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为让潜艇在水下长时间巡航,斯特林发动机、闭循环柴油机有何不同

作者: 来源:东方头条2019-10-29 09:57:17 我要评论(0)

上世纪80年代,前苏联建造了877型柴—电潜艇,绰号"比目鱼"。因为性能出色,北约甚至将其称之为"大洋黑洞",足见北约对其的恐惧。其改进型636型更加优异,是最安静的柴—电潜艇之一,这艘潜艇有一个更出名的名字—基洛级。

但是,随着反潜技术的进步,柴—电潜艇的缺点越来越致命:柴油机噪音大,水下航程短,通气管充电红外特征明显,时间长,容易暴露。为了弥补柴电潜艇的劣势,财大气粗的美国人采用了全核动力,而德国人开发出了AIP潜艇。核动力潜艇的确没有动力之忧,但是其成本高昂,为了保证压水堆的安全,需要的技术门槛也非常高。一失事,其对环境的破坏是毁灭性的。另外,核攻击潜艇体型很大,对声波的反射肯定比采用同样消声瓦的常规潜艇要大。

其实AIP潜艇的技术可以追溯到很远,1816年,英国物理学家斯特林发明了斯特林发动机,这是世界上第一种外燃机。在密闭容器中放入氦气,外部加热后,氦气膨胀,推动活塞运动;同时"热气"也会从一根导管流向另一个密闭容器;在这个密闭容器中,"热气"会冷却,又被"冷气"活塞压缩原路返回,进入下一个循环。这两个活塞均和曲轴相连,"热气"推动活塞运动后,曲轴被带着转动,由于两个曲轴面不在一个平面上,所以带动"冷气"活塞的曲轴会比"热气活塞"慢一点拍子,这样就完成了冷热循环。

可能有人还会说,加热不是还需要热量嘛,那热量肯定要通过燃烧来获得,其实热量不一定需要燃烧,比如同位素就能够放出大量的热量,好多化学反应也能够产生大量的热量。所以,斯特林发动机被用在了卫星上。斯特林发动机没有内燃机的爆振做功,所以噪音很小;结构简单,比内燃机的部件少40%,维护方便;没有吸气和排气,所以也就没有了海拔高度的要求。

但是,斯特林发动机的效率不高,甚至低于柴油发动机;由于没有和外界进行气体交换,所以其温度很高,对发动机的材料要求也非常高。另外,其启动速度慢,热量散失严重,需要增加多重隔热系统;对工质(密闭气体)的循环控制要求也非常高!所以,SE/AIP的功率密度并不能满足潜艇潜航,只有瑞典研制出适用机型。那可不可以直接给柴油发动机供氧呢,答案是肯定的!另一种AIP就叫做叫做闭式循环柴油机(CCD/AIP)。

其和柴油发电机的区别在于吸气和排气系统。其采用潜艇自带的氧气供氧,用氢气代替空气中的氮气,这样潜艇就可以在没有空气的水下航行。排出的废气(大部分为CO2)冷却后被其和柴油发电机的区别在于吸气和排气系统。其采用潜艇自带的氧气供氧,用氢气代替空气中的氮气,这样潜艇就可以在没有空气的水下航行。排出的废气(大部分为CO2)冷却后被海水喷淋系统吸收,最后排到艇外,且这种排放不受下潜深度的限制。

CCD/AIP燃油消耗少,功率高,完全可以依托现有潜艇柴油机改进,技术难度较少,寿命高;还可以进行开循环工作(水面状态利用空气中的氧气工作)。但是,为了有效降低噪音,CCD/AIP的功率受到了限制,和同功率的燃料电池AIP相比,前者所需液氧是后者的两倍,所以,燃料电池就成了各国竞争的制高点。

FC/AIP(氢氧燃料电池的)原理:在一个容器中间装入质子交换膜,容器的一端为正极另一端为负极。正极输入氧气,负极输入氢气。在质子交换膜的作用下,氢气就会释放电子,变成氢离子;氢离子穿过质子交换膜,去和正极的氧化合,变成水;电子则通过外面的电路流向正极,形成电流。

其能量转换效率高,可以达到70%以上;功率密度也比传统充电电池高很多;几乎没有噪音,这是潜艇最重要的一项性能;不需要精密的零件加工,维护方便;短时间内过载能力强,可以帮助潜艇加速逃脱。但是,氢气的储存所需技术很高,稍有不慎,潜艇就会发生爆炸;最重要的一点,质子交换膜的比功率要远远小于CCD/AIP,价格高昂,寿命短,要想达到相同的功率,FC/AIP的重量要远大于柴油机。

所以,CCD/AIP和FC/AIP的优缺点几乎是相反的,选择哪一种视国家实力来决定。可喜的是,我国成就显著!2004年起,中国已建造了12艘041型潜艇。这种新装备上已安装了"不依赖空气推进系统"(AIP系统)。与此同时,041型的出口型号——S20也在国际防务展上频频亮相,后者的排水量约为2300吨。

根据公开资料,我国发展的应该是CCD/AIP,但是,FC/AIP肯定也难不倒我们。中国船舶重工集团公司711研究所热气机事业部特种发动机团队历时近10年,研制成功拥有完全自主知识产权的新型发动机。

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