突破!中國潛艇AIP動力翻兩番,一臺斯特林發動機頂日本蒼龍級4臺

2021-12-29 科大烽火

中國斯特林發動機的水平已經達到世界最先進,潛艇AIP動力翻兩番。據環球網報導,日前,國內首臺大缸徑斯特林發動機基礎樣機在中國船舶集團有限公司旗下第711研究所順利完成性能試驗,這個研究所也就是大名鼎鼎的上海船用柴油機研究所。這臺基礎樣機額定功率達到了320千瓦,熱功轉換效率達40%,是目前國際上已知斯特林發動機的最高水平。

斯特林發動機是一種熱氣機,叫「閉式循環往復式外燃機」,我們現在的常規潛艇上使用的那種AIP動力裝置(不依賴空氣動力裝置),就是斯特林熱氣機。

我們知道,傳統的常規潛艇在水下航行時只有兩個驅動方式,一是在上浮或通氣管狀態使用柴油機動力,潛艇在水下10米左右的通氣管深度使用柴油機,能夠以10節以上航速進行潛航。二是在潛航狀態使用蓄電池電機動力。

這兩種動力方式都有很大缺陷,通氣管狀態航行時,需要向海面伸出發動機通氣管,潛艇上浮讓柴油發動機工作的時間就是最容易暴露的時刻。而使用蓄電池電機作動力,卻不能持久航行。潛艇的柴油機運行離不開空氣,因此每次水下航行時其蓄電池用盡後,就必須浮出水面充電,或者採用通氣管運行柴油機為蓄電池充電。

因而,普通的常規動力潛艇的水下續航時間極為有限,根據航速不同,大約只有幾小時至幾十個小時。潛艇在水下航行沒有興波阻力,所以相同動力條件下的航速比在水面航行時高得多,潛艇在水下以電機驅動可獲得10節以上的高速,現代先進潛艇甚至可以進行20節航速的水下電機航行。但由於潛艇電池容量有限,如果以電機驅動10節以上的水下高速航行,那麼一小時就能將電瓶的電量耗盡。

由於每隔一段時間就要上浮充電,導致常規潛艇的隱蔽性較差,水下憋氣的功力不夠。在過去,只有核潛艇能夠長時間的在水下航行,而常規潛艇只能算是會潛水的船。

為了保證隱蔽性,常規潛艇最好是增加在水下航行的時間,避免浮出水面,這就促使了不依賴空氣推進系統(AIP)的產生。從上世紀90年代開始,一些國家的最先進常規潛艇已經開始採用水下長航時輔助動力裝置(AIP動力),可以使用燃料電池或斯特林閉式循環發動機,不依賴外界空氣進行水下長時間潛航。

目前很多國家的先進常規潛艇基本都裝備了AIP系統,這種系統可以使常規潛艇無需從空氣中獲取氧氣,就能有足夠的動力。潛艇AIP系統包括斯特林發動機、燃料電池和閉式循環汽輪機系統等。其中斯特林發動機是最成熟可靠、採購和使用成本最低,而且噪音較小的動力類型。

斯特林發動機在1816年為蘇格蘭的R.斯特林所發明,故又稱斯特林發動機。這是一種由外部熱源加熱,並將熱能轉換為機械能的熱機,是外燃機。與外燃機相對應的就是內燃機,像汽油機、柴油機這都是內燃機。外燃機,顧名思義就是燃燒或熱源在氣缸外完成,像蒸汽機、蒸汽輪機,都屬於外燃機。斯特林發動機是一種循環活塞式熱機,所謂閉循環的意思是燃燒產生的空氣一直會保存在氣缸內,不需要向內燃機一樣與外界環境進行氣體交換。

我國的常規潛艇在使用斯特林閉式循環發動機做水下航行時,可潛航一個多月無需浮出水面。一艘排水量3000噸的常規潛艇使用AIP動力的續航能力可達3000公裡(1650海裡),算上全程潛航潛入陣地的續航時間,可在第一島鏈進行20~30天左右的陣地作戰。不出現通氣管暴露狀態下的連續潛航隱蔽作戰,可極大增加對抗美日航空廣域搜潛的能力。

中國是潛艇AIP動力系統發展較晚的國家,但中國的進步速度非常快。上世紀80年代瑞典率先突破斯特林AIP發動機技術,成功裝備潛艇。中國在上世紀90年代從瑞典引進了第一代的斯特林AIP系統,也就是斯特林MK.2熱氣機(4-275發動機)。巧合的是,日本也是此時從瑞典引進了斯特林MK.2熱氣機,安裝於蒼龍級潛艇上。

第一代的斯特林MK3發動機的功率較小,單臺功率只有75kW(100馬力)。日本蒼龍級的AIP動力系統是四組瑞典研發授權日本生產的川崎-考庫姆V4-275R斯特林閉循環推進系統,總共只有400馬力。相對比的,日本最新款的豐田陸巡越野車,其低配置的3.5T發動機,都能有422匹馬力的輸出。

而中國在發展039B型潛艇時,實現了AIP動力系統的動國產化改型,要比日本蒼龍級先進得多,我國在引進的瑞典AIP基礎上,做出了升級,新款的斯特林發動機效率比外國原品提高117%至120%。039B常規潛艇在使用閉式循環發動機做水下航行時,可潛航一個月無需浮出水面,速度比日本蒼龍級潛艇提高50%以上。而現在中國將斯特林閉式熱氣機的單臺功率翻了兩番,達到了320千瓦,是世界最高水平的,從而一舉超過了瑞典和日本等國家。

下一步該所還要研製兆瓦級的斯特林發動機,也就是1000千瓦級,如果兆瓦級斯特林發動機研製成功,那麼完全可以取代常規潛艇的柴油機,甚至進一步與小型核反應堆相結合,研發出結構緊湊的小型潛艇核動力系統。

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