無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)用無(wú)氣體產(chǎn)生燃料

陸　宏，趙　熙，倪亞菲，邵明臣，李大鵬

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)用無(wú)氣體產(chǎn)生燃料

陸宏，趙熙，倪亞菲，邵明臣，李大鵬

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

無(wú)人水下航行器（UUV）在軍事領(lǐng)域正得到愈發(fā)廣泛的應(yīng)用，動(dòng)力裝置是其技術(shù)難點(diǎn)之一。無(wú)人水下航行器采用外熱源熱機(jī)，在續(xù)航力和航速上，都優(yōu)于其他類(lèi)型動(dòng)力裝置，且使用無(wú)氣體產(chǎn)生燃料，可從根本上解決水下氣體排放問(wèn)題，提高航行隱蔽性，具有良好的軍事應(yīng)用前景。本文根據(jù)無(wú)人水下航行器的使用條件和技術(shù)要求，對(duì)適用于無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)的無(wú)氣體產(chǎn)生燃料進(jìn)行了廣泛考察，給出了可用于無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)的無(wú)氣體產(chǎn)生燃料和氧化劑的組合。

無(wú)人水下航行器（UUV） 外熱源熱機(jī)無(wú)氣體產(chǎn)生燃料

0　引言

無(wú)人水下航行器（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）是無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)重點(diǎn)發(fā)展方向，可執(zhí)行監(jiān)視、偵察、跟蹤、反水雷、反潛、海底勘探、深水打撈、水下電纜鋪設(shè)等多種任務(wù)，在軍事領(lǐng)域得到愈發(fā)廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)地，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)要求隨之提高。

能源與推進(jìn)系統(tǒng)是無(wú)人水下航行器技術(shù)難點(diǎn)之一[1]，努力方向是大能量?jī)?chǔ)量、高功率和高效率、緊湊型動(dòng)力裝置，如金屬燃料電池、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、質(zhì)子交換膜電池等。

使用無(wú)氣體產(chǎn)生燃料的外熱源熱機(jī)作為無(wú)人水下航行器動(dòng)力裝置具有明顯優(yōu)勢(shì)，可從根本上解決外熱源熱機(jī)氣體排放問(wèn)題，提高無(wú)人水下航行器隱蔽性，且具有較大功率，可保證無(wú)人水下航行器大水下不間斷續(xù)航力、活動(dòng)半徑、水下高航速，具有非常良好的軍事應(yīng)用前景，國(guó)外甚至有建議，將其用于核動(dòng)力潛艇的輔助動(dòng)力裝置，可保障和提高核動(dòng)力潛艇的安全性和可靠性[2]。

可使用無(wú)氣體產(chǎn)生燃料的外熱源熱機(jī)，包括斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、閉式循環(huán)柴油機(jī)和閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置等[3]。

本研究通過(guò)廣泛考查無(wú)氣體產(chǎn)生燃料的物理化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性，根據(jù)無(wú)人水下航行器的使用條件和技術(shù)要求，提出適用于無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)的無(wú)氣體產(chǎn)生燃料及其匹配的氧化劑。

1　技術(shù)要求

無(wú)氣體產(chǎn)生燃料是一些化學(xué)物質(zhì)，其與氧化劑在與空氣隔絕的環(huán)境下燃燒時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物僅為固體或液體，而不會(huì)產(chǎn)生氣體，反應(yīng)產(chǎn)物可直接排放或在平臺(tái)上儲(chǔ)存。

相比潛艇等載人水下航行器，無(wú)人水下航行器對(duì)無(wú)氣體產(chǎn)生燃料及與其匹配的氧化劑的要求有所降低[3,4]，主要包括：1）反應(yīng)溫度范圍內(nèi)無(wú)氣體產(chǎn)生，反應(yīng)產(chǎn)物不包含高粘度物質(zhì)，不會(huì)降低反應(yīng)物的流動(dòng)性，且反應(yīng)產(chǎn)物不會(huì)降低反應(yīng)速率；2）高體積反應(yīng)熱密度，可保障較少的燃料和氧化劑攜載量；3）反應(yīng)可控，滿足寬廣航行工況范圍內(nèi)的功率需求；4）反應(yīng)產(chǎn)物與反應(yīng)物占據(jù)的體積相近，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)需排放；5）與燃燒室結(jié)構(gòu)材料兼容，可保障燃燒室穩(wěn)定、可靠工作，并延長(zhǎng)其使用壽命；6）無(wú)毒，至少是弱毒性，便于運(yùn)輸并可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，不易燃易爆，滿足使用安全性要求，減少后勤保障難度和工作量，便于無(wú)人水下航行器在潛艇和水面艦艇等搭載平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期搭載；7）自然環(huán)境中儲(chǔ)量豐富，生產(chǎn)和采購(gòu)成本低，從而降低無(wú)人水下航行器的使用費(fèi)用。

2　分析與篩選

可作為外熱源熱機(jī)無(wú)氣體產(chǎn)生燃料的化學(xué)物質(zhì)很多，包括金屬、非金屬單質(zhì)或化合物，可匹配的氧化劑也很多，如氧化物、鹵族化合物、含氧的固體化合物等[5]。

表1給出了O2作為氧化劑，幾種化學(xué)物質(zhì)的燃燒特性，重點(diǎn)考察反應(yīng)速率、毒性、放熱量、相態(tài)、穩(wěn)定性等方面。

表1　化學(xué)物質(zhì)與O2的燃燒反應(yīng)特性

由表1可見(jiàn)，N2H4、C2H6、SiH4、P、B、Al具有較高的單位摩爾放熱量，但N2H4、C2H6、SiH4分別由于毒性、相態(tài)、穩(wěn)定性等原因，不符合作為無(wú)氣體產(chǎn)生燃料的要求。例如，C2H6具有較高的單位摩爾放熱量，且反應(yīng)速率可控、無(wú)毒、經(jīng)濟(jì)性好，但燃燒放出CO2氣體，造成尾氣排放。液態(tài)H2單位體積放熱量大，可與液態(tài)O2燃燒，反應(yīng)速率，且H2、O2在自然界中儲(chǔ)量豐富。

幾種非金屬物質(zhì)與鹵素單質(zhì)、非金屬單質(zhì)和氧化物的燃燒反應(yīng)特性見(jiàn)表2[5]。

表2　非金屬的燃燒反應(yīng)特性

表3　金屬的燃燒反應(yīng)特性

鹵素單質(zhì)中，F(xiàn)2和Cl2有毒，Br2在常溫下易揮發(fā)，燃燒放熱量不大。N2H4、P、C燃燒產(chǎn)生氣體。H2和S燃燒放熱量不大。Si和Li燃燒可放出大量熱量，但反應(yīng)產(chǎn)物 Li2S化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。SiH4燃燒放熱量大，但有毒，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易燃易爆。B、Si燃燒的單位體積熱密度高，易制取，價(jià)格低廉。

幾種金屬燃料的燃燒反應(yīng)特性見(jiàn)表3。Al和FeO的燃燒稱(chēng)“鋁熱反應(yīng)”，反應(yīng)放出大量熱量，但需要在高溫下進(jìn)行，需要使用Mg為引燃劑，KCl為助燃劑，反應(yīng)難以控制。Li和 CrO3、Ti 和C、Be和S、Al和S的反應(yīng)均無(wú)氣體產(chǎn)生，放熱量較大。

同一種金屬燃料可與不同的氧化劑反應(yīng)。Mg顆粒與CO2或H2O反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為固態(tài)，放熱量大，CO2價(jià)格低廉，制備、儲(chǔ)存和使用非常方便。反應(yīng)產(chǎn)物 H2的儲(chǔ)存和處理工藝成熟。H2O作為氧化劑，相比使用O2和CO2，可減少占用無(wú)人水下航行器的體積，且費(fèi)用低。

與非金屬燃料相比，金屬燃料具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）反應(yīng)放熱量大；

2）占用體積小；

3）反應(yīng)產(chǎn)物占據(jù)體積與反應(yīng)物相當(dāng)；

4）反應(yīng)產(chǎn)物可還原出金屬，廢渣少；

5）燃燒不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)；

6）生產(chǎn)和制備技術(shù)成熟。無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)使用金屬燃料不具有難以克服的技術(shù)問(wèn)題。見(jiàn)表4。

綜合考慮，無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)使用的金屬燃料首選Mg和Li。

3　比較與推薦

表4　無(wú)氣體產(chǎn)生燃料的比較

4　結(jié)束語(yǔ)

使用金屬作為無(wú)人水下航行器外熱源熱機(jī)的無(wú)氣體產(chǎn)生燃料，相比非金屬燃料，在反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)放熱量、制備與儲(chǔ)存、安全性等方面，均具有優(yōu)勢(shì)。

在此方向上，需要開(kāi)展進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究，包括燃燒特性、外部條件對(duì)燃燒過(guò)程的影響、反應(yīng)催化劑的選擇等。

[1] ДядикА.Н.Корабельныевоздухонезависимыеэнергетические установки[M].СПб: Судостроение，2006.

[2] 李大鵬. 潛艇AIP裝置[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[3] 張曉東，李大鵬. 閉式循環(huán)汽輪機(jī)裝置使用的無(wú)氣體產(chǎn)生燃料[J]. 能源研究與信息，28（2），2012: 120-124.

[4] 李大鵬，王臻. Mg作為外熱源式AIP裝置無(wú)氣體產(chǎn)生燃料研究[J]. 船電技術(shù)，34（10），2014: 2-3.

[5] 伊赫桑·巴倫. 純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]. 北京:科學(xué)出版社，2003.

No-gas Generation Fuel Used in External Heat Source Engine of Unmanned Underwear Vehicle（UUV）

Lu Hong，Zhao Xi，Ni Yafei，Shao Mingchen，Li Dapeng
(. Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Unmanned underwater vehicle(UUV) is applied to the military field more and more widely，of which power plant is one of its technical difficulties. External heat source engine is better than the other types of UUV’s power plants by the characters of continuous navigation capacity and navigation velocity. Employment of no-gas generation fuel for the UUV can resolve the problem of gas exhaust underwater and improve navigation stealth. According to technical requirements and working conditions of the UUV，no-gas generation fuels that can be used in the external heat source engine of the UUV are investigated，and used no-gas generation fuels and theirs oxidizers are given in this thesis.

unmanned underwater vehicle(UUV); external heat source engine; no-gas generation fuel

TM621

A

1003-4862（2015）12-0030-04

2015-07-01

教育部第47批歸國(guó)留學(xué)人員科研啟動(dòng)基金，教外司留（2013）第1792號(hào)

陸宏(1979-)，女，碩士研究生。研究方向：艦船動(dòng)力裝置。