五种AIP潜艇谁更有前途

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　　关于中国应该发展哪一种AIP潜艇的讨论中，小型核动力混合推进潜艇目前有占据上风之势?从技术性能及作战需求看，是否该作此选择?本次沙龙就给出自己的看法
　　郭：目前已达实用化的五种AIP系统中，斯特林发动机、燃料电池和闭式循环汽轮机已装艇，闭式循环柴油机、小型核动力混合推进系统也达到了可以装艇的成熟状态。但目前的AIP潜艇都仍以柴油机为主机，AIP系统都只起辅助推进作用，无法承担水下航行所需全部能量。潜艇需要水下高速航行时，仍要用蓄电池。AIP系统主要用于低速航行和艇上部分生活负载的能量需要，充其量还只是减少通气管航行时间，降低暴露率。这主要是由于常规潜艇空间小，AIP系统的燃料和氧化剂携带量有限。
　　当前这几种AIP的输出功率，斯特林发动机约为240千瓦，燃料电池约为300千瓦，闭式循环汽轮机约为200千瓦左右，闭式循环柴油发动机可达到400千瓦。这种功率水平是什么概念?只相当于常规潜艇上装备的标准柴油机电机推进系统最大输出功率的10％。
　　斯特林发动机是瑞典于1988年出台的，到现在有多少改进?
　　郭：目前，装V4-275R斯特林发动机的潜艇除“哥特兰”级3艘外，还有瑞典在役的“西约特兰”级和日本“苍龙”级，都是MK2型。瑞典对MK2型斯特林发动机的改进很缓慢，后续型是MK3。MK3主要在发动机效率、输出功率、水下运行深度、隐蔽性等方面有所改进。
　　“哥特兰”级水下排水量1490吨，用柴油机推进时，水面最高航速11节，短时间水下最高航速20节。它装的2台V4-275R斯特林发动机单台最大输出功率75千瓦，持续功率为65千瓦。两台总共可持续发出130千瓦的功率，主要用于艇上生活设施，如照明、烹调、加热器以及电子设备等，这方面大约要消耗80千瓦，剩余的50千瓦被用于水下航行，可在5节速度下水下连续航行14天。“哥特兰”级最初曾考虑装3台斯特林发动机，后因经费不足等原因，第3台没装，但艇上已预留了空间及配套设备。如果装第3台及其液氧燃料，水下航速还会提高，续航力也比装2台时要提高1／3。
　　斯特林发动机的原理是将液氧罐中的液态氧气化，和柴油在位于斯特林发动机上部的燃烧室内混合燃烧，产生的热量传递给工作气体氦气。氦气在被加热体积膨胀及被冷却体积收缩过程中推动活塞运动。活塞再带动曲柄转动，曲柄提供机械能量来驱动发电机，电流供给电机以带动螺旋桨。
　　斯特林发动机的废气排放口是经过专门设计的，尽可能保证废气气泡不被敌方声呐探测到。燃烧系统也经过了特别设计，可保证燃料完全燃烧，大大减少了废气中其它气体的含量。废气仅仅是二氧化碳、水蒸气和极少量的氧气。它们的流量很小，而且水蒸气经冷凝器冷凝后可直接排入海水中，二氧化碳被吸收掉，其余废气被冷却，因此红外辐射很小。当潜艇处于大深度时，要用压缩机将废气加压再排到艇外海水中。压缩机会增加噪声，但可以接受。也可将燃烧废气暂存艇上，在潜艇到较小潜深时再排出艇外。
　　斯特林发动机比之其它四种AIP有五个优点。第一，结构紧凑、技术简单，运行可靠性较高。第二，振动较小，噪音较低，废气排除时不会留下明显痕迹。实测表明，当斯特林发动机高速工作时，其噪声比同尺寸的潜艇柴油机低15～25分贝，低速工作时，噪声至少比潜艇柴油机低8-10分贝。也就是说高速航行时它的优势更明显。第三，它体积小，灵活性很好。增减潜艇上的斯特林发动机台数，即可改变总功率大小，从而适合不同作战要求。比如装两台可以连续航行两星期，需要巡航四星期时装四台就行了。闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机体积很大，它们要想提高或降低功率只能改变主机及叶片尺寸等，余地很小，不可能再增加一台。第四，与其它AIP相比，斯特林发动机造价及运行和维修费用相对较低。第五，斯特林发动机一电机机组是与艇上的蓄电池并联运行的，因此水下航行时如果斯特林发动机发生故障，可立刻切换到蓄电池驱动，不会给水下航行造成重大影响。而闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机如果出故障，不能立刻切换成蓄电池推进。
　　斯特林发动机的缺陷也有一些。从工作原理上来说，斯特林发动机与传统内燃机不同，而是利用燃料和氧在外部燃烧后产生的热量传递给闭路系统中的工作气体。这种热量传递方式需要较长的热交换时间，也就是说瞬间提速或减速能力较另外四种AIP系统要弱，不利于潜艇机动性。另外，斯特林发动机噪声虽不像闭式循环柴油机和闭式循环汽轮机那样高，但仍需要采用减振措施，把噪声降到尽可能低的水平。
　　接着请谈谈燃料电池。
　　郭：德国是从上世纪80年代开始潜艇AIP研制的。当时，霍瓦兹公司开发的是燃料电池，蒂森公司开发的是闭式循环柴油机。
　　燃料电池的原理是使氢燃料和氧化物在一个特殊的燃烧室内发生化学反应直接生成电能，然后使输出的直流电驱动电机推动潜艇前进。只要外界不断供给氢和氧，就可以不断产生电能。霍瓦兹公司研制的质子交换膜燃料电池系统在1988-1989年就被通过，装备在212A潜艇上。加拿大巴拉德动力系统公司的质子交换膜燃料电池也装备在加拿大从英国引进的4艘“维多利亚”级潜艇上。巴拉德公司在1996年的试验表明，当用250千瓦燃料电池作为推进动力时，在4节航速下可连续潜航30天。俄罗斯的“水晶”27E燃料电池目前并未装在出口型“基洛”、“阿穆尔”级和俄海军“拉达”级上。它的功率和德国霍瓦兹公司的燃料电池大致相当。
　　装备燃料电池的212A潜艇水下排水量1830吨，水下最高航速20节，水面航速12节。燃料电池与艇上的柴电系统共存。燃料电池用于水下长时间低速巡逻航行，而柴油机用于作战需要高航速时。两者可单独或联合工作。
　　212A潜艇上每个燃料电池模块单元的输出功率为34千瓦，9个模块单元输出功率达300千瓦。212A潜艇如果只用燃料电池推进，以4.5节水下速度航行，可水下连续航行12昼夜，同时还可提供11千瓦的艇上生活用电。在仅利用燃料电池而不用蓄电池时，水下航速可达到8节以上，并以这一航速续航7天，这在非核AIP里算很好的了。
　　目前，装燃料电池的4艘212A都已服役。德国又研制出功率120千瓦的燃料电池模块，并计划在每艘出口型214上装两组。
　　燃料电池的优点有几个。
　　第一，燃料电池把化学能直接转换成电能，转换效率达 70％，远高于其它内燃机的效率。第二，燃料电池在生成电能的过程中基本不需要机械运动部件，所以噪声很低，机械振动小。第三，燃料电池在能量转换过程中能量损耗少，因此散热量也小，大大减少了潜艇的热辐射强度。第四，燃料电池运行的直接产物是水和二氧化碳，不产生其它废气。水和二氧化碳对潜艇的尾迹不会造成不良影响。第五，燃料电池没有运动部件，因此其维护保养方便易行。
　　燃料电池的缺点是功率密度低。像西门子公司为了解决氢的存储问题，是把氢气压在金属中，为了储存5千克氢，就需要95千克金属，这个代价有点太大了。因此目前潜艇上的质子交换膜燃料电池功率密度仅为100～130瓦／千克，而柴油机功率密度可达到300瓦／千克以上。换句话说，在输出功率相同时，燃料电池的重量将是柴油机的2倍以上。另外，目前潜艇上装备的质子交换膜燃料电池只能以纯氢作燃料。其它几种AIP只需要液氧，液氧在全世界的大港口都有充填能力，但能充填氢的不到1％。
　　因此对瑞典这种国家来讲，它的斯特林发动机潜艇航行到欧洲的北约国家港口随时能补充液氧，当然费用要定期统一结算，如果它装备燃料电池潜艇，就很不方便了。不过对于中国而言，由于没有海外基地，潜艇也不需要跑到很多地方去到各港口加燃料，因此燃料电池充填氢的难题并不突出。
　　以前总认为在潜艇这种密闭环境中，氢的储存有很高的危险性，其实安全性还是没问题的，倒是价格高很大程度上影响了它的普及。
　　燃料电池是否可能取代蓄电池?
　　郭：目前不可能。蓄电池的功率达到三四千瓦，是燃料电池的10倍之多，而且燃料电池的功率密度也稍低于蓄电池。那么为什么不将装燃料电池的空间也用于装蓄电池呢?因为蓄电池重量比较集中，很沉重，只能放在潜艇舱室下部。如果往高了放，潜艇重心升高很危险，一旦遇到海流导致翻艇就没救了。而燃料电池要轻得多，可以在艇内分散布置，灵活性很好。
　　再谈谈闭式循环汽轮机，这种AIP目前只有法国在用。
　　郭：法国的MESMA系统全称叫“水下自主能源系统”，它就是闭式循环汽轮机。由于闭式循环汽轮机只有这种型号，因此MESMA也就成了闭式循环汽轮机的代名词，这和斯特林发动机有些类似。
　　闭式循环汽轮机的原理是：艇上储存的液氧在经过升温和气化后变成气态氧通入高压燃烧室，乙醇燃料经过输送泵之后也被送住高压燃烧室。在这里，气态氧与乙醇燃料充分混合后燃烧，形成约700℃的燃烧气体。高温气体将管路外面的水加热成500℃的过热蒸汽，推动汽轮机转动。蒸汽轮机再带动交流发电机和整流器，产生的直流电供给推进电机推动潜艇前进。水蒸气经过汽轮机之后冷却成水，再送回蒸发器进行循环。艇上的乙醇燃料储存柜内部处于常压状态，因此对储存条件没有苛刻要求。
　　MESMA有两种运行模式。一种是单独作为推进动力和艇上设备动力。这种情况下，当潜艇以2节航速航行时，其水下续航时间为230小时，在以3节航速航行时，水下续航时间为215小时，在以4节速度航行时，水下续航时间为195小时。另一种是以最大输出功率工作，功率的主要部分用于潜艇推进，剩余的对蓄电池充电。当蓄电池充满电后，MESMA就停止运行，艇上推进动力和辅助动力就靠蓄电池。当蓄电池的能量消耗到一定程度时，MESMA又重新启动运行，同时再为蓄电池充电。在这种循环启动和运行模式下，当潜艇以2节航速航行时，水下续航时间为300小时，以3节航速航行时，水下续航时间为260小时；以4节速度航行时，水下续航时间为235小时。这种模式比起MESMA单独作为推进动力，功率要高些。
　　法国第一代MESMA首先用于出口巴基斯坦的“阿哥斯塔”90B级潜艇上。法国计划当该级1号艇与2号艇大修时，切开艇体插入MESMA舱段。3号艇在建造时直接装了MESMA系统。装备MESMA的“阿哥斯塔”90B级潜艇在水下以4节速度航行时，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，它的选装内容就包括装MESMA的型号。
　　MESMA的一个突出优点是燃烧产物的排放设备比较简单，而且有很高的隐蔽性。由于燃料在MESMA系统的燃烧室里是在高压下燃烧的，所以燃烧产物有很高的压力，不需要任何压缩设备就可直接排到海水中，这样就减少了处理环节。另外，MESMA的燃料是乙醇，几乎做到完全燃烧，燃烧产物只是二氧化碳和水。在将二氧化碳排到艇外之前，利用一种分裂气泡的系统使二氧化碳气泡尽量变小，提高这些气泡的溶解度，这样便使噪音得到了最大控制。另外一种处理燃烧产物的方法同斯特林发动机类似，也是先把燃烧产物冷凝后存储在艇内，适当时候再排出艇外。
　　MESMA的另一优点是它的二回路使用的工质是普通的水，十分安全，腐蚀性非常低并能保证循环管路的清洁。为什么法国用闭式循环汽轮机?因为法国对这种循环回路技术的掌握十分成熟，其所有核潜艇都采用这种相同的循环回路。利用多年的核潜艇经验，很容易对MESMA的二回路实行控制。因此，法国开发MESMA既可迅速达到实用水平，风险又非常小，研制生产成本也较低。
　　MESMA缺点也很明显。它的主体是热交换器和汽轮机，这两个装置的体积和重量超过任何一种非核AIP系统的主机。常规潜艇排水量和主尺度有限，艇内设备的重量和体积会受到严格限制。目前的MESMA输出总功率为200千瓦，在它的热交换器和汽轮机体积重量受限的条件下，大幅度增加MESMA的输出总功率有困难。另外，汽轮机的噪声较高，这很不利。从成本来讲，汽轮机的制造和维护保养费用都高于柴油机，其经济性是个问题。个人认为：尽管法国在用，但闭式循环汽轮机是五种AIP系统中最不值得发展的。
　　接着谈闭式循环柴油机。德国蒂森公司研制的闭式循环柴油机技术上已成熟，就是还没找到市场。荷兰鹿特丹公司的闭式循环柴油机输出功率可达400千瓦，计划装在出口的“海鳝”级潜艇上。估算表明，装闭式循环柴油机的“海鳝”级潜艇，在水下以2节速度航行时，在300米的深度上可连续潜航20天。
　　目前世界上还没任何国家的潜艇装备闭式循环柴油机，不过闭式循环柴油机优点明显。第一，它可一机两用。无论潜艇采取闭式循环运行还是开式运行，用的都是同一台柴油机。当潜艇用闭式循环模式航行时，关闭与外界大气连通的进气管，接通艇内液氧储存罐，液氧经过减压后被通到柴油机的燃烧室。第二，潜艇柴油机制造和装配技术 成熟、工作可靠、寿命长，这已得到多国多年的实践证明。第三，闭式循环柴油机在潜艇上可根据需要随时采用开式或闭式循环运行，这种灵活性是其它非核AIP潜艇难以做到的。第四，运行成本低，便于维护保养。由于潜艇柴油机技术十分成熟，柴油机制造厂家数量多，闭式循环柴油机整机的制造、维护保养以及部件更换方便易行，价格相对低廉。第五，闭式循环柴油机用的就是潜艇上的普通柴油，供应补给非常普遍和方便。
　　闭式循环柴油机的缺点，首先是耗氧量大，产生的废热多。闭式循环柴油机作为种内燃机，其耗氧量远远超过燃料电池。对艘209型潜艇进行改装估算的结果表明，在连续水下航行1300海里的同样条件下，如果装备闭式循环柴油机，需要携带30吨液氧；如果装备燃料电池，仅需携带14吨液氧。第二，闭式循环柴油机噪声大。虽然可以加装各种减振基座，但其噪声还是远高于燃料电池。
　　最后谈谈小型核混合推进系统。这种由加拿大ECS公司研制的系统可以通过嵌加舱段的方式把常规潜艇变成核反应堆／柴油机混合推进潜艇。这种小型核混合推进系统根据大小不同，输出功率可在100千瓦～1兆瓦范围内不等，续航力的优势是其它四种AIP无法比拟的。
　　但是，这种小型核混合推进潜艇是不能与吨位相仿的“红宝石”级相提并论的。它的核动力比艇上的柴油机功率小很多，而“红宝石”级正相反，柴油机完全是作为核动力的应急补充。因此这种小型核混合推进系统及蒸汽轮机等都比“红宝石”级的小很多。它的反应堆是不加压或轻度加压的轻水冷却型反应堆，一回路冷却剂的压力为17个大气压，输出温度约为160℃。而标准核潜艇上的反应堆，一回路冷却剂的压力能达到300个大气压，输出温度超过300℃。仅此可见这种小型反应堆结构要简单得多，操作方法也更简化。其核燃料是仅含19.7％浓缩铀的低浓度核燃料。自1958年以来，20％浓缩率的核燃料已经在23个国家的63座实验性反应堆上运行了50余年，很可靠。这种小堆的核燃料工作寿命也较长，达8～10年，与一般常规潜艇的大修周期同步。
　　尽管小型核混合推进潜艇有这些优势，但它仍摆脱不了核潜艇的固有缺点，仍要严格考虑反应堆屏蔽问题。屏蔽设施的重量会占整个小型反应堆装置总重量的40％，这个比例太大。因此，如何将屏蔽重量合理分配及合理布置舾装是有难度的。而且，标准核潜艇上核燃料换装、反应堆退役处理、运行人员培训等一系列后续管理上的复杂性都被它继承了，这些问题的复杂性超过任何一种非核AIP系统。特别是对那些核技术不发达或不具备国土地理条件的国家风险非常大。
　　对于五大核潜艇国家，小型核混合推进潜艇虽然在政治上没有限制，在技术上也没问题，但是，这种潜艇在性能上的先天缺陷使它成为鸡肋。这个缺陷就是噪声。小型核混合推进潜艇与其它四种AIP潜艇相比，一回路主泵的噪声是它独有的，而这个噪声之大要超过常规潜艇上柴油机的噪声。而且这个噪声是没法根本抑制的，它是先天带来的。大型核潜艇可以用自然循环，不开主泵。而自然循环至少要艇体直径在11米以上才能实现，常规潜艇直径几乎没有7米以上的。因此在常规潜艇上加装的反应堆不可能用自然循环，只能背负着主泵噪声包袱。常规潜艇加装的反应堆如果为了能采用自然循环而将艇体直径扩大到11米以上，艇体吨位必将很大，那么装这种小反应堆有何意义?还不如直接搞成真正的核潜艇。
　　最后，对五种AIP的前景是否可得出明确看法?
　　郭：由于目前隐身性已提升到潜艇性能的最主要地位，因此评价也是基于“安静性优先”这个前提的。但并不是说高速性在作战中的价值一定低于安静性，由于没有战争来检验，因此这里做出的结论都只能是理论上的。
　　一般常规潜艇在全部航行过程中有80％时间处于低速和中速航行状态。在作战巡逻时，为增加巡逻时间和保证声呐灵敏度，必须用低速航行。在出港向巡逻海域航渡时，为避免噪声太大，一般也只用中速而不用高速。同时要注意一个趋势：海湾战争以后，很少有超过两三个星期的战争，而且常规潜艇的使命就不是用于大范围海洋的作战，因此AIP潜艇不需要太大的水下巡航力和航速。从这点看，小型核混合推进系统的优势在很多场合发挥不出来。
　　目前，燃料电池、斯特林发动机、闭式循环柴油机及闭式循环汽轮机这四种AIP都需要携带液氧，液氧储量决定了它们的性：能。此外，燃料电池需要氢，闭式循环汽轮机需要乙醇，斯特林发动机和闭式循环柴油机需要柴油。氢的储存危险高于乙醇和柴油，但并不是太大。小型核混合推进系统不需要这些燃料，但它的核燃料与标准核潜艇上高温高压反应堆的核燃料没本质区别，仍具有政治色彩，一般国家研制起来有麻烦。
　　从重量一功率比角度讲，输出功率同样为300-400千瓦的条件下，斯特林发动机的重量约为200-300吨，而燃料电池的重量要比这大得多。小型核混合推进系统的问题是辐射屏蔽部分重量占艇体的比例过大。
　　对两三个星期的潜航来说，连续水下航行时，燃料电池潜艇被敌探测到的可能性最低，它工作时几乎没声。其它四种即使以很低速度航行，噪声仍无法降到其水平。
　　在目前技术条件下，潜艇AIP系统的输出功率基本可达到300千瓦，有的会更高。一艘AIP潜艇生活负载平均约100千瓦，最高可达150千瓦。当水下航速为2～4节时，潜艇的推进功率一般只需10千瓦左右。因此潜艇低速航行时，艇上生活负载占主要地位。但是，当潜艇的水下航速提高到8节或更高时，由于潜艇的水下航速与推进功率成指数关系，因此潜艇的推进功率便需要增加到艇上生活负载的几倍。这时，潜艇的推进功率值就成为决定潜艇暴露率的主要因素。从这点看，四种非核AIP在输出总功率方面远不如小型核混合推进系统，在降低潜艇暴露率方面处于劣势。
　　到这里能看出：燃料电池和小型核混合推进系统的优势超过其它三种AIP。再考虑静音对比、应用普及性及小型核混合推进系统全寿期管理的麻烦，燃料电池要更胜一筹，也是最有前途的。
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