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论潜艇的“自强不息”

常规动力潜艇在水面航行时使用柴油机推进,而在水下航行时由于无法进气和排气,就必须关闭柴油机、使用蓄电池组推进。

受限于蓄电池组的电量,常规潜艇不得不经常浮出水面启动柴油机充电,而潜艇一旦出水也就暴露了自己。因此,只有发展不需要从空气中获取氧气的动力装置,潜艇才能保持更长的水下航行时间,这就是“不依赖空气的动力装置”,简称AIP。

今天,AIP系统已经成为先进常规潜艇的“标配”,只是实现“不依赖空气”的方式各有不同,主要可分为:闭式循环柴油机、“斯特林”发动机、燃料电池等几种。

闭式循环柴油机,顾名思义就是通过改进柴油机的进气与排气方式,由特殊的供气系统输送氧气与氩气混合气体点燃柴油,而废气中的二氧化碳被吸收装置吸收、再排入海水,剩余的氩气再与新的氧气混合,使柴油机持续做功。这种AIP诞生于二战时期,但由于性能和安全性存在重大缺陷,始终未能真正实用化。

“斯特林”发动机则是一种采用闭式循环的外燃式发动机,由英国人罗巴特·斯特林发明。所谓“外燃式”是指:燃料不直接做功、而是加热另外一种“功质”并使之循环做功的动力方式。传统的蒸汽机就是典型的外燃机,水和蒸汽就是所谓的功质。

“斯特林”发动机以柴油作为燃料、液氧作为氧化剂,燃烧生成的热连续供给一个闭路系统中的氦气,由它作为功质循环做功。瑞典建造的“哥德兰”号是世界上第一艘装备“斯特林”发动机的潜艇,它可以连续潜航14天。目前,日本的“苍龙”级和中国新型潜艇也采用“斯特林”发动机。

燃料电池AIP则是将燃料与氧化剂中蕴含的化学能直接转换为电能的装置。单个燃料电池也由正、负两个电极和电解质组成,但与普通蓄电池不同的是,它的正、负极本身不包含活性物质而只是催化元件,工作时燃料和氧化剂由外部供给。

氢-氧燃料电池的反应原理,可以认为是水被电解产生氢气和氧气的“逆过程”。因此,使用这种AIP系统的潜艇必须携带大量的液氢和液氧,技术难度可想而知。

燃料电池突出的优势是能量转换效率极高、噪声低,德国最先进的212A型潜艇便使用燃料电池AIP,一次潜航可达12天。

今天,先进的AIP系统已经在各国海军普及开来,但有一个关键问题也不能忽视,那就是目前的各类AIP输出功率普遍较小,只有几百千瓦量级,与数千千瓦的柴油机相去甚远,因此还只能作为潜艇的辅助动力、在4~5节的低速航行时使用。


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