潛艇艙室供氧技術(shù)研究進展

倪　偉，顏　歡，王朋輝，嚴乙銘（北京理工大學 化工與環(huán)境學院，北京 100081）

潛艇艙室供氧技術(shù)研究進展

倪偉，顏歡，王朋輝，嚴乙銘
（北京理工大學 化工與環(huán)境學院，北京 100081）

潛艇在現(xiàn)代海洋戰(zhàn)爭中有著重要的地位，潛艇艙室中氧氣供給直接影響著艇員的戰(zhàn)斗力。本文綜合介紹目前潛艇艙室中成熟的供氧技術(shù)，通過對比不同的供氧技術(shù)原理，分析各種供氧技術(shù)的優(yōu)缺點；并對正在研究的新技術(shù)進行展望，針對發(fā)展新型供氧技術(shù)提出新觀點。

艙室；供氧；技術(shù)現(xiàn)狀

0　引　言

潛艇的水下續(xù)航能力直接影響其隱蔽性，潛艇續(xù)航能力越強，在海洋中游弋時間越長，對敵人的震懾作用越強。

對于潛艇作戰(zhàn)部隊，艙室氧氣濃度直接決定艇員的戰(zhàn)斗力、續(xù)航能力以及潛艇安全，因此受到高度重視。潛艇艙室的氧氣極其有限，艇員自身呼吸需要消耗艙室氧氣。與此同時，常規(guī)動力潛艇運轉(zhuǎn)也需要大量的氧氣，這也使得平衡艙室內(nèi)氧氣的濃度尤為重要。為確保艇員生命安全與正常工作，艙室中需要按生存所需的最佳比例持續(xù)性注入氧氣，并且將艙室內(nèi)的氧氣濃度標準控制在 19% ～ 21% 之間［1］。為維持艙室氧氣濃度，艙室需要有供氧裝置進行供氧，因此，各國科研工作者發(fā)展了一系列先進的潛艇艙室供氧技術(shù)。

1　潛艇供氧原理及分析

隨著科技的發(fā)展，潛艇的供氧技術(shù)日趨完善，超氧化物供氧、堿性電解液電解水及SPE 電解水供氧法是比較常見的方法。按照供氧原理可以將其分為物理法、化學法等多種供氧方法。一般情況下，不同型號潛艇，根據(jù)供氧方法的原理，尋找適合的供氧方式。

1.1通氣管換氣供氧

潛艇通氣管由進氣管和排氣管組成，當潛艇在近海面處，通過露出水面的進氣管進行潛艇艙室的換氣，此時柴油機需要給潛艇充電，排氣管需將發(fā)動機的廢氣排出。為了避免潛艇在下潛時海水灌入艙室，需將浮球放置在進氣管頂部。

采用通氣管換氧，結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)備裝置緊湊，重要的是這種換氣裝置并不會消耗太多的能量。但是，潛艇采用這種方法換氣，需要靠近海面，頻繁上浮，因此增加了潛艇的暴露機率，特別是遇到大風浪天氣，通氣管還要面臨被海浪淹沒的風險。

德國曾在 U 型潛艇上加裝通氣管，并在二戰(zhàn)時大量使用。現(xiàn)在的常規(guī)潛艇依然保留通氣管，常規(guī)潛艇造價低廉，適用于近?；顒?，操作起來靈活，但是通氣管換氣供氧也成為常規(guī)潛艇的致命弱點。因此，如何設(shè)計和使用通氣管也成為潛艇研制人員最關(guān)心的問題之一。

1.2氧氣瓶供氧

氧氣瓶供氧基本思路是將空氣中的氧氣通過低溫高壓壓縮到高壓氣瓶，使用時通過減壓將氣體放出供潛艇人員使用。

潛艇航行在水下，環(huán)境比較復雜，特別是作戰(zhàn)過程中會受到劇烈的沖擊，這也使得高壓鋼瓶存在安全隱患，一旦爆裂將給潛艇帶來更大損害。此外，由于高壓氣瓶的體積限制，潛艇的需氧量增大時，狹小的潛艇艙室只能堆放有限的鋼瓶，這種方法將不適用。不過，對于小型潛艇，這種比較經(jīng)濟的供氧方式可行，其操作過程簡單，在獲取高純氧的過程中不會消耗額外能量，并且不會給艙室空氣帶來二次污染。

氣瓶供氧技術(shù)曾在德國、日本等國早期的常規(guī)潛艇中使用，現(xiàn)在的潛艇也常會攜帶部分氧氣瓶，當潛艇在作戰(zhàn)中供氧系統(tǒng)受損，氧氣瓶可以作為應急供氧向艙室供氣。

1.3液氧供氧

液態(tài)氧是液化后的氧氣。其常壓（101.325 kPa）下密度 1 141 kg/m3，液氧密度大約是常溫常壓下氣氧密度的 1 000 倍，因此同體積的貯罐可以攜帶更多的液氧。

液氧在使用時需經(jīng)過氣化、減壓，最后進行混合，釋放到艙室中供人員呼氣使用［2］。液氧純度較高，對艙室不會產(chǎn)生二次污染，蓄氧量遠大于氣氧，其供氧方式和氣瓶供氧基本一樣，經(jīng)濟可靠并且操作簡單。然而，液氧需要保存在 -183℃ 以下，這也對液氧保溫技術(shù)提出更高的要求。目前的液氧儲罐大多采用雙層真空保溫設(shè)計，但是保溫材料和技術(shù)無法阻止液氧從外界吸熱蒸發(fā)，液氧灌的安全保溫度技術(shù)仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

目前液氧供氧技術(shù)在 AIP（Air Independent Propulsion）潛艇中得到使用，德國、瑞典等國的 AIP 潛艇均采用液氧供氧技術(shù)。實踐表明，將 AIP 系統(tǒng)應用在常規(guī)潛艇后，潛艇的作戰(zhàn)能力得到顯著提升，這得益于 AIP 系統(tǒng)對潛艇續(xù)航能力的提升和對潛艇水下噪聲的控制。

1.4堿金屬超氧化物制氧［3］

采用堿金屬超氧化物制氧屬于化學制氧技術(shù)，目前潛艇中大多采用的堿金屬超氧化物主要是超氧化鈉（Na2O2）和超氧化鉀（K2O2）。超氧化物在熱分解時會釋放氧氣，在水蒸氣存在的條件下也會與 CO2反應生成氧氣。以 Na2O2為例，主要反應如下：

理論而言，超氧化物供氧是非常理想的供氧方式，它不僅可以除去密閉艙室中的二氧化碳，同時還制備出氧氣，非常方便。但這種制氧技術(shù)在潛艇的實際應用中面臨一些問題，在高溫潮濕的海洋環(huán)境中，超氧化物在化學反應中容易發(fā)生膨脹與糊狀現(xiàn)象，從而降低了反應效率。

此外，超氧化物是強氧化性物質(zhì)，遇水后會劇烈反應發(fā)生爆炸，因此存儲要求比較嚴格，使用過程中超氧化物的顆粒揮發(fā)到大氣中，對人的身體造成損傷，還會腐蝕艙室的設(shè)備，造成相當大的安全隱患。

目前，各國都對該項供氧技術(shù)進行研究，該技術(shù)對于小型水下航行器具有較高的應用優(yōu)勢。另外，核潛艇中把超氧化物作為備用供氧裝置，特別是俄羅斯等國，已經(jīng)在多種型號的潛艇中使用超氧化物供氧。

1.5氧燭供氧

氯酸鹽中加入燃料、抑氯劑、助燃劑和粘結(jié)劑，經(jīng)混合后，壓制或者澆鑄形成固體氧燭，使用時將其點燃。固體氧燭受熱會釋放氧氣，將產(chǎn)生的氣體通過氣體凈化裝置后，可以直接供艇員使用。反應方程式如下：

氧燭作為固體氧源使用比較方便，通過加熱可獲得氧氣，并且存儲也比較容易。氧燭的密度與液氧密度相當，因此氧燭的供氧能力是同體積氣體氧的 3倍。氧燭的存儲期比較長，使用過程比較安全，并且可以快速產(chǎn)氧，產(chǎn)生的氧氣量也比較大。但氧燭在燃燒的時候無法控制反應速度，反應過程中迅速釋放的氧會導致艙室氧氣濃度局部波動較大。此外，氧燭在燃燒的時候會產(chǎn)生一些氯化物煙塵和 CO2，CO，Cl2及簡單的有機物等一些雜質(zhì)，這也給艙室的空氣凈化系統(tǒng)帶來負擔，容易造成艙室的環(huán)境二次污染［4］。

氧燭供氧裝置可以應用到核潛艇作為應急供氧設(shè)備，美國、歐洲等國一直致力于開發(fā)與研究氧燭供氧技術(shù)。氧燭供氧在生活生產(chǎn)中也得到廣泛使用，在其他密閉環(huán)境里，如礦井、隧道、高原地帶中用作短期供氧設(shè)備。王雅娟等［5］將氧燭應用于高原缺氧環(huán)境的供氧，并將其應用于士兵臥室的供氧實驗，取得了良好的效果。

1.6堿性電解水供氧

在電解池中，以一定濃度 NaOH 或 KOH 作為電解液，通入電流將水分解為 O2和 H2，陰極發(fā)生還原反應形成 H2，陽極則發(fā)生氧化反應形成 O2?；瘜W反應方程式為：

電解后產(chǎn)生的氣體通過分離器進行洗滌、凈化、冷卻，然后把純化后的 O2輸送到艙室，電解出的 H2收集后排出潛艇。

為防止電解水過程中產(chǎn)生的 H2和 O2混合時發(fā)生爆炸，因此反應過程中對氣體的密封性有很高的要求，要保證 H2不會泄漏到艙室。另外，H2排出到海面的過程也會影響潛艇的隱蔽性。電解液是選用強堿性溶液，具有強腐蝕性，電解制備的氣體必須經(jīng)過多次的洗滌才能使用。電解水制氧消耗大量的電能，并且效率比較低，不過，對于核潛艇可以不用考慮電能問題，目前美國、歐洲等國在核潛艇上使用的多是電解水制氧裝置。

1.7固態(tài)電解質(zhì)電解水供氧

固態(tài)聚合物電解質(zhì)（Solid Polymer Electrolyte）技術(shù)簡稱SPE電解水技術(shù)，其電解原理與堿性水電解原理相似，區(qū)別是用全氟磺酸聚合物膜薄片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的堿性電解液，這種材料在水中可以成為離子的良導體，水合氫離子在電場的作用下可以在薄膜上遷移，最后在電解質(zhì)的兩側(cè)分別涂覆一層陰極和陽極催化材料。H2O 在陽極電解成 O2，H-和 e-，H-在陰極生成 H2。

固體聚合物電解質(zhì)電解水制氧裝置能耗小，成本低，并且在一定電流密度下具有較高的效率。采用全氟磺酸聚合物膜薄片替換了原來的腐蝕性液體，所以更安全可靠，產(chǎn)生的氣體純度更高，電解質(zhì)也能承受更大的壓差［6］。

目前，該制氧技術(shù)已取得很大的進展，不同型號的 SPE 電解水制氧裝置成熟的應用于核潛艇供氧，美國、英國在此方面處于領(lǐng)先地位。

2　新型供氧技術(shù)在潛艇中的應用

新型潛艇供氧技術(shù)與現(xiàn)有的成熟供氧技術(shù)有著很大的不同，新型供氧技術(shù)的目的是更綠色、更環(huán)保、更人性化。但是，新型供氧技術(shù)在發(fā)展過程中也遇到很大的困難，目前仍大多停留在實驗室模型階段，并沒有真正的實際應用。可以預計，從實驗室模型到真正的實際應用還需要大量的工作去做。下面簡單介紹幾種針對潛艇的新型供氧技術(shù)。

2.1聯(lián)用供氧技術(shù)

該技術(shù)的思路是在電解水制氧裝置的基礎(chǔ)上將二氧化碳清除裝置一起聯(lián)用，通過改進電解池結(jié)構(gòu)，新型的電解池在陽極反應產(chǎn)生氧氣，同時，在陰極附近聚集的氫離子與聯(lián)用的二氧化碳清除裝置在催化劑作用下發(fā)生電化學反應，生成小分子有機物。反應方程式如下：

陽極反應：2H2O→4H++ O2↑ + 4e-，

陰極反應：CO2+ 2H++ 2e-→HCOOH，

CO2+ 6H+ +6e-→CH3OH + H2O。

該項技術(shù)由美國開發(fā)，目前已經(jīng)完成了電解池設(shè)計、工藝流程、電極材料和催化劑的研發(fā)。這種聯(lián)用技術(shù)并不是 2 臺裝置簡單的組合，其研究進程的緩慢也透露出這個技術(shù)的復雜性。但該技術(shù)能夠研制成功，將會給潛艇生命的維持系統(tǒng)帶來革命性提高。

2.2藻類光合作用供氧技術(shù)

藻類植物可以在水中通過光合作用，放出氧氣，為水生動物提供一定的氧氣［7］。通過在潛艇內(nèi)養(yǎng)殖藻類植物，利用藻類植物的光合作用吸收艙室的 CO2，并且釋放出 O2，在潛艇內(nèi)建立起一個平衡的供氧系統(tǒng)，供潛艇艙室使用。

目前，該項技術(shù)已經(jīng)在國外海軍機構(gòu)進行了研究，英國、美國等通過探索性試驗，確定了該項技術(shù)的可行性，但是并未有實際應用的報道。在實際應用中，養(yǎng)殖藻類植物需要較大的船艙空間，并且藻類植物的產(chǎn)氧量不可控制，容易對人員的生命造成潛在威脅。

2.3人工腮技術(shù)

人工腮［8］的基本原理是利用分離膜技術(shù)，阻止水分子的透過，選擇性地透過并收集海水中的氧氣。當艙室氧分壓小于海水中的溶解氧的氧分壓，海水中的溶解氧就會透過分離膜進入艙室。

人工腮用于常規(guī)潛艇將會優(yōu)化潛艇的供氧系統(tǒng)，延長潛航能力，不需要頻繁的上浮，從而提高潛艇的隱蔽性和戰(zhàn)斗力，并且減輕潛艇負荷，給潛艇節(jié)省寶貴的空間。

美、日、英、德等國在軍方的支持下已經(jīng)研制出小型的人工腮雛形。該技術(shù)現(xiàn)在的主要問題是分離膜的性能有限，要達到所需供氧量就需要增加分離膜的用量，從而也增大了人工鰓的體積和能耗。人工鰓技術(shù)雖然尚未成熟，但是由于其明顯的優(yōu)勢，有可能會成為將來潛艇供氧的最佳方式。

3　潛艇供氧新技術(shù)展望

目前，各國致力于延長潛艇的連續(xù)潛航時間，這對潛艇艙室中的供氧系統(tǒng)和供氧技術(shù)提出了更高的要求，潛艇中供氧系統(tǒng)的好壞和供氧技術(shù)的先進性直接影響艇員的戰(zhàn)斗力。

表1通過對比不同供氧方式的優(yōu)缺點可以發(fā)現(xiàn)，對于小型常規(guī)潛艇，氣瓶供氧、超氧化物供氧、氧燭等技術(shù)完全可以滿足艙室的氧氣供給。但是，對于有作戰(zhàn)任務的常規(guī)潛艇，為了滿足其海下潛航時間，這些方法無法安全滿足需求，而新型 AIP 的出現(xiàn)，給常規(guī)潛艇提供了一個很好的方向。

堿性電解質(zhì)電解水制氧技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了半個多世紀，是相對成熟的供氧技術(shù)。但是，堿性電解質(zhì)電解水的能耗較高，一般常規(guī)潛艇難以承受。目前這種成熟的制氧技術(shù)主要應用在核潛艇上，也是各國海軍核潛艇的主要供氧設(shè)備。近年來，隨著技術(shù)的進步，SPE 電解水制氧技術(shù)的優(yōu)點逐漸凸顯，并且有逐步取代堿性電解質(zhì)電解水技術(shù)的趨勢，有希望成為核潛艇供氧技術(shù)的主要發(fā)展方向。

隨著科技的發(fā)展，一些新型供氧方式也逐漸出現(xiàn)，如光合植物供氧、人工鰓等先進技術(shù)和概念。這些新方法、新技術(shù)也正反復在實驗室實驗、驗證，雖然這些技術(shù)離實際應用還有一段距離，但其新穎性、以及巨大的優(yōu)勢和潛在的應用價值，值得科研工作者投入更多的精力研究。

表1　常用供氧技術(shù)優(yōu)缺點對比Tab. 1　The advantages and disadvantages of oxygen supplying technologies

4　結(jié)　語

先進的艙室供氧技術(shù)對發(fā)揮潛艇的戰(zhàn)斗力的重要性是不言而喻的，各國海軍對于發(fā)展?jié)撏Ч┭踉O(shè)備和技術(shù)均已投入大量的資金和人力。伴隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭重心從陸地向海洋轉(zhuǎn)移，未來戰(zhàn)爭對潛艇的性能要求也會越來越高。為進一步滿足潛艇的需求，最大程度發(fā)揮潛艇的作戰(zhàn)能力，應從理論和實驗結(jié)合的角度，深入研究潛艇艙室供氧新技術(shù)、新方法和新理論，開展更多的基礎(chǔ)和應用研究，探索更新、更好、效率更高的潛艇艙室供氧技術(shù)，從而進一步增強其威懾力，提高潛艇在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作戰(zhàn)價值。

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Oxygen supplying technologies in submarine cabin ： A review

NI Wei， YAN Huan， WANG Peng-hui， YAN Yi-ming
（School of Chemical Engineering and Environment， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Submarine plays an important role in modern war. However， oxygen supply technologies determine the battle effectiveness of the submarine by directly affecting the crew's life conditions. This paper summarizes and highlights the state-of-the-art progress of oxygen supplying technologies used in submarine cabin. The well-developed oxygen supplying technologies， which are currently adopted in submarine， have been introduced and described according to their working principles， advantages， and disadvantages. Finally， we give the opinions of developing novel and advanced oxygen supplying technologies for meeting the demand of modern submarine.

cabin；oxygen supplying；technology status

O674.76

A

1672-7619（2016）05-0138-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.029

2015-09-08；

2015-09-29

國家自然科學基金資助項目（21175012）；科技部國際合作資助項目（2012DFR40240）

倪偉（1990-），男，碩士研究生，研究方向為小分子燃料電池。