中国潜艇发动机取得重大突破!敢卖给巴铁AIP技术果然有底气

2021年年底,中国又传喜讯。《中国船舶报》日前发布消息,我国首台大缸径斯特林发动机基础样机研制成功!报道介绍称,近日,国内首台大缸径斯特林发动机基础样机在中国船舶集团有限公司旗下711研究所顺利完成性能试验。该样机额定功率达320千瓦,热功转换效率达40%,是目前国际上已知斯特林发动机的最高水平。这个好消息验证了我们此前的猜想:我国能够把先进的AIP技术转让给巴基斯坦,这其实已经意味着我们有了更先进的技术。

首先科普一下:斯特林发动机是一种独特的外燃发动机,和我们以往常见的“内燃机”有本质区别。斯特林发动机是英国物理学家罗巴特·斯特林于1816年发明的,其工作原理是:给气缸的一端加热,这样气缸内的工作介质(氢气或氦气)经过吸热、膨胀进而推动活塞向前运动,而活塞运动到最大行程时,气缸内的工作介质冷却、压缩,又拉动活塞做反向运动,通过介质不断膨胀收缩,推动活塞循环往复地运动来输出动力,因此又被称为“热气机”。

(斯特林发动机的基本原理:从外部加热气缸中的气体,通过气体的热胀冷缩推动活塞来做功)

斯特林发动机的特点是,其加热端在气缸以外,所以叫“外燃机”。而且和蒸汽机相比,斯特林发动机就不需要“烧开水”,因此重量体积都要比蒸汽机小很多,还不存在液体腐蚀问题。在同等输出功率上时,斯特林发动机的性能介于蒸汽机和内燃机之间。而且由于斯特林发动机是外燃机,因此对燃料适应性很强,无论是液体、气体甚至固体燃料都可以使用,以往网友戏称的烧劈柴战舰,如果使用斯特林发动机,也是完全可能实现的。

(中国目前是少数的成熟掌握斯特林发动机技术,并且能够对外出口的国家之一)

正是由于有这些独特的优势,所以斯特林发动机在AIP型潜艇上得到了广泛的应用!所谓AIP潜艇的AIP就是“不依赖空气推进系统”的意思,AIP型潜艇虽然是常规潜艇,但是却可以连续在水下潜伏十几二十天,虽然没办法跟核潜艇比,但是和传统柴电潜艇一天一次的上浮充电相比,已经有了极大的性能提升。潜艇AIP系统虽然分很多种,但使用最多的就是斯特林发动机,就是在潜艇上装上这样一套斯特林发动机,同时再装上两个罐子,一个装液氢,一个装液氧。这样在水下使用液氢液氧混合点燃后提供热能,就可以驱动斯特林发动机持续工作。而且最重要的是液氢和液氧燃烧的产物是水,还可以进入潜艇的循环系统进行再利用。在无法选择核潜艇的情况下,AIP潜艇显然有着无以伦比的战术优势,因此AIP潜艇得到了世界各国的青睐。

以往斯特林发动机的功率相对较小,其中AIP潜艇上的专用斯特林发动机功率通常只有50~75千瓦,最大的也不过125千瓦,但是本次我国研制成功的大功率斯特林发动机,样机的功率就可达320千瓦,并且未来有望把功率提升到兆瓦级别,而一兆瓦就是1000千瓦,如果有这种级别的斯特林发动机,只需要2~3台并联,就可以提供数千千瓦的动力,那么潜艇就可以完全放弃柴油机,直接使用斯特林发动机+蓄电池的组合,这意味着潜艇可以节省下数百吨的重量,并腾出十几米长的舱段用力安装更大型的液氢和液氧罐,这样,即便使用斯特林发动机,常规潜艇也可以具备15~20节的最大水下航速,而在通气管航行状态下,斯特林发动机可以直接从空气中吸取氧气工作,还可以给蓄电池充电,进而获得更强大的水下续航能力,其作战性能也更接近核潜艇。

(AIP潜艇携带的氧气罐(图中蓝色),AIP潜艇就是依靠携带液氧实现十数天在水下潜伏)

而且值得注意的是,斯特林发动机是外燃机,因此只要对气缸的一端加热即可,但是加热手段不一定非要通过燃烧液氢液氧来实现,这就为斯特林发动机提供了更多的选择。例如,在潜艇上安装小型核反应堆,通过小型核反应堆放热来驱动斯特林发动机工作,和传统的核反应堆+蒸汽轮机的系统比起来,核反应堆+斯特林发动机的组合具有启动快,热效率高,噪音小,无腐蚀和漏水等故障的优势,整套系统简单可靠。而且这种潜艇只需要功率很小的小型核反应堆就可以持续运行,战术性能还要高于一般的AIP潜艇,是未来一个很有希望的发展方向。

其实除了潜艇外,斯特林发动机还有一个重要的用途——太空探索。因为太空是接近真空的,因此以往地球上各种以燃料和氧气为动力的机械都无法正常使用,而现代的核电装置同样需要利用蒸汽轮机来传递能量,也就是“核能→蒸汽→汽轮机→发电机→电能”,中间经历了蒸汽热能、机械动能和电能三种转换,因此效率相对较低,而且核反应堆如果和蒸汽轮机连接的话,不但效率低,还需要大量的水——因为核反应堆有两个回路,一回路需要的是重水,二回路使用的是普通蒸馏水,所以体积大、重量大,而且可靠性不高。而如果使用斯特林发动机,则可以用核反应堆直接加热斯特林发动机,然后提供动能,因此效率更高且体积更小,非常适合未来空间站的能源系统。

2016年时中国和巴基斯坦签署了中国向巴基斯坦出口8艘S-20P型AIP潜艇的合同,外媒猜测合同总价值高达40~50亿美元,是新中国迄今为止最大的单笔武器出口合同。S-20P型潜艇使用的AIP系统正是斯特林发动机,而且在合同中,附带了中国向巴基斯坦转让AIP系统技术的内容,我们之所以能够向巴基斯坦转让AIP技术,其实正好说明了中国在斯特林发动机技术方面已经获得了新的突破,并且一不留神,又赢得了一项“世界第一”!

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