潜艇AIP系统技术特点及其未来应用前景研究

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司 上海 200438)

0 引言

常规潜艇不依赖空气的推进系统(Air Independent Propulsion System，AIP)是指不需要外界空气而仅依靠潜艇储存的能源物质(例如燃油、氢气或能产生氢气的物质等)与氧化剂(通常是液态氧)并提供能量转换条件，完成能量转换，以保证潜艇动力需求的装置。是自20世纪80年代发展起来的应用于常规潜艇水下长时间潜航推进系统的总称。AIP系统与传统的柴油发电机组和蓄电池组成常规潜艇的混合推进系统。

常规潜艇加装AIP系统的主要目的是减少潜艇通气管航行时间，增加潜艇的水下续航力，降低潜艇的暴露率[1]。由于近年来各国所研制的AIP系统的输出功率尚未达到取代潜艇常规柴电动力的程度。因此，目前常规潜艇上已经装艇或计划装艇的AIP系统通常是作为辅助动力而得以使用。常规潜艇在水面和通气管状态航行时，仍使用柴油发电机组充电、航行，水下中高速航行由蓄电池作为动力[2]，而在水下航行状态除了可应用原有的蓄电池推进外，主要由AIP系统提供经航电力。通过加装AIP系统，可使潜艇水下续航力显著增加，暴露率大幅降低[3-4]，增加了隐蔽性。而付出的成本则相对较低，潜艇的排水量稍有增加、最大航速稍有下降。

1 常规潜艇AIP系统的发展历程

早在第二次世界大战期间，德国海军由于受到盟军反潜力量的沉重打击，曾经尝试研制不依赖空气的主动力系统，该系统以过氧化氢为氧化剂、煤油为燃料的瓦尔特发动机产生动力，作为潜艇推进的动力源。这种不依赖空气的主动力源若要为潜艇持续提供足够的续航力，则必须要携带大量的过氧化氢，考虑到潜艇内空间较为有限，因此该要求通常难以实现。而且由于过氧化氢易于发生爆炸，会对潜艇和人员产生严重威胁。因此，该类不依赖空气的主动力系统在潜艇上的实际应用效果较差。同时，由于当时德国研制出了通气管装置，使潜艇柴油机可以在通气管状态下长期运行，从而在当时显著提高了常规潜艇的隐蔽性和作战能力。因此，在二战时期，基于AIP系统的相关技术并未得到进一步发展。

随着科学技术的进步，特别是反潜探测技术的发展，常规潜艇即便采用通气管航行状态，也会提高暴露率，而在水下进行隐蔽航行时，通常只能以蓄电池作为动力源，容量有限的蓄电池使得常规潜艇必须频繁地浮到水面或以通气管状态航行充电，这样一来常规潜艇极易受到反潜力量的攻击。

因此，从20世纪80年代开始，西方常规潜艇技术较为先进的国家，如德国、英国[5]、瑞典、俄国、法国等国家重新将技术关注点聚焦到不依赖空气的AIP系统上，同时对其的使用观念也逐步发生了转变。目前，世界各国主要将AIP系统作为常规潜艇水下低速航行的辅助动力，而非作为主动力，因此AIP系统所需携带的氧化剂大幅减少，使其在常规潜艇上的应用成为现实。

2 常规潜艇AIP系统的类型

根据AIP系统的定义，凡是不需要依靠大气环境即可投入运作的辅助推进系统被统称为常规潜艇AIP系统。AIP系统一般可分为小型核动力装置AIP系统和非核AIP系统两大类。而非核AIP系统又分为热机型AIP系统和电化学AIP系统。

热机型AIP系统有：闭式循环柴油机AIP系统、斯特林发动机AIP系统、闭式循环汽轮机AIP系统、闭式循环汽轮机AIP系统等；电化学AIP系统主要包括质子交换膜(质子交换膜)燃料电池AIP系统等[6]。

3 斯特林发动机AIP系统及其技术特点

3.1 斯特林发动机

斯特林发动机是一种通过外部热源加热内部工质的活塞式往复发动机。内部工质被封闭在缸内，通过加热后得以膨胀做功。所遵循的热力循环是一种闭式的，采用定容回热的气体循环，被称为斯特林循环[7]。外部热源是由柴油(或其它燃料)与液氧(或过氧化氢等高效氧化剂)混合，可在高压下燃烧时提供，也可由放射性同位素的衰变热提供。

3.2 斯特林发动机AIP系统的技术特点

(1)斯特林发动机所采用的外部加热装置对热源形式无特殊要求，凡是温度在400 ℃以上的任何形式发热装置都可成为斯特林发动机外部加热系统的热源[8-9]。因此，其对燃料及能源有着较高的适应性；

(2)排气污染低。斯特林发动机的燃烧是连续进行的，燃油和空气混合良好，空燃比的变化对热效率影响不大，对功率更是几乎没有影响。因此，燃烧过程可在具有较高过量空气系数的情况下运行，接近于完全燃烧，这样就使得排气中的NOx、CO和碳烟排放较少；

(3)噪声低。斯特林发动机的燃烧是在接近于大气压的压力下连续进行的，不会像内燃机一样产生剧烈噪声；

(4)运转平稳、振动小；

(5)效率高，而且在部分负荷下工作的效率也较高；

(6)转速扭矩特性好；

(7)超负荷能力强，可达额定扭矩的150%；

(8)具有良好的加速性能，发动机从怠速工况加速到全负荷的时间一般仅需0.1 s～0.3 s；

(9)斯特林发动机AIP系统的工作状态与潜艇深度无关，但是斯特林发动机的制造难度大、造价高，同时很难以民用市场作为技术依托。

4 闭式循环柴油机AIP系统及技术特点

闭式循环柴油机是通过对通用型柴油机的进、排气系统进行改造，使其能不依赖空气即可正常工作的柴油机。

4.1 闭式循环柴油机AIP系统的工作原理

闭式循环柴油机系统主要由柴油机、供油系统、供氧系统、废气喷淋冷却装置、CO2吸收装置、水管理系统及控制系统组成[10]。

闭式循环柴油机的工作原理主要如下。将气缸内燃烧做功后的废气以350 ℃～450 ℃的温度及0.3 MPa～0.5 MPa的压力排出，废气主要由CO2、N2、水蒸气和少量未燃烧的氧气构成。经喷淋冷却后，其温度降至80 ℃～100 ℃，然后送入CO2吸收器，在吸收器中大部分CO2和水蒸气溶解在加压的海水中，剩下的不可溶气体则进入混合室，在混合室内与加入的氧气和少量的惰性气体(氩气)进行混合，配制成可满足柴油机工作要求的“人造大气”，重新送入气缸参加燃烧做功，从而实现闭式循环。

意大利对闭式循环柴油机的研究历史已达数十年。早在1982 年，意大利方面曾将1台闭式循环柴油机用于深潜器，后又在一艘袖珍潜艇上使用，水下航速达18 kn(节)，续航里程为400 n mile(海里)。如德国、荷兰、英国等国都对闭式循环柴油机进行了多次试验研究，并取得了一定成果。

4.2 闭式循环柴油机AIP系统的技术特点

(1)单机功率大；

(2)可以通过对通用型柴油机进行改装来实现，大部分零部件可与一般柴油机实现通用，技术成熟、研制费用低、可靠性高；

(3)振动噪声较大，而且对外排气需要一套比较复杂的水管理系统；

(4) 由于系统与外界仍存在一定的工质交换，因此并非完全意义上的闭式循环，将其称作为“半闭式循环”或“半开式循环”更为合适。

5 闭式循环汽轮机AIP系统及其技术特点

通常，闭式循环汽轮机AIP系统也被称为自主式水下能源系统，下面将详细阐述其工作原理[11]。

5.1 闭式循环汽轮机AIP系统的工作原理

闭式循环汽轮机AIP系统通常由两个回路组成，即高温燃气产生回路和蒸汽产生回路。储存在氧罐中的液态氧，通过液氧低温输送泵使压力提高并将其加热成气态氧，气态氧通过管路进入高压燃烧室中，与从燃油储存箱送来的燃料(一般为乙醇)进行混合并燃烧，在高压燃烧室里产生温度高达700 ℃、压力为6 MPa的高温高压气体，这种高温高压气体被送往蒸汽发生器放热后依靠自身的高压排放到艇外，这部分便是组成自主式潜艇能源系统的高温燃气产生回路分系统。

蒸汽产生回路系统采用的是一种以淡水作为工质的循环系统。在蒸汽发生器里，管路外面的水通过吸收高温高压的燃烧气体放出的热量而变成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽驱动汽轮机做功后被送入冷凝器，在冷凝器中经海水冷却后冷凝成水，通过给水泵再将其送往蒸汽发生器以进行循环。汽轮机驱动交流发电机运行并进行发电，为潜艇提供所需的电能。

5.2 闭式循环汽轮机AIP系统的主要设备组成

闭式循环汽轮机AIP系统以乙醇作燃料，氧气作为氧化剂，工作压力为6.0 MPa左右，该系统主要设备主要包括：

(1)燃烧室，乙醇和氧气在其中进行燃烧，并由再循环气体冷却；

(2)蒸汽发生器，其为循环系统的热源；

(3)冷却器，用于冷凝燃烧产物和工作后的乏汽；

(4)再循环回路，将冷却后的部分气体返回到燃料室，冷却烟道壁，同时降低燃料气体的温度，避免蒸汽发生器管壁温度过高。

闭式循环汽轮机AIP系统配备有一回路及二回路。氧气与乙醇在高压燃烧室燃烧，产生热量[12]，通过一回路将热量导入蒸汽发生器，以产生汽轮机所需要的工作蒸汽，燃烧产生的废气通过排气系统排出艇外。二回路则为汽轮发电机组及其系统回路。

5.3 闭式循环汽轮机AIP系统的技术特点

(1)单机功率大；

(2)汽轮机制造技术较为成熟，研制难度相对较小；

(3)汽轮机为旋转式机械，振动较小，隐蔽性好；

(4)闭式循环汽轮机装置系统复杂，辅助冷凝设备多，布置困难，而且热效率低，经济性差。

6 燃料电池AIP系统及技术特点

6.1 燃料电池AIP系统及其历史发展

燃料电池AIP 系统是一种电化学装置，其利用潜艇上携带的氧和氢作为燃料，在特定的燃烧室内进行化学反应和电解，通过直流电能直接驱动电动机带动螺旋桨旋转，推动潜艇航行。其化学反应生成物是水，无须排出艇外，既不会产生航迹，又不受深水背压变化影响，同时具有噪音低、效率高、结构紧凑、使用安全等优势，其为一种较理想的潜艇AIP 系统。

燃料电池从20 世纪60 年代中期就已在航天工业中使用， 20 世纪70 年代以来，又曾在深潜器中使用。20 世纪80 年代以后， 部分国家对燃料电池AIP 系统在潜艇上的应用进行了研究试验。

目前，德国、俄罗斯、英国、加拿大等国家都在针对燃料电池AIP系统以开展试验研究。其中德国、俄罗斯已分别在212级潜艇、阿穆尔级潜艇上使用燃料电池AIP系统，加拿大已在支持者级潜艇上加装了燃料电池AIP系统。

6.2 燃料电池AIP系统的技术特点

燃料电池是直接将燃料中的化学能转换成电能，省去了一般热力发动机中的热能转换过程，因此，其技术特点主要如下：

(1)效率高；

(2)内部无回转机械，几乎无噪声，排温低，信号特征小，隐蔽性好；

(3)功率密度大，过载能力强；

(4)配置灵活；

(5)环境污染小。

但是，在潜艇内除液态氧外，还必须配备有氢燃料，燃料电池的氢燃料主要有以下几种：

(1)以纯氢为燃料，高压存储；

(2)通过甲醇蒸汽以重整制氢；

(3)通过对碳氢化合物进行部分重整以制氢。

以纯氢为燃料，可以使燃料电池具有较好的性能。但是通常氢是以气态存在的，由此使得氢的燃料来源及其储存和运输技术成为目前亟待解决的问题。液态储氢同气态储氢相比，效率得以显著提高，而且能使整个装置的重量减轻，体积也相对减小。同时，由于氢气的液化要消耗大量的能源，而且对氢的纯度要求比较高[13-14]。为了实现液态储氢，需要开发出绝热性非常好的真空储氢罐，防止挥发与泄漏。

虽然发展前景较好，但燃料电池仍有一定不足之处，主要是其成本较高、系统较复杂、燃料储备占据空间较大，安全性较差，为此仍需开展进一步研究。

7 小型核动力AIP系统及其技术特点

7.1 小型核动力AIP系统及其组成

小型核动力AIP系统就是在常规潜艇中加入1个带有小型核反应堆的舱段，使潜艇在潜航时，既可使用核动力推进，也可使用蓄电池推进，在采用核动力推进时，可以长时间以10 kn左右的航速进行连续的水下航行。此外，当潜艇蓄电池的电能耗尽时，利用艇上的核动力装置就可为蓄电池缓慢地充电。在安全海域，也可使用通气管装置对蓄电池进行快速充电。

小型核动力装置通常由五个主系统及辅助设备组成，该五个主系统分别为核反应堆热源、能量转换装置、控制和监视系统、功率分配系统，以及连续供电系统。

在小型核动力AIP推进系统中，最主要的部分是核反应堆热源，通常为小型核动力反应堆堆芯选用TRGA 型核燃料。该类核燃料的性能稳定，在裂变功率、热流量、燃料消耗，以及所需冷却剂压力等方面均已经历了多年的实践考验，有着较高的技术成熟度。

TRGA型核燃料的主要成分是铀-锆-氢化物(U-Zr-H)，该类核燃料的基本特点是具有较高的瞬时负温度系数和较好的裂变产物抑制特性。在使用这种核燃料时，如需对核反应堆进行功率调整，可在控制系统和监测系统的操纵下，通过调节中子吸收器的位置而得以实现。反应堆进行核反应时所产生的热量，由流经反应堆堆芯的轻水(反应堆冷却剂)带出，再经氟利昂蒸发器将热量转送到能量转换装置。

核反应堆的主要元件，包括反应堆的堆芯、反射器、一次屏蔽，以及一回路冷却剂管道等设备，都安装在一个较大的备用冷却水舱中，一旦一回路冷却剂的循环遭到破坏时，被动冷却机械就会在反应堆芯与备用冷却剂之间自动实现冷却剂的对流流动。

小型核动力核反应堆采用了一种特殊的能量转换装置，该转换装置可将反应堆所产生的低温能量连续转换成电功率。在进行能量转换时，所采用的能量转换技术主要是低温汽轮机。反应堆堆芯的工作温度为一回路压力的函数，在进行能量传递和转换过程中，氟利昂作为工质以进行循环。

在整个能量转换装置中，一回路将来自堆芯的高温水通过二回路的热交换器进行循环，而二回路蒸发器内部则充满了氟利昂，氟利昂被加热变成气态的氟利昂蒸汽，再通过单级径流式汽轮发电机组后，将热能转换成电能。随后，氟利昂再流至整流器中。

作为小型核动力AIP系统反应堆的控制和监视系统以微处理机为基础。该系统所具有的功能可对小型核动力AIP系统的参数进行扫描，并对输入信号偏离设定值的误差进行检验和校核，执行控制计算，如出现问题可即时产生报警信号。

7.2 小型核动力AIP系统的技术特点

小型核动力AIP不同于传统核潜艇的核动力装置，并具有以下技术特点。

(1)输出功率选用范围较大

小型核动力装置的净输出功率范围较大，可在100 kW～1 MW的区间内进行变化。通常而言，输出功率为100 kW的小型核动力AIP系统可应用于排水量为1,000 t的潜艇上，输出功率为400 kW的小型核动力AIP系统可应用于2,000 t排水量的潜艇上。

(2)核反应堆具有自动停堆能力

小型核动力装置核反应堆是不加压或轻度加压的轻水冷却型核反应堆，当核反应堆突发故障时，可对核燃料棒进行冷却，从而避免危险。由于自动冷却系统没有可动部件，因此，在无人操作或艇内电源断掉的情况下，冷却系统仍然发生作用，使发生故障的反应堆自动停堆。

(3)结构简单，操作容易，工作寿命长

小型核动力AIP系统的核反应堆与传统核反应堆相比，结构简单，造价低廉。由于小型核动力装置核反应堆具有低压和低温的特点，因而简化了反应堆的操作，其使用寿命一般为8年～10 年，与潜艇的大修周期基本同步。

(4)核反应堆核燃料安全可靠

小型核动力装置核反应堆使用的是仅含19.7%浓缩铀的核燃料，其特点是当发生核反应堆功率突然升高时，核燃料自身所具有的补偿特性会使核反应堆的运行速度得以减缓。

(5)核反应堆设计尺寸可与潜艇实现有机匹配

小型核动力装置核反应堆设计尺寸与当前大多数潜艇的主尺度匹配，完全可以被装入2,000 t级常规潜艇7 m直径的耐压壳内。因此，小型核动力AIP系统的核反应堆既可用于新建潜艇，也可用于对现役潜艇的改装。小型核动力AIP系统能充分适应较小排水量的装备平台环境，在尽量不改变常规潜艇总体动力系统架构的基础上，通过装备小型核动力装置，使潜艇在不依赖空气产生的前提下，获得水下推进动力。

不像传统核潜艇那样追求高航速的强大动力，但是也不等同于航天工业中只需要为电子元器件、控制和照明提供小功率电源的需求，小型核动力AIP系统输出的功率能满足潜艇中、低航速推进的能量需求。

尽管性能优越，但同时小型核动力AIP系统也存在着以下缺陷：

(1)存在核动力装置安全、核辐射、核设施管理、报废处理等问题；

(2)该系统的工质参数及工作效率均较低，冷却水流量大，同时由于系统配备有较多的大型噪声源设备和大流量管路，噪声控制等问题较为严重。

8 几类AIP系统技术特点的比较

分别选择热机型AIP系统中的斯特林发动机AIP系统、电化学AIP系统中的燃料电池AIP系统，以及小型核动力AIP系统进行对比研究。这几类种AIP系统是目前世界上比较成熟的AIP系统，根据其各自的工作原理和在常规潜艇中的应用情况，主要从如下几个方面对各自的特点进行比较。

8.1 系统技术成熟度

从国外常规潜艇应用AIP系统的情况看，斯特林发动机AIP系统已有多年的运行经验。无论从系统本身还是应用于潜艇的相关总体技术方面都没有遗留的问题，可以说是一种较为成熟的AIP系统，目前已应用于瑞典“哥特兰”号潜艇，该潜艇已得以正式交付。燃料电池AIP系统在德国已进行过艇上运行试验，目前也已装备于该国212级、214级等潜艇上。小型核动力AIP系统已在加拿大、法国和俄罗斯等同进行过应用于潜艇的相关研究，并已应用到潜艇上。因此，这几种AIP系统技术均有一定的技术成熟度。

8.2 系统的输出功率

目前，单台V4-275R型斯特林发动机的输出功率最大可达75 kW，发电机组输出功率约为65 kW，考虑到系统本身消耗的功率，其系统功率输出更低。燃料电池AIP系统单个电池功率可达50 kW，其装置的总功率根据潜艇的需要可以增加电池个数。小型核动力AIP系统的提供的输出功率则明显高于上述两种AIP系统。

8.3 系统的工作效率

在上述几类AIP系统中，小型核动力AIP的系统效率大约为10%，尽管该指标相对较低，但其核燃料可为潜艇提供足够的水下续航里程。斯特林发动机AIP系统的理论效率可达42.5%，但其实际有效效率目前仅为30%左右。而燃料电池AIP系统的效率理论上可达到80%～90%，实际效率可达到50%～70%，是所有AIP系统中系统最高的。

8.4 系统的安全性

斯特林发动机AIP系统的安全性与艇上储存的大量液氧有关，液氧对潜艇安全性的影响主要表现在两个方面。其一是液氧罐的安全性，其二是氧气在舱室中的泄漏。从国内外的试验来看，液氧储存技术是较为成熟的，舱室内氧气浓度也可通过检测以进行控制，因此，斯特林发动机AIP系统的安全性可得到充分保证。

燃料电池AIP系统的安全性既与艇上储存的大量液氧有关，又与燃料电池工作时需要的氢燃料有关。若使用纯氢，无疑将影响到潜艇的安全性。因此，国外一般采用金属氢化物制氢或甲醇等燃料重整制氢，但无论采取哪一种方式制取氢燃料，在潜艇密闭空间内必须高度关注氢气和氧气的安全性问题。

小型核动力AIP则是以核燃料的裂变反应的热量加热蒸汽以作为工质，艇上无须携带专用液氧和氢气，无须考虑由其引起的安全性问题，但务须重视小型核动力装置的核安全性及其核辐射防护等问题。

8.5 系统的水下续航力

配备有热机型AIP系统的潜艇和燃料电池AIP系统的潜艇，其水下续航力主要取决于其所携带的燃料和氧化剂。尤其是氧化剂更是制约这两种AIP系统的主要因素。在液氧携带量一定的前提下，由于燃料电池AIP系统的效率较高，比斯特林发动机AIP系统的效率高出近一倍，因此在携带的液氧为一定的情况下，装备燃料电池AIP系统潜艇的水下续航力约为斯特林发动机AIP系统的两倍。而装备小型核动力AIP系统的潜艇水下续航力在一段时间内，可认为是近乎无限的。

8.6 系统的信号特征和隐蔽性

潜艇的隐蔽性主要可从信号特征和暴露率两方面衡量。信号特征又分为噪声振动信号特征和红外信号特征。

由于燃料电池AIP系统基本无回转设备，系统噪声振动较低。斯特林发动机AIP系统则属于热机AIP系统，有机械运动和系统冷却泵组等，其噪声振动高于燃料电池AIP系统。小型核动力AIP系统的一、二回路均布置有泵组，二回路还配备有汽轮发电机组，因此振动噪声相对较大。当然，上述振动噪声可以通过减振降噪技术来解决。

同时，几类AIP系统工作均需要通过舷外海水来冷却，只是冷却程度不同而已。闭式循环汽轮机AIP系统需要大量海水来进行冷却，燃料电池AIP系统的冷却要求则相对更低。

单从水下续航力来看，装备小型核动力AIP系统的潜艇暴露率最小，装备燃料电池AIP系统的潜艇暴露率次之，装备斯特林发动机AIP系统的潜艇暴露率最高。

8.7 各类AIP系统的技术性能的比较

上文简要介绍了几类常用AIP系统的构成原理与特点。各种AIP系统的技术性能比较归纳于表1中[15]。

表1 各类AIP系统的技术性能的比较

9 潜艇AIP系统未来发展前景展望

9.1 非核AIP系统未来发展前景展望

斯特林发动机由于其低噪声、高效率、可使用多种燃料[16]、发动机寿命长，目前是较有前途的一类AIP系统。由于其自身固有的低功率密度等特点，决定了斯特林发动机装置功率密度小于闭式循环柴油机装置。如需加大斯特林发动机的功率，则需要多台发动机进行并联输出，又会影响到潜艇舱室布局。斯特林发动机实现功率突破的难度较大。与柴油机相比，斯特林发动机的效率稍低，油耗略高。同时其成本昂贵、研制风险大、技术门槛高、开发周期较长，可靠性还需进一步提高。为满足潜艇低速航行的功率需求，需要进一步提高斯特林发动机单机功率。为满足将来进一步发展的需要，应开发既可以使用液氧，也可以使用大气中氧成分的斯特林发动机系统。

闭式循环柴油机AIP系统主要技术优点是柴油机技术成熟、性能可靠、寿命长。目前，此类AIP系统所使用的柴油机可以为标准潜艇用柴油机，其制造和装配技术成熟，工作寿命比其他AIP系统更长。同时，其燃料可以实现通用，其所使用的柴油与普通非核动力潜艇一样，采购方便，保障简单。AIP系统随时可在闭式和开式循环两种工作方式间转换，增大了使用灵活性。由于大量使用成熟技术，且水上、水下均可使用，耗油率低，维修费用低，因此是AIP系统中最为经济的一种形式。

闭式循环柴油机AIP系统存在的缺点和不足是工作效率低、氧气消耗量大、排放热量大，以及系统噪声大。闭式循环柴油机使用普通柴油机，运动部件多，工作过程中产生的机械噪声难以避免。虽然可以采用降噪技术将噪声降至安静航行状态下的水平，但总体上比燃料电池噪声更大，同时也使系统输出功率受到限制。

闭式循环汽轮机AIP系统的技术难点在于液氧采用高压或低温储存。无论液氧储存罐置于何处，必须要经得起高达5 g的加速度的冲击。同时，其主要优点是功率较高，可满足潜艇水下高速航行的需要。闭式循环汽轮机功率可达200 kW。燃烧产物排放较为隐蔽。同时由于燃烧压力较大，燃烧产物压力也较大，无须加压就能排出艇外，以此即可减少潜艇噪声。采用气泡分裂系统使排出二氧化碳气泡直径减小，提高了废气的海水溶解度。如情况危急，可将燃烧产物冷凝后储存艇内。

闭式循环汽轮机AIP系统的主要缺点是其系统尺寸大、辅助机械和设备多。装置主要设备和部件包括燃烧室、蒸汽发生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、汽轮机、交流发电机，以及各类泵等设备，由此存在安装布置困难的问题，并需要较大的舱室空间。此外，由于汽轮机装置热效率低、经济性较差，耗氧率比闭式循环柴油机高出约15%。同时，在相同水下续航力的前提下，乙醇燃料所占用的空间比闭式循环柴油机高出一倍，且所有系统设备和部件都需专门设计，投资大，性价比较低。

燃料电池装置是最具竞争力的AIP系统之一。燃料电池AIP系统的主要优点是能量转换效率高。燃料电池通过电化学反应将化学能直接转燃料和氧化剂的化学能变为电能[17-18]，省去了热机发电时的“燃料化学能→热能→机械能→电能”等较为复杂且低效的能量转换过程，减少了能量损耗。理论能量转换效率可达90%，其实际工作效率可达60%。

氢氧燃料电池唯一的反应产物为水。同时，由于能量转换过程中能量损耗较少，所以相应的散热也少，以此有效地降低了潜艇的热辐射和热特征。

同时，燃料电池具有噪声较低的技术优势。由于在其内部能量得以直接转换，并无运动部件，因此工作过程较为安静，可使潜艇航行时具有极佳的声学隐蔽性。燃料电池维护保养方便，对零部件加工要求低，便于制造加工[19]。由于并无运动部件，也就不存在磨损故障，通过集中控制装置可以实现自动化运行。

燃料电池过载能力强，短时过载能力可达额定功率的2倍，而柴油机等传统热机难以实现该指标，因此装备燃料电池AIP系统的潜艇可进行短时加速航行。燃料电池配置灵活，便于安装。燃料电池效率随输出功率变化特性较好，适合作为功率范围宽且效率要求高的潜艇AIP系统。

燃料电池AIP系统的不足之处在于其所使用的氢燃料危险性较高。目前燃料电池只能用氢作燃料，氢的制备和提取复杂。在潜艇狭小空间内，一旦发生氢气泄漏，氢气浓度超过限值极易引发爆炸和火灾等现象。燃料电池装置功率密度较小。由于必须为燃料电池源源不断地供应氢和氧，使用燃料电池AIP系统的潜艇一般都需要配备有较大容量的液氧罐和液氢罐。同时，燃料电池也面临着生产技术难度大、对基础工业要求高、研制周期长、投入多、技术风险大等一系列问题。

这四大类潜艇AIP系统共同特点是运行都需耗氧，并且需要考虑艇上氧的储存。因此，从现阶段非核动力潜艇AIP系统发展状况来看，如何解决在潜艇上氧的储存问题，是潜艇AIP系统发展的关键技术之一。此外，燃料电池需要使用氢，斯特林发动机和闭式循环柴油机需要使用柴油。

不同潜艇AIP系统要求的燃料储存条件有所不同。以氢为例，氢既可像其他气体那样在高压下储存，也可以液态或金属氢化物形式储存。由于储存危险性较高，一般不考虑以气态形式储存。当其以液态或金属氢化物形式储存时，还需估算储存系统的重量和容积。

在选用潜艇AIP系统时，还要考虑的另一重要因素是装置效率。从现有的潜艇AIP系统来看，斯特林发动机、闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机的装置效率约为25%～30%，燃料电池装置效率约为60%。如果能够解决在潜艇上氧和氢的制备与储存问题，仅从装置效率这方面来看，燃料电池更具优势。

其中热机型AIP系统存在化学能-热能-机械能-电能的转换，均需要热力发动机作为能量转换设备，从而不可避免地对潜艇的隐蔽性产生影响。因此，对于热机型AIP系统，降低振动噪声是其发展的关键，如精心设计发动机的工作过程、提高发动机的加工工艺、采取主被动隔振措施等。同时，提高系统的效率和可靠性、安全性，使得一定量的液氧携带量可以在水下航行更长的距离及安全可靠地使用。

电化学型AIP系统可直接将化学能转变为电能，其中质子交换膜型燃料电池是常规潜艇燃料电池AIP系统的发展方向，其关键部件为质子交换膜，并以铂作为催化剂的阴阳电极，因此未来的发展趋势是进一步提高质子交换膜型燃料电池的工作效率、降低燃料电池的研制成本；对于目前的储氢技术仍将开展进一步研究，在金属储氢、甲醇重整等方面进一步加强研究，尤其是在金属储氢的效率方面将有新突破，争取以更小的空间存储更多的氢，进一步提高燃料电池AIP系统的发电能力；同时，注重电化学型AIP系统的安全性。除此之外，通过研制新型高能动力电池(如锂电池等)来代替目前的铅酸蓄电池，以求大幅增加常规潜艇水下连续潜航续航力，有望成为电化学型AIP系统发展方向之一。

当前正在研制、使用的非核动力AIP系统，无论是斯特林发动机AIP 系统，还是燃料电池AIP系统都存在一些关键问题，这些关键问题主要包括液氧的储运技术、氢气的储运技术、废气的处理技术、高温高压燃烧及密封技术等，对这些关键问题有的已得以充分解决，但还有待进一步完善，有的又带来新的问题，如氢气储运通常通过金属棒来进行携带。采用该方式时，不仅携带氢气量有限，而且会增加潜艇重量，并占用有限的潜艇空间，如何解决这些矛盾就成为潜艇设计者的一项重要课题，由此针对核动力AIP系统的开发也引起了进一步关注。

9.2 潜艇小型核动力AIP系统未来发展前景展望

核动力装置是真正的不依赖艇外空气的推进系统，由于核动力装置所具有的此类优越性，所以诸多海军强国都将其应用于本国的潜艇上。以核动力装置为主推进方式的潜艇具有功率大、续航力长的特点，但同时它也有造价高、建造周期长、维修复杂等缺点。

与传统核动力潜艇相比，小型核动力AIP系统的区别在于：

(1)参数更低，燃料富集度较低，效率较低，反应堆热工裕量更大、系统固有安全性更高；

(2)系统简单，只作为潜艇电站出现，为全电力推进；

(3)总功率仅用于满足潜艇中低速独立电能供应要求。

由于安全性和技术成熟因素，核动力潜艇反应堆主要采用压水堆。在减小体积重量方面，逐步由紧凑式布置反应堆向一体化反应堆发展。

纵观各国发展潜艇用小型核动力AIP系统的发展历程，可以看出：从传统的双回路核能发电系统，到全自然循环一体化反应堆和热电直接转换的发电系统，代表着近年来小型核动力AIP系统日益小型化和低噪声化的发展趋势。但即便如此，小型核动力AIP系统仍无法全面取代单一核动力装置。

10 结论及展望

斯特林发动机AIP 系统具有振动小、噪音低、废气可在海水中溶解等优点，潜艇航迹小，隐蔽性能好，但其开发成本高，研制周期长，可靠性仍有待提升。

闭式循环柴油机AIP系统的各项技术都比较成熟，闭式循环柴油机AIP系统主要问题是噪音大，系统较复杂、有废气排出，深潜时背压对其影响较大，而且对外排气需要一套比较复杂的水管理系统，上述问题还有待于进一步解决。

闭式循环汽轮机AIP系统单机功率较大，技术较为成熟，且振动噪声小，隐蔽性较好，但其装置系统复杂，设备繁多，布置较为困难，且热效率较低。

燃料电池AIP系统高效、清洁、振动噪声小，且隐蔽性好，有望成为潜艇单一系统。但就其使用的氢燃料的制取、储备、运输及安全性等问题而言，仍需要进一步优化。

小型核动力AIP系统相对于传统核潜艇的动力系统而言，更着重追求简单的热力架构、更好的固有安全性、更低的配套要求、更简易方便的操作使用和更低廉的全寿期价格。相对于非核的AIP系统，将使潜艇充分解决水下续航力不足的难题，并相应具有更大的功率和更好的机动能力。但由于其采用核燃料作为动力来源，因此仍面临着安全性隐患及系统复杂、效率低下，以及对核辐射和核废料的处理等其他问题。同时，小型核动力AIP系统更多仅可作为潜艇在水下航行时的替代性动力设备，仍无法取代单一核动力装置。

因此，基于本文研究，就不同潜艇动力装置的未来发展前景而言，直接发展采用单一核动力装置的大型核动力潜艇更为适宜。核动力装置以核反应堆为能源，核裂变不需要氧气，可使潜艇在水下持续地高速航行，极大地提高潜艇的隐蔽性和水下生命力，是潜艇较理想的系统。不仅如此，核动力推进系统使得核动力潜艇在执行各种任务期间无须浮出水面，实现了潜艇的暴露率接近于零，同时有着较强的续航力。由此，从长远角度来看，发展核动力潜艇更具前景[20-21]。