潜艇电力推进技术发展探究

（海军工程大学干部训练大队，湖北 武汉 430033）

潜艇电力推进技术发展探究

曹森

（海军工程大学干部训练大队，湖北 武汉 430033）

潜艇作为海军作战力量的重要组成部分，凭借其优良的隐蔽性在海洋战场上发挥着越来越重要的作用。电力推进是潜艇水下航行的主要方式，因此研究潜艇电力推进技术，对降低潜艇的噪声，提高潜艇的隐蔽性和水下续航力有着重要作用。本文从电力推进技术的起源入手，介绍了电力推进技术的优势，分析了当前电力推进技术存在的问题，并对电力推进技术的发展方向进行了展望。

电力推进；永磁电机；常规潜艇

电力推进技术作为常规潜艇水下航行的推进方式，决定着潜艇的水下续航力和隐蔽性。传统的常规潜艇通常采用的是柴发机组发电给蓄电池充电，再由蓄电池带动推进电机，工况单一，水下续航力差。近几年，以AIP技术为代表的新型电力推进系统在潜艇上的列装，极大的提高了潜艇的水下续航力和隐蔽性。本文着重列举了几种新型电力推进技术，比较了几种新型电力推进技术的特点和不足。

1 潜艇电力推进技术简介

二战时期是潜艇发展较为迅速的一个时期，战争的需要刺激了潜艇技术的迅猛发展，电力推进技术运用于潜艇的动力系统，就是起源于这一时期。在这一时期，潜艇多采用直流供电的技术，在电力系统结构上较为简单。在水下航行时，潜艇往往使用预先储备在蓄电池中的电力推动潜艇的航行，受限于当时的电池技术，潜艇在航行很短的一段时间后，就需要浮出水面，启动柴发机组进行再次充电。在这种技术条件的限制下，潜艇的隐蔽性能受到极大限制。潜艇作战功能的实现，都离不开电力的支持，而受限于潜艇电池容量，潜艇各个功能都受到一定程度的限制，降低了潜艇的综合战斗力。这一状况一直持续到通气管在潜艇上的使用。通气管发明以后，使得潜艇可以在通气管航行状态下给蓄电池充电，大大提高了潜艇的水下续航能力，提高了潜艇的隐蔽能力。这一时期的潜艇排水量增加到了2000余吨，航速保持在10Kn左右，续航能力增大到了1万海里左右，可以在水下保持活动一个月左右。在第二次世界大战以后，潜艇受到各国海军的重视，潜艇相关研究工作得到了大力支持，潜艇的建设速度增快。在二战后出现了多种经典常规潜艇，如日本的“苍龙”级潜艇。“苍龙”级潜艇是日本目前潜艇部队的主力，还出口过其他国家，是日本目前最先进的常规潜艇。“苍龙”级潜艇就采用了先进的AIP技术，最大航速20Kn，水下可持续潜航3周。

2 电力推进技术的技术优势

得益于交流电力技术的成熟和运用，使得潜艇的动力系统在降低体积的同时，大大提高了潜艇的综合性能。电力推进技术与传统的舰艇推进技术相比，具有以下的技术优势：（1）减小了潜艇电力设备的体积，大大拓展了潜艇的内部空间。潜艇是一个密闭性的空间，受限于潜艇的体积，布置更多的作战设备，必然要尽可能的节约潜艇内部的空间。使用电力推进技术可以有效的节省潜艇内部的空间，使潜艇可以安装更多的作战设备，在有限的空间内，发挥出更大的作用。（2）统一供电模式，使用电力推进技术可以有效的提高潜艇内供电的稳定性。在由电力推进系统供电以后，可以保障潜艇内电流的稳定性，使各电子设备处于一个安全可靠的电力环境中，降低了潜艇电子设备因为电路故障导致的事故，减轻了潜艇对电子设备的维护工作量，提高了电子设备的耐用性。（3）提升了潜艇的可操作性，电力推进技术可以提高潜艇的灵活性，降低了潜艇操作的难度，增强了潜艇的机动性。（4）增强潜艇反潜能力，在潜艇技术发展的同时，反潜技术也获得了快速发展，使用电力推进技术，可以降低潜艇工作时的螺旋桨声音，降低潜艇因为噪音过大而被声呐发现的可能性，提高了潜艇的隐蔽性，提高了潜艇的生存能力。此外将交流电网电力推进技术应用于潜艇之上，可以降低潜艇的能耗，降低潜艇航行对海洋的污染，起到环保的作用。

3 电力推进技术的发展方向

3.1 斯特林发动机的进一步发展和完善

斯特林发动机是目前世界上许多常规潜艇使用的AIP技术。斯特林发动机通过气体受热膨胀、遇冷空气压缩而产生动力的。斯特林发动机不需要排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其它空气，非常适合潜艇的水下航行。1995年下水的“哥特兰”号潜艇是世界上第一艘装备AIP系统的常规潜艇，这也标志着斯特林发动机进入了实用阶段。目前世界上较先进的潜艇如德国的214型潜艇、日本的苍龙级潜艇等都采用了斯特林发动机技术。但斯特林发动机仍存在许多问题需要解决，如膨胀室降温成本高、功率低等。随着斯特林发动机的进一步发展和完善，其在潜艇上的应用也会更加广泛。

3.2 燃料电池的成熟与应用

燃料电池是一种可以将燃料经过氧化剂的化学作用直接转换为电能的一种新型电池技术。燃料电池的电能转化效率高，经过氧化剂可以转换出50%左右的电能，大大提高了燃料的利用率，是火力发电和柴油发电的30%，可以极大的节省燃料。对于内部空间有限的潜艇来说，使用燃料电池作为电力推进系统的能源，可以使用有限的资源，尽可能的延长潜艇对电能的需要，同时降低了电力设备在潜艇内部的使用。使用燃料电池+柴电混合电力的推进系统，既可以满足潜艇续航的需要，也能够使潜艇的电力设备正常工作。以德国的PEMFC燃料电池为例，该型号的燃料电池可以在一个安静的环境中完成电能的产生和转换，使潜艇的噪声降到最低。在热能的转换过程中，燃料电池产生的热量较小，即使在高负荷的状态下，燃料电池的热负荷也是极低的，对于潜艇这种密闭性的空间，可以提高潜艇的舒适度。燃料电池通常使用模块化设计，在输出大功率电流的同时，也不会占用潜艇过多的空间。

3.3 永磁电机推进技术

永磁电机也是一种新兴的电力推进技术，由于永磁电机的制造费用昂贵，限制了永磁电机的使用范围。不过随着近年来制造永磁电机的材料价格降低，永磁电机逐渐可能列装到潜艇。永磁电机是一种交流供电电动机，永磁电机利用转子和定子的物理作用产生电能，不需要使用空气，而且永磁电机在转换电能的过程中，所产生的热能较少，而转换的电能较多。使用永磁电机可以满足潜艇对电能的需要。将永磁电机作为潜艇的动力系统，具有以下的优势：（1）永磁电机的体积小，重量也小，以某型号永磁电机举例，该型号的永磁电机可以产生5兆瓦电能，转速达到150r/s，而重量仅为4吨左右，相比较同等发电规模的电动机来说，永磁电机推进机的重量是很轻的。（2）电能转换效率高，这是其他发电方式所无法比拟的，也是永磁电机的一大优势，永磁电机在电能的转换效率上，达到了85%以上。（3）永磁电机与潜艇的推进系统切合度高。经过科学计算和精准射击，将潜艇推进系统的螺旋桨系统和永磁电机有机整合到一起，可以有效的提升螺旋桨的转速，实现对螺旋桨的精准操控，由此提升了潜艇的操控能力，使潜艇具有极强的机动性。同时，永磁电机推进机在低俗螺旋桨方面的优势，可以使潜艇以较低的能耗巡航，提高了潜艇的续航能力。但是永磁电机也有技术短板，主要是容易受到金属方面的影响，降低其性能。另外高温对永磁电机的伤害较为严重，由于潜艇长期处于密封状态，其内部温度较高，而当温度超过80℃时，将会降低永磁电机的发电效率，这一点需要在以后的研发过程中加以解决。

4 目前潜艇蓄电池的改进

使用蓄电池电力推进技术，是由于潜艇航行的特殊性来决定的。在常规潜艇中，无论柴电动力潜艇还是使用AIP技术的潜艇，都离不开蓄电池，蓄电池性能对于潜艇电力推进系统，有着直接的影响。目前潜艇依然大量使用铅酸电池，为此针对铅酸电池的优化，有利于提升潜艇蓄电池的蓄电能力，从而提升潜艇电力推进系统的性能。随着AIP系统在潜艇中的普遍应用，电力推进系统所发挥的重要作用与日俱增，当下使用蓄电池作为潜艇的电力推进技术，需要着重于解决蓄电池的蓄电能力及功率问题。蓄电池技术目前主要是解放人工的压力，提升蓄电池内部电能的转换效率，如将电池中的氧气和氢气相融合，使其发生化学反应生成水，使蓄电池内的氢含量提升，由此提升蓄电池对电能的保存能力，延长蓄电池的使用寿命。调整蓄电池的结构也可以有效提升潜艇电力推进系统的性能，经过实践研究发现，管状电池最有利于电能的保存，相比较平板电池，管状电池可以有效提升30%的电能保存效果。为了使蓄电池推进系统的电能得到充分的发挥，改革蓄电池正负极的金属，可以起到相应的效果，目前常用的金属为铜。

5 结语

潜艇作为隐蔽打击敌人的重要手段，在未来战场上的作用也越来越大。新型电力推进技术在潜艇上的使用，极大提升了潜艇的生存能力和综合作战能力。通过本文的分析研究，目前AIP技术中的斯特林发动机最为成熟，应用最为广泛，其他几种新型电力推进技术仍在实验研究阶段，没有达到实际应用的地步，相信随着技术的发展，这些新型电力推进技术也将应用到潜艇上。

[1]郭冰.水面舰船推进电机技术发展与展望[J].船舶电气,2008,2(4):32-34.

[2]何金平.双燃料电力推进（PFDE）系统集成研究[J].船海工程, 2014,43(5):161-163.

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1671-0711（2017）04（上）-0142-02