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凌的潜艇博客

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日志

 
 

中、日、韩新型潜艇的AIP动力形式差异  

2009-08-06 18:52:08|  分类: 潜艇科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  韩国孙元一号                     日本苍龙号                    中国039A“元”级

    AIP是不依赖空气推进系统的英文缩写。AIP动力形式的出现,解决了困扰常规潜艇多年的水下续航力短,通气管状态暴露率高的难题。并以较低的成本,让常规潜艇具备了水下连续航行几周的能力。有效的提升了常规潜艇的隐蔽性,大大提高了常规潜艇的战斗力。目前来看,世界常规潜艇向AIP混和动力方向发展已成为总体趋势。在AIP动力形式中,已经实用化的,有德国的闭式循环柴油机和质子交换膜燃料电池,法国的闭式循环汽轮机与瑞典的闭式循环热气机等。

   近几年,中日韩最新一代AIP混合动力潜艇都已开始服役,韩国的孙元一引进德国214型技术,采用了西门子与HDW合作研制的质子交换膜燃料电池系统。日本则通过引进瑞典考库姆的斯特林热气机技术,以许可证生产方式实现了国产化,并已装备苍龙级潜艇使用。我国的“元”级潜艇采用的AIP动力与苍龙级相同,也为斯特林热气机技术。其性能与考库姆的V4-275R系列接近,由711所研制,目前已经实现国产化,并装艇实用。三个国家两种AIP动力形式,日本与我国不约而同的选择了热气机,韩国则选择了德国的燃料电池。到底是什么因素,让中日两国不经意间就形成了默契,而韩国却独树一帜的选择了另一种AIP形式?其深层次的原因是颇耐人寻味的。要解答这个问题,必须要先了解燃料电池与热气机在工作原理上的差异,搞清楚两种AIP形式在基本性能与使用维护上的不同特点,才能进一步分析出中日韩三国在发展AIP潜艇上的不同思路。

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   斯特林热气机原理图              斯特林热气机工作图

   斯特林发动机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热气发动机。基本原理如上图所示,其内部有两个相邻的汽缸,每个气缸内各有一活塞,活塞上端为热腔,下端为冷腔。通过加热器向工作介质供热,工作介质在相邻封闭的气缸内循环。在定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程中,工作介质推动活塞运动,活塞做功后最终通过曲轴向外输出动能。

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      瑞典装备与哥特兰级的V4-275R MKII式热气机

  瑞典于1968年开始研制斯特林热气机,经过20年的研发在1988年实现装艇实用化,在A17型西约特兰级上装备了两台由考库姆生产的V4-275R MK1型热气机,在进行了6000小时的动力运行试验后定型批量生产。V4-275R斯特林发动机,采用柴油做燃料,氧做助燃剂。两者混合后在燃烧室内燃烧,产生的热能在热交换器中将工作介质氦气加热,氦气膨胀后推动活塞运动产生热能,通过连杆曲轴带动发电机发电,为艇上蓄电池充电,或者直接提供给推进电机推动螺旋桨运转。1996年安装了两台V4-275R MKII型的哥特兰级A19型潜艇建造完毕后开始海试,也成为了世界上第一型装备实用化AIP动力后的AIP潜艇,开创了常规潜艇的新纪元。哥特兰级在装备两台热气机后,除了能满足艇上生活与电子设备用电外,还能保证其以4-6节的航速在水下连续航行2周时间,大大提高了哥特兰级的水下连续作战能力。

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最新的V4-275R MKIII型热气机           国产热气机原理样机图

          瑞典的斯特林热气机以柴油与液氧作为燃料,柴油可以由潜艇的燃油系统提供,液氧则储存在低温(零下180摄氏度)的液氧罐内,每千瓦功率消耗大约为250克柴油与950克氧气。潜艇可以通过基地或者海上补给船直接向艇上补充液氧和柴油,斯特林AIP系统的燃料后勤供应就较为简单。而在全世界大约有80%的商业港口能够提供液氧,斯特林AIP潜艇在海外补给燃料较为方便,远洋作战受到燃料补给的影响小,海外作战能力较强。

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                                      装备在哥特兰级上的斯特林热气机AIP模块

   在噪音方面,因为热气机运转时燃料燃烧是连续的,不象柴油机那样是周期爆炸性的,其燃烧做功时噪音较小。但斯特林发动机仍然需要通过活塞、连杆、曲轴等来输出动能,所以在运行时仍然有较明显的机械噪音。不过在设置隔声罩、安装减震基座,减震浮阀后,可以有效降低其运转时的机械噪音,而获得较为良好的降噪效果。

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                                          国产热气机AIP模块

    热气机燃烧后废气需要向舷外排放,排放废气会受到潜艇潜深的影响,斯特林热气机运行压力为20大气压,相当于200米水深处的压力。因此装备了斯特林热气机的潜艇,有效工作深度在200米左右,超过这个深度即需要加装一套废气压缩装置才能在更大的深度上排放废气。但废气增压排放装置能够提供的废气排放压力也是有限的,所以装备了斯特林AIP的潜艇,工作潜深会受到热气机废气排放深度的影响。另外,废气排放装置也增加了艇上设备得复杂度,其工作时增加的电能损耗,也会影响到AIP动力形式下的水下续航力,这是斯特林AIP形式较为突出的弊端。

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  711所国产热气机研制成功的公开报道

   斯特林发动机排放的废气为二氧化碳、水蒸气和少量氧。经过冷却装置冷却后,废气能控制到25度左右,在排放装置中经过与海水的混合,二氧化碳可以溶解于水,所以其不容易产生尾迹流。但是在较浅深度上,潜艇周围水温较低情况下,还是容易探测到排放废气流形成的红外迹象特征,这对潜艇较浅深度航行的隐蔽性不利。

   V4-275R系列的热气机的体积较小,以MKIII型为例机器尺寸为只有0.8*0.8*1.4米,只有大约一台家用冰箱大小,重量也只有750千克。即使装载四台,其动力系统所占的艇内面积也不大,对潜艇的储备浮力影响也很小。所以斯特林AIP系统适装性好,大小吨位潜艇都能装备,也可以用嵌入形式装配到老型号的潜艇上,增加老装备的作战能力。

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   说完了热气机在再来说说质子交换膜燃料电池系统,PEMFC的基本工作原理如上图,具体反映过程为:

  1、氢气通过管道或导气板到达阳极;
  2、在阳极催化剂的作用下,1个氢分子分解为2个氢质子,并释放出2个电子,
阳极反应为:H2→2H++2e。
  3、在电池的另一端,氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极,在阴极催化剂的作用下,氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水,阴极反应为:1/2O2+2H++2e→H2O
总的化学反应为:H2+1/2O2=H2O
   最终,电子在外电路形成直流电。只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气,就可以向外电路的负载连续地输出电能。

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214装备的BMZ34燃料电池模块                                                  212A装备的BMZ120燃料电池模块

   德国西门子公司在1993年研制成功质子交换膜燃料电池模块,此后与HDW公司合作完成了整个燃料电池AIP动力系统,并在212A型与214型上装艇实用。整个AIP动力系统由BMZ系列燃料电池模块、液氧储存罐、HDW公司生产的金属氢化物圆筒、控制系统与辅助系统等组成。通过金属氢化物圆筒中储存的氢和液氧储存罐中的氧,分别在质子交换膜的两极上产生化学反应,即可生产电流与副产品水。电流通过电池模块输出可以满足潜艇动力与生活用电所需,水则可以储存起来作为系统备用水。

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西门子SIII型燃料电池单元,单元面积400*400毫米,有气路、液路供冷却、排热、排水等系统,可工作在70-80摄氏度条件下。

    从燃料电池的工作原理可以看出,燃料电池是通过质子交换膜,将燃料(氢)与氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学装置。所以燃料电池系统工作时没有机械运动,而只有化学能与电能之间的转换。与其他AIP系统相比,燃料电池工作时没有机械噪音,所以其静音效果是所有AIP系统中最优秀的。因为是化学能与电能的直接转换,其能量转换效率也最理想。而且燃料电池系统不像斯特林热气机那样需要排放废气,其工作深度也不受潜艇潜深影响。

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装备西门子质子交换膜燃料电池AIP动力的212A型潜艇

   综合来看燃料电池系统在静音性能、能量转换效率、工作潜深上都要比斯特林热气机优秀 。但是德国的燃料电池系统也有非常突出的缺陷,其后勤维护能力在目前就非常差。德国的燃料电池系统的氢来源于金属氢化物圆筒,212与214级因为空间所限,将金属氢化物圆筒布置到了艇体双壳体段的舷间空间和附加龙骨内。为了保证两型艇的AIP动力运行可靠性,浸泡于高盐度水中的贮氢钢瓶和附属管路系统,必须进行定期的维护工作。但212、214型潜艇的钢瓶贮存位置都位于水线下,要进行维护就必须要回到船厂,座墩与干船坞中将整个艇体抬出水面后,才能进行相关维护和保养工作。这显然增加了燃料电池系统后勤维护的复杂性,特别是战时一旦制空权不保,潜艇想要在船厂或者维修基地,舒舒服服的通过坞修来进行金属氢化物圆筒的更换或维修,是很不现实的,会严重影响214、212型潜艇的作战能力。

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布置在214型艇舷间空间的大量金属氢化物圆筒,上层建筑一角露出的灰白色灌状物即为储存液氧的低温储存罐。

   另外金属氢化物圆筒的生产技术目前只有HDW掌握,全世界能够为214、212型潜艇提供补充用的金属氢化物圆筒只此一家。所以214、212型潜艇在远离本土基地的持续作战能力和作战范围,就受到了很大的限制。一旦需要离开本土进行远洋作战,214与212在第三方中立国或者盟国基地得到可靠的补给是较为困难的,也无法进行那么复杂的后勤保养工作。因此其远海作战能力实际上也很受限制。

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 拆卸了外壳体板的212A型艇,可以看到舷间空间用于安装金属氢化物圆筒的固定架上还是空的。艇体上部的上层建筑空间内,可以看到灰白色的体积硕大的液氧储存罐。

   在技术引进上,因为西门子与HDW在质子交换膜技术上的专利权,通过全套引进生产技术并最终实现国产化的代价比较高昂。而且西门子的质子交换膜在多项专利生产技术上,技术难度都很大,要完全实现国产化,比较困难。而HDW生产的金属氢化物圆筒,在材料与设计上也有很多难点,这两者相加,引进国想要通过全盘技术引进,并实现在国内完全国产化就非常困难,工程风险也很大,即使实现其成本也较高昂。这对于重视通过技术引进,实现国产自给,注重武器装备独立研发的国家来说也是非常头疼的。

    叙述完两种AIP系统的工作原理和性能差异后,就可以对两种AIP动力形式的优缺点来进行一番总结了,通过下面的这张分析表,可以直观的看到两型AIP动力系统在废气排放特征、国产化难度、静音水平、后勤维护、工作潜深、远洋作战能力上所体现出来的较大区别了。

AIP种类  排放特征  国产化难度  静音 后勤维护  潜深  远洋作战能力

燃料电池   无         高       优     差      优  差(补给困难)

热气机     中         中       中     优      中        优

 

   从上表中我们可以看出,斯特林热气机的综合性能属于中上水平,跟质子交换膜燃料电池系统相比,或许属于中庸类产品。而燃料电池系统则在主要性能上占据较大优势,在静音性能、作战潜深、废弃物排放特征上优势明显。实际上燃料电池系统在目前实用化的四种AIP系统中,这几个主要性能指标也是最优秀的。但是燃料电池系统目前的弊端和它的优点一样突出,在后勤维护上因为其特殊的燃料储存方式,造成了后勤维护困难,战时难以进行补给,远洋作战无海外补给点等缺陷。而这些将直接影响到214.212以及韩国的孙元一型艇,在实战背景下的战斗力、出勤率、和作战范围。

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212A型潜艇因为其金属氢化物圆筒布置在双壳体段的舷间,要进行更换必须返回具备相当修理能力的船厂,并座墩于干船坞上,才能进行外壳体板的拆卸和金属氢化物圆筒的更换。其后勤维护程序复杂,耗费时间长,战时补给维护能力差。

   对于重视实战需要和远洋作战的日本来说,这些都是无法接受。对于中国来说以上的弊端也是无法忽视的,我国在战时面临潜在敌对国家强大的空中力量,要保证制空权非常困难。在这种情况下要满足孙元一那样即慢且麻烦的燃料更换,是不太可能的。所以中国与日本都默契的选择了综合性能中庸的热气机,而放弃了性能诱人的燃料电池系统。

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                                              2900型苍龙级装备了斯特林热气机系统

   同时日本和我国作为经济与实际影响力的大国,在武器研发上也非常重视 自行研发,自供自给。如果自行研发不了,则尽量通过引进全套生产技术,来实现充分的国产化。这可以避免在战争中受到武器供给国的限制,而导致引进装备无法正常作战的情况。对于中日来说都为地区性乃至全球影响力大国,为了不受制于人,必须要完全实现主战装备的国产化。从这个角度出发,西门子与HDW联合研制的质子交换膜燃料电池系统,无论是研发难度、工程风险还是成本控制上,都不够理想,要实现完全的国产化难度较高。而瑞典的热气机则在生产难度与技术配套引进上,要容易的多,所以中日两国又不约而同的放弃了光鲜亮丽的燃料电池,而选择了中庸却更现实的热气机系统。

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      韩国引进214技术组装生产的孙元一AIP潜艇

    对于韩国来说,作为美国的小伙伴,国防安全很大程度上还是要倚重美国,其国防策略也是在与美国的安保合作机制下建立的。有些武备自己无法研制的可以通过引进,或者配套组装生产,有些完全可以直接购买,这在最大程度上可以降低因为自行开发、全套国产化带来的军备费用增加的问题。因此,韩国通过引进214技术并组装生产孙元一型AIP潜艇,是符合其国防战略背景的,毕竟韩国不需要像日本与中国那样,去从一个地区性乃至全球影响力大国的层面考虑问题。对于韩国来说获得综合性能最优秀的AIP系统才是最重要的,斯特林热气机因为在潜深、废气排放特征、机械振动噪音等性能上与燃料电池系统差距明显,韩国自然不会选择中庸的热气机了。

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                   214的作战指挥舱

   而这些缺点,对于中、日这两个有相当潜艇研发经验的国家来说,是完全可以通过其他手段弥补的。比如废气排放特征上,可以增设废气收集仪或者提高废气排放系统的降温能力,将热气机并不明显的废气排放特征降低到最低程度。斯特林热气机的工作噪音其实并不大,中日两国在潜艇研发中对于双层减震基座、整体式减震浮筏、以及设立消声尖劈室、隔声罩等模式进行机械降噪的经验也很丰富,经过这些先进的降噪措施,斯特林那点本身就不突出的机械振动噪音,是很难对潜艇总体噪音水平造成什么负面影响,甚至基本可以忽略不计。

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          日本2900型苍龙号AIP潜艇   

   至于斯特林热气机的200米的工作潜深,对日本来说确实是不利的。因为日本没有核动力潜艇,它的常规潜艇从涡、夕、春、亲到苍龙,吨位越来越大,最大下潜深度越来越深。日本基本是通过发展先进的常规潜艇,来弥补其没有核动力潜艇的缺憾。从这点讲,日本对其研发的潜艇最大潜深是有很大要求的。不过日本还是选择了斯特林热气机,而放弃了对工作潜深大有帮助的燃料电池。这显示了日本宁肯牺牲部分AIP动力模式下的工作深度,也要保证其武备研制完全国产化的巨大决心,让我们看到了一个具有深厚影响力的老牌海军军事强国的背影。

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                                                                我国“元”级潜艇

   对于中国来说,核动力潜艇的发展才是重中之重,将来发展一支数量和质量都有相当规模的核动力潜艇队伍是迟早的事情,所以作为补充力量的常规潜艇,AIP动力模式下,潜深达到200米已经符合作战需要了。万一出现特殊情况,关闭热气机,使用蓄电池备电进行大潜深作战,也是很方便的事情。所以斯特林热气机的200米工作潜深,对于我国来说,影响很小。

   综上所述,热气机以目前的技术状态来看,在主要性能指标上与质子交换膜燃料电池系统有差距。但是热气机的部分缺陷对于中日两国来说,用部分技术手段是能进行弥补的,其总体性能也较为均衡。而热气机在引进专利技术、实现国产化方面又有着较强的优势。对于重视武备研发独立的中、日两国来说,这点有着至关重要的影响。加上212.214上燃料电池系统目前暴露出来的后勤维护困难、战时补给维修能力差、远洋作战难以补给等突出弊端。中、日两国也不得不舍弃在各项性能指标上都十分突出的燃料电池系统,而去选择各方面都很中庸的热气机了。韩国受限与国内国防工业能力和国防投入水平,要像中、日两国那样在武备研发上完全独立,完全国产化比较困难。其国际地位又和中、日两国的世界影响力大国有较大差距,在国防战略上倚重美国,在武备开发上搞拿来主义更符合韩国目前的经济与军费水平。所以韩国将燃料电池突出的技术性能看的如此之重,却对燃料电池系统后勤维护上的巨大缺陷视而不见也在情理之中。

   常规潜艇AIP混合动力化是将来很长一段时间内,潜艇发展的总体趋势,选用何种AIP动力形式,能够体现一个国家在武器装备思路上,在国防战略思想上的独特之处。本文在解析了热气机与质子交换膜燃料电池的工作原理和性能特点后,从多个层面来分析造成中日韩三国选择不同AIP动力形式的原因,希望能给对潜艇和AIP动力形式有兴趣的朋友们一些微薄的帮助。

 

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