
各种AIP系统的特点比较
由于认识到潜艇AIP系统在提供能量方面的局限性,因此,在经历了20多年的发展之后,从事AIP研制的技术人员和世界各国海军逐渐明确并已经接受了"单一AIP系统"与"辅助AIP系统"这两个概念之间存在着的差别。所谓"单一AIP系统",指的是艇上的AIP系统能够为潜艇捉供全部水下航行时所需要的能量,而"辅助AIP系统"则只能用于潜艇在2-6节的低速巡航和艇上低生活负载的能量需要,当艇在高速航行时仍需要使用柴油机电力推进系统。显而易见,目前世界各国研制的潜艇AIP系统,包括瑞典"哥得兰"级潜艇装备的斯特林发动机和德国212A型潜艇装备的燃料电池,都尚未达到"单一AIP系统"的水平,仅仅是"辅助AIP系统"而已。
作为非核动力的"辅助AIP系统",目前世界上比较成熟的基本上是燃料电池、斯特林发动机、闭式循环柴油机以及自主式潜艇能源系统(即MESMA)这4种AIP系统。这4种AIP系统的共同特点是其运行都需要氧气,目前装备AIP系统的潜艇,其共性是需要考虑在艇上采取适当的储存氧的方法。除此之外,不同的AIP系统还有其特殊性-燃料电池需要艇上供给氢,自主式潜艇能源系统需要乙醇燃料,斯特林发动机和闭式循环柴油机需要柴油燃料。
原则上说,不同类型的AIP系统所需要的燃料具体要求又各不相同。对于燃料电池所需要的氢来说,它既可以像其他的气体那样在高压下储存,也可以液态储存或以氢化金属的形式储存。因为氢的储存危险性非常高,所以一般不考虑储存气态的氢。使用液态储存氢或以氢化金属的形式储存氢时,其重量和容积需要事先估算,在估算时应该考虑燃料电池系统的总重量在不同输出功率下与持续工作之间的关系。

对于斯特林发动机系统来说,它的重量和容积的估算应包括作为燃料的碳氢化合物(柴油或轻石油)、液氧储存、重量补偿舱和有关的结构元件。由于每一台斯特林发动机的单台功率是有限的,所以,在考虑潜艇上装备斯特林发动机的数量时,还应进一步估算出斯特林发动机的数量与整个AIP系统的重量、容积和液氧储存量之间的最佳平衡关系。在输出功率为300-400千瓦的条件下,当AIP系统的工作时间为300-400小时,斯特林发动机系统的重量约为200-300吨,在相同条件下燃料电池的重量要比斯特林发动机系统的重量大得多,而标准的铅酸蓄电池的重量则更大。
对于不同种类的AIP系统,它们在潜艇上所需要的容积与它们的工作时间存在着十分密切的关系。一些试验结果表明,在给定的容积条件下,斯特林发动机将有更长的工作时间。闭式循环柴油机在重量和容积方面与斯特林发动机基本相同。对于具有相同排水量的潜艇来说,在给定的容积条件下,斯特林发动机系统的工作时间为燃料电池的1.8倍。
从目前世界各国对潜艇AIP系统设计的主导思想来看,潜艇AIP系统的主要目标是为常规潜艇提供15-20天的连续潜航能力。这就是说,装备AIP系统的常规潜艇在15-20天的时间内可以在水下连续进行低速航行而无需使用通气管。在这样的连续水下航行状态下,装备燃料电池的常规潜艇,由于其信号强度很低,被敌人探测到的几率是相当低的。但是,装备斯特林发动机、闭式循环柴油机以及MESMA的潜艇,由于这3种AIP系统的组成部分之中有许多不断运动的机械部件,在其处于工作状态时无法做到完全安静。因此,即使这些潜艇以很低的航速在水下航行,潜艇的信号强度也无法做到直线下降,难以把潜艇的被探测几率降低到非常理想的程度。

决定潜艇推进功率的因素
装备AIP系统的常规潜艇的生活负载是该艇推进功率值和艇上AIP有效性的函数。一般地说,一艘1500-2000吨的常规潜艇,其艇内的生活负载大约为50~150千瓦,当潜艇的水下航速只有2-4节时,潜艇的推进功率只需10千瓦左右。因此,在潜艇处于低速航行时,艇上的生活负载占主要地位。但是,当航速提高到8节或更高时,潜艇的推进功率便增加为艇上生活负载的3-5倍。这时,潜艇的推进功率值就上升到主要地位,同时,潜艇的推进功率值也就成为决定潜艇暴露率的主要因素。
潜艇的推进功率不仅与潜艇的航速有关,而且还随着潜艇的主尺度、排水量、艇体形状、推进效率以及潜艇的表面摩擦阻力的不同而发生很大的变化。
前文已经提到,一艘装备了AIP系统的常规潜艇,当其在水下低速航行时,主要是利用AIP系统为艇上生活负载提供能量。如果潜艇上只装备了1台功率为75千瓦的AIP系统,那么AIP系统在将其大部分功率用于潜艇的推进之外,只能是剩余很小部分用于艇上的生活负载。在生活负载为75-100千瓦的常规潜艇上,只有当AIP系统的功率达到200千瓦的水平时,才有可能较好地承担起供应艇上生活负载的任务。目前,瑞典"哥得兰"级潜艇上装备了2台75千瓦的V4-275R型斯特林发动机,其总功率可以达到150千瓦,德国212A型潜艇装备了9组36千瓦的质子交换膜燃料电池模块,总功率可以达到306千瓦。