无人水下航行器外热源热机用无气体产生燃料

陆　宏，赵　熙，倪亚菲，邵明臣，李大鹏

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

无人水下航行器外热源热机用无气体产生燃料

陆宏，赵熙，倪亚菲，邵明臣，李大鹏

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

无人水下航行器（UUV）在军事领域正得到愈发广泛的应用，动力装置是其技术难点之一。无人水下航行器采用外热源热机，在续航力和航速上，都优于其他类型动力装置，且使用无气体产生燃料，可从根本上解决水下气体排放问题，提高航行隐蔽性，具有良好的军事应用前景。本文根据无人水下航行器的使用条件和技术要求，对适用于无人水下航行器外热源热机的无气体产生燃料进行了广泛考察，给出了可用于无人水下航行器外热源热机的无气体产生燃料和氧化剂的组合。

无人水下航行器（UUV） 外热源热机无气体产生燃料

0　引言

无人水下航行器（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）是无人作战平台重点发展方向，可执行监视、侦察、跟踪、反水雷、反潜、海底勘探、深水打捞、水下电缆铺设等多种任务，在军事领域得到愈发广泛的应用，相应地，对其动力系统要求随之提高。

能源与推进系统是无人水下航行器技术难点之一[1]，努力方向是大能量储量、高功率和高效率、紧凑型动力装置，如金属燃料电池、斯特林发动机、质子交换膜电池等。

使用无气体产生燃料的外热源热机作为无人水下航行器动力装置具有明显优势，可从根本上解决外热源热机气体排放问题，提高无人水下航行器隐蔽性，且具有较大功率，可保证无人水下航行器大水下不间断续航力、活动半径、水下高航速，具有非常良好的军事应用前景，国外甚至有建议，将其用于核动力潜艇的辅助动力装置，可保障和提高核动力潜艇的安全性和可靠性[2]。

可使用无气体产生燃料的外热源热机，包括斯特林发动机、闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机装置等[3]。

本研究通过广泛考查无气体产生燃料的物理化学性质和燃烧特性，根据无人水下航行器的使用条件和技术要求，提出适用于无人水下航行器外热源热机的无气体产生燃料及其匹配的氧化剂。

1　技术要求

无气体产生燃料是一些化学物质，其与氧化剂在与空气隔绝的环境下燃烧时，反应产物仅为固体或液体，而不会产生气体，反应产物可直接排放或在平台上储存。

相比潜艇等载人水下航行器，无人水下航行器对无气体产生燃料及与其匹配的氧化剂的要求有所降低[3,4]，主要包括：1）反应温度范围内无气体产生，反应产物不包含高粘度物质，不会降低反应物的流动性，且反应产物不会降低反应速率；2）高体积反应热密度，可保障较少的燃料和氧化剂携载量；3）反应可控，满足宽广航行工况范围内的功率需求；4）反应产物与反应物占据的体积相近，可实现反应产物无需排放；5）与燃烧室结构材料兼容，可保障燃烧室稳定、可靠工作，并延长其使用寿命；6）无毒，至少是弱毒性，便于运输并可长期储存，不易燃易爆，满足使用安全性要求，减少后勤保障难度和工作量，便于无人水下航行器在潜艇和水面舰艇等搭载平台上实现长期搭载；7）自然环境中储量丰富，生产和采购成本低，从而降低无人水下航行器的使用费用。

2　分析与筛选

可作为外热源热机无气体产生燃料的化学物质很多，包括金属、非金属单质或化合物，可匹配的氧化剂也很多，如氧化物、卤族化合物、含氧的固体化合物等[5]。

表1给出了O2作为氧化剂，几种化学物质的燃烧特性，重点考察反应速率、毒性、放热量、相态、稳定性等方面。

表1　化学物质与O2的燃烧反应特性

由表1可见，N2H4、C2H6、SiH4、P、B、Al具有较高的单位摩尔放热量，但N2H4、C2H6、SiH4分别由于毒性、相态、稳定性等原因，不符合作为无气体产生燃料的要求。例如，C2H6具有较高的单位摩尔放热量，且反应速率可控、无毒、经济性好，但燃烧放出CO2气体，造成尾气排放。液态H2单位体积放热量大，可与液态O2燃烧，反应速率，且H2、O2在自然界中储量丰富。

几种非金属物质与卤素单质、非金属单质和氧化物的燃烧反应特性见表2[5]。

表2　非金属的燃烧反应特性

表3　金属的燃烧反应特性

卤素单质中，F2和Cl2有毒，Br2在常温下易挥发，燃烧放热量不大。N2H4、P、C燃烧产生气体。H2和S燃烧放热量不大。Si和Li燃烧可放出大量热量，但反应产物 Li2S化学性质不稳定。SiH4燃烧放热量大，但有毒，化学性质不稳定，易燃易爆。B、Si燃烧的单位体积热密度高，易制取，价格低廉。

几种金属燃料的燃烧反应特性见表3。Al和FeO的燃烧称“铝热反应”，反应放出大量热量，但需要在高温下进行，需要使用Mg为引燃剂，KCl为助燃剂，反应难以控制。Li和 CrO3、Ti 和C、Be和S、Al和S的反应均无气体产生，放热量较大。

同一种金属燃料可与不同的氧化剂反应。Mg颗粒与CO2或H2O反应，反应产物为固态，放热量大，CO2价格低廉，制备、储存和使用非常方便。反应产物 H2的储存和处理工艺成熟。H2O作为氧化剂，相比使用O2和CO2，可减少占用无人水下航行器的体积，且费用低。

与非金属燃料相比，金属燃料具有以下优势：

1）反应放热量大；

2）占用体积小；

3）反应产物占据体积与反应物相当；

4）反应产物可还原出金属，废渣少；

5）燃烧不产生有毒有害物质；

6）生产和制备技术成熟。无人水下航行器外热源热机使用金属燃料不具有难以克服的技术问题。见表4。

综合考虑，无人水下航行器外热源热机使用的金属燃料首选Mg和Li。

3　比较与推荐

表4　无气体产生燃料的比较

4　结束语

使用金属作为无人水下航行器外热源热机的无气体产生燃料，相比非金属燃料，在反应产物、反应放热量、制备与储存、安全性等方面，均具有优势。

在此方向上，需要开展进一步的理论和实验研究，包括燃烧特性、外部条件对燃烧过程的影响、反应催化剂的选择等。

[1] ДядикА.Н.Корабельныевоздухонезависимыеэнергетические установки[M].СПб: Судостроение，2006.

[2] 李大鹏. 潜艇AIP装置[M]. 国防工业出版社，2015.

[3] 张晓东，李大鹏. 闭式循环汽轮机装置使用的无气体产生燃料[J]. 能源研究与信息，28（2），2012: 120-124.

[4] 李大鹏，王臻. Mg作为外热源式AIP装置无气体产生燃料研究[J]. 船电技术，34（10），2014: 2-3.

[5] 伊赫桑·巴伦. 纯物质热化学数据手册[M]. 北京:科学出版社，2003.

No-gas Generation Fuel Used in External Heat Source Engine of Unmanned Underwear Vehicle（UUV）

Lu Hong，Zhao Xi，Ni Yafei，Shao Mingchen，Li Dapeng
(. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Unmanned underwater vehicle(UUV) is applied to the military field more and more widely，of which power plant is one of its technical difficulties. External heat source engine is better than the other types of UUV’s power plants by the characters of continuous navigation capacity and navigation velocity. Employment of no-gas generation fuel for the UUV can resolve the problem of gas exhaust underwater and improve navigation stealth. According to technical requirements and working conditions of the UUV，no-gas generation fuels that can be used in the external heat source engine of the UUV are investigated，and used no-gas generation fuels and theirs oxidizers are given in this thesis.

unmanned underwater vehicle(UUV); external heat source engine; no-gas generation fuel

TM621

A

1003-4862（2015）12-0030-04

2015-07-01

教育部第47批归国留学人员科研启动基金，教外司留（2013）第1792号

陆宏(1979-)，女，硕士研究生。研究方向：舰船动力装置。