基于斯特林发动机的第5代非核动力潜艇方案设计

李大鹏，王肇曦

(1.海军工程大学，武汉 430033；2.海军北海舰队，山东青岛 110000)

0 引言

非核动力潜艇可以显著减少了使用通气管航行时间，增大潜艇不间断水下续航力，降低潜艇的暴露率。

1988年，瑞典将斯特林发动机作为潜艇动力装置，开创了潜艇 AIP装置的新时代。自 1995年下水的“哥特兰”级潜艇开始，瑞典潜艇普遍安装有斯特林发动机[1]。

目前，各国研发中的第4代非核动力潜艇均安装有AIP装置，但功率不大，作为辅助动力，不能满足潜艇水下长时间航行需要。

第5代非核动力潜艇的最大特点，是潜艇在水面和水下航行状态都采用单一的全工况发动机，AIP装置作为主动力装置，且是唯一的动力装置[2]。

非核动力潜艇在向巡逻区域航渡过程中，为减少通气管航行时间，避免噪声增大，通常选择使用中等航速完成航渡；到达巡逻区域后，为增加巡逻时间，保证艇上声呐探测的灵敏度，降低噪声，通常以低速航行。

从各国在役非核动力潜艇运行统计数据看，潜艇在其全部航行过程中，约有80%的时间处于低速和中速状态，而中速和低速航行所需功率，恰好处于AIP装置额定功率的中间区段。因此，AIP装置运行特性可与非核动力潜艇航行工况做到良好匹配。

在运行噪声、功率、造价、使用成本、寿命、可靠性、岸上保障设施等指标方面，斯特林发动机超过其他类型AIP装置，成为第5代非核动力潜艇动力装置的不二选择。目前，瑞典、日本等国已经开始研发使用斯特林发动机的第5代非核动力潜艇。

本文所进行的方案设计的目标，是保证第 5代非核动力潜艇在水下不间断续航力、最大航速、经济航速、低噪声航速等技战术指标上，全面超过了第3代和第4代非核动力潜艇，从而具有较大的性能优势。

1 海军部系数

在方案设计阶段，动力装置需求功率与潜艇排水量、航速之间的关系是重点考察内容，可根据海军部系数估算：

其中，N—动力装置需求功率，kW；ϑ—航速，kn；D—排水量，t；C—海军部系数。海军部系数在一定程度上反映了船艇阻力特性。现代化非核动力潜艇艇型均趋近于回转体，可参考使用在役的第3代和第4代非核动力潜艇海军部系数，见表1。

表1 不同航行状态下的潜艇海军部系数

通过艇型优化设计和制造工艺的提高，可以适当提高海军部系数，故第5代非核动力潜艇选取表中海军部系数的最大值计算。

2 动力装置需求功率

针对不同水下排水量的非核动力潜艇，经估算，得到在不同航行状态下，航速与需求功率之间的关系。见图2～图5。

可见，随着潜艇水下排水量和最大航速提高，动力装置需求功率增加很快。现代潜艇大部分航行处于水下状态，水面和通气管航行状态在方案设计时可不予重点考查。

图1 水下最大航速与需求功率关系

图2 水下低噪声航速与需求功率关系

图3 水下经济航速与需求功率关系

一般来说，一艘排水量为1500～2000 t的非核动力潜艇，水下航速为 2～4 kn，潜艇推进功率为几十kW，艇内生活负载为50～150 kW。

在潜艇处于水下低速航行状态时，生活负载占据动力装置功率输出的大部分。第5代非核动力潜艇自动化水平高，艇员数目将进一步减少，但为保证艇员高水平的工作和生活条件，使得艇员能够更好地适应长期水下航行环境，提高战斗力，生活负载应得到保证。

图4 通气管航速与需求功率关系

图5 水面最大航速与需求功率关系

国外对AIP潜艇进行的总体方案设计，通常是以排水量2000 t、生活负载为100 kW的非核动力潜艇为对象进行的。本研究同样设定生活负载为100 kW。

水下最大航速为潜艇一项重要的技战术性能指标，目前，各国在役现代化非核动力潜艇水下最大航速一般在18～24 kn。不同水下最大航速，水下最大排水量与需求功率之间关系见图6。在相同水下最大航速下，随着水下最大排水量的增加，动力装置需求功率大幅增加。

为了使第5代非核动力潜艇不低于典型的第4代非核动力潜艇所具有的水下最大航速，对于2000 t级排水量潜艇而言，若水下最大航速为21 kn，动力装置短时发出功率不应低于4000 kW。

水下经济航速航行是潜艇使用最多的工况，对于未来的第5代非核动力潜艇同样如此。各国第 3代和第 4代非核动力潜艇水下经济航速在8～10 kn，以此航速为基础，得到不同水下经济航速下，水下最大排水量与需求功率之间的关系见图7。在相同水下经济航速下，随着水下最大排水量的增加，动力装置需求功率大幅增加。

为使第5代非核动力潜艇不低于典型的第4代非核动力潜艇所具有的水下经济航速，对于2000 t级排水量潜艇而言，若水下经济航速为10 kn，动力装置短时发出功率不应低于270 kW。

图6 不同水下最大航速下水下最大排水量与需求功率关系

图7 不同水下经济航速下水下最大排水量与需求功率关系

3 蓄电池组功率

蓄电池组可为非核动力潜艇水下最大航速航行、低噪声航速航行、应急电力提供能量。目前在役的几种非核动力潜艇蓄组短时可发出的最大功率见表2。

由表可见，在艇型基本布置不做较大改变的情况下，第 5代非核动力潜艇蓄电池组可装备4500 W蓄电池组，作为应急电力以及水下最大航速航行时使用。

4 斯特林发动机

斯特林发动机装备第5代非核动力潜艇，将替代第3代和第4代非核动力潜艇上装备的柴油机，作为发电机的原动机。

斯特林发电机与柴油机形状对比见图8。斯特林发动机对润滑的要求相比柴油机有所降低，因此，通过使用较小的带油底座，可在一定程度上降低斯特林发动机高度。此外，斯特林发动机可使用比柴油机更低标号的润滑油。

作为舱室布置需要，需估算斯特林发动机的主要尺寸和占用空间。由于设计母型潜艇装备的是柴油机，可通过将斯特林发动机与柴油机的主要尺寸和占用空间进行估算后对比，见表3。

表2 蓄电池组的短时最大功率

图8 斯特林发动机和柴油机的形状

表3 斯特林发动机和柴油机的尺寸和占用空间

斯特林发动机中的气缸轴间距（1.6D，D—气缸直径）要比柴油机（1.3D）大，这是因为斯特林发动机气缸需要承受相当高的工质压力，需要较大的气缸壁厚。此外，斯特林发动机气缸分为温度不同的两个区域，高温区域和低温区域所使用材料分别为耐高温钢和普通钢。

如果考虑到辅助设备后的发动机宽度，斯特林发动机和柴油机相差不大。

发动机平均有效压力或发动机有用功与气缸排量之比，无涡轮增压柴油机为 0.8 MPa，平均工质压力11 MPa的斯特林发动机为1.8 MPa，比值（1.8/0.8）相当于用曲柄半径表示的发动机高度比（HS/HD=25/10）的倒数。斯特林发动机曲柄半径和活塞行程较小，对于同样高度的斯特林发动机和柴油机，其有效功率近似相等。

斯特林发动机燃烧室和空气预热器传递单位热量所需功率体积约为2 cm3/W。对于无增压柴油机，包括气缸头、气体管路、消声器和其他设备后，相应值约为斯特林发动机的一半，即 1 cm3/W左右。

斯特林发动机设计制造具有一定的自由度。例如，可调整燃烧室与空气预热器尺寸，而不会增大发动机总体尺寸。

斯特林发动机冷却系统的热负荷要比柴油机高2 倍以上。此外，斯特林发动机效率直接取决于冷却水温度，并随冷却水温度降低而增大。这与柴油机不同，柴油机效率随冷却温度升高而增大。因此，斯特林发动机冷却系统有着更严格的温度限制。

总的说来，斯特林发动机和柴油机的体积质量（kg/m3）相差不大。依据现役AIP潜艇，如“苍龙”级、“哥特兰”级的设计经验，一般装备 2 台柴油机，2～4台斯特林发动机。第5代非核动力潜艇水面和水下航行采用同一台全工况斯特林发动机，不再安装柴油机，因此，安装和布置方式可参考柴油机。

由丹麦、挪威和瑞典三国联合研发的“维京”级潜艇，计划安装单台800 kW功率斯特林发动机。日本三菱公司为新型潜艇研发的斯特林发动机已经成功进行了台架测试，发动机功率超过600 kW。德国MAN公司为其未来的非核动力潜艇研发的斯特林发动机功率为700 kW，MTU公司竞标获得了 2 台总功率 2100 kW斯特林发动机动力装置研发合同。根据国内外斯特林发动机技术水平及研发现状，第5代非核动力潜艇可选用4 台单台功率800 kW的斯特林发动机。在此情况下，配合使用蓄电池组，潜艇可以实现不低于24节的水下最大航速，远超第3代和第4代非核动力潜艇。

5 水下不间断续航力

相同水下排水量的AIP潜艇，水下不间断续航力与燃料携载量直接相关。

斯特林发动机需要使用潜艇自带的氧化剂—液氧，且第5代非核动力潜艇的水下航行也需使用斯特林发动机，因此，对燃料和氧化剂的携载量需求均较大，相比现役AIP潜艇，需要加大液氧携载量。依据现有艇型，可以估算出最大燃料携载量与水下排水量的关系。

由表4可见，燃料搭载量一般为潜艇水下排水量的10 %。如果采用大功率斯特林发动机，安装的斯特林机数量减少，可用于搭载燃料和液氧的空间增加。基于此，可将第5代非核动力潜艇燃料携载量定为潜艇水下排水量的12 %。

表4 水下排水量与燃料携载量关系

对于瑞典V4—275型斯特林发动机[2]，氧耗率为 820～920 g/(kW·h)，燃耗率为 350～610 g/(kW·h)，氧耗率与燃耗率基本为2:1。因此，可将潜艇燃料携载与液氧携载量之比也为2:1。

根据斯特林机工作特性，经济航速下燃耗率最低，低噪声航速下燃耗率提高，最大航速下燃耗率最高。基于此，可设定经济航速下燃耗率为350 g/(kW·h)，低噪声航速下燃耗率为 450 g/(kW·h)，水下最大航速下燃耗率为 600 g/(kW·h)。

计算得到不同水下排水量下，水下不间断续航力与水下航速之间的关系，见图9。

图9 水下不间断续航力与水下航速关系

由图可见，第5代非核动力潜艇的水下不间断续航力远远高于普通柴—电动力潜艇几百海里的水下不间断续航力，也高于使用AIP作为辅助动力装置的第 3代和第 4代非核动力潜艇 1～2周的水下不间断续航力，已经接近核动力潜艇。

6 潜艇主要技战术性能

第5代非核动力潜艇主要在濒海海域执行任务，面临的主要威胁是敌方水面水面舰艇、第 3代和第4代非核动力潜艇和反潜航空兵。因此，第 5代非核动力潜艇主要技战术性能参数的选择，要与其执行任务的种类和性质相一致。

根据计算结果，可以计算出3种水下排水量下的第 5代非核动力潜艇的主要技战术性能指标，见表5所示。

由表可见，对于3种水下最大排水量的第5代非核动力潜艇，随着水下最大排水量的增大，水下最大航速略有下降，但水下不间断续航力和水下自持力有大幅提高。

1500 t级潜艇具有27 kn的水下最大航速，水下最大航速仅比2000 t和2500 t级潜艇分别高出2 kn和3 kn。但是，2500 t级潜艇拥有最大的8000 海里水下不间断续航力，相比1500 t和2000 t级潜艇分别高出2200 海里和1000 海里，且由于吨位较大，可搭载更多先进的武器和军事技术装备，可遂行更为多样化的任务，适航性更好，因此，具有较大的综合性能优势，可作为第5代非核动力潜艇的排水量选择。

7 小结

第5代非核动力潜艇使用斯特林发动机，可满足水面和水下长时间航行的需要，在水下最大航速、水下不间断续航力等潜艇主要技战术性能指标上，全面超过第3代和第4代非核动力潜艇。

2500 t级水下最大排水量，因在主要技战术指标上具有综合优势，可作为第5代非核动力潜艇排水量的选择。

要实现本研究所提出的方案设计的关键，在于研制大功率斯特林发动机。目前，斯特林发动机功率尚不能满足要求，需要加大投入。国外先进的潜艇国家，如德国、日本、瑞典，都已开始大功率斯特林发动机的研发工作，不远的将来，将有型号产品面世。

表5 潜艇技战术性能指标

[1]金东寒.斯特林发动机的发动机技术[M].哈尔滨工程大学出版社，2009.

[2]李大鹏.不依赖空气的潜艇动力装置[M].国防工业出版社，2015.

[3]Дядик А.Н.Корабельные воздухонезависимые энергетические установки[M].СПб:Судостроение,2006.

[4]Худяков Л.Ю.Подводные лодки XXI века[M].СПб.:Изд.СПМБМ Малахит,1994.