水上水下環境中，常規潛艇的柴油機如何進氣排氣？有幾種系統？

早期的潛艇大部時間在水面航行，新鮮空氣直接從潛艇進氣管進入艇內，供人員呼吸和柴油機工作。水下航行時則關閉柴油機、關閉進氣管，僅靠蓄電池能量驅動螺旋槳旋轉。

20世紀30年代荷蘭人率先發明了通氣管技術，後來德軍入侵將技術竊為己有。1944年德國人在新型21型潛艇上使用通氣管技術，希望藉此挽回敗局。結果第三帝國沒救成，潛艇卻從此進入嶄新時代，從以往傳統意義上的潛水艦，變成了真正在水下航行的潛艇。通氣管成為提升戰力的革命性裝備，美英蘇聯等國也紛紛跟進。

▲粗大的通氣管

此後很多潛艇上同時裝備2套進排氣設備，一套供水面航行使用，一套在水下十幾米通氣管深度航行使用。兩套系統管道之間有連通的部分，也可以用閥門分隔密閉。

現代潛艇由於水面航行時間很少，通氣管狀態航行時間多，所以常依據通氣管工作環境要求來設計柴油機，以保證通氣管功率。也有潛艇不設置專門的水上進氣系統，只用單一的通氣管兼作水上進氣和水下進氣使用。

▲柴油機與進氣、排氣管路系統

一、水上進排氣系統。

水上進排氣系統由進氣圍欄、膨脹接頭、舌閥、水上排氣口、機艙空氣量調節閥及進排氣管路等部件組成。

潛艇在水面航行時，海面空氣由水上進氣道經舌閥、進氣管道進入機艙，柴油機從機艙中吸取空氣工作。廢氣經內舌閥、排氣管、外舌閥和排氣管口排出艇外。

二、水下進排氣系統。

水下進排氣系統由防浪閥、活動空氣筒、固定空氣簡，舌閥、艙內進氣圍壁、機艙空氣量調節閥、排氣膨脹接頭、止回閥和進排氣管道等組成。進氣內舌閥之前的那段管道經常與水上進氣系統共用。

兩套系統的安裝位置不同。水上進、排氣系統通常在艇身上，排氣口位於進氣口之後且儘量遠離，以免排出的廢氣被進氣口重新吸入。水下進、排氣系統在指揮臺圍殼裡面和周邊，也就是著名的通氣管和排氣管。

通氣管結構較複雜，由固定空氣筒和活動空氣筒兩段組成。固定空氣筒與艇身相連，活動空氣筒安裝在固定空氣筒內部，一般由液壓升降機控制伸出回縮。

▲通氣管固定和活動空氣筒

活動通氣管的頂端有防浪浮閥。當海況惡劣波浪較大時，進氣口被海水淹沒，防浪浮閥中的浮子向上浮起使進氣口自動關閉，阻止海水湧入艇內；等波浪過後浮子落下，進氣口再重新打開恢復進氣。這要求通氣管的升起高度要恰到好處，一般以四級海況下浮閥不頻繁開啟為宜。

排氣管結構相對簡單，但卻對潛艇隱身有重大影響。因為柴油機排出的廢氣溫度很高，如果隨意排放會使潛艇周邊的海水溫度迅速升高，形成明顯的紅外輻射信號。

▲用柴油機返航的核潛艇，白色煙霧排氣

現代反潛機和驅逐艦上的紅外探測水平提升很快。理論研究表明，海水溫差超過0.001℃就能滿足紅外探測需求。與海水背景溫差越大，對潛艇紅外探測、識別距離就越遠。現代反潛機上搭載的前視紅外探測儀，甚至能探測到水下40米深處的老式潛艇。

因此，為提高潛艇隱身性，減小紅外探測概率，柴油機排出的高溫廢氣必須要經過冷卻、吸收後再排入海中，以降低對周邊海水溫度的影響。

▲潛艇排氣形成的羽流

冷卻高溫廢氣方法有以下幾種：

①、空氣冷卻法。將冷空氣引入排氣管，在高溫廢氣和排氣管壁之間形成一層薄冷卻層。通過減少氣體和管壁的熱對流交換降低排氣管溫度，抑制壁面紅外輻射。如英國「支持者」級常規潛艇就採用空氣冷卻方式降低紅外特徵。

②、噴淋冷卻法。向排氣管內噴入海水形成水霧，通過水蒸髮帶走廢氣熱能，使排氣溫度降低，還同時抑制排氣嗓聲。日本「親潮」級常規潛艇通過噴射海水使排氣溫度由500℃降至60℃，效果顯著。

③、對流水冷法。在排氣管外安裝冷卻水套、夾層等設備，通過熱對流交換使排氣溫度降低，在各種艦船上廣泛使用。

④、水下排氣法。將柴油機廢氣排入海水中冷卻吸收。因排氣管內壓力高於周邊海水壓力，所以海水並不會倒灌入艇。

▲AIP中的斯特林發動機系統

當潛艇在水下使用AIP系統潛航時，提供動能的燃料電池、閉式循環柴油機、閉式循環汽輪機、斯特林發動機等也同樣會產生高溫廢氣。這些廢氣中一部分可以增氧後再次循環利用，一部分水蒸氣冷卻回收，另一部分二氧化碳經過降溫和吸收後，最終無氣泡排放溶解於海水中。和風漫談原創，禁止抄襲。

另外，潛艇的進排氣系統安全性要求很高，既要通暢高效，也要容易維護操縱，並能有效應對各種緊急情況。若水下航行時進氣管不慎關閉，柴油機將在數分鐘內將艇內空氣消耗一空，造成艇毀人亡的重大事故。所以，潛艇進排氣系統不如魚雷、飛彈那樣耀眼奪目，卻是艇上最關鍵的設備之一。