潛艇電力推進技術發展探究

（海軍工程大學干部訓練大隊，湖北 武漢 430033）

潛艇電力推進技術發展探究

曹森

（海軍工程大學干部訓練大隊，湖北 武漢 430033）

潛艇作為海軍作戰力量的重要組成部分，憑借其優良的隱蔽性在海洋戰場上發揮著越來越重要的作用。電力推進是潛艇水下航行的主要方式，因此研究潛艇電力推進技術，對降低潛艇的噪聲，提高潛艇的隱蔽性和水下續航力有著重要作用。本文從電力推進技術的起源入手，介紹了電力推進技術的優勢，分析了當前電力推進技術存在的問題，并對電力推進技術的發展方向進行了展望。

電力推進；永磁電機；常規潛艇

電力推進技術作為常規潛艇水下航行的推進方式，決定著潛艇的水下續航力和隱蔽性。傳統的常規潛艇通常采用的是柴發機組發電給蓄電池充電，再由蓄電池帶動推進電機，工況單一，水下續航力差。近幾年，以AIP技術為代表的新型電力推進系統在潛艇上的列裝，極大的提高了潛艇的水下續航力和隱蔽性。本文著重列舉了幾種新型電力推進技術，比較了幾種新型電力推進技術的特點和不足。

1 潛艇電力推進技術簡介

二戰時期是潛艇發展較為迅速的一個時期，戰爭的需要刺激了潛艇技術的迅猛發展，電力推進技術運用于潛艇的動力系統，就是起源于這一時期。在這一時期，潛艇多采用直流供電的技術，在電力系統結構上較為簡單。在水下航行時，潛艇往往使用預先儲備在蓄電池中的電力推動潛艇的航行，受限于當時的電池技術，潛艇在航行很短的一段時間后，就需要浮出水面，啟動柴發機組進行再次充電。在這種技術條件的限制下，潛艇的隱蔽性能受到極大限制。潛艇作戰功能的實現，都離不開電力的支持，而受限于潛艇電池容量，潛艇各個功能都受到一定程度的限制，降低了潛艇的綜合戰斗力。這一狀況一直持續到通氣管在潛艇上的使用。通氣管發明以后，使得潛艇可以在通氣管航行狀態下給蓄電池充電，大大提高了潛艇的水下續航能力，提高了潛艇的隱蔽能力。這一時期的潛艇排水量增加到了2000余噸，航速保持在10Kn左右，續航能力增大到了1萬海里左右，可以在水下保持活動一個月左右。在第二次世界大戰以后，潛艇受到各國海軍的重視，潛艇相關研究工作得到了大力支持，潛艇的建設速度增快。在二戰后出現了多種經典常規潛艇，如日本的“蒼龍”級潛艇。“蒼龍”級潛艇是日本目前潛艇部隊的主力，還出口過其他國家，是日本目前最先進的常規潛艇。“蒼龍”級潛艇就采用了先進的AIP技術，最大航速20Kn，水下可持續潛航3周。

2 電力推進技術的技術優勢

得益于交流電力技術的成熟和運用，使得潛艇的動力系統在降低體積的同時，大大提高了潛艇的綜合性能。電力推進技術與傳統的艦艇推進技術相比，具有以下的技術優勢：（1）減小了潛艇電力設備的體積，大大拓展了潛艇的內部空間。潛艇是一個密閉性的空間，受限于潛艇的體積，布置更多的作戰設備，必然要盡可能的節約潛艇內部的空間。使用電力推進技術可以有效的節省潛艇內部的空間，使潛艇可以安裝更多的作戰設備，在有限的空間內，發揮出更大的作用。（2）統一供電模式，使用電力推進技術可以有效的提高潛艇內供電的穩定性。在由電力推進系統供電以后，可以保障潛艇內電流的穩定性，使各電子設備處于一個安全可靠的電力環境中，降低了潛艇電子設備因為電路故障導致的事故，減輕了潛艇對電子設備的維護工作量，提高了電子設備的耐用性。（3）提升了潛艇的可操作性，電力推進技術可以提高潛艇的靈活性，降低了潛艇操作的難度，增強了潛艇的機動性。（4）增強潛艇反潛能力，在潛艇技術發展的同時，反潛技術也獲得了快速發展，使用電力推進技術，可以降低潛艇工作時的螺旋槳聲音，降低潛艇因為噪音過大而被聲吶發現的可能性，提高了潛艇的隱蔽性，提高了潛艇的生存能力。此外將交流電網電力推進技術應用于潛艇之上，可以降低潛艇的能耗，降低潛艇航行對海洋的污染，起到環保的作用。

3 電力推進技術的發展方向

3.1 斯特林發動機的進一步發展和完善

斯特林發動機是目前世界上許多常規潛艇使用的AIP技術。斯特林發動機通過氣體受熱膨脹、遇冷空氣壓縮而產生動力的。斯特林發動機不需要排廢氣，除燃燒室內原有的空氣外，不需要其它空氣，非常適合潛艇的水下航行。1995年下水的“哥特蘭”號潛艇是世界上第一艘裝備AIP系統的常規潛艇，這也標志著斯特林發動機進入了實用階段。目前世界上較先進的潛艇如德國的214型潛艇、日本的蒼龍級潛艇等都采用了斯特林發動機技術。但斯特林發動機仍存在許多問題需要解決，如膨脹室降溫成本高、功率低等。隨著斯特林發動機的進一步發展和完善，其在潛艇上的應用也會更加廣泛。

3.2 燃料電池的成熟與應用

燃料電池是一種可以將燃料經過氧化劑的化學作用直接轉換為電能的一種新型電池技術。燃料電池的電能轉化效率高，經過氧化劑可以轉換出50%左右的電能，大大提高了燃料的利用率，是火力發電和柴油發電的30%，可以極大的節省燃料。對于內部空間有限的潛艇來說，使用燃料電池作為電力推進系統的能源，可以使用有限的資源，盡可能的延長潛艇對電能的需要，同時降低了電力設備在潛艇內部的使用。使用燃料電池+柴電混合電力的推進系統，既可以滿足潛艇續航的需要，也能夠使潛艇的電力設備正常工作。以德國的PEMFC燃料電池為例，該型號的燃料電池可以在一個安靜的環境中完成電能的產生和轉換，使潛艇的噪聲降到最低。在熱能的轉換過程中，燃料電池產生的熱量較小，即使在高負荷的狀態下，燃料電池的熱負荷也是極低的，對于潛艇這種密閉性的空間，可以提高潛艇的舒適度。燃料電池通常使用模塊化設計，在輸出大功率電流的同時，也不會占用潛艇過多的空間。

3.3 永磁電機推進技術

永磁電機也是一種新興的電力推進技術，由于永磁電機的制造費用昂貴，限制了永磁電機的使用范圍。不過隨著近年來制造永磁電機的材料價格降低，永磁電機逐漸可能列裝到潛艇。永磁電機是一種交流供電電動機，永磁電機利用轉子和定子的物理作用產生電能，不需要使用空氣，而且永磁電機在轉換電能的過程中，所產生的熱能較少，而轉換的電能較多。使用永磁電機可以滿足潛艇對電能的需要。將永磁電機作為潛艇的動力系統，具有以下的優勢：（1）永磁電機的體積小，重量也小，以某型號永磁電機舉例，該型號的永磁電機可以產生5兆瓦電能，轉速達到150r/s，而重量僅為4噸左右，相比較同等發電規模的電動機來說，永磁電機推進機的重量是很輕的。（2）電能轉換效率高，這是其他發電方式所無法比擬的，也是永磁電機的一大優勢，永磁電機在電能的轉換效率上，達到了85%以上。（3）永磁電機與潛艇的推進系統切合度高。經過科學計算和精準射擊，將潛艇推進系統的螺旋槳系統和永磁電機有機整合到一起，可以有效的提升螺旋槳的轉速，實現對螺旋槳的精準操控，由此提升了潛艇的操控能力，使潛艇具有極強的機動性。同時，永磁電機推進機在低俗螺旋槳方面的優勢，可以使潛艇以較低的能耗巡航，提高了潛艇的續航能力。但是永磁電機也有技術短板，主要是容易受到金屬方面的影響，降低其性能。另外高溫對永磁電機的傷害較為嚴重，由于潛艇長期處于密封狀態，其內部溫度較高，而當溫度超過80℃時，將會降低永磁電機的發電效率，這一點需要在以后的研發過程中加以解決。

4 目前潛艇蓄電池的改進

使用蓄電池電力推進技術，是由于潛艇航行的特殊性來決定的。在常規潛艇中，無論柴電動力潛艇還是使用AIP技術的潛艇，都離不開蓄電池，蓄電池性能對于潛艇電力推進系統，有著直接的影響。目前潛艇依然大量使用鉛酸電池，為此針對鉛酸電池的優化，有利于提升潛艇蓄電池的蓄電能力，從而提升潛艇電力推進系統的性能。隨著AIP系統在潛艇中的普遍應用，電力推進系統所發揮的重要作用與日俱增，當下使用蓄電池作為潛艇的電力推進技術，需要著重于解決蓄電池的蓄電能力及功率問題。蓄電池技術目前主要是解放人工的壓力，提升蓄電池內部電能的轉換效率，如將電池中的氧氣和氫氣相融合，使其發生化學反應生成水，使蓄電池內的氫含量提升，由此提升蓄電池對電能的保存能力，延長蓄電池的使用壽命。調整蓄電池的結構也可以有效提升潛艇電力推進系統的性能，經過實踐研究發現，管狀電池最有利于電能的保存，相比較平板電池，管狀電池可以有效提升30%的電能保存效果。為了使蓄電池推進系統的電能得到充分的發揮，改革蓄電池正負極的金屬，可以起到相應的效果，目前常用的金屬為銅。

5 結語

潛艇作為隱蔽打擊敵人的重要手段，在未來戰場上的作用也越來越大。新型電力推進技術在潛艇上的使用，極大提升了潛艇的生存能力和綜合作戰能力。通過本文的分析研究，目前AIP技術中的斯特林發動機最為成熟，應用最為廣泛，其他幾種新型電力推進技術仍在實驗研究階段，沒有達到實際應用的地步，相信隨著技術的發展，這些新型電力推進技術也將應用到潛艇上。

[1]郭冰.水面艦船推進電機技術發展與展望[J].船舶電氣,2008,2(4):32-34.

[2]何金平.雙燃料電力推進（PFDE）系統集成研究[J].船海工程, 2014,43(5):161-163.

E925.66

A

1671-0711（2017）04（上）-0142-02