潜艇为什么喜欢斯特林发动机?中国实现斯特林发动机赶超意义非凡

2021年底,中国自行研发的斯特林发动机基础样机试验成功,一举成为世界上功率最高的斯特林发动机。有人专门比较了日本潜艇用的斯特林发动机,中国一台顶日本的四台。这个斯特林发动机到底有多强呢?有什么用呢?我是东城观星,应粉丝要求,跟大家聊聊斯特林发动机。

军迷朋友们恐怕都听说过,中国的很多潜艇,尤其是常规动力潜艇噪音还是偏大的,容易被发现。如果能把斯特林发动机应用到常规动力潜艇上,将会明显降低潜艇的工作噪音,让潜艇可以更安静地在水下潜行。同时斯特林发动机还可以支持潜艇长时间水下潜行,无需露出水面换气。因此世界很多国家都很重视斯特林发动机在潜艇中的应用。

斯特林发动机的原理,很多人都介绍过了,咱们再啰嗦两句。简单点说,就是一台内循环的外燃机。大家都听说过瓦特,他通过观察茶壶烧开水发明了蒸汽机。蒸汽机说白了就是利用气体膨胀做功的机器,需要从外面加热,所以叫外燃机。相对来说我们的汽车,汽油是在气缸内燃烧,用燃烧的热气推动活塞,也叫内燃机。

传统外燃机利用气体膨胀做功,但气体不能一直膨胀下去,因为越到后面力气越小,一直膨胀的意义并不大,所以会跟我们汽车用的内燃机一样,膨胀一次排泄一次废气。

斯特林发动机,也是外燃机,也是通过气体膨胀做功,但是膨胀完了以后,不会把废气排出去,而是送到另外一个气缸进行冷却压缩,冷却后的气体再送回来重新加热膨胀。如此循环往复,带动活塞对外做功。一般来说,加热气缸和冷却气缸温度差异越大,发动机效率越高。受材料和环境的影响,这类发动机和内燃机一样效率不会特别高,一般也就30%左右,好一些的能到40%以上。严格来说,达到40%的效率,已经超过绝大多数内燃机了。所以我们认为斯特林发动机比内燃机效率更高。

我给斯特林发动机打个比方,就跟咱们很多打工人的生活差不多。先在单位努力工作,挣到工资,然后冲进消费场所,把挣到的钱花掉,然后再回到单位工作挣钱,如此循环往复。

斯特林发动机相对于柴油发动机来说,工作效率高、工作噪音低、对燃料的要求低、维护更简单。看起来,简直是柴油发动机的完美替代者。但是,实际上,斯特林发动机早在1816年就已经发明出来了,200多年过去,不仅没有成为主流发动机,反而被严重边缘化了,可以想象这种发动机的缺点也是不少的。不过,风水轮流转,随着人类工艺水平的不断提高,理论研究的不断加深,新型的斯特林发动机已经成为很多领域的重要选项。尤其是常规动力的潜艇,世界各国都在积极研发应用斯特林发动机。

常规动力潜艇,是相对于核动力潜艇来说的。不使用核燃料的潜艇,基本上都是用化学能的潜艇。比如烧柴油的潜艇,利用柴油机驱动螺旋桨,或者利用柴油机发电然后再利用电能驱动螺旋桨。但是对于潜艇来说,柴油发动机有一个非常大的问题需要解决,那就是柴油燃烧需要空气,潜艇是个密闭空间自己携带的空气量有限。要么需要定期露出水面换气,要么就安装通气管伸出水面换气。由于需要依赖空气,潜艇就不能安心在水底下待着,安全性会受到影响。

为了摆脱这个缺点,人类发明了AIP潜艇,听好了可不是VIP,所谓AIP就是不依赖空气的动力装置。也就是,这类潜艇不再需要频繁换气,可以像核潜艇一样长时间在水底下工作。很多人也知道,斯特林发动机就是AIP潜艇专用的。但很多人恐怕不知道,其实柴油发动机也可以用到AIP潜艇上,蒸汽轮机可以,燃料电池也可以,甚至核动力也应该算作是AIP,AIP并不是斯特林专属的。

甚至还有一点,是大家容易忽略的。那就是普通斯特林发动机,也是依赖空气的。普通斯特林发动机,也需要化学能来加热,一般都是通过燃烧来加热,既然需要燃烧,那绝大多数燃料都是需要空气中的氧气的,也就是需要空气的。理论上真正不需要氧气的斯特林发动机还没有用到潜艇上呢。

AIP潜艇上的斯特林发动机之所以不依赖空气,并不是发明了什么新的化学反应,只是因为潜艇跟火箭一样自己携带了液态氧气。既然能携带液态氧气,那斯特林发动机可以工作,蒸汽轮机也可以工作,甚至柴油机经过改造也能工作,大家都一样在潜艇里采用闭式循环技术。只不过同样使用闭式循环技术的情况下,斯特林发动机的优势更大。

按说,蒸汽轮机也可以通过外部加热的方式工作,跟斯特林发动机差不多。但是,蒸汽轮机加热的是液态水,水变成蒸汽喷出带动涡轮旋转做功,现在的蒸汽轮机可比斯特林发动机功率高多了。但是在潜艇里也有缺点,因为蒸汽不能直接排掉,需要冷凝成水再循环回去加热。这样就大大增加了系统的复杂程度。同时,水本身的比热容就比较高,还要蒸发成水蒸气,要求必须有足够大的受热面积才行,否则产生的水蒸气量不足,根本无法推动涡轮旋转。这样的话,系统就会比较复杂。

跟蒸汽轮机一比,斯特林发动机的优势就来了。斯特林发动机内部使用的是高压气体,不是水。气体只要受热就会膨胀,水必须先变成蒸汽才能大幅度膨胀,显然斯特林发动机对加热的要求比使用水的蒸汽轮机小很多。

斯特林发动机虽然比柴油发动机成本高、体积大,技术成熟度也远远比不上。但是一旦柴油发动机搞成了闭式循环,光尾气处理系统就会非常复杂,它的尾气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,柴油发动机的噪音实在是难以消除,斯特林发动机的噪音在这几种热机里面是最小的,这一点对于潜艇来说是非常重要的。

斯特林发动机的最大缺点,就是功率比较低。大家都听说了日本的常规潜艇使用四台斯特林发动机才达到300多千瓦,只能让潜艇以四五节的速度缓慢前行。长时间水下保持静默没有问题,一旦有紧急任务,就只能靠电池里储存的那点电量来加速了。电量耗尽就必须露出水面通过柴油发动机发电储能,这不算是理想的AIP潜艇。

在这样的背景下,大功率的斯特林发动机就显得尤其重要了。中国刚研发的斯特林发动机一台就有320千瓦,可以让2000吨级的潜艇实现8节左右的经济航速。四台就是一千二百多千瓦,理论上就可以让2000吨级的潜艇实现12节以上的航速了,配合大功率电池组,还可以实现20节以上的最大航速。这样和传统潜艇相比才有一定的竞争优势,所以说这个发动机是一个里程碑性质的发动机,大家都夸他是有道理的。

更理想的斯特林发动机应该是800千瓦以上的功率,或者说是兆瓦级别的功率。四台一起工作可以实现20节左右的续航速度。如果再配合大功率蓄电池,还可以实现更强的机动性。那时候斯特林发动机将成为潜艇主动力,而不是现在的辅助动力。返回搜狐,查看更多

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