從212到216:德國燃料電池AIP潛艇的演化

新的豐碑——AIP推進系統問世

自19世紀末葉至20世紀中葉近60年內，在世界潛艇技術發展過程中，潛艇設計先驅們已創立了5座裡程碑，這舉世矚目的豐碑為世界潛艇界專家所公認。它們分別是：「霍蘭」號試驗艇、U35型U艇、XXI型(21型)U艇、「大青花魚」號試驗艇以及「鰹魚」級潛艇。但是，從1959年美國「鰹魚」級攻擊型核潛艇（SSN 585）入役以後，世界潛艇技術的發展就波瀾不驚。雖然潛艇發展日臻完善，技術進步不少，如潛艇排水量逐漸增大（常規潛艇的標準排水量已達到3000噸）、水下航速早已超過水麵航速以及機動性越來越好等等，但具有裡程碑意義的創新技術尚未出現。尤其是常規潛艇始終沒有突破水下自持力的局限，這個局限多年來一直是常規潛艇發展的「瓶頸」。

常規動力潛艇亦稱為柴-電潛艇，具有3種航態：水面航態、潛望深度利用通氣管航態以及水下巡航狀態。前兩種航態均需開動柴油機與發電機，柴油機的運行離不開大氣的支持。真正隱蔽的水下巡航是由艇上的蓄電池組提供動力。然而，艇載蓄電池數量與容量均有限，因而潛航的時間也有限，多至1～2天，少則幾個小時，潛航的潛艇就需要上浮至水面，用柴油發電機組為蓄電池組充電。這種可重複充放電的蓄電池的技術與維護要求很高，使用壽命有限。此外，經常隔一段時間就需要充電，大大增加了潛艇的暴露率或被探測的可能性。

潛艇設計專家與科研人員一直在思考，能不能找到一個不依賴空氣的動力推進系統來提高常規潛艇的水下自持力呢？為了解決上述技術難題，蘇聯、德國、法國、瑞典、荷蘭及日本等發達國家均先後開展了這方面的預先研究與可行性研究。上世紀80年代，不依賴空氣的推進系統研製工作取得突破性進展，並於上世紀末與本世紀初裝艇實用，這是潛艇技術發展新的裡程碑。

（燃料電池AIP系統工作原理）

艱難抉擇——德國海軍情定燃料電池系統

德國是最早研究AIP系統的國家之一，早在二戰時期就曾研製成功過一種不依賴空氣的推進系統，只是因其效率低，安全性差而未能投入使用。到了20世紀50年代，德國同時開展燃料電池與閉式循環柴油機兩種系統的研製。20世紀80年代研製工作取得突破性進展，兩種系統均進入實用階段，後來經過多次論證和試驗，德國最終選擇了燃料電池系統。

燃料電池系統之所以受到德國海軍的青睞，是因為它具有如下優勢：

工作原理簡單 它是通過氫氧化合產生電能，亦是水電解原理的逆運行。燃料電池系統實際上是一種化學能源轉換器。

無汙染 燃料電池系統產生的能源系清潔能源，無汙染，有利於海上環境保護。氫氧化學反應只生成直流電與蒸餾水，既無廢氣，又無廢熱，熱輻射幾乎為零。對海排放物只有水與剩餘氧氣，對海洋環境安全友好。

隱身性好 燃料電池系統不存在任何運動部件，因此不會產生任何機械振動與噪聲。聲特徵信號很低，綜合隱身性能好。在通常作戰使用條件下，幾乎無法被探測到，是名副其實的安靜型常規潛艇。

模塊化設計 包括燃料電池在內的全推進系統採用模塊化設計。燃料電池本身由電池單元合成疊層，疊層又合成燃料電池模塊。模塊安裝具有較大的靈活性，電池數量越多，功率越大；儲存模塊越多，水下自持力越大。該系統產生的直流電可直接供給永磁推進電機，從而大大簡化整個推進系統，包括輔助系統與配電系統。

使用效率較高，維修要求與成本消耗較低 在額定輸出功率下，該系統的總效率達60%。這就意味著在20%的部分負荷下，可實現70%的最大效率。常規潛艇裝備該燃料電池系統後，利用現有的海軍基地與基礎設施，不用增加成本，也能安全操作使用與維修保養。

精益求精——量產型燃料電池AIP潛艇

自1991年德國國會通過212級潛艇設計方案審查，到2011年國際潛艇學術交流會上推出216級潛艇的設計方案，正好歷時20年。期間，德國曾推出212A級和214級2個量產型方案，共建造17艘，其中212A級潛艇裝備德國海軍和義大利海軍，前者分兩批共採購6艘，後者分兩批共採購4艘。214級潛艇出口希臘和韓國，前者分兩批共採購4艘，後者引進生產許可證自行建造了3艘。此外，韓國海軍於2008年追加採購6艘214級潛艇，土耳其海軍於2009年訂購6艘214級潛艇。按照目前的訂單，到2020年，至少有29艘燃料電池AIP潛艇在上述各國服役，它們將成為上述國家海軍的主要水下作戰力量。

在燃料電池系統裝艇之前，德國有關研究機構與船廠開展了大量長期艱苦細緻的研發試驗工作。霍瓦茲造船廠（HDW）、羅斯託爾·埃森公司以及呂貝克設計研究院於20世紀80年代初，就將燃料電池系統作為潛艇的專門研製項目進行了聯合開發。HDW於1984年將燃料電池系統裝入潛艇分段進行陸上試驗，試驗結果表明燃料電池系統運行正常，安全可靠。1987年又將該系統裝入205型1號艇進行了為期半年的海上試驗，通過海試證實了該系統的適用性。1989年3月完成海試後，德國海軍開始醞釀以209級1200型艇為母型，加裝燃料電池系統，並換裝性能更優的聲吶、潛望鏡及武器系統等，這就是世界上第1艘裝備燃料電池AIP系統的常規潛艇——212級潛艇的雛型。

214級潛艇的設計可以用一個簡單公式來表達，即214級=209級+212A級。也就是說214級潛艇的研製是以209級潛艇為基礎，吸取了212A級潛艇安靜型設計的優點。據分析，214級潛艇設計的作戰使用能力與性能，遠大於209級和212A級潛艇。214級潛艇在設計時就將一些已有的可靠設計要素與現代創新設計方法相結合。例如，它吸取了「海豚」級潛艇的新艇型，自動化程度高、有效負載大等優點；耐壓殼體直徑仍然保持與209級6.2米相同直徑，但艇型略顯瘦長，排水量增加，線型更加優化；保持了212A級潛艇目標噪聲與強度以及磁特徵信號等均很低的隱身性能優點。214級潛艇不僅是一型反潛能力很強的常規潛艇，而且其海戰新概念也滿足現代瀕海戰的作戰使用要求。

與212A級相比，214級潛艇的潛深增加了一倍，達到400米。此外，推進性能與效率也有提高，裝備了德國西門子公司的燃料電池與低速永磁推進電機，不僅降低了運行費用，提高了推進性能，而且在滿負荷與部分負荷下具有最大推進效率。因可無級調整轉速，所以幾乎不存在瞬時切換噪聲。另外，艇上加裝了TAU2000反魚雷系統、增強型舷側基陣與尾部拖曳陣列，使低頻聲吶探測距離增大，從而提高了該級艇的攻防能力。

德國海軍212A級潛艇的主要設計特點

強化本艇特徵信號管理，全面提高綜合隱身性能

212A級燃料電池AIP潛艇利用現有技術，博覽眾長，努力把本艇的聲特徵信號與非聲特徵信號降低到最低水平。212A級作為一級現代安靜型常規潛艇，首先重點是控制好聲特徵信號，儘量降低本艇的結構輻射噪聲、瞬態噪聲及液體流動噪聲等。採取的主要措施有：

所有艇上機械設備均採用減振降噪設計，單項設備均設定噪聲指標限值，上艇前應嚴格進行檢測；大多數設備均置於隔聲模塊內，再將模塊裝在雙層彈性基座上；機艙內的所有機械裝置通過彈性基座安裝在共用浮閥平臺上，此平臺與艇體結構保持聲絕緣；對艇上強噪聲源（如柴油機、發電機等）採用隔聲罩或圍壁有效覆蓋；艇上油、水、氣等管路及電纜的安裝應採用減振支架；將換能器設計成靜態的；將熱成像儀集成到潛望鏡裝置上等等。上述措施可大大降低機械振動與結構輻射噪聲。

通過優化艇體線型來優化水動力特性，避開敵方聲吶主動定位的有利反射角度。更重要的是，在艇體周圍儘量形成層流形式的環流，從而降低航行中的水動力噪聲。輕外殼的設計儘量做到外表面光順，輕外殼外面的流水孔、速潛艙進水口、升降裝置開口、指揮室圍殼開口、魚雷發射管開孔均做到「無縫」關閉，以減小海水的流動噪聲。對艇內的水泵、閥、管接頭及補償器等進行優化設計，將艇內的液體流動噪聲降至最低。

採用西門子公司永磁同步電機，可實現無級變速運轉，與低噪聲低轉速大側斜七葉螺旋槳匹配使用，不僅降低電機的瞬態噪聲，而且有利於降低螺旋槳的噪聲與空泡噪聲以及輻射噪聲。

另一個重要措施是在輕外殼表面塗敷專用的聲吶能吸收塗料，可降低本艇的水下聲目標強度，避免敵方聲吶的主動定位與被動定位，降低本艇被探測到的風險。同時還可增大本艇聲吶的探測距離。

（船塢中裝備燃料電池組的德國海軍212型潛艇）

控制非聲特徵信號的措施有：艇體採用非磁性鋼或低磁鋼建造；艇內應裝有閉環消磁系統，可使艇體與設備的漏磁場降到最小，這樣可有效降低磁探儀的發現概率，還可避免引爆磁性水雷。在升降桅上塗敷隔熱塗層，以及對通氣管航態與水面航態時柴油機排出的廢氣進行冷卻降溫等措施，以降低本艇的紅外特徵信號。將指揮臺圍殼上層建築平臺設計成與水平面保持一定傾斜度，以減小雷達反射截面。並在升降桅杆塗敷雷達波吸收材料，可將雷達電磁波特徵信號降至最低。

採用新型混合動力系統，提高水下自持力，降低暴露率

212A級潛艇的混合動力系統的主要創新是燃料電池，裝備有帶反應劑供應源的模塊化燃料電池AIP系統，具備直接向潛艇推進電機提供直流電源的能力。

212A級潛艇已成功將燃料電池AIP系統融入全艇動力推進系統之中，並確保混合動力推進系統與艇上電氣技術系統、操艇系統以及自動控制系統等有機結合起來。該系統運行起來獨立、自動、簡單而安全，完全符合潛艇綜合指揮與控制的要求。燃料電池的輸出功率約為240千瓦～306千瓦，可為潛艇水下低速安靜航行提供動力，在水下巡航期間以燃料電池為動力，潛艇可以2～6節航速航行。根據艇載反應劑的儲存量，潛艇可在水下持續航行14－21天，而不必上浮至通氣管航態為蓄電池充電，水下自持力比普通常規潛艇的自持力增加10倍。這就是AIP系統潛艇的最大優勢之一，它可長期潛航在不被聽見、不被看見且探測不到的未知水域中。

212A級潛艇使用可重複充電的高能蓄電池在水下高速潛航，以確保本艇快速開赴或逃離作戰海域，可全速連續運行數小時，然後立即恢復水下安靜搜索行動。柴油機與蓄電池組相結合運行，不僅能提供水下最大衝刺航速，而且在6節航速下，艇載燃油儲量足夠提供約12000海裡的續航力或約84天的任務自持力。

與普通常規潛艇不同的是，燃料電池AIP系統為潛艇水下巡航提供主動力、用蓄電池提供水下衝刺航速、柴油機為水面巡航提供動力，或為通氣管航態的蓄電池充電。這樣柴油機、發電機與蓄電池組等容量與功率明顯減小。然而，燃料電池系統的功率會增大。因為該系統的功率大小主要取決於反應劑儲存量的大小，即取決於液氧儲罐與金屬氫化物儲罐的大小與數量及其儲存空間或位置，總之，通過優化用戶用電，在安靜運行期間，這類非核潛艇的暴露率可降至2%。

（MSI-90U指揮和武器控制系統）

軟硬殺傷武器兼備，實現全艇武器系統集成，攻防作戰能力增強

與普通常規潛艇一樣，燃料電池AIP 潛艇裝備的硬殺傷武器通常為魚雷、水雷及飛彈，發射形式大致相同，採用水壓柱塞式發射系統，只是裝備數量有多有少。常規潛艇通常只有6 具魚雷發射管，而212A 級潛艇裝有8 具發射管，設計考慮4 具發射魚雷，4 具發射反艦飛彈。除了上述硬殺傷武器外，還裝有反魚雷系統以及EADS 與DASA FL1800 型電子對抗系統等軟殺傷武器，為潛艇提供防禦作戰軟實力。

212A 級潛艇裝有MSI-9U（第1批次）或阿特拉斯公司的ISUS-90（第2 批次）作戰指揮與武器控制系統。該系統可用來探測識別敵方目標，並與其交戰。通過高性能數據總線將傳感器（聲吶、潛望鏡等）、武器效應器（魚雷、飛彈及其發射系統）及導航設備與集成計算機綜合起來，以實現其功能與目標。作戰指揮與武器控制系統是全艇作戰系統的核心，它能接收所有輸入數據、評估各種戰情態勢，並自動啟動作戰程序。該系統設計靈活，尤其是武器與傳感器能滿足用戶要求。與該系統相關的傳感器是潛望鏡，潛艇上裝有2 種潛望鏡：搜索潛望鏡與攻擊潛望鏡。前者是一根帶有光學測距儀、熱成像儀和組合式電子支援措施及全球定位系統的光電桅杆；後者頂端裝有光學與雷射測距儀。先進的傳感器與精良的武器，只有通過高級一體化作戰系統才能發揮出攻防威力。

這種一體化的作戰指揮系統遵循開放式系統設計的原則，軟體與硬體均實現了模塊化設計，因此更適用於潛艇的多功能操控臺。該系統較多地使用現有商用技術與系統工程及系統設計的接口標準，更加有利於該系統今後升級。

（212型潛艇剖視圖）

操縱性好，自動化程度高，艇員編制精幹

212A 級潛艇線型是通過計算水動力學研究，水動力特性得到優化而確定的，這種長寬比約為7 的水滴型線型具有良好的總體操縱性。尤其是指揮臺圍殼的形狀也進行了優化設計，呈流線型，小巧而光順。212A 級潛艇指揮臺圍殼上的水平舵與裝在尾部螺旋槳前面的X 舵，形成的操縱面有利於艇的機動性與操縱性，從而能保證艇的航向與方位的穩定性。因其迴轉圓較小，且能快速改變潛深，所以在淺水海域它還具備優良的機動性。

212A 級潛艇的中央指揮艙（第2 艙）位於舯部上層，前部是作戰情報中心，後部是技術操控中心。兩者間採用可移動透明隔板所分離，這樣布置避免戰術作戰行動與操艇行為相互幹擾。作戰情報中心配備有7 臺多功能操控臺，可向一體化聲吶與武器控制系統提供人機界面。全艇平臺集中管理系統採用開放式系統體系結構，所有提供輸入的子系統均可融入其中。聲傳感器、自行航行管理系統及武器控制系統所得到的數據，經過自動篩選分析，並確認合理後，再顯現於操作員面前，供艇上指揮員快速決策。

在技術操控中心，裝有新型潛艇集中操控系統。該系統由計算機、數據總線、傳感器、指令裝置、顯控臺和控制板組成。該系統將艇- 機- 舵的操控集於一身，由1 名艇員在中央操控臺上利用自控與遙控進行操縱，可控制潛艇的潛深、航向、航速、縱傾和補重等參數與狀態。操控過程完全自動化，艇上每班只需3 人就能安全操控全艇。

該型艇的尾部耐壓分段（第4 艙）為動力艙，主要容納與動力推進及操艇系統有關的系統設備（柴油機、發電機、推進電機及其輔機等）。該部位未設生活區，艙內系統設備的操作均實現無人化。燃料電池艙（第3 艙）的燃料電池系統的運行安全狀況，也是自動監控的，在技術操控室就能遠距離啟動、停止與監控該系統。

綜上所述，該型艇的自動化程度較高，降低了艇員的工作負荷，提高了工作效率，直接導致艇員編制精簡，僅為27 人。

（214、212和209型潛艇對比圖）

216級艇設計方案的主要突破

主尺度增大，排水量翻番 ，適居性改善

216 級潛艇的主尺度有較大突破，總長約90 米，耐壓殼體直徑達8.1 米，標準排水量在3000 噸以上，是212A級潛艇的2 倍，可與世界上最大的常規潛艇——日本「蒼龍」級潛艇的排水量相媲美。雖然排水量翻了一番，但航速卻未減，仍然保持20 節，自持力卻增加到80 天以上，這不能不說是一個重要突破。

艇員配備基本保持不變，該艇使命任務增加，但艇員編制更精簡，只有33 人。採用3 班輪流工作制，即每班只需11 人就能操控全艇。因總體尺度變大而艇內空間相對寬敞，所以艇內布置了雙層甲板，將艇分為上、中、下3 層。艇前部不僅設有獨立的生活區與娛樂區，還設有艇員健身房。艇上為33 名艇員（包括軍官）設有10 間住艙，平均每間3 人。另外，還為上艇專家、潛水員、培訓艇員及特遣隊隊員設有5 個鋪位與16 個臨時鋪位。在生活區與作戰情報中心之間設有一道耐壓艙壁，將全艇劃分成兩個耐壓艙，而212A 級艇則未設這種高強度艙壁。

聲傳感器功能增強，聲吶與武器控制系統一體化

216 級艇上現代聲傳感器，如帶被動測距功能的增強型舷側聲吶基陣已整合進全艇聲吶系統之中；以前採用的艏部圓形基陣已被共形基陣所取代；艉部聲吶基陣還具有探測潛艇伴流的功能。配備的海底導航系統，在水雷對抗戰中能提供有價值的信息。在作戰情報中心配備有7 臺多功能操控臺，採用開放式體系結構，不僅方便集成提供信息輸入的全部子系統，而且還可為聲吶與武器控制系統提供更多操作界面。

（216 型潛艇結構圖）

光電探測設備先進，通信系統功能強大

216 級艇上裝有穿透式蔡司光電桅杆。該桅杆頂部裝有高清晰度電視、紅外攝像儀、雷射測距儀及電子支持措施設備，它們能向作戰管理系統提供水面戰情態勢圖像。專用無線電通信室內匯集有模擬式、數字式及IP 的通信信號設備。指揮臺圍殼內的各種天線能覆蓋上述所有系統的波段，包括高頻(HF)、超高頻(UHF)、甚高頻(VHF)、超短波(SHF)、極高頻(EHT），衛星通信（INMARSAT）及全球定位系統（GPS）與敵我識別系統（IFF）。此外，該艇拖曳的Collisto 通信浮標能在幾個頻帶上確保通信聯絡暢通。

柔性有效負載增多，執行多使命任務能力提升

所謂柔性有效負載，實際上就是面向不同任務可變換的設備模塊。216級潛艇的柔性有效負載基於艇上可多次變換用途的空間：如位於技術操控中心後部的豎向多用途室、上層建築內的2 個箱形模塊（容器）以及多用途桅杆等。多用途室可設計為醫療室、會議室、附設住艙或執行情報任務的無線電室；箱形容器為耐壓容器，可用於裝載魚雷對抗模塊，亦可用來儲存無人潛器。多用途桅杆也是一種耐壓裝置，該裝置能滿足該艇開展非對稱作戰，或執行情報、監視與偵察任務的特別要求。其上可裝有機槍、無人機或輔助電子支援等武備電子設備。

該級艇擬裝載的有效負載包括：水雷模塊、自主潛器塢站、潛水員艙、大型蛙人輸送器、對陸攻擊飛彈以及附加燃料艙（約增加9% 的巡航續航力）。若上述基本模塊方案評審通過，裝備上艇則會提升216 級潛艇的多任務作戰能力。

（216 型潛艇剖視圖）

動力系統達到理想組合，推進性能與效率得到改善

216 級潛艇繼續使用德國西門子公司的永磁同步電機，因為它比性能參數相同的直流電機尺寸更小、重量更輕。其運行安靜、輻射噪聲低及轉速可無級調整等，這些優點在212A/214 級艇上已得到充分驗證。

該型艇動力系統的最大突破之一，是用鋰離子電池取代了傳統的鉛酸蓄電池。該艇裝有2 組鋰離子蓄電池，為艇上生活負載與推進系統提供電力。該蓄電池改善了充電參數，擴大了儲能容量，使用壽命長達10 年。在安靜運動期間，尤其是衝剌航行時，與相同規格容量鉛酸蓄電池相比，能明顯提高水下巡航續航力。利用4 套柴油發電機組為鋰離子電池充電，能使暴露率降至2%。這就是說在水下巡航100 小時，只有2 小時上浮至潛望狀態充電，這種暴露率遠低於普通常規動力潛艇的暴露率。

216 級潛艇理想的動力組合是鋰離子蓄電池加上燃料電池AIP 系統，這種動力組合不用通氣管隱蔽航行，可持續28 天。與212A/214 級潛艇一樣，質子交換膜燃料電池所需的液態氧裝在液氧罐內，而216 級艇燃料電池所用的氫是用2 臺自給自足式重整爐由甲醇製成的。螺旋槳葉片是用高阻尼特性的複合材料製成的。為確保螺旋槳空泡最少、伴流與推進性能優化，槳葉數量、形狀及轉速設計均很有講究。

（崔為耀　著）