自80年代以来,世界上不少国家的海军对潜艇用AIP系统的研制给予了很大的关注并相继投入了大量的财力和人力。开展AIP研制工作的基本目的是为了减少常规动力潜艇的通气管航行时间,增加潜艇的水下续航力,降低潜艇的暴露率,从而弥补常规潜艇的致命缺陷。从广义上来讲,潜艇的核动力推进装置也属于AIP系统,但是这里所讨论的AIP系统,并不包括核动力。
潜艇AIP系统的发展历史是从第二次世界大战末期德国的潜艇上装备的“瓦尔特”汽轮机装置开始的。德国的瓦尔特教授早在1923年便已经注意到,过氧化氢在没有空气的情况下也可以使燃料进行燃烧。1933年,他研究了使用过氧化氢溶液产生动力的可能性,并且发现了一些能促使氧化物迅速分解的催化剂。1936年,德国的克虏伯公司根据瓦尔特教授的设计制造了一台用于潜艇的1400马力(1030千瓦)“瓦尔特”汽轮机,试验证明效果很好。1940年,德国在一艘排水量为80吨的试验潜艇上装备了一台2000马力(1471千瓦)“瓦尔特”汽轮机,试验航行时达到了水下28节的航速。但是,试验也表明“瓦尔特”汽轮机的氧化剂消耗量非常大,任何一艘潜艇无法装载足够的氧化剂在整个执行任务期间保持水下高速航行。因此,“瓦尔特”汽轮机作为潜艇的单一推进系统是不可能的,但是可以作为潜艇混合推进系统的一个组成部分。尽管如此,在二战期间德国仍然对“瓦尔特”汽轮机系统寄予了很高期望。1942~1943年期间,德国制造了功率为2500、4000、5000马力以及7500马力的“瓦尔特”型系列汽轮机,并且设计了可装备这些汽轮机推进系统的潜艇。其中,U-ⅩⅦb型潜艇中的U-1405号、U-1406号以及U-1407号在二战结束之前已经建成,另外还有4艘处于不同的建造阶段。但是这些潜艇在二战结束之时被德国人破坏或坐沉海底。战后,U-1406号以及U-1407号被美国和英国打捞起来。其中,U-1407号潜艇经修复之后被英国海军重新命名为“陨星”号服役,该潜艇在1947~1948年期间用于英国闭式循环的过氧化氢推进系统的研制,并且取得了一定程度的成功。
目前,世界各国研制的潜艇AIP系统中比较成熟的有斯特林发动机、燃料电池、闭式循环柴油机及自主式水下能源系统。
斯特林发动机
斯特林发动机又被称作是外燃机或热气机。其基本特点是由外部供热并进行再生循环,是一种利用气体在内部回路中进行高温膨胀和低温压缩的差异来取得有效功的活塞式发动机。尽管斯特林发动机的原型早在1845年便已制造出来,甚至已经进行了实际运行,但是由于效率过低等原因,长期以来没有什么发展。直到20世纪60~70年代,美国、瑞典、联邦德国以及日本等国才逐渐恢复了对斯特林发动机的广泛研制,但卓见成效的只有瑞典。
瑞典的考库姆公司从1968年之后在研制斯特林发动机方面迅速取得实质性的进展,相继研制出功率为65~100千瓦的、用于潜艇的4-275型斯特林发动机,功率为25千瓦的、用于水下实验装置的4-95型斯特林发动机,功率为4~7千瓦的、用于水下实验装置及潜水作业的V-160型斯特林发动机及带有燃料罐和氧化剂罐、功率为200千瓦的模块化斯特林发动机。1983年,考库姆公司成功地研制出功率为75千瓦的潜艇用斯特林发动机,并且在实验室里成功地进行了运行试验;1985年之后,相继研制成功的数种型号潜艇用斯特林发动机在浮动试验平台上进行了运行试验和性能鉴定;1987年,该公司为法国“莎加”号商用潜艇制造了V4-275-1型斯特林发动机,并投入了实际运行。接着,考库姆公司于1988年又把两台V4-275R型斯特林发动机装备在瑞典海军的排水量为1000吨级的“水怪”号攻击型潜艇上,为潜艇提供生活和其它辅助用电,以及为水下低速巡逻提供电力。经过近一年的航行试验,“水怪”号潜艇利用斯特林发动机总共航行了5000个小时,其间未出现任何影响AIP正常航行的技术故障。这表明,艇上装备的斯特林发动机已经成为可供潜艇实际使用的AIP系统。
鉴于“水怪”号潜艇的试验结果,瑞典海军决定在最新建造的3艘“哥得兰”级潜艇上装备斯特林发动机系统。1990年4月,考库姆公司赢得了建造3艘“哥得兰”级潜艇的合同,首艇于1992年11月20日开工建造,1995年2月2日下水。该艇的建造成功,标志着常规动力潜艇的推进技术取得了具有历史意义的突破性进展。
目前,瑞典在斯特林发动机方面的研制工作又有了新的进展,考库姆公司正在为瑞典海军的“西约特兰”级潜艇中的两艘装备新一代MK3型斯特林发动机系统。MK3系统是V4-275R系统的改进型,使用柴油/液氧混合比为1∶4的混合燃料。装备了MK3型斯特林发动机系统的潜艇,可以低速在水下航行19天。另外,MK3型斯特林发动机系统的结构更加简单,它利用氢气作为工作气体,而不像V4-275R型以氦气作为工作气体,在效率、输出功率、工作深度以及隐身性等方面都比V4-275R型有所改善和提高。预计2003年之前,MK3型斯特林发动机系统可以系列生产。
燃料电池
燃料电池的基本原理是利用电化学的方式把外界供给的反应物质化学能直接转换成电能。燃料电池使用的燃料是氢气,主要来源于液态氢、金属储氢或者甲醇重整等。氧化剂则是储存在低温容器中的液氧。
1963年,“长尾鲨”号核潜艇沉没之后,美国海军认识到自己竟然没有从失事潜艇上把艇员抢救出来的有效措施,因此开始了深潜救生潜艇的建造。1977年正式服役的第一艘深潜救生潜艇上选用了燃料电池作为推进动力装置。由于燃料电池不受水深的影响,整个动力装置的尺寸很小且工作十分可靠,是深潜救生潜艇非常理想的动力装置。这也是世界上首先采用燃料电池作为推进动力的装置。
而德国的霍瓦兹造船厂在对各种潜艇AIP系统进行广泛调查和研究之后,决定把燃料电池作为其基本发展方向。1981年,霍瓦兹造船厂制定了一项发展燃料电池的计划,首先为205型的U-1号潜艇换装了燃料电池推进系统,这种采用16个6千瓦的安全性好、结构简单的碱性氢氧燃料电池,可产生约100千瓦的功率。为了解决艇上氢的储存问题,霍瓦兹造船厂利用了某些金属在其晶体结构中能够吸收氢的物理特性,把氢储存在6米×850毫米的铁-钛长圆柱体中,但每100千克的铁-钛长圆柱体只能储存2千克的氢。由于这种储氢的方式在重量方面的代价相当大,且碱性氢氧化物燃料电池的电解液具有腐蚀性,因此,专家们认为这种燃料电池还需要进一步加以改进和完善。
20世纪80年代末期,美国杜邦公司突破了质子交换膜技术之后,德国的西门子公司于1993年研制出潜艇用的质子交换膜燃料电池。德国联邦采购局与蒂森公司北海造船厂及霍瓦兹造船厂正式签订了价款为26亿马克的燃料电池推进系统的212型潜艇的建造合同。
212型潜艇上装备的燃料电池动力系统主要包括9个模块单元组成的质子交换膜燃料电池模块组、液氧储存罐以及在金属氢化物中存储的氢。每个燃料电池模块单元的输出功率为34千瓦,9个模块单元组成的燃料电池的输出功率可达300千瓦。如果只利用燃料电池以4.5节的速度在水下航行时,212艇的水下续航距离为1250海里,此时燃料电池还可提供11千瓦的艇上生活用电。使用燃料电池的水下最高航速可达8节以上,并可保证以这一航速续航7天以上。
目前,西门子公司已经研制出功率更大的新型质子交换膜燃料电池,每个燃料电池单元的功率为120千瓦。把两个这样的燃料电池模块组成一组,不仅可以装备在最新设计、建造的常规潜艇上,也可以装备在不是由德国建造的且已在世界多国海军服役的209型潜艇上。
苏联也是最早研制潜艇用燃料电池的国家之一,1981年就研制出了质子交换膜燃料电池。该燃料电池被装备在一艘经过改装的W级潜艇上进行了海试并获得成功。1987年,苏联又建造了装备燃料电池推进系统的“白鲸”号潜艇,1991年该艇在黑海进行了成功的水下航行试验。后来,俄罗斯又在欧洲国际武器展览会上推出一种排水量为900吨的燃料电池潜艇,这说明燃料电池推进系统在俄罗斯已经达到了实用装艇的程度。
从目前世界各国研制的常规潜艇AIP系统来看,斯特林发动机和燃料电池系统是最先达到实用化水平的两种潜艇AIP技术。斯特林系统费用较低,但其工作原理决定了能量转换过程中能耗较高,因此整机效率低,此外排气温度高,不利于潜艇的红外隐身。燃料电池系统利用电化学方式把化学能直接转换成电能,中间不经过热能阶段,因此效率很高,能量转换过程中能耗较小,热量少,有利于减少潜艇的热辐射,且基本上没有运动部件,运行噪声小,也不会发生部件磨损之类的故障,维护保养简单易行。但是,燃料电池系统的最大缺点是价格昂贵,功率也还不够大,从费效比这一角度上来说,燃料电池的应用前景还受到一定的限制。
闭式循环柴油机
闭式循环柴油机系统使用的是涡轮增压柴油机,该柴油机在水面时采用开式循环的工作方式,在水下则采用闭式循环。德国是在闭式循环柴油机研制方面起步最早的国家之一。早在二战期间,德国就已研制出用于潜艇推进的1500马力(1103千瓦)的闭式循环柴油机,在试验时潜艇水下航速达到16节。战后,德国的闭式循环柴油机技术被美国、英国和苏联获得,本国一直没有再开展这方面的研制工作。
苏联二战之前便已开展了潜艇闭式循环柴油机的研制工作,在缴获了德国的潜艇闭式循环柴油机技术之后,加速了研制步伐。1952年苏联建成Q级潜艇,装备了2台各自功率为700马力(5149千瓦)的M-50n型闭式循环柴油机。利用艇上的闭式循环柴油机,该级潜艇的水下最高航速可以达到16节,水下以10节航速航行时,续航力为2750海里;水下航速为6节时,续航力为4500海里。
1982年,英国的纽卡斯尔大学重新开展了闭式循环柴油机的研制工作,并且制造了一台功率为25千瓦的闭式循环柴油机。其后,德国的蒂森公司认识到英国的这项研制成果对于潜艇实现AIP推进所具有的重大意义,因此便参与了英国的研制工作。1986年,蒂森公司建成了第一代闭式循环柴油机试验台,1989年又建成了第二代,试验结果表明,闭式循环柴油机可以在开式和闭式两种条件下运行,可以在水深为500米的深度上工作。1992年,蒂森公司在改装后的205型潜艇上加装了闭式循环柴油机,该艇以4.5节的速度可在水下连续航行386个小时,航程1740海里。另外,该公司还为一艘排水量为2000吨的潜艇设计了一个直径为7米、长度为6米的嵌加舱段,该舱段中装有2台单机功率为120千瓦的闭式循环柴油机系统,储存能量约为5000千瓦时。
自主式水下能源系统
法国目前开发了一种用于潜艇的自主式水下能源45和闭式循环柴油机的潜艇用AIP系统。自主式水下能源系统实际上是一种闭式循环汽轮机-发电机系统,在该系统中,储存在-185℃条件下的液氧被抽到加热器之后变成气态氧,氧气与燃料在燃烧室里混合燃烧之后产生约700℃、压力为60巴的燃气。这些燃气在通过热交换器被进一步冷却后再经控制阀排出艇外。在热交换器里,燃气把二回路中的水变成约500℃、18巴的过热蒸汽,然后蒸汽推动汽轮机-发电机组运行,从而形成潜艇前进的动力。自主式水下能源系统的优点是燃烧产物的排放具有很高的隐蔽性,同时燃烧产物压力很高,因此排放时不需要任何压缩设备就可以直接排放到海水中。而在二氧化碳排入海水之前,还利用一种分裂气泡的系统,使二氧化碳气泡尽量变小,提高气泡的溶解度。这样便使得潜艇在排除燃烧产物时的噪音得到了最大程度的控制。另外一种处理燃烧产物的方法是首先把燃烧产物进行冷凝之后暂时存储在艇内,在适当的时候再将其排除艇外,这种方法隐蔽性很强。自主式水下能源系统的二回路采用以普通水为工质的兰金循环,稳定性、安全性好,且腐蚀非常低,能保证循环管路的清洁。
目前,自主式水下能源系统还没有实际装艇,但法国一直在进行开发和研制工作。法国主要的目标是将该系统用于将来AA-2000型、AM-2000型和AD-2000三种常规型潜艇上。其中,AA-2000型潜艇的水面排水量为1290吨,水下排水量为1350吨,自主式水下能源系统将会使其以3节航速航行时,水下续航力可以达到600海里。AM-2000型潜艇的水面排水量为1670吨,水下排水量为1815吨,利用自主式水下能源系统以4节航速航行时,水下续航力可以达到750海里。AD-2000型潜艇的水面排水量为3150吨,水下排水量为3500吨,利用艇上装备的自主式水下能源系统以4节航速航行时,水下续航力可以达到1200海里。另外,巴基斯坦从法国订购的3艘“阿戈斯塔”90B型潜艇中的第2艘,也计划在第一次改换装时嵌加带有自主式水下能源系统的舱段,而根据当时签订的技术转让协议,第3艘艇将在巴基斯坦的卡拉奇海军造船厂建造时,装备一台为功率200千瓦的自主式水下能源系统。
除了法国之外,德国的MTU公司也在对闭式循环汽轮机进行研制,其功率将为600千瓦或700千瓦,使用柴油作为燃料,估计整个系统的效率将高达60%左右。
环顾世界各AIP系统的最新发展,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系统使用,这主要是因为输出功率上的限制,但是常规动力潜艇在装备了AIP系统之后,潜艇两次通气管航行之间的时间间隔从原来的几小时明显地增加到几天甚至几个星期。