潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

世界各國研發的AIP系統多種多樣,在工作原理,結構,性能等方面可謂各有千秋,其中技術上較為成熟的,主要有以下4種。


閉式循環柴油機AIP(CCDAIP )

除了進,排氣系統與普通柴油機不同外,閉式循環柴油機AIP的工作原理,與目前常規動力潛艇所使用的普通柴油機相同。其工作原理是:用潛艇自帶的氧氣代替空氣中的氧氣,將廢氣中的二氧化碳,經過冷卻和吸收後排到體外,部分二氧化碳作為工作介質參加循環工作,同時用氫氣取代空氣中的氮氣,以改善循環氣體的燃燒質量由於柴油機技術成熟,所以CCDAIP系統所用的柴油機的壽命,比其他AIP系統的主機時間長,性能可靠。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用CCDAIP系統的法國“鮋魚”級常規潛艇




CCDAIP系統所用柴油機可廣泛採購,不存在後勤供應問題,並且隨時可以在閉式循環和開式循環兩種工況下進行自由轉換,潛艇使用的靈活性較強;由於可以使用大量成熟技術,且水上、水下均可使用,所以耗油率低,維修費用也相對較低,因此CCDAIP系統是AIP系統中最經濟的一種,不過CCDAIP系統存在著工作效率低,氧氣消耗量大,排出的熱量多,產生的噪音大,系統輸出功率受到限制等問題。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用CCDAIP系統的西班牙“鮋魚”級常規潛艇

斯特林發動機AIP(SEAIP )

SEAIP系統與CCDAIP系統大致相同,最主要的不同就是發動機。SEAIP 系統使用的是熱氣機,而CCDAIP系統使用的是閉式循環柴油機。熱氣機是一種由外部熱源加熱,並將熱能轉換為機械能的熱機,其循環是一種閉式,採用定容下回熱的氣體循環,簡稱斯特林循環。斯特林發動機主要是在水下續航狀態下工作,與蓄電池並聯,向推進電機,全艇輔機以及其他用電設備供電。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用SEAIP 系統的瑞典“哥特蘭”級常規潛艇

SEAIP系統的優點是機械噪音與振動小。因為斯特林發動機是一種從外部對內部氣體工質連續加熱,使之做功的活塞式往復發動機,燃燒過程中沒有柴油機的爆燃現象,燃燒平穩,因此發動機的噪音與振動較小,此外SEAIP系統廢氣排放較為方便,在潛深200米內可以自由排放,即使增加深度,也只需小型壓縮機協助,不需要CCDAIP的龐大水管理系統。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用SEAIP 系統的日本“蒼龍”級常規潛艇


SEAIP系統的缺點是功率較低,斯特林發動機由於其自身固有的低功率密度的特點,因而決定了整個AIP系統功率密度小於CCDAIP系統,如果要加大系統,就需要配備幾臺發動機,勢必會影響整個潛艇的佈局使用。此外SEAIP系統的燃油消耗量大,通常高於普通柴油機。而且有些斯特林發動機的部件,依然採用往復式運動機械,所以在裝備潛艇時任然要加裝雙層隔震系統以減小水下噪音。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用SEAIP 系統的中國039B型常規潛艇

燃料電池AIP(FCAIP)

FCAIP系統是最具競爭力的AIP系統,它是直接將反應物質化學能用電能方式直接轉換為電能的能量供應系統。主要組成部分有燃料電池及其存儲設備和轉換器、氧化劑以及存儲設備和轉換器、控制裝置。其中燃料電池的主要種類有鹼性燃料電池,質子交換膜燃料電池,磷酸燃料電池,熔融碳酸燃料電池,固態氧化物電解燃料電池等,其中最有前途的質子交換膜燃料電池。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用FCAIP系統的德國212級常規潛艇


FCAIP系統的優點是能量轉換效率高,燃料電池通過電化學方式,可直接將化學能轉化為電能,省去了熱機發電時複雜的轉換過程,減少了能量損耗。由於能量轉換過程中能量消耗較少,所以相應的散熱也少,這就有效地降低了潛艇的熱輻射,減少了被敵方紅外探測儀器發現的概率。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用FCAIP系統的俄羅斯“拉達”級潛艇

燃料電池系統由於可直接進行能量轉換,電機並無機械運動部件,因此工作過程中非常的安靜,可以使潛艇在航行時獲得極佳的隱蔽性。此外系統維護保養,製造加工很方便,過載能力強,可進行短時間的加速航行。燃料電池是由若干個電池單元串,並聯而成,可根據潛艇內部佈置的需要,靈活選擇燃料電池的配置方式等,都是其獨有的優點。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用FCAIP系統的德國214級常規潛艇


FCAIP系統的缺點,是燃料危險性非常大,易發生險情。燃料電池必須源源不斷地供應氫和氧,為此,AIP裝置不僅要有較大容量的液氧罐,而且要有一個較大容量的液氫貯存罐,而液氫要比液氧貯存條件苛刻得多。目前的燃料電池純氫的加工提取工藝非常複雜,且在潛艇狹小空間內,純氫一旦發生洩漏,濃度超過極限易發生爆炸,危險性非常大;而且燃料電池工作時長斷且價格高,目前的質子膜燃料電池的工作壽命只有5000小時,其價格也是柴油發電機組的3~6倍。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

採用FCAIP系統的韓國孫元一級常規潛艇


小型核動力AIP(SSNAIP)

SSNAIP又可稱為自持式船用核反應堆發電裝置,目前取得較大成果的是加拿大,其研製的AMP S型核電混合推進系統即將邁入實用階段。加拿大ECSA公司從80年代初即開始了小型核動力AIP系統的研究工作,至今已先後研究成三種型號。這種只需經過簡單改裝就可使常規潛艇變成小型核潛艇的動力系統,日益引起世界各國海軍的重大關注。比如美國SP-100、俄羅斯TOPAZ-2、法國ERATO-20、加拿大AMPS-Ⅱ和AMPS-I,以及日本DRX等小型核反應堆AIP動力系統。中國首座鉛鉍合金反應堆“啟明星III號”實現了臨界狀態,在小型核反應堆研發方面處領先水平。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

世界各國海軍的重大關注小型核反應堆


短期來看,大量更換常規動力潛艇為核動力顯然不夠現實。全球最小法國紅寶石級攻擊型核潛艇只是實現了核反應堆的小型化,而不屬於AIP潛艇。常規潛艇大量換核動力也只是理論上可行,不過我們對此應加以關注,隨著核技術的發展,將來付諸實施也未可知。

潛艇幾種AIP系統,孰優孰劣,哪一款最有前途?

全球最小法國紅寶石級攻擊型核潛艇


總之

目前無論哪種ERP系統,其輸出功率,並不能滿足常規潛艇水下最大航速航行的需求,只有將IP系統與當前潛艇的柴電動力裝置,組合在一起,構成混合推進裝置才具備實用價值。隨著AIP系統的“白菜價”,如何反潛將是世界各國海軍面臨的重大課題。


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