AIP動力裝置，將氫燃料和氧化物放到特殊燃燒室內進行電化學反應，直接轉換成電能，輸出的直流電直接驅動電動機，電動機帶動槳軸，推進潛艇航行。
基本介紹
- 中文名：AIP動力裝置
- 原理：電化學反應
燃料電池動力系統(AIP)將氫燃料和氧化物放到特殊燃燒室內進行電化學反應，直接轉換成電能，輸出的直流電直接驅動電動機，電動機帶動槳軸，推進潛艇航行。
AIP系統一般分四種：
1.閉式循環柴油機系統
閉式循環柴油機（CCD/AIP）除了進、排氣系統與普通柴油機不同外，其工作原理與目前常規動力潛艇所使用的普通柴油機是一樣的。其工作原理是：用潛艇自帶的氧氣代替空氣中的氧，將廢氣中的二氧化碳經過冷卻和吸收後排到艇外，部分二氧化碳作為工質參加循環工作；同時用氫氣取代空氣中的氮氣，改善循環氣體的燃燒質量。其具體工作流程是：將氧氣和氫氣按一定比例混合成相當於空氣成分的氣體輸入到柴油機的氣缸中，然後柴油與氧氣發生燃燒反應，產生的熱能推動活塞運動進而帶動曲軸運轉，產生機械能。燃燒後的廢氣從柴油機排出，溫度大約在350-400℃ 之間，主要成分是二氧化碳、水蒸氣、氬氣和部分氧氣。這些廢氣經過噴淋冷卻器被冷卻到100℃左右，其中的水蒸氣被冷卻成水，剩餘廢氣進入一個吸收器。二氧化碳與吸收器噴淋的海水混合併被吸收，由海水管理系統排出艇外。這套系統與柴油機的工作深度、潛艇下潛深度均無關係。部分經過處理的廢氣補充氧氣和氫氣後，再進入柴油機參加循環工作，整個過程均使柴油機在閉式循環的工況下工作，可由一台中央計算機控制並管理。
技術實現的難點和重點 其一，是將廢氣中的水蒸氣和二氧化碳排出是實現閉式循環的關鍵所在。其中水蒸氣可以通過冷卻成水加以解決，但是二氧化碳的吸收排除卻是難中之難，主要方法是鹼溶液吸收法、再生吸收劑吸收法和海水溶解法，其中最好的應是海水溶解法，原料取之不竭，用之方便，實現難度較小。其二，是使柴油機在使用循環氣體的情況下能保證足夠的燃燒質量，產生足夠大的功率。雖然循環氣體中的二氧化碳經過吸收排除，但是整個循環氣體中二氧化碳的濃度依然很高，勢必影響柴油機的效率，因此通過加入少量氬氣來克服。
主要的技術優點 柴油機技術成熟，性能比較可靠，壽命長，目前此AIP系統所用柴油機可以是標準的潛艇用柴油機，製造和裝配技術非常成熟，工作壽命要比其他AIP系統的主機時間長；燃料可以通用，此 AIP 系統所用柴油與普通常規潛艇所用的一樣，可廣泛採購，不存在後勤供應問題；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，因為該系統所用柴油機與普通柴油機一樣，所以可以進行自由轉換，增加潛艇使用的靈活性；由於可以使用大量成熟技術，且水上、水下均可使用，耗油率較低，維修費用相對較低，因此是AIP系統中最經濟的一種形式；工作不受潛艇下潛深度影響。
存在的缺點和不足 工作效率低、氧氣消耗量大、排出的熱量多，按13000海里的續航能力計算，一艘209型潛艇採用燃料電池僅需攜帶15噸左右的液氧，而採用閉式循環柴油機、則需30噸左右的液氧；產生的噪聲大，閉式循環柴油機採用的是普通柴油機，系統的運動部件較多，工作過程中機械運動產生的噪聲較大，雖然可以採取降噪技術將噪聲降低到安靜航行時的水平，但是總體上比採用燃料電池噪聲要大；系統輸出功率受到限制，因為受到潛艇的噪聲控制指標的限制，一般要求每台普通柴油機的輸出功率≤500千瓦，因此閉式循環柴油機的輸出功率很難再增加。
目前德國、荷蘭、義大利和英國都在積極開發研製此類AIP系統。1993年，德國在退役的205級潛艇U-1號上成功試驗了250千瓦的閉式循環柴油機系統，並將眼光投向大量出口國外的209型潛艇的改裝上，擬用一個附加耐壓艙段來安裝AIP系統，以插入方式加到209潛艇中，這樣可使潛艇水下最高航速不變，水下續航時間增加4-5倍，水下4.5節航速可連續航行386小時，續航力接近1800海里。荷蘭和義大利也先後成功試驗了閉式循環柴油機系統，準備用於對現役潛艇進行改裝或用於新建的常規動力潛艇。
斯特林發動機系統
斯特林發動機（SE/AIP）系統與閉式循環柴油機系統大致相同，最主要的不同就是發動機。SE/AIP系統使用的是熱氣機，而CCD/AIP系統使用的是閉式循環柴油機。熱氣機的構想是英國科學家羅伯特·斯特林於1816年率先提出來的，它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，其具體工作原理是：斯特林發動機的活塞上室為熱室，它與另一活塞的下室相連，四個缸相互連線在一起，具體的是1號缸上部的熱室與2號缸下部的冷室相連，2號缸上部的熱室與3號缸下部的冷室相連，3號缸上部的熱室與4號缸下部的冷室相連，4號缸上部的熱室與1號缸下部的冷室相連，互相差90°角。它們使工作氣體在熱室和冷室之間來回移動，使活塞運動並帶動曲柄轉動。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、全艇輔機及其他用電設備供電。
技術實現的難點和重點 主要在於斯特林發動機的水下燃燒系統，因為該系統所使用的氧化劑是純氧，燃燒方式為燃氣再循環，並且是在高於周圍海水壓力的高壓情況下進行燃燒。
主要技術優點 機械噪聲與振動較小。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，燃燒過程平穩，因此發動機的噪聲與振動較小，但是有些斯特林發動機的部件依然採用往復式運動機械，所以在裝備潛艇時仍要加裝雙層隔振系統以減小水下噪聲。廢氣排放方便，當熱氣機的燃燒壓力為22公斤/厘米2時，廢氣水下排放不需要閉式循環柴油機系統的龐大水管理系統，在潛深200米內可以自主排放，即使增加潛深也只需要小型壓縮機協助。當燃燒壓力小於20公斤/厘米2時，廢氣水下自主排放的深度要相應減小。這種發動機的廢氣排放深度與燃燒壓力有關，這也是技術實現的一個難點。
缺點和不足 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系統的功率密度小於CCD/AIP系統。如果要加大功率，需要配幾台發動機，但這又影響到整個潛艇的布局與使用，實現功率突破難度較大；燃油消耗量較大，目前要高於普通柴油機。
當前，在SE/AIP系統較有建樹的國家是瑞典。瑞典考庫姆公司從上世紀60年代末就開始斯特林發動機的研製工作，目前已經成功研製出71千瓦的 V4-275R 型斯特林發動機，裝備於1995年2月2日下水的“哥特蘭”號潛艇，並使之成為世界上第一艘裝備SE/AIP系統的常規潛艇，這也標誌著斯特林發動機進入了實用階段。近年來，日本也從瑞典引進了斯特林發動機的建造技術，用於裝備或改裝海上自衛隊潛艇。
2.閉式循環汽輪相系統
閉式循環汽輪機系統（MESMA/IP）系統主要由4個分系統構成：液氧儲存罐、燃料儲存罐及一、二迴路系統。其中燃料通常選擇乙醇，存放在儲存罐中的橡膠袋中；一迴路系統包括高壓燃燒室、熱交換機、冷凝器；二迴路系統包括蒸汽發生器、蒸汽輪機、冷凝器。具體工作原理及過程：將儲存在絕熱罐中的低溫液氧送到加熱器中加溫呈氣態，乙醇和氣態氧在高壓燃燒室里燃燒，燃氣通過蒸汽發生器後大部分被冷卻，這些經冷卻的燃氣重新回到燃燒室，用於冷卻煙道壁，調節燃燒壁壁溫，使其保持在1000℃以下，同時稀釋乙醇/氧氣的混合氣體，使其燃燒溫度保持在700℃的最佳狀態。一小部分未經冷卻的燃氣有些直接排出艇外，有些以液態方式儲存在艇內。水在蒸汽發生器吸收燃氣熱量後變成高溫高壓蒸汽，溫度達500℃ ，壓力大約為18公斤/厘米2，這些蒸汽推動蒸汽輪機做功，驅動交流發電機和整流機組產生直流電，為推進系統提供能量。水蒸汽冷凝成水後，返回蒸汽發生器，完成循環過程。
技術實現的難點和重點 主要在於此系統的液氧採用的是高壓儲存（60公斤/厘米2）或者低溫低壓儲存（﹣185℃，2-10公斤/厘米2） ，無論液氧儲存罐置於何處，必須要經得起5g的衝擊。因此液氧儲存罐應安裝在低頻
主要技術優點 功率大，可滿足潛艇水下航行需要，法國在為巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B級潛艇上所安裝的 MESMA/AIP系統的功率為200千瓦；燃燒產物的排放非常隱蔽，由於燃燒時的壓力較大，燃燒產物的壓力也較大，不需要使用其他機械系統加壓就能自動排出艇外，相應也就減少了潛艇的自噪聲；另外使用氣泡分裂系統使排出的二氧化碳氣泡減小，提高廢氣的海水溶解度，如果情況危急，可將燃燒產物進行冷凝儲存在艇內，此舉將大大提高潛艇的隱蔽性。
缺點和不足 整個系統非常龐大，輔助機械設備較多，此AIP系統主要部件有燃燒室、蒸汽發生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、渦輪交流發電機、各類泵，所以系統安裝布置比較困難，需較大艙室空間，這直接影響此AIP系統的實用性；熱效率低、經濟性較差，此AIP系統的氧消耗量比閉式循環柴油機（CCD/AIP）系統要高15%左右，同時在相同水下續航力的條件下，乙醇所占容積要比CCD/AIP系統多一倍，而且所有系統部件都需要特殊的設計，投資較大，經濟性差。
目前法國是在MESMA/AIP系統上取得進展最大的國家。1988年以來，法國就使用400千瓦燃燒室平台進行該系統的試驗，並且取得較大進展，已進入實用階段。1994年，巴基斯坦從法國艦艇建造局訂購了3艘“阿戈斯塔”90B級潛艇，這三艘潛艇將安裝法國自主研製的MESMA/AIP系統，這將大大提高巴基斯坦的水下作戰能力。除此之外，德國MTU公司也在加大對MESMA/AIP系統的研究力度，其使用的燃料將是柴油，功率也會增大到700千瓦，一旦研製成功，將會大大提高MESMA/AIP系統在國際市場上的競爭能力。
3.燃料電池系統
燃料電池（FC/AIP）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化學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儲存設備和轉換器、氧化劑及其儲存設備和轉換器、控制裝置。其中燃料電池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、固體氧化物電解燃料電池等，其中最有前途的是質子交換膜燃料電池（PEMFC）。
質子交換膜燃料電池系統中的氫/氧燃料電池的工作原理實際上就是電解水的逆過程。質子從陽極移到陰極，在陰極氧氣反應形成陰離子，陰離子與透過薄膜的氫陽離子反應生成水。這種燃料電池採用鉑作催化劑的氣體擴散電極，其負載量為4毫克/平方厘米，碳板用作導電體。電池雙極板之間的冷卻裝置將水從系統中排出。一定數量的電池模組通過串、並聯方式組成燃料電池裝置，這只是一種單純的能量轉換裝置。
燃料電池系統構成與一般電池有很大差別。在此系統中，反應物質及其存儲裝置與能量轉換裝置是相互獨立的。燃料電池的大小決定系統的輸出功率，與儲存能量多少無關；反應物質多少決定系統儲存能量，在一定的輸出功率下如果要增大儲存能量，只需增大反應物質及其存儲裝置，無須增大能量轉換裝置，即燃料電池。反應物質用完後，補充反應物質即可，無需更換燃料電池。
主要技術優點 能量轉換效率很高，燃料電池通過電化學方式直接將化學能轉變為電能，省去了熱機發電時所必須經過的“燃料化學能→熱能→機械能→電能”複雜的轉換過程，減少了能量損耗，理論上的能量轉換效率可以達到100%，實際效率可達到70%；對外熱輻射較少。由於能量轉換過程中能量損耗較少，所以相應的散熱也少，這就有效的降低了潛艇的熱輻射，減小被敵紅外探測儀器發現的幾率；噪聲較小，燃料電池系統由於直接進行能量轉換，因此本身並無機械運動部件，因此工作過程中非常安靜，可以使得潛艇在航行時獲得極佳的隱蔽性；系統維護保養、製造加工很方便，由於系統無機械運動部件，因此就沒有磨損造成的故障，同時對於零部件的加工要求低，也便於製造加工，通過集中控制裝置可以實現對各個輔助系統的控制，便於實現自動化；過載能力強，燃料電池的短時過載能力可達額定功率的2倍，而柴油機等熱機卻沒有這么大的過載能力，因此裝備燃料電池AIP系統的潛艇可進行短時的加速航行；系統配置靈活，便於安裝，燃料電池是由若干個電池單元串、並聯而成，可根據潛艇內部布置的需要，靈活選擇燃料電池的配置方式；效率隨輸出功率變化特性較好，特別適合潛艇對於動力裝置需要功率範圍寬而效率高的要求。
缺點和不足 燃料危險性非常大，易發生險情，目前的燃料電池只能用純氫作燃料，純氫的加工提取工作異常複雜，且在潛艇狹小空間內，純氫一旦發生泄漏，濃度超過極限易發生爆炸，危險性很大；系統比功率較小，目前質子膜燃料電池的比功率只有100瓦/公斤，比之柴油機的300瓦/公斤相差較遠，要想達到相同功率，燃料電池所需重量要大於柴油機等；工作壽命短、價格較高，目前的質子膜燃料電池的工作壽命只有5000小時，距離40000小時的目標壽命相距較遠，同時其價格也是柴油發電機組的3-6倍，約為3000美元/千瓦，不是一般國家海軍可以承受了的。
4.核電混合推進系統（SSN/AIP）的研製工作也在不斷推進和深入，加拿大在此類AIP系統的研究方面走在了世界各國的前面，其研製的AMPS型核電混合推進系統即將邁入實用階段，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各國海軍的注意。但必須指出的是，目前無論哪種AIP系統，其輸出功率均不能滿足常規潛艇水下最大航速航行的需求。只有將AIP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。AIP系統只有在作戰情況下使用，作為輔助動力系統，延長潛艇水下續航時間和航行距離，擴大水下活動範圍。而在一般情況下，還需“柴電”動力裝置作為主要推進系統。無論怎樣，AIP系統使得常規潛艇可以在敵情威脅嚴重的情況下取消通氣管狀態，減少暴露幾率，提高隱蔽性，一旦裝備潛艇後，無疑將會使現代常規潛艇的攻防作戰能力得到大幅提升。
