自从潜艇成为海战的主要武器以来，设计师们一直致力于让它们更安静，并提高其水下续航力。常规柴电潜艇需要经常浮出水面为电池充电，最大水下续航时间只有几天。随着电池技术的改进，这些潜艇的续航力已经增加了许多。但仅仅持续一周还不够，不依赖空气推进（AIP）技术的引入，极大地改善了常规潜艇的水下续航力，令它们获得明显的优势。
这是为什么有那么多国家期望购买或建造AIP潜艇的原因。更棒的是，老式潜艇也可以通过在改造期间加入一段新的装备AIP系统船体来获得这一能力。稀星天外将在这篇文章中讨论AIP技术的工作原理，优缺点和应用。
老式潜艇通过安装具有AIP系统的新舱段可以实现水下续航力激增
柴电潜艇顾名思义，柴电潜艇依靠柴油发动机和电动机运行。它们有一个巨大的电池阵列。当潜艇在水上航行时由柴油发动机驱动，同时带动发电机给电池充电。为了减少被发现概率，现代常规潜艇往往通过通气管在水面附近浮潜。这意味着潜艇的主体保持在水下，只有通气管在水面上方为柴油发动机供气。
常规柴电潜艇推进系统简图
一旦电池充完完电，他们就会潜入大海，在柴油机机关闭的情况下，静静地使用电池驱动的电动机前进。在水下运行几天后，电池耗尽，这些潜艇必须再次浮出水面为电池充电。
为什么我们需要AIP？常规潜艇在水下时，完全依赖艇上的电池来驱动螺旋桨和为船上的其他电气系统供电。这些电池将在4-5天内电量耗尽，需要重新为它们充电。这是通过浮潜或通气管状态航行来实现的，这使它们暴露在敌方雷达的探测之下，从而成为敌方反潜兵力的一个轻松目标。虽然现代通气管涂有雷达波吸收涂料并且具有隐形的形状，但它们仍可通过高分辨率雷达探测到。还有一种称为柴油嗅探器的传感器可以探测到潜艇浮潜时柴油发动机的废气排放。所以，一艘需要经常浮到水面的潜艇失去了它的隐匿性，增加了它在敌方反潜兵力面前的脆弱性。
在水面浮航的常规柴电潜艇
我们需要一种能够让常规柴电潜艇在不需要外界空气的情况下给电池充电的系统。 这将使他们能够持续在水下航行，保持隐匿性。该系统还应允许常规潜艇保持极低的噪声特征，且不损害潜艇的性能。能够满足这些要求的就是不依赖空气推进（AIP）系统。
在通气管状态航行的常规潜艇，尽管露出水面部分很小，也经过雷达信号处理，还是很容易被发现
虽然核潜艇提供了更好的续航力和速度，但它们不太适合沿海浅水区域。由于它的技术门槛、高昂成本和政治敏感性，大多数海军也无法建造、采购和维护它们。此外，柴电潜艇还具有完全关闭发动机，静坐海底的优势。而核潜艇的反应堆无法随意关闭的。与现代常规潜艇的超静音特性相结合，配备AIP的柴电潜艇成为对许多国家非常有吸引力的核潜艇替代品。一些国家同时装备了核潜艇和柴电潜艇，以发挥各自的优势。对于那些希望潜艇具有超远航程和携带大型武器能力，而又不能或不想使用核动力的海军现在可以选择具备AIP能力的大型柴电潜艇，它们是核动力潜艇的最接近替代品。这样的例子有日本的“苍龙”级，德国开发的212/214/218型，和法国为澳大利亚开发改自其核潜艇的“短鳍梭子鱼”级。
适用斯特林循环AIP技术的日本“苍龙”级常规潜艇
工作原理在稀星天外阐述AIP系统的工作原理之前，先给出一些工程术语的定义。
- 闭式循环发动机：一种工作介质连续循环，不需要补充的热机。
- 汽轮机：一种涡轮机，使用高速蒸汽射流来转动涡轮机叶片，后者又带动驱动轴旋转。该驱动轴可以连接到交流发电机发电，或者连接到螺旋桨以推动船/潜艇行进。
- 工作流体：它是一种加压气体或流体，用于在热力学系统中吸收/传递能量。
- 洗涤：通过在洗涤器中使用适当的化学品从废气中去除某些特定气体的过程。
AIP系统的类型有：
- 开放循环系统
- 闭式循环柴油发动机
- 闭式循环汽轮机
- 斯特林循环发动机
- 燃料电池
开放循环系统
在第二次世界大战期间，德国沃尔特公司试验了使用浓缩过氧化氢作为氧化剂在水下驱动柴油机潜艇。这些潜艇使用高锰酸钾催化剂分解过氧化氢产生氧气，然后将其和柴油燃料混合燃烧，产生驱动汽轮机的蒸汽。
使用沃尔特公司过氧化氢发动机技术的U-1407号潜艇，后被英国人打捞重命名为“陨石”号
但这种工作只局限在建造了几艘试验艇，而没有投入大规模应用，主要的问题一个是所涉及的氧化剂不稳定和稀缺，另一个是燃料/氧化剂的消耗速度很高。第一艘试验潜艇，V-80，行驶50海里需要28吨燃料，最终的设计改进有限。
美国试验开放循环系统的X1“侏儒”潜艇
苏联，英国和美国在战后从德国获得了这一技术并且继续了试验。当后者开发出足够小的潜用核反应堆时，放弃了这一技术。因为高燃料消耗，苏联和英国也认为该技术用于潜艇不太适用，它仅被保留用于鱼雷的推进方案。
最终两者都因为氧化剂的不稳定，而导致重大事故。英国的“西顿”号潜艇在1955年6月16日鱼雷“热试验”中因为氧化剂浓缩过氧化氢起火而沉没，造成13人死亡。英国也因此放弃了开放循环技术。2000年，俄罗斯“库尔斯克”号潜艇的沉没也是因为鱼雷的过氧化氢推进剂泄露导致爆炸造成的，事故最终导致118人死亡。
俄罗斯海军的“库尔斯克”号（K-141）潜艇
闭式循环柴油发动机
这个技术的出发点非常简单，既然柴油机工作需要的氧气不能从外界获得，那是不是可以在潜艇中储存氧气，以便在潜航时运行柴油发动机呢？在该方案中，潜艇在燃料箱中存储液氧，在潜航时送到柴油发动机进行燃烧。由于需要模拟大气氧浓度以使发动机安全运行而不受到损坏，氧气需要和惰性气体（通常是氩气）混合后，再送到发动机。发动机产生的废气将在冷却后被洗涤，以从中提取任何剩余的氧气和氩气。剩余气体将在与海水混合后，直接排放到海中。 而从废气中提取的氩气在与氧气混合后再次被送入柴油发动机。
苏联”魁北克“级潜艇M296号
这项技术的主要挑战是将液氧安全地储存在潜艇上。在20世纪50年代，苏联制造了大约30艘650吨级的“魁北克”潜艇，其上的三台柴油发动机有一台是闭式循环柴油机。使用这种技术的苏联潜艇发现它们极易发生火灾，至少有7艘潜艇发生爆炸，导致其中的一艘沉没。70年代之后，这些潜艇全部退役，以后也没有其他潜艇使用该技术。
因此，闭式循环柴油发动机AIP技术不适用于现代潜艇，即使它相对便宜，并且可以使用标准柴油来简化物流。
闭式循环汽轮机
汽轮机利用能量源将水加热转化为蒸汽以带动涡轮机运转。在核动力潜艇中，核反应堆就是将水转化为蒸汽的能量源。但是在常规潜艇的闭式循环蒸汽推进中，使用非核能源来做同样的事情。法国的“自主潜艇能量模块（Module d'Energie Sous-Marine Autonome，MESMA）”是当前唯一采用这种技术的系统，它使用乙醇和氧气作为能源。在高压（60个大气压）下，乙醇和氧气的燃烧产生蒸汽。该蒸汽是一种可以运转汽轮机的工作流体。高压燃烧允许废气中的二氧化碳在任何深度被直接排到海中，而不需要使用压缩机。
法国的MESMA AIP系统
MESMA的优势在于它具有更高的功率输出，因此和其他方案相比使用该技术的潜艇具有更高水下速度。但其主要缺点是效率较低。另外，据说氧气消耗速度非常快，而且系统非常复杂。这些缺点使得更多的国家选择斯特林循环和燃料电池方案。
装备MESMA系统的法国“蝎子鱼”外贸潜艇
斯特林循环发动机
斯特林发动机是一种闭式循环发动机，其工作流体始终处于系统中。能量源用于加热该工作流体，该工作流体又移动活塞并运转发动机。发动机连接到发电机，为电池充电。这里使用的能量源通常是作为氧化剂的液氧和作为燃料的柴油燃烧，以便为工作流体提供热量。然后将废气经过洗涤，释放到海水中去。
斯特林发动机的简图（图片来源：萨博公司）
与燃料电池技术相比，使用斯特林发动机的优势在于柴油燃料易于获得且成本低廉。同时，它们比MESMA技术更安静。因此日本的“苍龙”级，瑞典的“哥特兰”和“西约特兰”级，以及我国的元级常规潜艇都采用这种方案。
这种技术的主要缺点是，与燃料电池相比，由于存在大量活动部件，它的噪声相对较大而且也更笨重。而且，当AIP启动时，使用斯特林技术潜艇的潜航深度不能超过200米。
瑞典的“西约特兰”级潜艇“南曼兰”号
燃料电池
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。这是通过使用燃料和氧化剂完成的。典型的燃料电池将氢气（燃料）和氧气（氧化剂）转化为电能，水和热量是作用的副产物。这是通过电解槽完成的，该电解槽由两个电极组成，一个阳极和另一个阴极，由电解质隔开。阴极和阳极之间的反应产生电流，用于给电池充电。化学催化剂用于加速反应。
西门子的质子交换膜（PEM）压缩氢燃料电池
目前在潜艇上使用的燃料电池有磷酸燃料电池（PAFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。 德国是开发和部署燃料电池AIP的世界领先者，得到了大量的出口订单。法国正在开发新一代燃料电池AIP技术作为其MESMA的替代技术。印度是另一个正在开发燃料电池AIP用于其潜艇的国家。
质子交换膜（PEM）燃料电池结构和原理简图
燃料电池是当今最先进和首选的AIP技术。这是因为它们在隐身和发电效率方面具有的主要优势。因为燃料电池几乎没有运动部件，这显著降低了潜艇的声学特征。在某些情况下，燃料电池可以实现超过80％的发电效率。它们的尺寸也可以被很容易地缩放以符合不同潜艇的排水量。这比为每一级别的潜艇都开发不同的系统更容易。氢燃料电池也非常环保，因为它们不产生废气，这反过来又省略了特殊的废气处理系统。唯一的缺点是它们昂贵且复杂。
AIP的优缺点AIP在柴电潜艇上的使用极大地增加了它们的水下续航力，使其可以在水下连续待上几周而不用浮出水面。虽然这一能力仍然无法与核潜艇相提并论，最终潜艇还是需要浮出水面充电，但AIP潜艇大幅增加的续航力使它们比没有装备AIP的柴电潜艇更具优势。然而也仅此而已，不应该假设AIP潜艇总能击败他们的非AIP对手。
2006年4月，配备了西门子的质子交换膜压缩氢燃料电池AIP系统的德国海军U-32潜艇，实现了2800公里不间断水下航行！这与非AIP潜艇形成鲜明对比，后者每航行500-800公里就要上浮使用嘈杂的柴油发电机进行水面充电。相比之下，核动力潜艇则具有无限的水下续航力！
德国海军212型潜艇U-32号连续创造了常规潜艇水下续航记录
2013年，又是U-32创造了常规潜艇水下持续航行18天的记录！相比之下，非AIP潜艇在浮出水面充电前，仅具有4-6天的水下续航力。这表明装备了AIP的柴电潜艇在水下续航力方面远远超过非AIP潜艇。
不考虑声学隐身的情况下，核潜艇可以用30节的水下速度实现无限巡航
AIP技术的局限性在于：
- 除了燃料电池外，其余3项技术都有很多可产生噪音的活动部件。这是不可取的，因为安静对所有潜艇都非常重要。因此，使用斯特林，MESMA和闭式循环柴油机AIP系统的潜艇将牺牲一些隐身性以获得额外的水下续航力。
- 尽管燃料电池AIP具有许多优点，但采购和维护它们的成本非常高。
- 使用AIP的潜艇需要以低于10节的速度航行，以达到所宣传的14-18天的续航力。相比之下，核动力潜艇可以以30-35节的速度不间断航行，而不会牺牲续航力。所以配备AIP的常规潜艇在蓝水或长时间作战时还是不能取代核潜艇。
截至2016年，以下国家已开发出适用于潜艇的AIP系统。
- 德国 - 燃料电池
- 瑞典 - 斯特林
- 日本 - 斯特林
- 法国 - MESMA
- 西班牙 - 燃料电池
- 印度 - 燃料电池
- 俄罗斯 - 燃料电池
- 中国 - 斯特林
中国为泰国海军建造的S-26T柴电潜艇装备了国产斯特林AIP系统，可以使水下续航力提高5倍
作战场景增加水下续航力所带来的优势可用于“伏击”来犯的敌方舰队。在该场景中，装备AIP的潜艇可以在某个海峡附近巡游，等待其目标接近。该潜水艇可以用2-4节的超静音速度航行数周，然后使用鱼雷攻击目标。虽然非AIP潜艇可以做同样的事情，但后者对于水下伏击来说非常重要的等待时间会短很多。
有了AIP，常规潜艇就可以在水下续航更长的时间，可以执行对敌方舰队的伏击任务
在另一种场景下，与非AIP潜艇相比，配备AIP的潜艇可以在敌方区域附近部署更长时间。因此，在收集情报和执行间谍任务的情况下，装备AIP的潜艇可以不需要浮出水面安静地潜伏几周来最终完成任务。
结论关于AIP要记住的事情是，配备了该技术的潜艇，不一定在每次部署时都因为有AIP而使用它们。在定期巡逻或友好的海域，配备AIP的潜艇将经常浮潜以充电。只有在作战部署时才会使用AIP来增加其水下续航力。这是因为AIP中使用的大多数燃料、氧化剂和其他消耗品非常昂贵，每月对它们进行补充是不经济的。
由于在电池领域的广泛研究，它的容量和可靠性正在不断增加。本文提到的各种AIP技术也将日益成熟和发展。这两项技术相结合，将使未来的AIP常规潜艇能够在水下停留数月，并使其成为“伪核潜艇”。这项技术前景光明，我们将看到更多的现代海军将其用于柴电潜艇。
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