潜艇的“水下呼吸器”——ＡＩＰ系统
作者：jnscsh 时间：2021-07-04 08:50:37 浏览次数：次
潜艇，一种令人生畏的“沉默杀手”。两次世界大战中的出色战绩，让潜艇成为与航空母舰并驾齐驱的海战利器。潜艇最大的优势在于深藏水下的隐蔽性，不过潜艇只能短时间地躲在水里，需要经常回到水面上。而核动力的出现使潜艇拥有了几乎无限的水下续航能力，但占据全世界潜艇总数90％的常规动力潜艇的情况并未得到改善，直到AIP系统的问世。
AIP系统全称为“不依赖空气推进装置”。顾名思义，就是指能让潜艇在没有外界空气的水下航行的动力装置。以往，潜艇在水下是靠蓄电池带动的电动机提供动力的，而蓄电池的电量有限，只能航行几十个小时，不得不经常上浮至海面“呼吸”，即在通气管状态下使用柴油机为蓄电池充电。这样很容易被对方雷达侦察到，同时柴油机为蓄电池充电时的噪声，也极易被对方水声器材探测到，因而大大增加了常规动力潜艇的暴露率，使其生存能力受到严重的威胁。现在有了AIP，潜艇仿佛装上了蛙人用的“水下呼吸器”，持续潜航能力成倍增加，可以保证潜艇作战的需要。
早在“二战”期间，德国和前苏联就开始了AIP系统的研制，只是限于技术水平，到20世纪末方才有了实质性的进展。除这两个国家外，瑞典、法国、荷兰也都已经研制出了不同类型的AIP系统，主要包括热气机型、燃料电池型和闭式循环发动机型三种。
热气机型是最早投入实用的AIP系统，1995年2月服役的瑞典“哥特兰”潜艇装备的便是热气机，开创了AIP实用的先河。“哥特兰”号装两台功率各为5千瓦的V4——275R型热气机，每台持续功率为65千瓦。热气机是一种外燃的、闭式循环活塞式热力发动机。因它是1816年苏格兰的斯特林所发明，故又称斯特林发动机。热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。热气机实际循环效率较高，已接近柴油机。和内燃机相比，热气机在燃烧室内不产生爆炸，所以噪声较小，这些性能对潜艇都十分合适。“哥特兰”上的热气机有45～55千瓦的能量可用于推进潜艇，使其获得大约6节左右的水下航速，并可保持该航速连续航行15天。该发动机另一个令人叫绝之处是，发动机上的吸收装置可把废气与水充分搅和后排出艇外，不会在周围环境中形成气泡，从而减少尾迹，降低了红外辐射。
燃料电池型以德国212型潜艇和俄罗斯“阿穆尔”级潜艇为代表。212型潜艇采用了由燃料电池和柴电动力组成的混合动力装置。燃料电池动力系统主要包括9个模块单元组成的质子交换膜燃料电池模块组、液氧存储罐及在金属氢化物中存储的氢。其工作原理是使氢燃料和氧化物在一个特殊的燃烧室内发生化学反应直接生成电能，然后使输出的直流电驱动电机推动潜艇前进。每个燃料电池模块单元的输出功率为34千瓦。实验证明，用燃料电池作为动力，可使212型潜艇的水下最大航速达到8节以上，并可持续航行7天以上。艇上另一套动力系统是由柴油发电机组、推进电机、蓄电池组和配电设备等组成的常规推进系统。上述两套系统既可单独工作，也可以同时进行工作。两套系统同时工作时，水下的持续最大航程超过1683海里，是没有AIP系统的209型潜艇的4倍以上。
俄罗斯“阿穆尔”级AIP潜艇采用的是碱性燃料电池系统，同时还有一套柴电动力装置。整套燃料电池动力装置的功率为300千瓦，能保证以水下3．5节的速度持续航行20天。
闭式循环发动机中分为闭式循环柴油机和闭式循环蒸汽轮机。闭式循环柴油机是通过控制普通柴油机的进排气实现闭式循环，在进气中含有一定量的柴油和氧气，喷入适量的惰性气体(如氩气)，废气中的二氧化碳经吸收装置溶入海水排到艇外，其余废气进入系统再循环。闭式循环蒸汽轮机则是以乙醇做燃料，液氧做氧化剂，产生高温水蒸气推动汽轮发电机，废气主要是二氧化碳和水蒸气，在一定压力下很容易排出艇外。
闭式循环柴油机可以说是最早开始研究的AIP系统，前苏联早在20世纪50年代就建造了几十艘使用闭式循环柴油机的Q级潜艇。荷兰的新型“海鳝”级潜艇采用的就是闭式循环柴油机AIP和电力推进所组成的混合推进系统。AIP系统包括两台400千瓦的闭式循环柴油机，水下航速2节时可航行570小时。
闭式循环蒸汽轮机也已应用在法国“阿戈斯塔”90B型潜艇上，最大功率200千瓦：当它在水下以3．5节航速航行时，续航时间为336小时。法国还将开发功率为600千瓦的闭式循环汽轮机，并计划将功率进一步提高到1300千瓦。
上述三种类型的AIP系统中，闭式循环柴油机型的噪声最大，热气机由于有活塞、连杆和往复运动机件，比燃料电池型要大一些，这对格外强调隐蔽性的潜艇是非常重要的。燃料电池型的效率也比其他几种AIP要高，达50％—70％，远远超过一般的30％，在同等功率条件下，可大大节省艇内宝贵的存放空间。因此，一些潜艇大国都把燃料电池型作为主要研究方向，连前苏联的继承者俄罗斯在新一代AIP潜艇上也放弃了研究数十年的闭式循环柴油机，转而采用燃料电池。
目前各种AIP系统都是与普通柴油动力共同装艇使用的。因为AIP系统的功率显然要小得多，不足以担负起全部的动力，而且其水下航速非常低，对潜艇战术很不利。另一方面，AIP的续航能力受其液氧携带量的限制，蛙人“水下呼吸器”的氧气瓶一空，蛙人也就不得不浮出水面了。但AIP无疑已成为了潜艇发展的主要方向，相信随着技术的进步，全AIP推进装置必将取代混合动力系统。越来越多的新型AIP装置会不断涌现出来，也许最终会和核潜艇一样，其自给力只受到艇员体能和食品携带量的限制。这样一来，常规动力潜艇在未来战场上，将发挥超过现在人们所能想像的巨大作用。