潛艇的“水下呼吸器”——ＡＩＰ系統

沈曉夫

潛艇，一種令人生畏的“沉默殺手”。兩次世界大戰中的出色戰績，讓潛艇成為與航空母艦并駕齊驅的海戰利器。潛艇最大的優勢在于深藏水下的隱蔽性，不過潛艇只能短時間地躲在水里，需要經常回到水面上。而核動力的出現使潛艇擁有了幾乎無限的水下續航能力，但占據全世界潛艇總數90％的常規動力潛艇的情況并未得到改善，直到AIP系統的問世。

AIP系統全稱為“不依賴空氣推進裝置”。顧名思義，就是指能讓潛艇在沒有外界空氣的水下航行的動力裝置。以往，潛艇在水下是靠蓄電池帶動的電動機提供動力的，而蓄電池的電量有限，只能航行幾十個小時，不得不經常上浮至海面“呼吸”，即在通氣管狀態下使用柴油機為蓄電池充電。這樣很容易被對方雷達偵察到，同時柴油機為蓄電池充電時的噪聲，也極易被對方水聲器材探測到，因而大大增加了常規動力潛艇的暴露率，使其生存能力受到嚴重的威脅。現在有了AIP，潛艇仿佛裝上了蛙人用的“水下呼吸器”，持續潛航能力成倍增加，可以保證潛艇作戰的需要。

早在“二戰”期間，德國和前蘇聯就開始了AIP系統的研制，只是限于技術水平，到20世紀末方才有了實質性的進展。除這兩個國家外，瑞典、法國、荷蘭也都已經研制出了不同類型的AIP系統，主要包括熱氣機型、燃料電池型和閉式循環發動機型三種。

熱氣機型是最早投入實用的AIP系統，1995年2月服役的瑞典“哥特蘭”潛艇裝備的便是熱氣機，開創了AIP實用的先河。“哥特蘭”號裝兩臺功率各為5千瓦的V4——275R型熱氣機，每臺持續功率為65千瓦。熱氣機是一種外燃的、閉式循環活塞式熱力發動機。因它是1816年蘇格蘭的斯特林所發明，故又稱斯特林發動機。熱氣機可用氫、氮、氦或空氣等作為工質，按斯特林循環工作。在熱氣機封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，然后流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。熱氣機實際循環效率較高，已接近柴油機。和內燃機相比，熱氣機在燃燒室內不產生爆炸，所以噪聲較小，這些性能對潛艇都十分合適。“哥特蘭”上的熱氣機有45～55千瓦的能量可用于推進潛艇，使其獲得大約6節左右的水下航速，并可保持該航速連續航行15天。該發動機另一個令人叫絕之處是，發動機上的吸收裝置可把廢氣與水充分攪和后排出艇外，不會在周圍環境中形成氣泡，從而減少尾跡，降低了紅外輻射。

燃料電池型以德國212型潛艇和俄羅斯“阿穆爾”級潛艇為代表。212型潛艇采用了由燃料電池和柴電動力組成的混合動力裝置。燃料電池動力系統主要包括9個模塊單元組成的質子交換膜燃料電池模塊組、液氧存儲罐及在金屬氫化物中存儲的氫。其工作原理是使氫燃料和氧化物在一個特殊的燃燒室內發生化學反應直接生成電能，然后使輸出的直流電驅動電機推動潛艇前進。每個燃料電池模塊單元的輸出功率為34千瓦。實驗證明，用燃料電池作為動力，可使212型潛艇的水下最大航速達到8節以上，并可持續航行7天以上。艇上另一套動力系統是由柴油發電機組、推進電機、蓄電池組和配電設備等組成的常規推進系統。上述兩套系統既可單獨工作，也可以同時進行工作。兩套系統同時工作時，水下的持續最大航程超過1683海里，是沒有AIP系統的209型潛艇的4倍以上。

俄羅斯“阿穆爾”級AIP潛艇采用的是堿性燃料電池系統，同時還有一套柴電動力裝置。整套燃料電池動力裝置的功率為300千瓦，能保證以水下3．5節的速度持續航行20天。

閉式循環發動機中分為閉式循環柴油機和閉式循環蒸汽輪機。閉式循環柴油機是通過控制普通柴油機的進排氣實現閉式循環，在進氣中含有一定量的柴油和氧氣，噴入適量的惰性氣體(如氬氣)，廢氣中的二氧化碳經吸收裝置溶入海水排到艇外，其余廢氣進入系統再循環。閉式循環蒸汽輪機則是以乙醇做燃料，液氧做氧化劑，產生高溫水蒸氣推動汽輪發電機，廢氣主要是二氧化碳和水蒸氣，在一定壓力下很容易排出艇外。

閉式循環柴油機可以說是最早開始研究的AIP系統，前蘇聯早在20世紀50年代就建造了幾十艘使用閉式循環柴油機的Q級潛艇。荷蘭的新型“海鱔”級潛艇采用的就是閉式循環柴油機AIP和電力推進所組成的混合推進系統。AIP系統包括兩臺400千瓦的閉式循環柴油機，水下航速2節時可航行570小時。

閉式循環蒸汽輪機也已應用在法國“阿戈斯塔”90B型潛艇上，最大功率200千瓦：當它在水下以3．5節航速航行時，續航時間為336小時。法國還將開發功率為600千瓦的閉式循環汽輪機，并計劃將功率進一步提高到1300千瓦。

上述三種類型的AIP系統中，閉式循環柴油機型的噪聲最大，熱氣機由于有活塞、連桿和往復運動機件，比燃料電池型要大一些，這對格外強調隱蔽性的潛艇是非常重要的。燃料電池型的效率也比其他幾種AIP要高，達50％—70％，遠遠超過一般的30％，在同等功率條件下，可大大節省艇內寶貴的存放空間。因此，一些潛艇大國都把燃料電池型作為主要研究方向，連前蘇聯的繼承者俄羅斯在新一代AIP潛艇上也放棄了研究數十年的閉式循環柴油機，轉而采用燃料電池。

目前各種AIP系統都是與普通柴油動力共同裝艇使用的。因為AIP系統的功率顯然要小得多，不足以擔負起全部的動力，而且其水下航速非常低，對潛艇戰術很不利。另一方面，AIP的續航能力受其液氧攜帶量的限制，蛙人“水下呼吸器”的氧氣瓶一空，蛙人也就不得不浮出水面了。但AIP無疑已成為了潛艇發展的主要方向，相信隨著技術的進步，全AIP推進裝置必將取代混合動力系統。越來越多的新型AIP裝置會不斷涌現出來，也許最終會和核潛艇一樣，其自給力只受到艇員體能和食品攜帶量的限制。這樣一來，常規動力潛艇在未來戰場上，將發揮超過現在人們所能想像的巨大作用。