研发背景

    当今世界上大约有40多个国家和地区拥有800艘左右的潜艇，其中常规动力潜艇就有700余艘。常规动力潜艇有独特的优势，其机动灵活、噪音小、造价低，更适合在近海、浅海作战，这正是绝大部分国家潜艇的主要作战任务。传统常规动力潜艇在水面航行时使用柴油机，水下则使用蓄电池；然而蓄电池容量有限，一段时间后便必须上浮至通气管状态，用柴油机为蓄电池充电。因此不能在水下作长时间的航行，必须经常上浮至海面“呼吸”是其致命的弱点。

    随着反潜技术迅速发展，反潜使用的探测设备可以在很远的距离上探测到潜艇升出水面的通气管，进而对潜艇定位并发起远程攻击。潜艇良好的隐蔽性能是相对于水面舰艇的巨大战术优势，频频上浮充电导致潜艇很容易被对方雷达侦察到，同时柴油机为蓄电池充电时的噪声，也极易被对方水声器材探测到，因而大大增加了常规动力潜艇的暴露率，使其生存能力受到严重的威胁，攻击的突然性也受到很大影响。核动力的运用虽然解决了这一难题，使潜艇获得了几乎无限的水下续航力，但制造核潜艇存在着障碍，一般国家无法承受其技术和资金。为减少暴露率，增加隐蔽性，解决常规潜艇续航力不足的问题，经过长期的探索和努力，一种AIP动力装置的研制纷纷获得成功并开始进入实用。

    AIP技术

    英文原文是“air independent propulsion”，意思是“不依赖空气推进装置”，由于不需要氧气即可正常运行，所以能够显著提高潜艇的水下续航力，使其在水下的时间提高到2-3周，大幅降低了潜艇在巡航中的暴露率，而且没有核潜艇的潜在危险和高成本。

    世界潜艇三类AIP技术：

    有闭式循环柴油机（CCD）AIP、斯特林发动机（SE）AIP、燃料电池（FC）AIP三种方案。

    闭式循环柴油机AIP（CCDAIP）

    该系统以闭式循环柴油机为发电机原动机。为使柴油机在没有空气供气状况下工作，必须提供模拟空气成份的进气气体，使柴油机发火燃烧工作。为此，将柴油机排出的废气经CO2吸收器吸收部分CO2气体，废气中未被吸收部分气体再加入适量氧气，即组成人造大气。但由于这种人造大气中CO2含量总比新鲜空气多，使人造空气的比热容值低于正常空气，为保证一般标准柴油机在闭式循环状态下正常工作，一般在再循环的气体中加入适量单原子气体氩，使混合成的人造大气与正常空气比热容值一致。这样柴油机即可在闭式循环状态下正常工作，也可以在开式空气供应时正常工作，实现开、闭合用。为了高效地吸收柴油机废气中的CO2，应首先将温度为350～400℃、压力为0.2～0.5Mpa的废气喷淋冷却至80～100℃。再将冷却后的废气送进CO2海水吸收器中，让海水充分溶解吸收CO2气体，而其他成分气体在吸收器中吸收量很少。经这种“洗涤”后的废气进入混合室与氧气、氩气混合后再循环。而溶有大量CO2的海水经海水处理系统（WMS），排出舷外。海水处理系统利用深水能量，不需消耗较多能量而将较低压力的海水（2～5 bar）排放到深水中（如下潜300 m则为30bar），而水泵耗功只用于克服流动阻力，因此耗功少，整套装置效率较高。

    CCD-AIP中，柴油机本身几乎无需作重大改进，主机技术成熟，其他辅助系统问题，如再循环气体混成、废气的喷淋冷却、CO2海水吸收原理、水处理系统的原理，有关单位已有研究，不存在较大技术风险。因而开发CCDAIP能在技术风险小，投资少（例如引进一台CCD只需150万美元），且可在我们工艺、工业水平能达到的情况下早日获得。当然，相对来说，柴油机本身结构噪声和空气噪音较大，但现代隔振技术完全可使柴油机经隔振后噪声指标达到要求。由于水处理系统耗能少，因此CCDAIP系统效率可达35%。

    斯特林发动机AIP（SEAIP）

    斯特林发动机（SE）AIP以不依赖空气的斯特林机（Stirling Engine）为发电机原动机。斯特林发动机是一种外部加热的连续燃烧发动机，它通过外部燃烧的高温气体经加热管加热内部循环的工质（船用斯特林机通常用氦气作循环工质），内部循环工质受热膨胀推动活塞作功，使发动机输出轴功率。

    为了使发动机在无空气条件下连续运行，同样需要连续不断地供应氧气燃烧供应热量，因而SEAIP也装有较大容量的液氧罐。为了排除燃烧后废气，有两种方法可选择。一种是利用废气压力直接排到舷外海水，这需要较高的燃烧压力（30 bar左右），且未燃烧的氧气会随废气直接排至舷外，导致未燃氧气和来不及溶解的CO2冒至海面。另一种方法是象CCDAIP系统一样，装备排气冷却装置、海水吸收器及水管理系统，这样装置会比直接排出废气的办法复杂些，但可使燃烧压力降低，燃烧不随潜深影响，不会产生气泡航迹，隐蔽性较好。

    SE-AIP主机即斯特林发动机，外部连续燃烧加热工质作功，因此结构噪声及空气噪音比柴油机小，这是它一大特点。目前，我国已研制出75 kW斯特林原理样机，其效率为35%。与柴油机相比，效率稍低，而其技术成熟程度存在较大差距，工作可靠性有待进一步考验。目前存在较大难度的技术问题尚需进一步解决，如高性能加热器材料、加热器头工作温度均匀、工质流动均匀、工质密封、功率调控、压力燃烧等。因此，研制SEAIP必然投资较大（例如引进一台热气机需300万美元，一个舱段需要1亿美元），技术风险也比CCDAIP高。据称，韩国引进瑞典斯特林发动机后认为40～70%零部件不能自己生产，结果否定了SEAIP方案。另据消息，澳大利亚从瑞典购买热气机做评估试验，3个月未达到额定功率，被否定。SEAIP研制周期相应也会较长。

    燃料电池FC（FCAIP）

    燃料电池是指潜艇水下航行时利用自身携带的氧(通常为液态氧)，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，为潜艇提供推进动力和电能，德国已装艇海试的燃料电池为氢氧燃料电池，其基本工作原理是靠氢和氧反应直接产生电能而工作的，它唯一的副产品为水，这个过程正好与通过电解分解水的过程相反。燃料电池必须源源不断地供应氢和氧，为此，AIP装置不仅要有较大容量的液氧罐，而且要有一个较大容量的液氢贮存罐，而液氢要比液氧贮存条件苛刻得多。

    燃料电池具有最高的能量与重量比，效率高（达50～60%），而且几乎是不产生废气，可无声航行。但在潜艇上贮存液态氢是有很大的技术难度。同时因为氢气易爆易燃，对使用氢的安全有严格要求，装置中的膜要依赖美国进口，国内尚无生产能力。由此可见燃料电池技术难度大，工业基础要求较高，要使燃料电池上艇作AIP动力，需要很高的技术储备。

    小型核动力AIP(AMPS)

    （严格来说应该算核动力）

    小型核动力AIP系统又称为自持式船用核反应堆发电装置，加拿大ECSA公司从80年代初即开始了小型核动力AIP系统的研究工作，至今已先后研究成三种型号。该公司计划将AMPS-400型系统装于1000吨级潜艇，AMPS-1000型装于2000吨潜艇上。核电混合推进系统（SSN/AIP）的研制工作也在不断推进和深入，加拿大在此类AIP系统的研究方面走在了世界各国的前面，其研制的AMPS型核电混合推进系统即将迈入实用阶段。但必须指出的是，目前无论哪种AIP系统，其输出功率均不能满足常规潜艇水下最大航速航行的需求。只有将AIP系统与当前潜艇的“柴电”动力装置组合在一起，构成混合推进装置才具备实用价值。

    AIP技术的未来发展

    应朝向安全，经济，可靠，低噪声（高隐蔽）。技术主要分为两大类：(1).燃料电池，(2).斯特林发动机/闭式循环柴油机。而斯特林发动机，闭式循环柴油机均存在活塞做工动作，会发出大量噪声。而闭式循环柴油机因为工作噪声大，工作时有气体要排出艇外，因此只能在较浅的深度运行（大深度下压强大，排出气体困难），而排出气体也会暴露潜艇位置。但其技术简单，成本低，其与斯特林发动机是AIP潜艇的主力军。