俄羅斯電化學(xué)發(fā)電機(jī)AIP潛艇的設(shè)計(jì)與發(fā)展

李大鵬 張曉東

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置是最具競(jìng)爭(zhēng)力的潛艇 AIP裝置之一，主要組成包括燃料電池、反應(yīng)物的儲(chǔ)存容器及制備設(shè)備、控制裝置等。燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽碚撋夏芰哭D(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 100%，唯一的反應(yīng)產(chǎn)物為水。由于進(jìn)行的是能量直接轉(zhuǎn)換過(guò)程，電化學(xué)發(fā)電機(jī)本身并無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此工作中非常安靜，可以使?jié)撏г诤叫袝r(shí)具有極佳的聲學(xué)隱蔽性。燃料電池維護(hù)保養(yǎng)方便，便于實(shí)現(xiàn)集中控制和自動(dòng)化。燃料電池過(guò)載能力強(qiáng)，其短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)額定功率2倍，遠(yuǎn)勝于柴油機(jī)等熱力機(jī)械，因此裝備電化學(xué)發(fā)電機(jī)的潛艇可進(jìn)行短時(shí)“沖刺”。燃料電池是由若干個(gè)燃料單元串、并聯(lián)而成，可根據(jù)潛艇內(nèi)部空間需要選擇配置方式。燃料電池效率隨輸出功率變化特性好，適合對(duì)于功率范圍寬而效率要求高的潛艇應(yīng)用場(chǎng)合。不足之處在于所使用氫燃料危險(xiǎn)性大。電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置功率密度較小。目前質(zhì)子交換膜燃料電池的典型功率密度為100 W/kg，比起柴油機(jī)的300 W/kg相差較遠(yuǎn)。要想達(dá)到相同功率，電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置所需重量要大于柴油機(jī)動(dòng)力裝置。另外，目前質(zhì)子交換膜燃料電池工作壽命一般為5000 h，造價(jià)是柴油發(fā)電機(jī)組的3-6倍。

1 蘇聯(lián)電化學(xué)發(fā)電機(jī)AIP潛艇

蘇聯(lián)在潛艇電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)70年代中期。天青石設(shè)計(jì)局對(duì)613型柴-電動(dòng)力潛艇進(jìn)行了電化學(xué)發(fā)電機(jī)改裝[1]，命名為613Э型（俄文字母“Э”代表“電化學(xué)發(fā)電機(jī)”）見(jiàn)圖1，613Э潛艇艙室布置見(jiàn)圖2。1988年，613Э型潛艇通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收，表明電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置原則上可以制造并用作新型潛艇動(dòng)力裝置。613Э型潛艇在寬度和排水量上略有增大。電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置能夠保證潛艇在經(jīng)濟(jì)航速下軸系推進(jìn)電機(jī)和全船電力用戶用電。在蓄電池不充電情況下，613型潛艇可以2 kn速度水下連續(xù)航行3-7晝夜，而613Э型潛艇可以2.5 kn速度水下連續(xù)航行4周。潛艇耐壓殼體外布置有4個(gè)巨大的液氫和液氧儲(chǔ)存罐。這種布置除了不十分美觀外，更重要的是使?jié)撏У乃畡?dòng)力學(xué)性能惡化。

圖1 613Э型潛艇

圖2 613Э型潛艇艙室布置

613和 613Э型潛艇的主要技戰(zhàn)術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，AIP艙段布置見(jiàn)圖3[2-4]。反應(yīng)產(chǎn)物水儲(chǔ)存在艙底水箱。載氧32 t，載氫4 t。電化學(xué)發(fā)電機(jī)由28個(gè)低溫氫氧燃料電池單元組成，使用金屬陶瓷電極和液體電解質(zhì)。天青石設(shè)計(jì)局還對(duì)陸上原型裝置在浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置在海洋條件下的使用性能及火災(zāi)爆炸安全性等。

圖3 AIP裝置艙段布置

在 613Э型潛艇取得經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，蘇聯(lián)對(duì)電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置在小排水量潛艇上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。1978～1986年，研制了比拉魚級(jí)小型潛艇、搜尋-6型深潛器和塞丘-K型水下航行器等。比拉魚級(jí)小型潛艇由孔雀石設(shè)計(jì)局研制、位于列寧格勒（現(xiàn)在的圣彼得堡）的波羅的海造船廠建造。 耐壓殼體采用鈦合金，非耐壓殼體采用鈦合金和玻璃鋼制成，排水量為100（水面）/218（水下）t，潛艇主尺度：長(zhǎng)×寬×吃水=28.3×3.7×2.5 m，下潛深度180（工作）/200（最大）m。1991年，為比拉魚級(jí)小型潛艇設(shè)計(jì)、制造、交付了“水晶-20”小型氫氧燃料電池電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置?！八?20”小型 AIP裝置由作為蘇聯(lián)電化學(xué)發(fā)電機(jī) AIP裝置研制的主要組織者和實(shí)施者的列寧格勒特種鍋爐制造設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)制造，借鑒了航天技術(shù)，采用金屬氫化物儲(chǔ)氫。1991年，蘇聯(lián)國(guó)防部對(duì)“水晶-20”裝置進(jìn)行了全面測(cè)試。蘇聯(lián)解體后，財(cái)政撥款停止，裝置最終未能裝艇。

2 俄羅斯電化學(xué)發(fā)電機(jī)AIP潛艇

作為蘇聯(lián)主要繼承者的俄羅斯一直沒(méi)有間斷對(duì)潛艇AIP裝置的研究。紅寶石設(shè)計(jì)局和孔雀石設(shè)計(jì)局一直在進(jìn)行AIP潛艇的研究和設(shè)計(jì)，特種鍋爐制造設(shè)計(jì)局一直在研制“水晶-27”型第二代AIP裝置，主要供拉達(dá)級(jí)677型潛艇及其出口型阿穆?tīng)?1650級(jí)潛艇、阿穆?tīng)?950級(jí)潛艇使用。一種方案是在潛艇中部嵌入一個(gè)AIP輔助動(dòng)力裝置艙段，在潛艇排水量略有增加、最大航速略有降低的情況下，可以不消耗蓄電池組電量，成倍提高水下續(xù)航力。圖4所示是加裝了電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的阿穆?tīng)?1650型潛艇艙室布置。目前，電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置還不能保證大洋級(jí)潛艇所要求的戰(zhàn)役-戰(zhàn)術(shù)性能，如在追蹤目標(biāo)過(guò)程中所需的速度和機(jī)動(dòng)性，或擺脫潛在敵人的快速攻擊等。因此，俄羅斯AIP潛艇設(shè)計(jì)上采用了“雜交”動(dòng)力裝置[5]，水下高速使用蓄電池組，經(jīng)濟(jì)航行使用電化學(xué)發(fā)電機(jī)，水面航行使用柴油發(fā)電機(jī)。

圖4 安裝有電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的阿穆?tīng)?1650型潛艇艙室布置

3 電化學(xué)發(fā)電機(jī)AIP嵌入艙段

俄羅斯卡拉列夫“能源”火箭航天委員會(huì)研制了采用低溫儲(chǔ)存氫和氧的運(yùn)輸用“РЭУ-99”型自動(dòng)化裝置，可做成嵌入式潛艇AIP艙段[5]。艙段長(zhǎng)9.8 m，當(dāng)平均需求功率為100 kW時(shí)，可保證潛艇水下不間斷航行20晝夜。額定功率300 kW，效率70%，氧耗率0.336 kg/kW·h，氫耗率0.042 kg/(kW·h)。裝置從冷態(tài)啟動(dòng)到滿功率額定工況所需時(shí)間不超過(guò) 240 min，額定工況到完全停機(jī)所需時(shí)間不超過(guò) 5 h，加注低溫反應(yīng)物需要時(shí)間18-30 min。電化學(xué)發(fā)電機(jī)使用期限10 y，使用壽命6000 h。電化學(xué)發(fā)電機(jī)并行工作，如同蓄電池。變流器可以工作在升壓器狀態(tài)，或根據(jù)需求工作在寬幅降壓調(diào)制器狀態(tài)。變流器由6個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于電化學(xué)發(fā)電機(jī)的一個(gè)能量模塊，起到電力保護(hù)和協(xié)調(diào)相互間并行工作的作用。

AIP艙段可以在潛艇現(xiàn)代化改裝時(shí)嵌入潛艇中后部，這樣的改裝和建造費(fèi)用最低。紅寶石設(shè)計(jì)局專家進(jìn)行了潛艇相鄰艙室間的電力線路和管路接口設(shè)計(jì)。當(dāng)然，也可以在潛艇建造時(shí)就采用AIP設(shè)計(jì)。艙室布置取決于艇上氫和氧的儲(chǔ)存、生產(chǎn)和制備方式。見(jiàn)圖5所示，氫和氧采用低溫儲(chǔ)存方案的阿穆?tīng)?1650型潛艇電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置嵌入艙段，電力系統(tǒng)見(jiàn)圖6。

圖5 氫和氧采用低溫儲(chǔ)存方案的AIP艙段

紅寶石設(shè)計(jì)局還研制了基于金屬互化物制氫和低溫儲(chǔ)氧的電化學(xué)發(fā)電機(jī) AIP艙段，見(jiàn)圖7[5]。由于金屬互化物密度較大，一般為5.65～8.25 t/m3，為保證潛艇的穩(wěn)性和重心，將金屬互化物儲(chǔ)存箱布置在艙段底部龍骨上。液氧罐垂直布置，系統(tǒng)其余設(shè)備的布置方式與低溫反應(yīng)物儲(chǔ)存技術(shù)方案相似。

圖6 加裝了電化學(xué)發(fā)電機(jī)的阿穆?tīng)柤?jí)潛艇電力系統(tǒng)

圖7 采用金屬互化物制氫和液氧儲(chǔ)存的AIP艙段

4 現(xiàn)狀分析與預(yù)測(cè)

自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，在常規(guī)柴-電動(dòng)力潛艇設(shè)計(jì)制造方面，俄羅斯（蘇聯(lián)）是無(wú)可爭(zhēng)議的世界領(lǐng)先國(guó)家。蘇聯(lián)研究設(shè)計(jì)了超過(guò)300種型號(hào)潛艇，大部分都曾列入現(xiàn)役。2009年，在俄新社網(wǎng)站及其他俄羅斯媒體上報(bào)道了俄羅斯有意向國(guó)外購(gòu)買第4代非核動(dòng)力潛艇及德國(guó)U-212A級(jí)潛艇生產(chǎn)許可證的消息。俄羅斯海軍司令弗拉基米爾·維索斯基上將表示[6]，俄羅斯有意購(gòu)買德國(guó)AIP技術(shù)。

以1998年HDW和TNSW開(kāi)工建造的首批4條使用電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置的 U-212A級(jí)潛艇為標(biāo)志，德國(guó)可以說(shuō)成功解決了第4代非核動(dòng)力潛艇的設(shè)計(jì)制造問(wèn)題。這一級(jí)潛艇在技戰(zhàn)性能如戰(zhàn)斗效率、自持力、隱蔽性、不間斷水下航行時(shí)間、水聲性能和潛艇系統(tǒng)自動(dòng)化水平等方面都接近當(dāng)時(shí)先進(jìn)的核動(dòng)力潛艇。但俄羅斯第4代非核動(dòng)力潛艇建造卻不順利，677型拉達(dá)級(jí)潛艇自1989年開(kāi)始由紅寶石設(shè)計(jì)局開(kāi)始設(shè)計(jì)，直到1997年12月26日，第一條“圣彼得堡”號(hào)才在圣彼得堡海軍部造船廠開(kāi)工建造，并計(jì)劃采用與 U-212A級(jí)潛艇類似的電化學(xué)發(fā)電機(jī)AIP裝置?！笆ケ说帽ぁ碧?hào)直到2007年才建成，同年開(kāi)始進(jìn)行船廠系泊和航行實(shí)驗(yàn)，但試航并未取得完全成功，所以直至今日該艇仍未被海軍接收?！笆ケ说帽ぁ碧?hào)上未安裝AIP裝置，不能稱為真正的第4代非核動(dòng)力潛艇。

瑞典、日本等國(guó)家已經(jīng)公開(kāi)表示要研制建造第5代非核動(dòng)力潛艇。第5代非核動(dòng)力潛艇將采用單一全工況（水面與水下航行狀態(tài)）發(fā)動(dòng)機(jī)。如果俄羅斯不具備AIP制造技術(shù)，就不可能研制出第5代非核動(dòng)力潛艇。這是在過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)中，俄羅斯首次失去潛艇建造技術(shù)的領(lǐng)先地位。俄羅斯作為世界上第二大武器出口國(guó)，并且是能夠出口現(xiàn)代海軍武器裝備為數(shù)不多的國(guó)家之一，可以說(shuō)，目前在潛艇建造上面臨的最大挑戰(zhàn)就是AIP技術(shù)。

盡管世界上發(fā)達(dá)國(guó)家在電化學(xué)發(fā)電機(jī)的研制上已經(jīng)開(kāi)展了近30年，但距開(kāi)發(fā)預(yù)期目標(biāo)還有相當(dāng)大的距離?，F(xiàn)在 1 kW 功率燃料單元造價(jià)約5000～1000美元，最成熟產(chǎn)品的使用壽命低于6000 h，全壽命周期內(nèi)平均效率為22～25%。俄羅斯技術(shù)最成熟的25 kW功率“光子”電化學(xué)發(fā)電機(jī)造價(jià)超過(guò)30萬(wàn)美元，相當(dāng)于12000＄/kW的造價(jià)，而使用壽命僅為2000 h左右。

5 小結(jié)

制造電化學(xué)發(fā)電機(jī)AIP裝置需要進(jìn)行大量的科學(xué)技術(shù)研究和較高的工藝水平，主要在于制造基于燃料單元的電化學(xué)發(fā)電機(jī)。俄羅斯在該領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，主要問(wèn)題在于投入。如果近期俄羅斯?jié)撏е圃鞓I(yè)和AIP技術(shù)現(xiàn)狀沒(méi)有得到明顯改善，則隨著其他國(guó)家第5代非核動(dòng)力潛艇的出現(xiàn)，俄羅斯海軍可能不得不采用其他國(guó)家的技術(shù)。這不僅體現(xiàn)在俄羅斯需要向別國(guó)購(gòu)買AIP技術(shù)，甚至可能直接向別國(guó)購(gòu)買AIP潛艇。

[1]Постнов А.А. Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами[J].Судостроение, №2. 1998： 41-45.

[2]Кормилицин Ю.Н. KILO CLASS. Optimum performance for all naval scenarios[J]. Naval forces.No.6, 1995： 121-126.

[3]Кормилицин Ю.Н. Подводная лодка проект 877[J].Военный парад, июль-август, 1996： 35-39.

[4]Сагайдаков Ф.Р., Чекалов Ю.Н., Чернецова Н.А.Состояние и перспективны развития мирового рынка подводных лодок с неатомными энергетическими установками[M]. СПб：Моринтех-96, 1996.

[5]Никифоров Б.В.,Соколов В.С., Юрин А.В. Новые источники электроэнергии для подводных аппаротов. Вопросы проектирования подводных лодок： электроэнергетические системы[R]. СПб.：ФГУП ЦКБ МТ Рубин, Вып.12, 2000.

[6]Николай Кириллов. Германия России предложила подводные лодки.....[J/OL]. Независимая газета, 29 февраля, 2010.