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潛艇為什麼喜歡斯特林發動機?中國實現斯特林發動機趕超意義非凡
2022/09/13
2022/09/13

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2021年底,中國自行研發的斯特林發動機基礎樣機試驗成功,一舉成為世界上功率最高的斯特林發動機。有人專門比較了日本潛艇用的斯特林發動機,中國一台頂日本的四台。這個斯特林發動機到底有多強呢?有什麼用呢?我是東城觀星,應粉絲要求,跟大家聊聊斯特林發動機。

軍迷朋友們恐怕都聽說過,中國的很多潛艇,尤其是常規動力潛艇噪音還是偏大的,容易被發現。如果能把斯特林發動機應用到常規動力潛艇上,將會明顯降低潛艇的工作噪音,讓潛艇可以更安靜地在水下潛行。同時斯特林發動機還可以支持潛艇長時間水下潛行,無需露出水面換氣。因此世界很多國家都很重視斯特林發動機在潛艇中的應用。

一、斯特林發動機簡單原理

斯特林發動機的原理,很多人都介紹過了,咱們再啰嗦兩句。簡單點說,就是一台內循環的外燃機。大家都聽說過瓦特,他通過觀察茶壺燒開水發明了蒸汽機。蒸汽機說白了就是利用氣體膨脹做功的機器,需要從外面加熱,所以叫外燃機。相對來說我們的汽車,汽油是在氣缸內燃燒,用燃燒的熱氣推動活塞,也叫內燃機。

傳統外燃機利用氣體膨脹做功,但氣體不能一直膨脹下去,因為越到后面力氣越小,一直膨脹的意義并不大,所以會跟我們汽車用的內燃機一樣,膨脹一次排泄一次廢氣。

斯特林發動機,也是外燃機,也是通過氣體膨脹做功,但是膨脹完了以后,不會把廢氣排出去,而是送到另外一個氣缸進行冷卻壓縮,冷卻后的氣體再送回來重新加熱膨脹。如此循環往復,帶動活塞對外做功。一般來說,加熱氣缸和冷卻氣缸溫度差異越大,發動機效率越高。受材料和環境的影響,這類發動機和內燃機一樣效率不會特別高,一般也就30%左右,好一些的能到40%以上。嚴格來說,達到40%的效率,已經超過絕大多數內燃機了。所以我們認為斯特林發動機比內燃機效率更高。

我給斯特林發動機打個比方,就跟咱們很多打工人的生活差不多。先在單位努力工作,掙到工資,然后沖進消費場所,把掙到的錢花掉,然后再回到單位工作掙錢,如此循環往復。

二、常規動力潛艇的苦惱

斯特林發動機相對于柴油發動機來說,工作效率高、工作噪音低、對燃料的要求低、維護更簡單。看起來,簡直是柴油發動機的完美替代者。但是,實際上,斯特林發動機早在1816年就已經發明出來了,200多年過去,不僅沒有成為主流發動機,反而被嚴重邊緣化了,可以想象這種發動機的缺點也是不少的。不過,風水輪流轉,隨著人類工藝水平的不斷提高,理論研究的不斷加深,新型的斯特林發動機已經成為很多領域的重要選項。尤其是常規動力的潛艇,世界各國都在積極研發應用斯特林發動機。

常規動力潛艇,是相對于核動力潛艇來說的。不使用核燃料的潛艇,基本上都是用化學能的潛艇。比如燒柴油的潛艇,利用柴油機驅動螺旋槳,或者利用柴油機發電然后再利用電能驅動螺旋槳。但是對于潛艇來說,柴油發動機有一個非常大的問題需要解決,那就是柴油燃燒需要空氣,潛艇是個密閉空間自己攜帶的空氣量有限。要麼需要定期露出水面換氣,要麼就安裝通氣管伸出水面換氣。由于需要依賴空氣,潛艇就不能安心在水底下待著,安全性會受到影響。

為了擺脫這個缺點,人類發明了AIP潛艇,聽好了可不是VIP,所謂AIP就是不依賴空氣的動力裝置。也就是,這類潛艇不再需要頻繁換氣,可以像核潛艇一樣長時間在水底下工作。很多人也知道,斯特林發動機就是AIP潛艇專用的。但很多人恐怕不知道,其實柴油發動機也可以用到AIP潛艇上,蒸汽輪機可以,燃料電池也可以,甚至核動力也應該算作是AIP,AIP并不是斯特林專屬的。

甚至還有一點,是大家容易忽略的。那就是普通斯特林發動機,也是依賴空氣的。普通斯特林發動機,也需要化學能來加熱,一般都是通過燃燒來加熱,既然需要燃燒,那絕大多數燃料都是需要空氣中的氧氣的,也就是需要空氣的。理論上真正不需要氧氣的斯特林發動機還沒有用到潛艇上呢。

三、斯特林發動機并非不可替代

AIP潛艇上的斯特林發動機之所以不依賴空氣,并不是發明了什麼新的化學反應,只是因為潛艇跟火箭一樣自己攜帶了液態氧氣。既然能攜帶液態氧氣,那斯特林發動機可以工作,蒸汽輪機也可以工作,甚至柴油機經過改造也能工作,大家都一樣在潛艇里采用閉式循環技術。只不過同樣使用閉式循環技術的情況下,斯特林發動機的優勢更大。

按說,蒸汽輪機也可以通過外部加熱的方式工作,跟斯特林發動機差不多。但是,蒸汽輪機加熱的是液態水,水變成蒸汽噴出帶動渦輪旋轉做功,現在的蒸汽輪機可比斯特林發動機功率高多了。但是在潛艇里也有缺點,因為蒸汽不能直接排掉,需要冷凝成水再循環回去加熱。這樣就大大增加了系統的復雜程度。同時,水本身的比熱容就比較高,還要蒸發成水蒸氣,要求必須有足夠大的受熱面積才行,否則產生的水蒸氣量不足,根本無法推動渦輪旋轉。這樣的話,系統就會比較復雜。

跟蒸汽輪機一比,斯特林發動機的優勢就來了。斯特林發動機內部使用的是高壓氣體,不是水。氣體只要受熱就會膨脹,水必須先變成蒸汽才能大幅度膨脹,顯然斯特林發動機對加熱的要求比使用水的蒸汽輪機小很多。

斯特林發動機雖然比柴油發動機成本高、體積大,技術成熟度也遠遠比不上。但是一旦柴油發動機搞成了閉式循環,光尾氣處理系統就會非常復雜,它的尾氣不能被海水完全吸收,需要回收利用一部分。更值得一提的是,柴油發動機的噪音實在是難以消除,斯特林發動機的噪音在這幾種熱機里面是最小的,這一點對于潛艇來說是非常重要的。

四、大功率斯特林發動機

斯特林發動機的最大缺點,就是功率比較低。大家都聽說了日本的常規潛艇使用四台斯特林發動機才達到300多千瓦,只能讓潛艇以四五節的速度緩慢前行。長時間水下保持靜默沒有問題,一旦有緊急任務,就只能靠電池里儲存的那點電量來加速了。電量耗盡就必須露出水面通過柴油發動機發電儲能,這不算是理想的AIP潛艇。

在這樣的背景下,大功率的斯特林發動機就顯得尤其重要了。中國剛研發的斯特林發動機一台就有320千瓦,可以讓2000噸級的潛艇實現8節左右的經濟航速。四台就是一千二百多千瓦,理論上就可以讓2000噸級的潛艇實現12節以上的航速了,配合大功率電池組,還可以實現20節以上的最大航速。這樣和傳統潛艇相比才有一定的競爭優勢,所以說這個發動機是一個里程碑性質的發動機,大家都夸他是有道理的。

更理想的斯特林發動機應該是800千瓦以上的功率,或者說是兆瓦級別的功率。四台一起工作可以實現20節左右的續航速度。如果再配合大功率蓄電池,還可以實現更強的機動性。那時候斯特林發動機將成為潛艇主動力,而不是現在的輔助動力。

五、題外話

當然,大家也不要把斯特林發動機想象成無可替代的。且不說核動力潛艇的巨大優勢,就算是燃料電池AIP潛艇,從性能上也是可以領先斯特林潛艇的。燃料電池效率更高,而且電池本身沒有噪音,比斯特林的低噪音更低。目前主要是成本高、氫氣儲存比較困難,限制了它的發展。未來一旦在這方面實現突破,燃料電池AIP潛艇很可能掩蓋住斯特林潛艇的光環。

同時也要說一句,大家千萬不要以為中國的斯特林發動機舉世無雙,從技術成熟度上來說,還是瑞典更強一些,畢竟人家是最早商業化的,很多國家的潛艇都跟人家買斯特林發動機,包括我們前面提到的日本潛艇,使用的就是瑞典公司的產品。從功率上來說,不止中國在研發大功率斯特林發動機,世界上很多國家都在研發,500千瓦、800千瓦的研究項目還是挺多的,甚至已經有公司在動手研發單台2100千瓦的斯特林發動機了,大家也就是前后腳的事情,不存在遙遙領先一說。

雖然沒有一味夸獎斯特林發動機,但是中國突破320噸級斯特林發動機的價值還是很高的,大家可以討論一下中國潛艇下一步的發展方向,320噸級斯特林發動機什麼時候能用到潛艇上呢?

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