潛艇AIP系統簡介
眾所周知，根據動力系統的不同，潛艇通常分為核動力潛艇和常規動力潛艇。核潛艇採用核能作為主要的動力來源，做到了不依賴大氣而能在水下進行長時間活動，因此發展比較迅速，受到一些國家的推崇，比如美國海軍裝備的全部都是核動力潛艇。但是核潛艇由於技術複雜、造價昂貴、噸位受限等原因，並不能完全取代常規動力潛艇。常規動力潛艇具有噸位較小、適航性好、機動靈活、價格便宜等優點，因此仍然被很多國家所使用。常規動力潛艇一般在水面或通氣管狀態航行時採用柴油機推進，在潛航時採用蓄電池作為動力來源，必須要經常浮到水面利用柴油發電機組對蓄電池進行充電，所以常規潛艇無法做到長時期潛航。經過不斷研究，可應用在常規潛艇上的不依賴空氣推進系統（AIP）應運而生。
不依賴空氣推進系統（AIP）的英文全稱是「Air Independent Propulsion」，是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進動力和其他動力的能源系統。AIP系統主要利用自身攜帶的氧氣，為熱機或電化學發電裝置提供燃燒條件，完成能量轉換，提供水下航行所需的推進動力。AIP技術的應用，能夠使常規潛艇的潛航時間由幾天增加到幾周，提高了它的隱蔽能力和水下續航能力。目前世界上比較成熟而且進入應用階段的AIP技術主要分為三大類，分別是熱機系統、電化學系統和小堆系統（核動力AIP系統）。其中熱機系統包括斯特林發動機、閉式循環柴油機、閉式循環渦輪機等形式，電化學系統主要是以燃料電池為主要形式，小堆系統是基於低功率核動力裝置的動力系統。中國海軍的039A/B型AIP潛艇，採用的是斯特林發動機系統。那麼，斯特林發動機有什麼特點呢？下面就為大家詳細解讀一下斯特林發動機系統。
斯特林發動機系統概述
斯特林發動機AIP系統簡稱SE/AIP，主要是由斯特林發動機、發電機、液氧系統、供油系統、冷卻系統、工質系統和控制系統等組成。SE/AIP系統的工作過程是：在燃燒室內，氧氣和燃油持續燃燒，燃燒的火焰將加熱器加熱，由加熱器把熱能不斷地傳遞給流經其內部的工作介質，介質吸收熱量膨脹做功，推動活塞運動，再通過曲柄、連杆機構變往復運動為旋轉運動，使曲軸旋轉並輸出功率。瑞典是最早將斯特林發動機技術應用到常規潛艇上的國家，1996年服役的A-19級潛艇的第一艘「哥特蘭」號，是世界上第一艘實用型AIP潛艇。「哥特蘭」號潛艇搭載了兩臺MTU柴油發電機，一組主推進電機和兩組蓄電池組成的主動力系統；輔助動力系統是兩臺MK2（V4-275R）斯特林發動機，額定功率65kw，最大功率75kw。兩者共同構成了獨特的閉式循環混合動力系統。
斯特林發動機AIP系統的核心是斯特林發動機，是一種外部加熱閉式循環活塞式發動機。19世紀初，英國蘇格蘭牧師羅伯特·斯特林發明了熱氣機，後來被稱為斯特林發動機。熱氣機由加熱器、冷卻器、回熱器等組成，使工質在高溫下膨脹做功，在較低溫度下壓縮，膨脹結束後的工質不排至外界而是被循環使用。通過密封在迴路中的熾熱氣體周期性地膨脹壓縮，熱氣機將熱能轉化為機械功。斯特林發動機的理想循環是斯特林循環。斯特林發動機的主要結構特點是具有兩個溫度不同而容積作周期性變化的腔室，並用熱換器把這兩個腔室聯結起來。從本質上看，斯特林發動機就是一個由冷腔室、冷卻器、回熱器、加熱器和熱腔室所組成的閉式循環系統。斯特林發動機主要有三種類型：單作用式熱氣機、配氣活塞式熱氣機、雙作用式熱氣機，配氣活塞式熱氣機又分為單缸配氣活塞式熱氣機和雙缸配氣活塞式熱氣機。
以單作用式熱氣機為例，其工作原理是：在一個氣缸中裝有兩個對置活塞，在兩個活塞間安裝加熱器、回熱器和冷卻器。回熱器填充了載熱體，回熱器和活塞之間形成兩個空間，靠加熱器一側為熱腔室，靠冷卻器一側為冷腔室，在回熱器的兩端存在一個溫度梯度差。循環開始時，首先是定溫壓縮過程，熱活塞在內止點保持不動，冷活塞向內止點運動，工作腔容積逐漸變小，工質被壓縮，壓力也隨之逐漸增加。其次是定容吸熱過程，兩個活塞同時運動，冷活塞繼續向內止點運動，而熱活塞則離開內止點，待冷活塞到達內止點時，兩活塞之間的工作腔容積保持不變，工質通過回熱器從冷腔室轉移到熱腔室，工質流經回熱器時從其中的載熱體中獲得熱量，實現了定容加熱。在定溫膨脹過程中，冷活塞停留在內止點不動並緊靠冷卻器，熱活塞繼續朝遠離換熱器的方向運動，一直到達外止點。最後是定容冷卻過程，兩活塞同時運動，熱活塞從外止點到內止點，冷活塞從內止點到外止點，整個循環結束。
斯特林發動機的主要系統
斯特林發動機裝置的主要組成部分是：外部供熱系統或燃燒系統、閉式循環系統（熱能轉換系統）、動力傳動系統、調節控制系統（負荷調控）、輔助設備系統。其中閉式循環系統是斯特林發動機的核心，外部供熱系統和調節控制系統也十分重要。斯特林發動機的工作過程是：空氣由鼓風機送入空氣預熱器，將燃燒所需要的空氣預熱後送入燃燒室，與燃油噴霧器噴出的細小油粒混合後進行燃燒，從而產生高溫氣體。高溫燃燒氣體流經加熱器管組，在很大的溫度梯度下對加熱器管內的工質進行加熱。從加熱器管組流出的燃氣進入空氣預熱器，對參與燃燒的空氣進行預熱後，從預熱器流出排到外界。工質通過加熱器從高溫燃氣中獲得熱能，使工質在膨脹腔（熱腔）中進行膨脹做功。在壓縮過程中，工質的壓縮熱由工質冷卻器導至冷卻介質。循環功由動力傳動系統輸出。
下面簡要介紹一下斯特林發動機的各個系統。外部供熱系統主要是給閉式循環系統提供熱源，常見的是各種油料。以柴油作為燃料的外部燃燒系統，主要組件包括燃燒空氣鼓風機、空氣預熱器、燃燒器組、燃油泵、燃油與空氣的調控裝置等。閉式循環系統是斯特林發動機的主要組成部分，其作用是將工質密封在迴路中，使工質在較低的溫度和壓力下壓縮，在較高的溫度和壓力下膨脹，將工質能量轉化為機械功。閉式循環系統主要由氣缸體、加熱器、回熱器、冷卻器、活塞組和密封裝置等組成。動力傳動系統能夠使活塞按照一定的規律運動，還負責將活塞的機械功輸出。常見的動力傳動系統包括菱形傳動機構、曲柄連杆機構和斜盤傳動機構。斯特林發動機的調節控制系統分為燃燒控制和功率控制兩部分，前者是使熱氣機在整個負載範圍內保持最高的效率和穩定的燃燒，後者主要負責調控熱氣機的功率。
斯特林發動機系統的優缺點
常規潛艇搭載的斯特林發動機AIP系統，使用液態氧和柴油在加壓燃燒室進行燃燒，產生的熱能持續供給加熱循環系統，推動氣缸中的活塞運動，使熱能轉換成機械能，再由發電機組轉換成直流電。斯特林發動機可在潛艇水下續航狀態下工作，與蓄電池並聯，向推進電機、輔助電機及其他設備供電。與普通的柴油機相比，斯特林發動機的運轉平穩、振動小、噪音低，工作噪音比柴油機小40分貝，空氣噪音降低20分貝。為了使發動機廢氣能夠在不壓縮的情況下排出潛艇，燃燒室的壓力必須要高於海水的壓力。將廢氣與集成在斯特林發動機模塊中的廢氣冷卻系統中的冷卻水混合，溫度從800攝氏度降低至25攝氏度，和周圍的海水接近，還不會產生氣泡，然後通過散熱片頂部排出。這樣的處理方式不但解決了發動機廢氣的排出問題，還降低了汙染，不會留下潛艇航跡，降低了被發現的機率。斯特林發動機系統的造價要低於電化學發電機，使用壽命可達80000小時，是電化學發電機的12倍。此外，採用斯特林發動機系統的潛艇的水下續航時間更長一些，比如瑞典「哥特蘭」號可不間斷水下航行20晝夜。
由於斯特林發動機本身的功率密度較低，所以造成整個斯特林發動機AIP系統的功率也比較小。如果要增加功率的話，就要多安裝發動機，但這會影響到潛艇的結構布局，增大投入。所以，斯特林發動機系統的外燃式發動機的瞬間提速或減速能力較差。另外，斯特林發動機的油耗也比較大，要高於普通柴油機。採用斯特林發動機系統的潛艇，雖然水下續航時間要大於老式的柴油潛艇，但是和核潛艇相比，仍存在很大差距。而且斯特林發動機並不能為潛艇提供足夠充沛的動力，使潛艇保持較高航速，目前AIP潛艇的最大航速仍無法趕上核動力潛艇。在噸位和武器系統等方面，採用斯特林發動機系統的AIP潛艇也遠不如核潛艇。此外，斯特林發動機對材料、結構和裝配精度的要求很高，造成整個AIP系統的成本較高。目前斯特林發動機系統仍存在很多的不足，需要進一步的改進和完善。
斯特林發動機系統的現狀與前景
自從瑞典在第一艘AIP潛艇「哥特蘭」號上使用斯特林發動機系統之後，該系統逐漸發展開來，成為很多國家常規潛艇的選擇。「哥特蘭」號上搭載的V4-275R Mk2型斯特林發動機，也成為一款熱門裝備。除了在3艘A-19級潛艇上使用斯特林發動機系統外，瑞典還對2艘A-17級潛艇進行了升級，換裝了經過改進的V4-275R型斯特林發動機。瑞典還推出了V4-275R Mk2型斯特林發動機的後續版本Mk3型，主要改進包括發動機效率、輸出功率、下潛深度、隱身性能等方面，並將其應用到了正在建造的A26型常規潛艇上。A26型潛艇項目在新世紀之後正式提出，2015年6月籤署的合同顯示，瑞典投入80多億瑞典克朗為海軍建造2艘AIP潛艇，搭載Mk3型斯特林發動機系統，預計將於2022年和2024年交付。2019年初，瑞典將2艘A26型潛艇分別命名為「布萊金厄」號和「斯科訥」號，交付時間分別推遲到了2024年和2025年。
日本很早就關注AIP潛艇的發展，經過多方比較之後，在多種AIP系統中選擇了瑞典的斯特林發動機作為其新型AIP潛艇的動力裝置。早在1990年代，日本就從瑞典購買了多臺斯特林發動機，開始了對AIP技術的研究。2000年12月，日本在「親潮」級潛艇「朝潮」號上安裝了斯特林發動機，並且進行了一系列的測試。「朝潮」號在居住艙和主機艙之間加裝了一個AIP艙段，將斯特林發動機嵌入其中，另外還安裝了液氧儲存罐等輔助設備。2005年7月，日本從瑞典引進了最新的斯特林發動機技術，並獲取授權在國內生產Mk3型斯特林發動機。日本將斯特林發動機應用在了「蒼龍」級潛艇上，首艘「蒼龍」號於2007年下水，2009年服役。「蒼龍」級潛艇採用單軸柴電加AIP推進方式，搭載兩臺12V25S柴油機、兩臺交流發電機、一臺推進電動機和四臺斯特林發動機。斯特林發動機系統的應用，使「蒼龍」級成為全世界最先進的AIP常規潛艇之一。
除了斯特林發動機系統外，其他類型的AIP系統也在不斷向前發展。德國在燃料電池AIP系統方面進行了多年的研究，早在1980年就研製了第一代潛艇燃料電池裝置，採用質子交換膜燃料電池，後來又研製出了單塊功率達34kw的質子交換膜燃料電池。此後德國將燃料電池技術批量應用到了常規動力潛艇上，建造了全世界第一艘裝有燃料電池AIP系統的212A級潛艇。該級潛艇的首艘U-31號安裝了9組PEM燃料電池模塊，AIP功率超過300kw。在此基礎上，德國又建造了214型潛艇，裝備了兩組BZM120型質子交換膜燃料電池系統模塊，輸出功率240kw。214型潛艇採用了第二代低速永磁電機，噪音更低，效率更高。214型潛艇的水下續航時間可達三周，在通氣管狀態6節航速時的續航力高達12000海裡，續航時間長達12周，顯示了燃料電池AIP系統的極大優勢。
近年來，隨著潛艇用鋰電子技術的不斷進步，越來越多的國家開始進行這方面的研究。早在1990年代德國就開展了潛艇用鋰離子電池動力系統的研製，2010年後在「行星太陽」號上測試了大型鋰離子電池動力系統。德國新一代AIP潛艇216型用鋰離子電池取代了此前的鉛酸電池，可在潛航狀態下保持約四周，超過了214型潛艇。此外法國研製了潛艇用VL45E型鋰離子電池，日本也在最新的「蒼龍」級潛艇上安裝了鋰離子電池模塊，還有多個國家推出了潛艇用鋰離子電池項目。相比此前的燃料電池，鋰離子電池具有單電池電壓高、電池容量大、自放電能力低、使用壽命長等優點。潛艇用鋰離子電池模塊的應用，能夠增強AIP潛艇的續航力和機動性，減少了上浮充電頻率，提高了隱蔽性。所以，以鋰離子電池為代表的燃料電池系統是未來AIP潛艇的一個重要發展方向。
和燃料電池AIP系統等相比，斯特林發動機系統仍具有很多優勢，有著良好的發展前景。斯特林發動機氣缸中沒有燃爆過程，不需氣體分配閥門機構，工質流動過程平穩，噪音很低，有利於潛艇的隱身。斯特林發動機的效率要高於大部分潛艇用動力裝置，還可以使用多種燃料，除了柴油，瑞典還嘗試用天然氣當作斯特林發動機的燃料。和燃料電池系統相比，斯特林發動機的使用壽命也要更長一些。而且，採用斯特林發動機系統的AIP潛艇的潛航時間也更長，可以達到30~45晝夜。因此綜合分析的話，斯特林發動機系統仍是潛艇AIP裝置的熱門選擇之一，在未來仍有長足的發展空間。