇服役多年，CCD/AIP系统也达到可装艇的成熟状态。四种AIP系统的基本性能参数对比如表1所示。

通过表1的性能参数对比可以看出，FC /AIP和SE/AIP系统技术最为成熟，综合性能最好，最具发展前途。SE/AIP系统具有振动噪声特性好、建造和使用成本较低、有利于总体布置等优点，但斯特林发动机由于其自身固有的低功率密度特点，决定了整个SE/AIP系统效率较低，实现功率突破难度大，燃油消耗量及耗氧量均较大。FC/AIP系统效率最高，振动噪声最低，工作温度低，无尾迹特征，工作潜深大，具有优异的“隐形”作战能力。此外，该系统采用模块化设计，可灵活的根据不同作战要求增减输出功率。

此外，与其他AIP系统相比， FC/AIP系统还具有体积小、工作效率高、输出功率平稳、无机械振动、过载能力强、无潜深限制等特点，在水下深潜器、水下无人潜器、水下自主航行器、水下不间断电源等领域具有重要的应用前景。

3 国外主要AIP潜艇的应用现状

国外装备AIP系统的潜艇主要包括瑞典的“哥特兰”级，日本的“亲潮”级，德国的212A 和214级，法国的“阿哥斯塔90B”级、鱿鱼级，西班牙的S80A级等，具体情况及参数如表2所示。

由表2可知，世界主要潜艇强国都在发展AIP潜艇，各国根据本国的国情、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AIP技术。选择FC/AIP技术的有德国、意大利、韩国、希腊、土耳其、葡萄牙、西班牙等国海军；选择SE/AIP技术的有瑞典、丹麦、新加坡、日本等；巴基斯坦、智利、马来西亚等国则选择了MESMA/AIP技术。从装备数量来看(包括服役的或正在计划建造的) , 采用FC/AIP系统技术的潜艇数量最多，占据AIP潜艇一半以上，证明FC/AIP系统的技术先进性、可靠性及其在提高常规潜艇续航力和隐蔽性方面更受各国海军认可和青睐。

4 FC/AIP系统技术的发展趋势

AIP系统的出现，为克服常规潜艇水下连续潜航时间短的弱点，降低暴露率，提高潜艇的隐蔽性，提供了一种理想的途径和技术手段。多年的试验及应用研究证明，常规潜艇装备AIP系统后，其综合作战能力和生存能力显著增强。鉴于此，世界各潜艇强国均在争先恐后地研究AIP 系统技术。FC/AIP系统通过电化学方式直接将化学能转变为电能，因而与目前世界上其他几种AIP系统相比，该系统在工作效率、隐蔽性、续航力、过载能力等方面具有领先的技术优势，更符合未来常规潜艇超静音、大潜深、长续航力的发展趋势。从德国FC/AIP系统研究应用的三个历史阶段及其发展方向来看，未来FC/AIP系统技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：

1）高可靠性、长寿命燃料电池模块

目前，装艇实用的FC/AIP系统大多采用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC），该电池选用铂催化剂作为电极，铂用量大、价格高且利用率低。另外，燃料电池采用的Nafion膜生产工艺复杂，使用寿命有限。上述因素制约了FC/AIP系统技术的进一步发展。因此，通过开发高效催化剂、优化电极结构、提高质子交换膜使用寿命等技术研究来进一步提高燃料电池寿命和可靠性是未来FC/AIP系统技术的发展趋势。

2）高功率密度、高效率燃料电池模块

德国研制的FC/AIP系统燃料电池均采用了模块化设计技术，这样有利于减小装置占用空间，提高维修性和可靠性。随着燃料电池各部件制造及系统集成技术的提升，燃料电池模块向高功率密度、高效率方向发展，各项性能指标将进一步提高。潜艇用模块功率等级也将逐渐加大，1997年，德国212A型潜艇使用的西门子公司单堆功率只有34 kW，2010年214级艇已达到120kW；模块和系统工作效率也将进一步提高，1997年212A级潜艇燃料电池模块工作效率为40～45%，目前214级潜艇已达到50～60%；功率电流密度将增大，重量比功率会进一步提高。

3）高效、多元化氢燃料储存技术

德国212A和214级潜艇采用的是钛铁系合金储氢技术，其储氢密度为1.8wt%左右，且体积重量较大。因此，开发新型储氢技术，进一步提高氢燃料的储存密度，从而提高系统能量密度是FC/AIP系统的研究重点方向之一。目前，探索和研究中的镁系合金、钒基固溶体、三氢化铝、金属-有机框架物（MOFs）等新型储氢材料的储氢密度达到2.0 wt%以上，其技术成熟度待进一步提高。此外，氢燃料储氢技术还呈多元化发展趋势，目前处于研究中的无机氢化物水解制氢、甲醇重整、乙醇重整等制氢技术也可显著提高储氢密度。

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Review on Air Independent Propulsion System Technology for Conventional Submarine

Fang Xiaomin1, Song Yichao2

(1. Naval Representatives Office of PLAN in Guilin, Guilin 541000,China; 2. Naval Representaives Office of Naval Armament Department of PLAN in Wuhan, Wuhan 430064, China)

U674.76

A

1003-4862（2015）01-0040-05

2014-08-29

方晓旻(1972-), 男，高级工程师。研究方向：AIP技术。