潜艇动力装置技术发展趋势及应用前景展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

0 引言

潜艇是一类可在水下航行的舰船［1］。在潜艇领域，由柴油机、电动机和蓄电池组所组成的动力装置被称为常规动力装置。此类动力装置已在潜艇领域应用多年，在核动力装置出现以前，潜艇多采用此类动力装置。

1 潜艇常规动力装置及其技术特点

1.1 柴油机及其技术特点

由于潜艇内部的工作条件较为恶劣，因而在选用潜艇柴油机时要求较为严格。目前所使用的柴油机均会采用各种增压方式来提高功率，其中采用涡轮增压的效果最为显著。但在较大背压及真空度的条件下，特别在背压波动时，涡轮增压柴油机的工作稳定性和可靠性均会受到较大影响。

潜艇柴油机还应具有耗气量低、耗油量少的特性。耗气量低可以减小通气管尺寸或降低排气背压，这样有利于减小潜艇流体阻力，并改善柴油机的工作条件，从而降低机舱真空度。耗油少可以增大潜艇续航力。与两行程柴油机相比，四行程柴油机由于具有单独吸气行程，其加速性能及高背压性能较好，更适用于潜艇的通气管航行状态。此外，四行程柴油机耗气量较低，仅为两行程柴油机的56%～66%，其燃烧也更充分，故燃油消耗率低于两行程柴油机。

潜艇柴油机的选型还取决于动力装置的传动型式。二次世界大战前，潜艇水面航速是一项重要战术指标，动力装置均采用直接传动，柴油机多选用中速机。而随着技术的发展，潜艇多处于潜航状态，在水面活动的机会日益减少，水面航速的战术重要性逐步降低，水下航速则亟待持续提高。据此，各国相继为潜艇选用了电力推进系统。该系统不仅避免了直接传动系统所具有的动力性匹配问题，而且也为潜艇选用重量轻、尺寸小的中、高速柴油机开辟了新的发展路径。目前，中、高速柴油机的寿命也有了大幅度提升。随着中、高速柴油机性能的与日俱增，其在潜艇上已得到越来越广泛的应用。就目前而言，采用机械增压系统及中冷系统的四行程中、高速柴油机已成为常规潜艇的主流动力装置。

为适应潜艇的特殊要求，并确保柴油机工作的可靠性和寿命，潜艇柴油机往往会以低工况状态运行，这就导致潜艇柴油机有着较高的功率储备。目前，已通过提高加工精度，实现机组的静平衡及动平衡等措施，进一步降低潜艇柴油机的噪声。为使柴油机适应战斗过程的需要，各国均开展了新的产品研发过程。

就现阶段而言，各国柴油机的发展途径是增加缸数，扩大缸径，并适当提升活塞平均速度，通过提高平均有效压力的方式来提升单机功率。

1.2 蓄电池及其技术特点

1.2.1 蓄电池的定义

蓄电池是一类可实现充电和放电的便携式直流电源。按电解液性质可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。前者包括铅酸电池等，后者包括镍镉电池及锌银电池等。

1.2.2 铅酸电池及其技术特点

铅酸电池是一类常见的蓄电池，广泛应用于飞机、汽车及船舶等移动设备，同样也是潜艇的传统水下动力来源，其自19 世纪末期开始用于潜艇以来，已经历了多年发展历程，各方面性能均有了长足进步，以提高潜艇水下航行速度，确保潜艇的作战性能。铅酸电池具备如下技术特点：①结构简单，全部元件可以组装在箱体内；②单个电池的电动势较高、内阻较小；③能量转换效率较高；④能实现大电流放电；⑤可以在海水压力下工作，而且压力对电池性能影响较小；⑥由于无运动部件，故不会产生显著的振动与噪声；⑦可以在明显高于或低于海水温度的环境下运作；⑧可靠性高，即便单体电池出现了技术故障，也不会影响整个电池系统的输出，仍可持续工作；⑨成本低廉。

铅酸电池的技术弊端在于：①比能量较低；②总功率较低；③尺寸和重量较大；④循环寿命较短。

1.2.3 锌银电池及其技术特点

锌银电池是一类常见的蓄电池，有着较长的发展史。目前多用于飞机、潜艇、鱼雷等移动设备及武器装备的直流电源。锌银电池具有如下优点：①具有较高的比功率；②具有较高的比能量；③自放电率低；④机械强度高；⑤能较好地承受短期超负荷。

但是锌银电池也存在如下诸多缺陷：①电池成本昂贵；②寿命较短；③容量衰减速度快；④充电时间长。

上述不利因素限制了锌银电池的应用，但由于锌银电池具有较高的放电速率，因此在深海潜水器中仍得到了良好的应用。需要注意的是，虽然锌银电池能在较高的压力环境下重复放电，但由于海水压力的原因，会使其极化现象衰退，从而会使放电电压较高，而充电电压较低。此外，深海的低温对锌银电池的性能也会产生影响。当温度下降时，锌银电池的极化现象增强。综上所述，由于受到水下恶劣工作环境与潜艇体积的严格限制，使用锌银电池时需要重点考虑可靠性和安全性。

1.2.4 镍镉电池及其技术特点

镍镉电池是一类常见的蓄电池。其优势是使用寿命较长，机械强度较高，承受冲击和振动的能力较强，低温条件下的工作性能较好，并且放电电压平稳，维护简便。其弊端在于耗镍较多，成本较高，多用于通信、照明、电子仪器等设备的直流电源。

1.2.5 3 类蓄电池的对比

综合上文所述，3 类蓄电池特性总结如表1 所示［2］。

表1 蓄电池技术特性总结

与铅酸电池相比，锌银电池的特点是体积小、重量轻、比能量高，短时间内可以释放较多电量，但较高的成本、较短的寿命及较长的充电时间限制了其在常规潜艇领域的应用。

与铅酸电池相比，镍镉电池在能量密度、使用便捷性等方面均有显著优势，但镍镉电池能量密度较低，且对环境的污染较为严重，某些国家已禁止生产该类电池。然而，考虑到镍镉电池在大电流放电、自放电和成本方面的突出优势，仍有一定的用武之地。

1.3 不依赖于空气的推进（AIP）系统及其技术特点

1.3.1 AIP 系统概述

常规潜艇的主要弊端在于以蓄电池作为水下潜航时的能源，致使全艇的水下续航里程和续航时间较为有限，需要频繁浮上水面充电，导致全艇的隐蔽性较差。为弥补这一弊端，AIP 系统得到了迅速发展［3］。AIP 系统由于在工作时不依赖于艇外空气，可为常规潜艇提供持续的动力来源，使其水下续航里程和续航时间大幅提升，扩大了水下作战半径，有效提升了潜艇的隐蔽性及综合作战能力［4］。

1.3.2 闭式循环柴油机及其技术特点

闭式循环柴油机通常由柴油机、排气冷却装置、气水分离装置、二氧化碳吸收装置、氧源与混合装置等组成，工质在封闭回路中完成热力循环［5］。闭式循环柴油机的优点是结构简易、易于投产，可由常规柴油机改型而来，技术成熟，成本低廉，并可采用潜艇自行携带的氧，运作时可完全脱离大气，热效率较高，且不受潜航深度的影响。其弊端在于氧气的储存过程较为困难，具有一定的危险性，而且其功率往往受到诸多限制，相应地限制了潜艇的水下航速。与一般的铅酸电池相比，闭式循环柴油机具有如下优点：

（1）能量密度较高，其比能量显著高于铅酸电池。

（2）重新补给所需的时间较短，并且设备的使用寿命较长。

1.3.3 斯特林发动机及其技术特点

1816 年，斯特林发动机由苏格兰人罗伯特·斯特林发明。该类发动机采用闭式循环，燃烧过程在机组外部进行。斯特林发动机具有热效率高、排放性性好、运转平稳、扭矩特性好、燃料适应性好等优点［6］。斯特林发动机由外部供热系统、闭式循环系统、动力传动装置和辅助系统等组成。按结构型式的不同，斯特林发动机可分为配气活塞式和双活塞式；按活塞工作情况的不同，斯特林发动机可分为单作用式和双作用式；按传动方式的不同，斯特林发动机可分为曲柄连杆式、斜盘或摆盘传动式，自由活塞式和膜片式。

由于斯特林发动机运作过程能完全脱离大气，因此适合用作于潜艇在水下航行时的推进动力，也可作为单独的水下发电装置使用。该类发动机采用外部燃烧系统，即使潜艇处于水下状态，仍可正常运行。该类发动机运行安静、效率高，可采用多种工质，振动及噪声较低。

1.3.4 燃料电池及其技术特点

燃料电池是20 世纪60 年代开始兴起的一类新型电源，至今已有许多类型，并已运用在许多领域中，特别是用在航天领域。以质子交换膜燃料电池为例，其以氢气为燃料、以空气中的氧气作为氧化剂，直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效、清洁地转化为电能。

在燃料电池中，由于燃料直接经过化学反应而放出电能，无需中间设备，所以其能量转换效率明显高于柴油机，能量转换效率可达60%～70%。在扣除了相关系统和辅机设备的损耗后，燃料电池的最终效率也有约45%。而柴油发电机组的这一指标仅为30%～40%。

燃料电池的比能量较大、连续供电时间长，噪声小，有较强的过载能力，使用寿命可达数千小时，特别适用于潜艇；但其辅助系统复杂，大多需要金属催化剂，成本高昂。即便如此，综合相关因素来看，普遍认为燃料电池是最有前景的常规潜艇动力装置，有望从AIP 系统发展成单一潜艇动力装置［7］。目前，制约燃料电池在常规潜艇动力装置领域大规模推广的因素主要有以下5 点。

（1）功率仍需提升。燃料电池如需应用于潜艇，就必须满足潜艇所需的推进功率，因此各国都在努力提高燃料电池的功率。

（2）延长使用寿命。燃料电池的寿命通常会随输出功率的增大而减小，这样的寿命水平较难满足潜艇要求。为进一步提高潜艇的水下航速，并提升其续航力，要求燃料电池必须以大电流密度进行长时间放电，由此会影响电池寿命。

（3）需充分解决氢燃料的制取、储备及运输等问题。

（4）燃料电池的成本依然过高。

（5）燃料电池如需应用于潜艇，还需要对复杂的辅助系统进行优化。燃料电池的辅助系统包含若干部件，有燃料和氧化剂的供给系统；电解质的循环系统，废物处理系统，电气控制系统、自动检测系统和安全系统等。这些辅助系统本身体积尺寸庞大，控过程制复杂，又会消耗较大的功率，因而当燃料电池需要布置到体积、重量受到严格限制的潜艇上，矛盾会显得更加突出。

2 潜艇核动力装置技术特点及发展

2.1 潜艇核动力装置的技术特点

与常规动力装置不同，核动力装置利用核燃料在反应堆内进行链式裂变反应，释放出巨大的热量，从而加热冷却剂（液体或气体），冷却剂吸收热能后再直接或间接地导入主机中以产生推进动力。

核动力装置主要由核反应堆、蒸汽发生器、加压器、循环泵和汽轮机等设备组成。现代潜艇大多采用压水堆，并利用主循环泵使载热剂（高压水）通过堆芯，并将热量带走，通过蒸汽发生器将水加热成蒸汽，供给汽轮机以驱动推进器，产生推力推动潜艇前行［8］。为了提升潜艇的生命力，通常会为核动力潜艇配置电力推进系统，作为应急状态下的动力来源。

2.2 核潜艇的发展

1946 年，美国决定研制第一艘核潜艇，命名为“鹦鹉螺”号。该核潜艇于1954 年1 月21 日举行了下水仪式，同年9 月正式服役。在穿越大西洋的航行过程中，该核潜艇平均航速为20 kn（节），是同期常规潜艇的1.5 倍。

核潜艇发展之初，主要以鱼雷作攻击武器，但随着现代武器的迅速发展和核动力技术的不断改进，特别是将战略弹道导弹装备核潜艇后，按其配备武器的不同，也可将其区分为攻击型核潜艇和弹道导弹型核潜艇两类；此外美、俄等国还发展了巡航导弹核潜艇［9-11］。核潜艇的出现使潜艇真正实现了不依赖大气且在水下长期航行的目标，因此得到了长足发展［12］。

3 潜艇动力装置未来技术发展趋势及应用前景

就目前而言，柴油机与蓄电池的组合仍为常规潜艇的主要动力来源。但由于水下无空气，常规潜艇在水下无法使用柴油机，需以蓄电池作为水下潜航时的动力来源。以铅酸电池为例，其在潜艇领域的应用已有百余年的历史，是1 种较为可靠的电源。但潜艇在水下如以全速航行，通常会在数小时内将蓄电池的电量悉数耗尽，为此又需浮至水面，并重新通过柴油机为蓄电池充电，方可继续潜航。即使是以5 km/h 的速度航行，在水下至多仅能维持数天，为此需采用AIP 系统来为潜艇的水下潜航提供动力来源。

对于采用闭式循环的发动机而言，如要应用于水下，要考虑到其受水下特殊条件的制约，如较高的排气背压、二氧化碳吸收、氧化剂储存等问题，同时也需实现机组的小型化，并使其具备较高的效率。以闭式循环柴油机为例，在水下运作时，多采用储存的气态或液态氧，并配备有1 套废气还原装置，将部分废气进行还原处理，随后重新使用，而将剩余的废气排出舷外，可以确保潜艇在水下的长时间航行。

燃料电池是1 类具有较好发展前景的动力装置。与蓄电池相比，燃料电池的比能量更高，更易于满足潜艇在水下高速航行的要求。虽然燃料电池目前已在潜艇中得以应用，但要想完全取代其他类型的电池，必须充分解决安全性、高效性、可靠性及成本等问题。随着燃料电池能量密度及总容量的逐步提升，其有望在潜艇中得到广泛应用。

不同于常规潜艇，核动力潜艇更具发展前景。采用核动力装置后，潜艇无需浮上水面，仅需携带足够的装备及物资，即可在深水下连续航行达数月甚至更长时间，水下航速亦不受影响，可实现真正的长期潜航状态。

4 结论与展望

考虑到潜艇在海防事业中所起到的重要作用，而动力装置又能为潜艇提供必要的推进动力，因此基于各类潜艇动力装置所开展的技术研究有着重要而深远的意义。

就目前来看，核潜艇将是未来的重点发展方向。潜艇核动力装置将趋向小型化，从而使核潜艇尺度减小，造价降低，但作战功能更加强大。此外，AIP 系统将在常规潜艇上得到广泛应用。随着燃料电池技术的不断完善，其在潜艇上的应用也使得潜艇的水下续航力与日俱增。可以预见，未来的AIP 技术将包含多种模式，输出功率更高，技术更加成熟。