未來常規(guī)潛艇對新型動力系統(tǒng)的需求

潘基松

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未來常規(guī)潛艇對新型動力系統(tǒng)的需求

潘基松

（海軍參謀部潛艇局，北京 100841）

本文從未來常規(guī)潛艇作戰(zhàn)需求出發(fā)，提出必須發(fā)展新型動力系統(tǒng)，以滿足全程水下、隱蔽作戰(zhàn)需要的觀點(diǎn)；分析了燃料電池的先進(jìn)性，得出燃料電池是常規(guī)潛艇AIP最佳的動力方案；介紹燃料電池在國外常規(guī)潛艇的應(yīng)用情況及我國潛艇用燃料電池發(fā)展情況；提出了我國燃料電池技術(shù)有關(guān)科研單位應(yīng)當(dāng)繼續(xù)跟蹤世界燃料電池技術(shù)并加強(qiáng)研究、有關(guān)職能部門應(yīng)當(dāng)及時(shí)推進(jìn)燃料電池實(shí)艇應(yīng)用的建議。

潛艇 動力系統(tǒng) 燃料電池

0 引言

常規(guī)潛艇至今已有百余年的歷史，它經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)的洗禮，取得了非凡的戰(zhàn)果，已成為各國海軍主戰(zhàn)裝備之一。但是，隨著探測潛艇裝備的發(fā)展和軍事戰(zhàn)術(shù)的進(jìn)步，以柴油發(fā)電機(jī)為主動力的常規(guī)潛艇已暗然失色，因此，各國海軍發(fā)展常規(guī)潛艇時(shí)，對動力系統(tǒng)提出了更高需求。

1 未來常規(guī)潛艇作戰(zhàn)需求

目前，軍事強(qiáng)國已經(jīng)形成了水下、水面、空中和太空四位一體的反潛偵察能力，其偵察衛(wèi)星除過頂30～40 min間隔外均可發(fā)現(xiàn)水下70 m內(nèi)活動的潛艇，戰(zhàn)時(shí)還可臨時(shí)發(fā)射偵察衛(wèi)星對戰(zhàn)區(qū)進(jìn)行無縫式搜索。目前我國現(xiàn)役以柴油發(fā)電機(jī)為主動力的潛艇通常2晝夜須上浮充電，即使采用快速充電方式，也不能在40 min內(nèi)完成充電并下潛到安全深度，被敵發(fā)現(xiàn)概率幾乎為100%，實(shí)際上從近幾年來，我常規(guī)潛艇在海上屢被發(fā)現(xiàn)跟蹤的事實(shí)，可見一斑。部分以熱氣機(jī)（SE/AIP）為主動力的潛艇，其水下連續(xù)航行續(xù)航力雖然有較大提高，但是仍然不能滿足全程水下狀態(tài)作戰(zhàn)需求，而且以熱氣機(jī)（SE/AIP）為動力的潛艇降低輻射噪聲已變得越來越難。因此，為了蠃得未來的戰(zhàn)爭，從延長潛艇水下續(xù)航力、降低輻射噪聲等方面來說，必須發(fā)展新型動力系統(tǒng)，以滿足全程水下、隱蔽作戰(zhàn)需要。

2 燃料電池的先進(jìn)性

為了減少常規(guī)潛艇暴露率，增加隱蔽性，早在二戰(zhàn)期間，德國及蘇聯(lián)就曾經(jīng)涉足AIP的研究。進(jìn)入20世紀(jì)后半期以來，AIP更如繁花怒放，紛紛在各國潛艇上“安家落戶”。目前，國外在役或者在建的新一代常規(guī)潛艇數(shù)量較多，新一代常規(guī)潛艇呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：幾乎所有最新研制的常規(guī)潛艇都在考慮或者已經(jīng)使用各類AIP系統(tǒng)，包括：熱氣機(jī)、燃料電池、閉式循環(huán)柴油機(jī)和閉式循環(huán)汽輪機(jī)，而且燃料電池AIP潛艇居多。

燃料電池適合作潛艇動力，是因?yàn)槠湫矢摺⒈饶艽蟆⒐β史秶鷮挕o噪聲、無污染、可以模塊化設(shè)計(jì)、使用維修方便。它的先進(jìn)性主要如下所述。

2.1能量轉(zhuǎn)換效率高

燃料電池理論效率可接近90％，實(shí)際效率已達(dá)到60％～70％；目前閉式循環(huán)汽輪發(fā)電機(jī)組效率為25%左右，熱氣機(jī)發(fā)電機(jī)組效率為32%左右，閉式循環(huán)柴油發(fā)電機(jī)組效率為33%左右。這意味著在燃料貯存量相同的條件下，燃料電池AIP潛艇水下續(xù)航力將是其他AIP潛艇的2倍以上。

2.2振動小、噪聲低

燃料電池是一種無聲的動力裝置，自身不產(chǎn)生振動和噪聲，有利于潛艇的隱蔽。而熱氣機(jī)、柴油機(jī)都屬于往復(fù)運(yùn)動機(jī)械，其振動和噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于燃料電池。

2.3熱輻射小，能減少被紅外探測概率

質(zhì)子交換膜燃料電池，電堆工作溫度為60℃～70℃左右，紅外輻射低。而閉式循環(huán)柴油機(jī)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)和熱氣機(jī)均存在燃燒室內(nèi)高溫燃燒、紅外目標(biāo)特征明顯，需要采取冷卻降溫措施。

2.4生成物清潔，排放不受深度限制

燃料電池生成物是水，可供艇員使用，方便儲存，排放簡單，不受潛艇工作深度限制。閉式循環(huán)柴油機(jī)、閉式循環(huán)汽輪機(jī)和熱氣機(jī)的生成物是CO2或者其他廢物，必須有處理裝置，既增加了復(fù)雜性，又浪費(fèi)能源。

2.5功率適應(yīng)范圍寬，過載能力強(qiáng)

燃料電池具有功率適應(yīng)范圍寬的特性，方便潛艇水下狀態(tài)隨時(shí)增速機(jī)動。其他AIP動力沒有這種特性，潛艇水下增速機(jī)動時(shí)，需啟動另外一臺AIP設(shè)備或者蓄電池放電。

2.6模塊化設(shè)計(jì)，方便使用管理

燃料電池可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，配置機(jī)動靈活，有利總體布置，使用、維護(hù)和修理方便，更換簡單，系統(tǒng)可靠性高，維修性、保障性好。

潛艇用燃料電池在增大水下續(xù)航力、降低振動噪聲和熱輻射方面，在滿足功率、生成物排放、總體布置和可靠性要求方面，均能很好地滿足潛艇對AIP系統(tǒng)的要求，綜上所述，燃料電池是常規(guī)潛艇上佳候選電源、理想的AIP系統(tǒng)，是幾種AIP中最有發(fā)展前途的動力裝置。因此，世界上研究、應(yīng)用燃料電池AIP的國家也最多，而且許多國家已把是否加裝燃料電池AIP視為21世紀(jì)常規(guī)潛艇現(xiàn)代化的主要標(biāo)志之一。

3 燃料電池AIP在國外潛艇的應(yīng)用情況

由于燃料電池適合用于潛艇的水下動力，因此受到各國海軍的重視，很多國家都投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究，其中美國、日本、法國等都積極投入這一工作，由于各種原因，停止了研究、應(yīng)用工作。但是，德國對燃料電池的研究一直沒有停止，在世界上一直處于領(lǐng)先地位，1989年研制的堿性燃料電池裝在205級U1型潛艇，成功地進(jìn)行了海試，1993年研制出性能更好的單塊功率為34 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，標(biāo)志著燃料電池的研制取得了突破性的進(jìn)展。隨后，德國決定建造4艘裝有燃料電池AIP的212A級潛艇。首艇于1997年開工建造，2004年3月正式交付德國海軍服役，編號為“U31”，這是第一艘正式服役的燃料電池AIP潛艇。德國海軍212A型潛艇裝備了300 kW的燃料電池AIP，采用9個(gè)燃料電池模塊，每個(gè)模塊34 kW，氫源采用金屬儲氫方案，該級潛艇水下排水量為1830噸，燃料電池供電時(shí)最高速度可達(dá)8節(jié)，并可在水下連續(xù)航行7天，如果以4.5節(jié)的水下速度航行，續(xù)航力可達(dá)1250海里。德國針對出口，研制成功了214型燃料電池動力系統(tǒng)的潛艇，先后出售給意大利、希臘、南非、土耳其、韓國等國海軍約20余艘潛艇。2009年德國又開始了216型潛艇的研制工作，該型潛艇裝備的燃料電池AIP所需的氫是由甲醇重整制成，不使用通氣管隱蔽航行可持續(xù)28天。

韓國海軍向德國購買了3艘214型潛艇，首艇“孫元一”號于2007年服役。2015年5月7日韓國在大宇船廠舉行第六艘214型潛艇“柳寬順”號(1800噸級)的下水，該艘潛艇采用燃料電池AIP動力系統(tǒng)推進(jìn)，能持續(xù)在水下執(zhí)行任務(wù)長達(dá)2周，水下航速最大可達(dá)20節(jié)。根據(jù)韓國海軍的計(jì)劃，“柳寬順”號將于2016年11月正式服役。韓國海軍此前曾經(jīng)表示計(jì)劃到2019年至少再建造5艘214型潛艇。

目前，俄羅斯正式向外推出裝備堿性燃料電池AIP動力系統(tǒng)潛艇，即“阿穆爾”級潛艇。該級艇水上排水量為2180噸，燃料電池功率為300千瓦，水下3.5節(jié)時(shí)，連續(xù)續(xù)航力約為1680海里。

據(jù)報(bào)道，日本于2015年以后開始建造新一代潛艇，也就是所謂的次世代潛艇，它將在2020年以后替代現(xiàn)役的親潮級，該型潛艇將裝備日本自行研制的燃料電池。

燃料電池AIP在國外常規(guī)潛艇的成功應(yīng)用，為我國未來常規(guī)潛艇發(fā)展新型動力系統(tǒng)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒和信心。

4 我國燃料電池AIP發(fā)展情況

近年來，針對國內(nèi)城市清潔能源發(fā)展需求，以及電動汽車用燃料電池急需，國內(nèi)許多單位積極開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的研究工作。目前，國內(nèi)研制民用質(zhì)子交換膜燃料電池的單位包括中國科學(xué)院大連化物所、上海神力科技有限公司、東方電氣集團(tuán)中央研究院、航天一院十五所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等。在國家863計(jì)劃及各省市科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，我國燃料電池的研究開發(fā)取得了長足的進(jìn)步，車用燃料電池堆技術(shù)已具有較高水平，特別是在質(zhì)子交換膜燃料電池方面，達(dá)到了或者接近了世界水平。此外，712所根據(jù)軍貿(mào)潛艇裝備需求，一直跟蹤和開展?jié)撏в萌剂想姵谹IP技術(shù)的相關(guān)研究工作，也取得了進(jìn)展。在儲氫合金的開發(fā)方面，上海冶金研究院、北京金屬研究院、四川大學(xué)、浙江大學(xué)等單位已經(jīng)取得了一定成就，但目前都僅限于試驗(yàn)研究階段，還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。在微型化甲醇重整制氫方面，廣東合即得能源有限公司等單位已經(jīng)突破了關(guān)鍵技術(shù)。但是在總體上，我國潛艇用燃料電池技術(shù)水平低，仍然處于科研階段，燃料電池電堆實(shí)艇環(huán)境下使用技術(shù)仍有待于突破和驗(yàn)證。

5 結(jié)論

未來戰(zhàn)爭牽引著潛艇的發(fā)展，燃料電池的特點(diǎn)和國外燃料電池成功應(yīng)用于潛艇表明，燃料電池作為潛艇動力將會大輻提高潛艇水下續(xù)航力、降低輻射噪聲等，能較好地滿足未來潛艇作戰(zhàn)需求。潛艇用燃料電池與其他非核AIP相比具有明顯的優(yōu)勢；國外燃料電池技術(shù)成熟，而且燃料電池已成功應(yīng)用于潛艇動力系統(tǒng)；我國在這方面也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)儲備。為此，建議我國燃料電池技術(shù)有關(guān)科研單位繼續(xù)積極跟蹤世界燃料電池技術(shù)的發(fā)展，充分借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，消化吸收先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)燃料電池技術(shù)的消化和儲備；同時(shí)建議有關(guān)職能部門應(yīng)當(dāng)大力支持燃料電池實(shí)艇使用研究開發(fā)工作，加大投入，適時(shí)組織相關(guān)單位進(jìn)行軍事需求論證，并開展演示驗(yàn)證及工程應(yīng)用工作。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 韓慶等.常規(guī)潛艇的魅力不減.現(xiàn)代艦船, 2000, (2-3): 64.

Requirements for New Power System of Conventional Submarine in the Future

Pan Jisong

(The Submarine Bureau of Naval Staff, Beijing 100841, China)

U674.76

A

1003-4862（2016）10-0055-03

2016-5-18

潘基松（1965-），男，高級工程師。研究方向：潛艇機(jī)電使用與管理。