基于斯特林發動機的第5代非核動力潛艇方案設計

李大鵬，王肇曦

(1.海軍工程大學，武漢 430033；2.海軍北海艦隊，山東青島 110000)

0 引言

非核動力潛艇可以顯著減少了使用通氣管航行時間，增大潛艇不間斷水下續航力，降低潛艇的暴露率。

1988年，瑞典將斯特林發動機作為潛艇動力裝置，開創了潛艇 AIP裝置的新時代。自 1995年下水的“哥特蘭”級潛艇開始，瑞典潛艇普遍安裝有斯特林發動機[1]。

目前，各國研發中的第4代非核動力潛艇均安裝有AIP裝置，但功率不大，作為輔助動力，不能滿足潛艇水下長時間航行需要。

第5代非核動力潛艇的最大特點，是潛艇在水面和水下航行狀態都采用單一的全工況發動機，AIP裝置作為主動力裝置，且是唯一的動力裝置[2]。

非核動力潛艇在向巡邏區域航渡過程中，為減少通氣管航行時間，避免噪聲增大，通常選擇使用中等航速完成航渡；到達巡邏區域后，為增加巡邏時間，保證艇上聲吶探測的靈敏度，降低噪聲，通常以低速航行。

從各國在役非核動力潛艇運行統計數據看，潛艇在其全部航行過程中，約有80%的時間處于低速和中速狀態，而中速和低速航行所需功率，恰好處于AIP裝置額定功率的中間區段。因此，AIP裝置運行特性可與非核動力潛艇航行工況做到良好匹配。

在運行噪聲、功率、造價、使用成本、壽命、可靠性、岸上保障設施等指標方面，斯特林發動機超過其他類型AIP裝置，成為第5代非核動力潛艇動力裝置的不二選擇。目前，瑞典、日本等國已經開始研發使用斯特林發動機的第5代非核動力潛艇。

本文所進行的方案設計的目標，是保證第 5代非核動力潛艇在水下不間斷續航力、最大航速、經濟航速、低噪聲航速等技戰術指標上，全面超過了第3代和第4代非核動力潛艇，從而具有較大的性能優勢。

1 海軍部系數

在方案設計階段，動力裝置需求功率與潛艇排水量、航速之間的關系是重點考察內容，可根據海軍部系數估算：

其中，N—動力裝置需求功率，kW；?—航速，kn；D—排水量，t；C—海軍部系數。海軍部系數在一定程度上反映了船艇阻力特性?，F代化非核動力潛艇艇型均趨近于回轉體，可參考使用在役的第3代和第4代非核動力潛艇海軍部系數，見表1。

表1 不同航行狀態下的潛艇海軍部系數

通過艇型優化設計和制造工藝的提高，可以適當提高海軍部系數，故第5代非核動力潛艇選取表中海軍部系數的最大值計算。

2 動力裝置需求功率

針對不同水下排水量的非核動力潛艇，經估算，得到在不同航行狀態下，航速與需求功率之間的關系。見圖2～圖5。

可見，隨著潛艇水下排水量和最大航速提高，動力裝置需求功率增加很快。現代潛艇大部分航行處于水下狀態，水面和通氣管航行狀態在方案設計時可不予重點考查。

圖1 水下最大航速與需求功率關系

圖2 水下低噪聲航速與需求功率關系

圖3 水下經濟航速與需求功率關系

一般來說，一艘排水量為1500～2000 t的非核動力潛艇，水下航速為 2～4 kn，潛艇推進功率為幾十kW，艇內生活負載為50～150 kW。

在潛艇處于水下低速航行狀態時，生活負載占據動力裝置功率輸出的大部分。第5代非核動力潛艇自動化水平高，艇員數目將進一步減少，但為保證艇員高水平的工作和生活條件，使得艇員能夠更好地適應長期水下航行環境，提高戰斗力，生活負載應得到保證。

圖4 通氣管航速與需求功率關系

圖5 水面最大航速與需求功率關系

國外對AIP潛艇進行的總體方案設計，通常是以排水量2000 t、生活負載為100 kW的非核動力潛艇為對象進行的。本研究同樣設定生活負載為100 kW。

水下最大航速為潛艇一項重要的技戰術性能指標，目前，各國在役現代化非核動力潛艇水下最大航速一般在18～24 kn。不同水下最大航速，水下最大排水量與需求功率之間關系見圖6。在相同水下最大航速下，隨著水下最大排水量的增加，動力裝置需求功率大幅增加。

為了使第5代非核動力潛艇不低于典型的第4代非核動力潛艇所具有的水下最大航速，對于2000 t級排水量潛艇而言，若水下最大航速為21 kn，動力裝置短時發出功率不應低于4000 kW。

水下經濟航速航行是潛艇使用最多的工況，對于未來的第5代非核動力潛艇同樣如此。各國第 3代和第 4代非核動力潛艇水下經濟航速在8～10 kn，以此航速為基礎，得到不同水下經濟航速下，水下最大排水量與需求功率之間的關系見圖7。在相同水下經濟航速下，隨著水下最大排水量的增加，動力裝置需求功率大幅增加。

為使第5代非核動力潛艇不低于典型的第4代非核動力潛艇所具有的水下經濟航速，對于2000 t級排水量潛艇而言，若水下經濟航速為10 kn，動力裝置短時發出功率不應低于270 kW。

圖6 不同水下最大航速下水下最大排水量與需求功率關系

圖7 不同水下經濟航速下水下最大排水量與需求功率關系

3 蓄電池組功率

蓄電池組可為非核動力潛艇水下最大航速航行、低噪聲航速航行、應急電力提供能量。目前在役的幾種非核動力潛艇蓄組短時可發出的最大功率見表2。

由表可見，在艇型基本布置不做較大改變的情況下，第 5代非核動力潛艇蓄電池組可裝備4500 W蓄電池組，作為應急電力以及水下最大航速航行時使用。

4 斯特林發動機

斯特林發動機裝備第5代非核動力潛艇，將替代第3代和第4代非核動力潛艇上裝備的柴油機，作為發電機的原動機。

斯特林發電機與柴油機形狀對比見圖8。斯特林發動機對潤滑的要求相比柴油機有所降低，因此，通過使用較小的帶油底座，可在一定程度上降低斯特林發動機高度。此外，斯特林發動機可使用比柴油機更低標號的潤滑油。

作為艙室布置需要，需估算斯特林發動機的主要尺寸和占用空間。由于設計母型潛艇裝備的是柴油機，可通過將斯特林發動機與柴油機的主要尺寸和占用空間進行估算后對比，見表3。

表2 蓄電池組的短時最大功率

圖8 斯特林發動機和柴油機的形狀

表3 斯特林發動機和柴油機的尺寸和占用空間

斯特林發動機中的氣缸軸間距（1.6D，D—氣缸直徑）要比柴油機（1.3D）大，這是因為斯特林發動機氣缸需要承受相當高的工質壓力，需要較大的氣缸壁厚。此外，斯特林發動機氣缸分為溫度不同的兩個區域，高溫區域和低溫區域所使用材料分別為耐高溫鋼和普通鋼。

如果考慮到輔助設備后的發動機寬度，斯特林發動機和柴油機相差不大。

發動機平均有效壓力或發動機有用功與氣缸排量之比，無渦輪增壓柴油機為 0.8 MPa，平均工質壓力11 MPa的斯特林發動機為1.8 MPa，比值（1.8/0.8）相當于用曲柄半徑表示的發動機高度比（HS/HD=25/10）的倒數。斯特林發動機曲柄半徑和活塞行程較小，對于同樣高度的斯特林發動機和柴油機，其有效功率近似相等。

斯特林發動機燃燒室和空氣預熱器傳遞單位熱量所需功率體積約為2 cm3/W。對于無增壓柴油機，包括氣缸頭、氣體管路、消聲器和其他設備后，相應值約為斯特林發動機的一半，即 1 cm3/W左右。

斯特林發動機設計制造具有一定的自由度。例如，可調整燃燒室與空氣預熱器尺寸，而不會增大發動機總體尺寸。

斯特林發動機冷卻系統的熱負荷要比柴油機高2 倍以上。此外，斯特林發動機效率直接取決于冷卻水溫度，并隨冷卻水溫度降低而增大。這與柴油機不同，柴油機效率隨冷卻溫度升高而增大。因此，斯特林發動機冷卻系統有著更嚴格的溫度限制。

總的說來，斯特林發動機和柴油機的體積質量（kg/m3）相差不大。依據現役AIP潛艇，如“蒼龍”級、“哥特蘭”級的設計經驗，一般裝備 2 臺柴油機，2～4臺斯特林發動機。第5代非核動力潛艇水面和水下航行采用同一臺全工況斯特林發動機，不再安裝柴油機，因此，安裝和布置方式可參考柴油機。

由丹麥、挪威和瑞典三國聯合研發的“維京”級潛艇，計劃安裝單臺800 kW功率斯特林發動機。日本三菱公司為新型潛艇研發的斯特林發動機已經成功進行了臺架測試，發動機功率超過600 kW。德國MAN公司為其未來的非核動力潛艇研發的斯特林發動機功率為700 kW，MTU公司競標獲得了 2 臺總功率 2100 kW斯特林發動機動力裝置研發合同。根據國內外斯特林發動機技術水平及研發現狀，第5代非核動力潛艇可選用4 臺單臺功率800 kW的斯特林發動機。在此情況下，配合使用蓄電池組，潛艇可以實現不低于24節的水下最大航速，遠超第3代和第4代非核動力潛艇。

5 水下不間斷續航力

相同水下排水量的AIP潛艇，水下不間斷續航力與燃料攜載量直接相關。

斯特林發動機需要使用潛艇自帶的氧化劑—液氧，且第5代非核動力潛艇的水下航行也需使用斯特林發動機，因此，對燃料和氧化劑的攜載量需求均較大，相比現役AIP潛艇，需要加大液氧攜載量。依據現有艇型，可以估算出最大燃料攜載量與水下排水量的關系。

由表4可見，燃料搭載量一般為潛艇水下排水量的10 %。如果采用大功率斯特林發動機，安裝的斯特林機數量減少，可用于搭載燃料和液氧的空間增加?；诖耍蓪⒌?代非核動力潛艇燃料攜載量定為潛艇水下排水量的12 %。

表4 水下排水量與燃料攜載量關系

對于瑞典V4—275型斯特林發動機[2]，氧耗率為 820～920 g/(kW·h)，燃耗率為 350～610 g/(kW·h)，氧耗率與燃耗率基本為2:1。因此，可將潛艇燃料攜載與液氧攜載量之比也為2:1。

根據斯特林機工作特性，經濟航速下燃耗率最低，低噪聲航速下燃耗率提高，最大航速下燃耗率最高?；诖?，可設定經濟航速下燃耗率為350 g/(kW·h)，低噪聲航速下燃耗率為 450 g/(kW·h)，水下最大航速下燃耗率為 600 g/(kW·h)。

計算得到不同水下排水量下，水下不間斷續航力與水下航速之間的關系，見圖9。

圖9 水下不間斷續航力與水下航速關系

由圖可見，第5代非核動力潛艇的水下不間斷續航力遠遠高于普通柴—電動力潛艇幾百海里的水下不間斷續航力，也高于使用AIP作為輔助動力裝置的第 3代和第 4代非核動力潛艇 1～2周的水下不間斷續航力，已經接近核動力潛艇。

6 潛艇主要技戰術性能

第5代非核動力潛艇主要在瀕海海域執行任務，面臨的主要威脅是敵方水面水面艦艇、第 3代和第4代非核動力潛艇和反潛航空兵。因此，第 5代非核動力潛艇主要技戰術性能參數的選擇，要與其執行任務的種類和性質相一致。

根據計算結果，可以計算出3種水下排水量下的第 5代非核動力潛艇的主要技戰術性能指標，見表5所示。

由表可見，對于3種水下最大排水量的第5代非核動力潛艇，隨著水下最大排水量的增大，水下最大航速略有下降，但水下不間斷續航力和水下自持力有大幅提高。

1500 t級潛艇具有27 kn的水下最大航速，水下最大航速僅比2000 t和2500 t級潛艇分別高出2 kn和3 kn。但是，2500 t級潛艇擁有最大的8000 海里水下不間斷續航力，相比1500 t和2000 t級潛艇分別高出2200 海里和1000 海里，且由于噸位較大，可搭載更多先進的武器和軍事技術裝備，可遂行更為多樣化的任務，適航性更好，因此，具有較大的綜合性能優勢，可作為第5代非核動力潛艇的排水量選擇。

7 小結

第5代非核動力潛艇使用斯特林發動機，可滿足水面和水下長時間航行的需要，在水下最大航速、水下不間斷續航力等潛艇主要技戰術性能指標上，全面超過第3代和第4代非核動力潛艇。

2500 t級水下最大排水量，因在主要技戰術指標上具有綜合優勢，可作為第5代非核動力潛艇排水量的選擇。

要實現本研究所提出的方案設計的關鍵，在于研制大功率斯特林發動機。目前，斯特林發動機功率尚不能滿足要求，需要加大投入。國外先進的潛艇國家，如德國、日本、瑞典，都已開始大功率斯特林發動機的研發工作，不遠的將來，將有型號產品面世。

表5 潛艇技戰術性能指標

[1]金東寒.斯特林發動機的發動機技術[M].哈爾濱工程大學出版社，2009.

[2]李大鵬.不依賴空氣的潛艇動力裝置[M].國防工業出版社，2015.

[3]Дядик А.Н.Корабельные воздухонезависимые энергетические установки[M].СПб:Судостроение,2006.

[4]Худяков Л.Ю.Подводные лодки XXI века[M].СПб.:Изд.СПМБМ Малахит,1994.