【军事文摘】潜艇AIP系统的关键问题
当前潜艇AIP系统共有4类，分别为“斯特林”发动机系统、燃料电池系统、自主式潜艇能源系统(MESMA)以及闭式循环柴油机系统。无论使用哪种AIP系统，无论是全新设计还是给已服役常规潜艇加装AIP舱段，首先都需要考虑的如下几个方面的问题。
技术人员正在对“斯特林”发动机进行调试
首先是在潜艇上AIP系统的基本运行条件和要求，其次是注意潜艇的最大下潜深度、某些特性会对装艇的AIP系统具有何种限制；第三是装备了AIP系统后，需要给潜艇提供什么样的后勤保障，第四是采用AIP系统所需的投资预算以及存在的风险，此外，还应预测未来水下作战、潜艇与反潜兵力对抗的发展趋势会对AIP常规潜艇提出的新要求。这些方面的问题中，最突出的是如下4个。
基本运行条件和要求
总体上，4种AIP系统的运行要求都是必需使用氧气，这一点是共性问题，因此所有的AIP系统必须考虑设计适当的储存氧的方法。为了尽量增加潜艇上的储氧量，通常需要将氧液化装载于潜艇上。因此，在进行AIP潜艇设计时，必须要考虑在艇上至少要留出2倍于液氧储存罐的体积，以满足对液氧储存罐进行隔热和防振所需要的空间。另外，随着AIP系统的运行，艇上的氧不断消耗，潜艇重量会逐渐减少，这时就需要对减少的液氧重量予以补偿，以便令潜艇能保持重量与浮力的平衡。这就要求设计时考虑提供重量补偿液舱所需的空间，以便对液氧消耗的潜艇进行纵倾和重量补偿的需要。
两种应用最广泛的AIP技术，上图为”斯特林”发动机，下图为燃料电池。
燃料电池系统需要艇上储存氢、自主式潜艇能源系统需要储存乙醇燃料、“斯特林”发动机和闭式循环柴油机需要储存柴油。虽然各种AIP系统所需要的燃料各自都有不同的具体要求，但是它们都需要在艇上额外增加充足的空间，以便容纳各类AIP系统运行所需的燃料，当燃料消耗时，同样需要提供重量补偿液舱所需的空间。这些需求都会潜艇的主尺度形成一定的影响，令潜艇长度增加。无论是全新的AIP潜艇设计时，还是对在役常规潜艇加装AIP系统独立舱段时，这都是必须关注的重要因素。
与装备AIP系统的新型号潜艇设计相比，对在役常规潜艇加装AIP系统独立舱段的问题更加复杂。给在役常规潜艇加装AIP系统独立舱段之后，潜艇的总长度和排水量均会有所增加，这样的改装必然会影响潜艇的航速、水下机动性等指标。
AIP系统是装备在潜艇平台上的诸多系统之一，现代常规潜艇在噪声和振动、潜艇目标强度、抗冲击性能、安全性、潜艇水下工作深度、艇上大气环境、潜艇性能以及潜艇执行任务等方面都必须满足一定的技术性能指标要求，因此，装备在潜艇上的AIP系统，应该服从和满足潜艇的总体技术性能指标要求，这是AIP系统装备在潜艇上的前提和基本条件。
液氧储存
在AIP系统的安全性设计方面，最重要的设计工作是对于液态氧的储存和集中管理方面。由于工业方面常常涉及到液态氧的储存问题，所以在工业方面使用液态氧的安全规则是经过实践考验的，工业液氧的使用安全规则可以作为AIP系统潜艇的设计基础和操作运行的安全基础。
“斯特林”AIP系统工作原理
另外，当AIP潜艇处于水下航行状态时，一旦发生紧急情况或发生舱内起火事故时，储存罐中的液氧可能对潜艇造成重大安全隐患，必须格外注意液氧的处置问题，必要时需要对储存罐中的液氧进行应急释放，这是事关潜艇生死存亡的重要问题。只要对潜艇AIP系统的液氧储存罐应急释放出口的结构进行安全、合理、可靠的设计，就能保证水下状态的液氧应急释放顺利进行。
AIP系统减震处理
AIP系统安装时，为了进一步降低其噪声和振动，需要把整个AIP系统（连同辅助系统）一起都安装在弹性底座上，实践证明，采取这样的减振降噪措施可以满足潜艇在噪声和振动方面的要求。对于AIP系统中液氧储存罐的隔振，可以采用常规的阻尼隔振处理。实践经验表明，只要有效配置减震结构，各种类型AIP系统潜艇后，都不会对潜艇的振动、噪声性能总体指标产生不利的影响。
燃料电池AIP系统工作原理
装备AIP系统的潜艇与其他潜艇一样，应能承受一定指标范围的强冲击载荷。作为基本原则，装艇的AIP系统必须与艇上的其他系统具有同样的抗冲击标准。因此，对于装备在潜艇上的AIP系统，也必须根据这一原则进行相应的抗冲击标准设计。
为了达到此项要求，AIP系统的绝大多数设备都必须安装在按照抗冲击标准设计的弹性基座上的，这样既可以满足抗冲击的要求，又可以起到减振降噪的效果。另外，AIP系统的液氧储存罐的质量很大，即使对液氧储存罐进行了振动隔离安装，但是在冲击强度很大的情况下，液氧储存罐仍然可能会受到较大的作用力。为了避免出现这种情况，除了在液氧储存罐的内罐、外罐之间尽量减少金属性的连接之外，整个液氧储存罐的连接结构也需进行特别设计，使其具有足够的强度并且导热量最小。
废气排放
艇上AIP系统产生的废气，基本上都是排入艇外海水之中。在装备AIP系统的潜艇上，AIP系统的燃烧装置经过了特别设计，保证燃料充分完全燃烧，大大地减少排出废气中所含有的其他组分气体的含量，使废气的主要成分是便于海水吸收的二氧化碳和水蒸汽。各类AIP系统的废气排出口都需要进行专门设计，必须保证排出的废气气泡达到敌方主动声呐无法探测到的程度。
废气排出口也应采用消音结构，尽可能控制废气的排出噪声，最理想的结果是废气排出口的噪声量级弱到可以忽略不计的程度。另外，AIP系统还需装设废气冷却回路，对排气冷凝器进行冷却，从而使排出的废气温度大体相当于外界海水的温度，大大地降低潜艇红外辐射强度。
燃料电池AIP系统的特点
燃料电池AIP系统直接将化学能用电化学方式转换为电能。主要组成部分有燃料电池及其储存设备和转换器、氧化剂及其储存设备和转换器、控制装置，具有转换效率高和安静性出色的特点，成为了是最具竞争力的AIP系统，德国是最早应用燃料电池AIP技术的国家，其212和214系列潜艇均采用了燃料电池AIP系统，韩国在引进德国技术后，也具备了建造燃料电池AIP潜艇的能力。
燃料电池AIP系统中，反应物质及其存储装置（氢和氧的储存装置）与能量转换装置（燃料电池模块）是相互独立的。燃料电池模块的多少决定了系统的总功率，与储存能量多少无关，在一定的功率下如果要增大储存能量，只需增大氢和氧的存储装置，无须增加燃料电池模块。
德国海军212型燃料电池AIP潜艇剖视图
燃料电池AIP系统的主要技术优点是能量转换效率很高，燃料电池通过电化学方式直接将化学能转变为电能，省去了热机发电时所必须经过的“燃料化学能→热能→机械能→电能”复杂的转换过程，减少了能量损耗，实际效率可达到60-70%。
燃料电池AIP系统的隐身效果也较好，因为燃料电池反应过程对外热辐射较少，减小了被红外探测设备发现的几率。且由于燃料电池系统直接进行能量转换，系统本身并无运动部件，因此工作过程中非常安静，可以使得潜艇在航行时获得极佳的隐蔽性。
德国海军214型燃料电池AIP潜艇剖视图
此外燃料电池的过载能力较强，其短时过载能力可达额定功率的2倍，而柴油机等热机却没有这么大的过载能力，因此装备燃料电池AIP系统的潜艇可进行短时的高速航行。
燃料电池AIP系统还具有配置灵活的特点，燃料电池是由若干燃料电池电池模块串、并联而成，可根据潜艇性能的需要，灵活选择燃料电池的配置方式，而其效率随输出功率变化特性较好，一个例子可较好地说明此点：瑞典“哥得兰”级潜艇上装备了2 台75千瓦的V4-275R 型“斯特林”发动机，其总功率只有150 千瓦，而德国212A 型潜艇装备了9 组36 千瓦的质子交换膜燃料电池模块，其总功率可以达到306 千瓦。。
与其他AIP系统相比，燃料电池AIP系统也存在若干不足，以该系统所需要的氢来说，它既可以像其他的气体那样在高压下储存，也可以液态储存或以氢化金属的形式储存，因为氢的储存危险性非常高，所以一般不考虑储存气态的氢，而是使用液态储存氢或以氢化金属的形式储存氢时，即便如此，在潜艇狭小空间内，一旦发生氢泄漏，很易发生爆炸。
其次燃料电池AIP系统比功率较小，要想达到相同功率，燃料电池所需重量要大于其他类型AIP系统，当AIP系统的工作时间为300－400小时，“斯特林”发动机系统的重量约为200～300吨，在相同条件下燃料电池的重量要它大得多，但明显小于一般常规潜艇的标准铅酸蓄电池重量。对于具有相同排水量的潜艇来说，在给定的容积条件下，斯特林发动机系统的工作时间为燃料电池的1.8倍。
最后较高的造价也对燃料电池AIP的推广构成了一定阻碍，是否采用此种AIP技术，不止取决于性能需求，也会受制于预算情况。
（来源：“科普中国-军事科技前沿”）
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