俄军新一代潜艇明年下水 号称AIP系统性能远超中国

2017年06月23日 12:28 新浪军事 微博
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  图:俄罗斯黑龙江级潜艇,中国曾经与俄方就该艇的技术进行过大量的合作洽谈,但是该艇本身并不成熟,目前仅保留一艘作为试验艇

  根据俄罗斯媒体的最新报道,677型“拉达”级“喀琅施塔得”号潜艇将会成为俄罗斯海军的第一艘带有AIP动力的常规潜艇,并将在2018年下水。该级潜艇的外销称号为阿穆尔,俄语含义是黑龙江。

  拉达级潜艇是俄罗斯研制的用于替代基洛级潜艇的新一代常规潜艇。其中最为主要的几个方面改进,除了改善俄式武器一贯来电子电气落后、自动化程度低下的缺陷,最重要的一点就是,实现AIP系统的实用化。

  AIP系统能为常规潜艇提供很大的水下航行能力改善,它通过自行携带液氧,在水下持续与燃料进行氧化反应提供电力,能大大延长常规潜艇在水下的活动时间。比如瑞典的哥特兰A19潜艇采用的斯特林AIP系统,能在5节的航行速度下提供14天的不上浮活动能力。因此有没有AIP系统,对于常规潜艇的活动隐蔽性和暴露几率,将会出现一个代差性的区别。

  苏联在二战后继承了相当部分的德国潜艇技术,其中包括早期AIP系统——包括闭式循环柴油机,以及双氧水蒸汽轮机。但两种路线目前很早就夭折了:

  前者通过吸收二氧化碳、加入氧气对废气进行处理,然后再次送进发动机燃烧,技术可行而且难度较低,但是柴油机振动噪声大,因此从潜艇总体性能看,没有什么发展价值。后者理论性能出色,但是高浓度双氧水的安全性非常差,炸了几次以后就被放弃——库尔斯克号潜艇就是被自己的过氧化氢鱼雷事故炸沉的。

  图:体积太大、带的氢又太少,而且还死贵,这是困扰燃料电池AIP的最大问题

  图:阿穆尔潜艇的电力系统

  苏联后来主力发展的AIP系统,是从航天系统移植过来的液氢液氧燃料电池路线,和二战德国潜艇技术已经没有传承关系了。燃料电池工作不存在噪声和振动,是非常理想的隐蔽动力源;但是这种路线对于技术要求非常高——特别是氢气的高效储存,而且设备的造价昂贵。

  因此在苏联时代,虽然俄罗斯造出了试验艇,证明了AIP系统的可行性,但是这种潜艇的造价已经几乎比得上核潜艇了,但性能又不够好——苏联储氢技术不佳,储氢系统占了AIP系统的70%重量,但氢气占储氢系统的重量比例还不到5%。因此对作为核大国的苏联来说,这实在是没有意义。这也是基洛级潜艇普遍不具备AIP系统的原因。

  氢气难以储存——无论是数量还是安全性,而且补给困难,这是目前困扰氢氧燃料电池AIP潜艇最大的问题。液氧、柴油,随便一个码头都会有,但是提供高纯度液氢的码头,除了专门的军用基地,全世界都寥寥无几。

  而根据此次俄媒体的报道,拉达级潜艇将不再储氢,而是直接通过柴油制取氢气,然后将氢气送入燃料电池进行发电。从原理上讲,这条路子是完全走得通的,而且它不仅适用于潜艇,同样适用于地面车辆、特别是重型工程车辆;是一种军民通用程度高、经济和社会价值巨大的技术,前景非常广阔。

  图:去查查现在各国对清洁能源车的政策补贴有多大,就能知道柴油制氢配合燃料电池技术的潜在市场价值有多高了

  因为直接烧柴油的话,目前最先进的内燃机热效率极限也只能到40%多;而燃料电池的效率目前能做到60%以上,而且还有较大的理论提升余地。同时电动机的低转速扭力大、结构简单轻巧、易于维护,各方面性能优势累积起来非常明显。因此将柴油制取氢气发电,再带动电机运转,效率和性能极限可以提高很多;特别是对于潜艇来说,两者在安静方面的性能是天差地别的。

  目前主要的问题是,柴油重整制氢这个技术,本身还存在很大的难点——包括制氢效率低、积碳严重、催化剂中毒严重等等。这也是全球很多科技发达国家,虽然已经长期将这个技术作为重点发展方向,但是仍然没有拿出实用化的产品的原因。特别是在现在追求高环保的政策趋势下,谁先突破这个产品,赢得的市场利润将是一片金山银海。

  图:直接储氢的德国214潜艇,储氢量、后勤补给等方面存在很大的局限性

  仅从路线上说,拉达级选择的方向不仅技术上是可行的,而且在整个社会的科研和工业发展牵引上,也摆脱了苏联时代军事工业和民用工业脱节、互不支援的老毛病,避免了大量资金和人力沉没在军事发展中,而不能对国家经济和长远能力积累助益的缺陷。

  但是这条路的难度也不是一般的大,无论是传统上苏俄对于精密化工的不擅长,还是现在俄罗斯萎靡衰退的经济,都使得俄罗斯将在相关技术的研发上举步维艰。

  因此虽然理论上柴油制氢技术成熟以后,其总体上的性能优势理论上比瑞典的斯特林式热机AIP要好得多,乃至于比直接储氢的德国214潜艇的AIP系统表现都要强很多,但至少在可见的未来内,这些理论优势都不能转变成现实。(作者署名:候知健)

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