氧气的溶解能力怎么样(凭空造氧气？不依赖空气就能在水下工作的AIP技术为何如此神奇？)

Posted 2023-05-30

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氧气的溶解能力怎么样(凭空造氧气？不依赖空气就能在水下工作的AIP技术为何如此神奇？)

【军武次位面】作者：萤火

啥是AIP？AIP全称Air Independence Propulsion，中文名"不依赖空气推进系统"。简单来说，常规潜艇发动机工作需要氧气，然而水下没有氧气，紧急作战状态特别是交战水域下又不能过两天就上浮，或者天天在十几米深的地方支起个排气管换气，那怎么办？唯一的方法就是用发动机产生的废气经过特殊装置重新制造为氧气含量接近空气的特殊气体，要么干脆能让燃料在没有水面氧气的情况下用液氧——这就是AIP技术的基本思路。不过毕竟是权宜之计，完全靠AIP系统，燃料利用率极低，潜艇的水下速度仅能维持正常速度的百分之十到百分之二十左右。因此，如何提高AIP系统功率就成了科研人员的主要方向。当然，加装了AIP系统的潜艇它依旧是常规潜艇，和核潜艇还是比不了。毕竟携带燃料有限，AIP系统又效率低下（燃料利用率在百分之十左右），其续航性和核潜艇没法比。它只是可以使得潜艇在没有氧气的情况下多潜一段时间罢了。

▲出口泰国的我国S26T潜艇采用的就是斯特林发动机

目前世界上有三种AIP技术，第一种就是斯特林发动机（SE)AIP系统，它是最典型，最重要的AIP系统。为啥这么说呢？它采用最简单，最经典的方式体现了AIP系统的本质，即不需要空气——该系统是全封闭的。高温气体在全封闭系统内推动齿轮运转，只需要足够热量就行。该发动机采用全封闭循环，对燃料没有要求，从太阳能到较高杂质燃料均可。另一方面其不存在柴油机的气缸，因此噪音非常小，成本低，可靠性高。世界上第一批装备AIP的常规潜艇是瑞典"哥特兰"级(Gotland class)"斯特林"发动机潜艇。

▲斯特林发动机剖面图

当然它也有不足，那就是斯特林发动机对材料要求非常高，全封闭系统中的氦气长时间保持高温高压，因此需要有较高制造工艺来制造耐高温材料，所以掌握该技术的国家不多。并且该发动机体积较大，不适合小型潜艇安装。但就像我们前面提到的，从已公布数据来看，我们的斯特林发动机已经达到了世界先进水平（纯AIP系统推进最高速度4海里/小时，对比218SG的2-6海里），这说明我们已经解决了技术上的难题。并且中国的AIP技术，走的是完全自主研发的路径。经过十多年发展，中国版的"斯特林"发动机已经达到了世界先进水平。泰国正是看中了中方成熟的技术。

▲简易的斯特拉发动机模型

另一种AIP技术就是英国/欧洲为代表的闭式循环柴油机(CCD)AIP系统。其工作原理与普通柴油机一样，只不过该系统可以将发动机产生的大部分二氧化碳重制为氧气，剩余二氧化碳融于海水（海水溶解二氧化碳可达到1:1），并充入氩气改善空气质量。不过我们知道质量守恒定律，这些氧气越用越少，因此必须充入一定量的氧气（来自液氧）。

▲闭式循环柴油机系统示意图

这项技术在AIP技术里最为简单，难度也低，唯一的缺点就是效率低下，噪音大。没办法，二氧化碳重制系统的工作效率低，无论怎么重制大气，其重置气体中二氧化碳浓度还是要比大气高，因此发动机效率也就提不上去。最重要的是，其基本原理与普通发动机无异，因此缺点和柴油机一样，发动机汽缸冲撞噪音较大，在低速状态下还保持较大噪音，确实得不偿失。并且其所需液氧数量是燃料电池AIP系统的一倍以上，续航能力较低。

▲新加坡订的四艘218SG在一向以高价著称的德制武器里都算得上是顶配甚至土豪定制版了

第三种技术就是德国为首的燃料电池(FC)。燃料电池对燃料利用率高，噪音也非常小，直接能量转换并无机械结构，不需要太多能源物质，因此是小型潜艇的首选。俄罗斯正在探索的基洛级潜艇AIP舱就是采用了这种技术。一方面这种潜艇主要靠外贸带货，自己家也不用，再贵也不心疼，另一方面俄罗斯如今在AIP技术方面也确实赶不上先进水平，因此从德国引进相关技术是最简单的方法。对于俄罗斯来讲，AIP技术不那么香，自家也不怎么用，因此没必要再去从头研发。

▲基洛级大部分型号都没有AIP舱段。即使是近几年出口越南的636.8型

但燃料电池也有缺点，其燃料液氧和液氢极易发生泄露和爆炸，因此需要对该舱段特殊保护以避免危险。最重要的是其比功率小，212潜艇的燃料电池质子交换膜比功率为105瓦/公斤，而柴油机通常在300瓦以上。因此同样速度，一台柴油机能做到的事要三台燃料电池才能做到。当然价格也是问题，燃料电池只有4500小时寿命，比柴油机的50000小时低多了，价格却是同功率柴油机的六倍以上，因此更换昂贵的燃料电池也是个问题。并且该系统需要海军拥有专用的液氧液氢储备系统，这同样是一笔不小的开支。目前选择该技术的国家像德国、新加坡等基本都是"不差钱"的国家。

▲218SG的AIP模块。注意其液氧和液氢仓

218SG装备两个AIP模块（2台120千瓦级PEM氢氧燃料电池），该技术可保证218SG拥有水下3-6节的速度，相比之下拥有2个AIP模块的S26T（采用斯特林发动机），也可保证水下最高4节的速度（泰国在2017年防务展上披露的数据）。虽说双方速度上差不多，但价格可就差远了。

▲三种AIP技术互有优缺点，如何一劳永逸地解决这些问题呢？那就是核动力