-
AIP系統
鎖定
AIP是“Air Independence Propulsion(無空氣推進)”的英文縮寫,如今它已為人們普遍接受,日漸風靡各國海軍並大有引領常規潛艇發展之勢。
- 中文名
- 無空氣推進
- 外文名
- Air Independence Propulsion
- 簡 稱
- AIP
- 潛水深度
- 中等
AIP系統發展沿革
AIP是“Air Independence Propulsion(無空氣推進)”的英文縮寫,如今它已為人們普遍接受,日漸風靡各國海軍並大有引領常規潛艇發展之勢。
現有的常規動力潛艇,在水面航行時,用柴油發動機作動力,同時給蓄電池充電;在水下航行時用蓄電池提供動力。潛艇因此要經常浮出水面,不利於隱蔽。為了克服這一缺點,現已研製成無需從空氣中獲取氧氣的潛艇常規動力裝置,這就是所謂不依賴空氣的動力裝置,簡稱AIP系統。
對以“柴油機+電動機”為動力的常規潛艇來説,能否在水下潛伏更長時間至關重要。尤其在戰時,這一能力的強弱直接關係到常規潛艇的生死存亡。
第二次世界大戰期間,納粹德國潛艇部隊遭到盟軍海空反潛力量的沉重打擊。那些浮出水面進行換氣充電的德軍潛艇,不少被盟軍的反潛機發現並擊沉。
為此,德軍開始考慮如何讓U型潛艇在水下潛伏得更久。制約因素很明顯,那就是需要大量消耗空氣的柴油機和電量不長時間內就消耗殆盡的電池組。於是,技術人員開始研製不需要空氣就能運行的動力系統(AIP系統)。
德國人研製出了早期AIP系統的核心設備——瓦爾特發動機。其以過氧化氫為氧化劑、以煤油為燃料,不需要空氣就能運行。但是,瓦爾特發動機並沒有得到廣泛應用。這是因為,用它作為主動力系統為遠航潛艇提供推動力,必須攜帶大量過氧化氫。當時潛艇的排水量和內部空間有限,這顯然難以實現。加上過氧化氫本身易爆,對潛艇安全威脅大,最終德國海軍並沒有廣泛應用,而是採用了更加簡單、可靠的通氣管裝置,使潛艇在潛望鏡深度就可以用通氣管向柴油機供氧,併為蓄電池充電,實現長時間水下潛航的目的
[1]
。
AIP系統技術類別
世界潛艇四類AIP技術:
閉式循環柴油機AIP(CCDAIP)
該系統以閉式循環柴油機為發電機原動機。為使柴油機在沒有空氣供氣狀況下工作,必須提供模擬空氣成份的進氣氣體,使柴油機發火燃燒工作。為此,將柴油機排出的廢氣經CO2吸收器吸收部分CO2氣體,廢氣中未被吸收部分氣體再加入適量氧氣,即組成人造大氣。但由於這種人造大氣中CO2含量總比新鮮空氣多,使人造空氣的比熱容值低於正常空氣,為保證一般標準柴油機在閉式循環狀態下正常工作,一般在再循環的氣體中加入適量單原子氣體氬,使混合成的人造大氣與正常空氣比熱容值一致。這樣柴油機即可在閉式循環狀態下正常工作,也可以在開式空氣供應時正常工作,實現開、閉合用。為了高效地吸收柴油機廢氣中的CO2,應首先將温度為350~400℃、壓力為0.2~0.5Mpa的廢氣噴淋冷卻至80~100℃。再將冷卻後的廢氣送進CO2海水吸收器中,讓海水充分溶解吸收CO2氣體,而其他成分氣體在吸收器中吸收量很少。經這種“洗滌”後的廢氣進入混合室與氧氣、氬氣混合後再循環。而溶有大量CO2的海水經海水處理系統(WMS),排出舷外。海水處理系統利用深水能量,不需消耗較多能量而將較低壓力的海水(2~5 bar)排放到深水中(如下潛300 m則為30bar),而水泵耗功只用於克服流動阻力,因此耗功少,整套裝置效率較高。
為使整個AIP系統協調工作,設置計算機控制系統,以控制水處理系統的海水流量,供氧量等,使整套系統適應柴油機負荷、潛艇下潛深度的變化,保證正常工作。
斯特林發動機AIP(SEAIP)
斯特林發動機(SE)AIP以不依賴空氣的斯特林機(Stirling Engine)為發電機原動機。斯特林發動機是一種外部加熱的連續燃燒發動機,它通過外部燃燒的高温氣體經加熱管加熱內部循環的工質(船用斯特林機通常用氦氣作循環工質),內部循環工質受熱膨脹推動活塞作功,使發動機輸出軸功率。為了使發動機在無空氣條件下連續運行,同樣需要連續不斷地供應氧氣燃燒供應熱量,因而SEAIP也裝有較大容量的液氧罐。為了排除燃燒後廢氣,有兩種方法可選擇。一種是利用廢氣壓力直接排到舷外海水,這需要較高的燃燒壓力(30 bar左右),且未燃燒的O2會隨廢氣直接排至舷外,導致未燃O2氣和來不及溶解的CO2氣冒至海面。另一種方法是象CCDAIP系統一樣,裝備排氣冷卻?O2海水吸收器及水管理系統,這樣裝置會比直接排出廢氣的辦法複雜些,但可使燃燒壓力降低,燃燒不隨潛深影響,不會產生氣泡航跡,隱蔽性較好。
燃料電池FC(FCAIP)
德國已裝艇海試的燃料電池為氫氧燃料電池,其基本工作原理是靠氫和氧反應直接產生電能而工作的,它唯一的副產品為水,這個過程正好與通過電解分解水的過程相反。燃料電池必須源源不斷地供應氫和氧,為此,AIP裝置不僅要有較大容量的液氧罐,而且要有一個較大容量的液氫貯存罐,而液氫要比液氧貯存條件苛刻得多。
小型核動力AIP(AMPS)
小型核動力AIP系統又稱為自持式船用核反應堆發電裝置,加拿大ECSA公司從80年代初即開始了小型核動力AIP系統的研究工作,至今已先後研究成三種型號。該公司計劃將AMPS-400型系統裝於1000噸級潛艇,AMPS-1000型裝於2000噸潛艇上。
AIP系統技術特點
CCD-AIP中,柴油機本身幾乎無需作重大改進,主機技術成熟,其他輔助系統問題,如再循環氣體混成、廢氣的噴淋冷卻、CO2海水吸收原理、水處理系統的原理,有關單位已有研究,不存在較大技術風險。因而開發CCDAIP能在技術風險小,投資少(例如引進一台CCD只需150萬美元),且可在我們工藝、工業水平能達到的情況下早日獲得。當然,相對來説,柴油機本身結構噪聲和空氣噪音較大,但現代隔振技術完全可使柴油機經隔振後噪聲指標達到要求。由於水處理系統耗能少,因此CCDAIP系統效率可達35%。
SE-AIP主機即斯特林發動機,外部連續燃燒加熱工質作功,因此結構噪聲及空氣噪音比柴油機小,這是它一大特點。目前,我國已研製出75 kW斯特林原理樣機,其效率為35%。與柴油機相比,效率稍低,而其技術成熟程度存在較大差距,工作可靠性有待進一步考驗。目前存在較大難度的技術問題尚需進一步解決,如高性能加熱器材料、加熱器頭工作温度均勻、工質流動均勻、工質密封、功率調控、壓力燃燒等。因此,研製SEAIP必然投資較大(例如引進一台熱氣機需300萬美元,一個艙段需要1億美元),技術風險也比CCDAIP高。據稱,韓國引進瑞典斯特林發動機後認為40~70%零部件不能自己生產,結果否定了SEAIP方案。另據消息,澳大利亞從瑞典購買熱氣機做評估試驗,3個月未達到額定功率,被否定。SEAIP研製週期相應也會較長。
燃料電池具有最高的能量與重量比,效率高(達50~60%),而且幾乎是不產生廢氣,可無聲航行。但在潛艇上貯存液態氫是有很大的技術難度。同時因為氫氣易爆易燃,對使用氫的安全有嚴格要求,裝置中的膜要依賴美國進口,國內尚無生產能力。由此可見燃料電池技術難度大,工業基礎要求較高,要使燃料電池上艇作AIP動力,需要很高的技術儲備,
3種AIP的性能指標評價
AIP方案性能指標 | CCDAIP | SEAIP | FCAIP |
---|---|---|---|
航程 | 中等 | 中等 | 好 |
潛水深度 | 中等 | 中等 | 好 |
低噪聲級 | 較差 | 中等 | 好 |
散發至舷外熱量 | 中等 | 中等 | 好 |
研製費用 | 好 | 中等 | 較差 |
運行費用 | 好 | 中等 | 較差 |
研製週期 | 好 | 中等 | 較差 |
裝置安全性 | 好 | 好 | 中等 |
維修性能 | 好 | 中等 | 好 |
研製風驗 | 好 | 中等 | 較差 |
部分配備AIP系統的潛艇(4張)
- 參考資料
-
- 1. 從AIP系統到鋰離子動力電池:“純電動潛艇”向人類駛來 .中國軍網.2021-11-05[引用日期2021-11-05]