更新时间：2024-09-21 13:10
AIP（Air Independent Propulsion），是一种不依赖空气的潜艇动力推进技术英文简称。这种技术主要分为闭式循环柴油发动机、闭式循环蒸汽轮机、斯特林循环热机、氢氧燃料电池等类型，不同类型的AIP技术在工作原理上有所区别，但都在有效的弥补了传统潜艇隐蔽性差，不能在水下长时间航行的致命缺陷。
20世纪30年代初期，德国工程师赫尔姆特·沃尔特博士提出了一种基于使用高纯度过氧化氢作为氧化剂的新型潜艇推进装置，这是AIP技术最早的雏形。苏联也在1935年针对AIP技术进行了一些设计，但因为技术尚未成熟，仅作为一种试验课题被提出。第二次世界大战后，英国和美国从被击沉的XVIIB型潜艇中拿到了瓦尔特涡轮机，以此为基础继续开展AIP技术的研究，并成功研制出了HMS Explorer、X-1等新型潜艇，苏联也基于德国 Kreislauf 系统在1956年造就了苏联魁北克省级AIP潜艇，但受制于安全性问题以及核潜艇的发展，这些潜艇都很快退役。20世纪80年代开始，西方常规潜艇技术先进的国家，如德国、英国、瑞典、俄罗斯、法国等国家将目光重新聚焦到AIP技术上来，包括瑞典"哥特兰"级潜艇，德国212A、214级潜艇，法国"阿哥斯塔90B"潜艇等，形成了世界常规潜艇AIP系统“百花齐放”的局面。
AIP技术潜艇其新颖的作战范式，可以对习惯于面对核动力潜艇或传统柴油潜艇潜的敌人构成特殊威胁。在未来的海上军事作战中，AIP在作为常规潜艇水下性能的低速、长航时的主要辅助手段具有极高的价值。
早在一战之前，潜艇已经开始使用柴油机配合电动机作为动力来源。柴油机负责潜艇在水面上航行，以及给电瓶充电。而在水面下，潜艇需要使用预先储备在电瓶中的电力航行。但是由于电瓶储存的电力必须提供全艇设备使用，即使潜艇低速航行，也只能维持很短的时间，之后必须浮上水面充电。所以与核潜艇相比，虽然常规潜艇的造价低，但却有一个致命的弱点：不能在水下长时间航行，即在通气管状态下使用柴油机为蓄电池充电。而随着科学技术的进步，特别是反潜探测技术的发展，常规潜艇的这种通气管航行状态也变成了高暴露状态，这样一来常规潜艇及易受到反潜力量的攻击，潜艇的隐蔽性能因此而大大降低。如果上浮水面时被敌方发现围追堵截，要么浮出水面投降，要么就因为无法移动而被护卫舰、飞机炸沉。
第二次世界大战前后，德国与苏联就曾涉足AIP动力装置的研究。
在20世纪30年代初期，德国工程师赫尔姆特·沃尔特博士提出了一种基于使用高纯度过氧化氢作为氧化剂的新型潜艇推进装置。在沃尔特的系统中，使用高锰酸盐催化剂分解来自机载供应的过氧化氢，产生高温蒸汽和游离氧。向反应室注入柴油，柴油与氧气一起燃烧，产生蒸汽和热气体的混合物驱动高速涡轮机，然后将废气和冷凝蒸汽被排出船外。但沃尔特的主要设计目标是高水下速度，而不是长续航能力。事实上，他的第一艘潜艇原型——实验性的V80，在1940年的试验中速度达到了28.1节，当时传统潜艇的航速被限制在10节或更低。
在第二次世界大战期间，德国海军受到了盟军反潜力量的沉重打击。后期德国海军便试图将沃尔特的原型机扩大到有用的作战规模。但这种不依赖空气的主动力源若要保持潜艇足够的续航力，需要携带大量的过氧化氢，不但在潜艇有限的空间内难以实现，而且由于过氧化氢容易发生爆炸，对潜艇和人员产生严重威胁。因此，这种不依赖空气的主动力系统在潜艇上的应用现实性差。同时由于德国研制出了通气管装置，使潜艇柴油机可以在通气管状态长期运行，在当时极大地提高了常规潜艇的隐蔽性和作战能力。因此，德国只完成了七艘新型潜艇，在最终战败之前没有一艘参加战斗。这些XVII型潜艇排水量为300吨，由两台2500马力的涡轮机提供动力，此外还有一台传统的柴油发电机，建造更大的沃尔特设计远洋潜艇计划由于战争的失败而结束，不依颜空气的推进技术也没有得到进一步发展。不过，原先计划中的XVIII型被改装成非常成功的XXI型“电动船”，提供了17节的水下速度，能维持90分钟。这项创新以及通气管的采用，强烈影响了常规潜艇的战后设计。
1935年，苏联第18中央设计局提出，在潜艇上使用AIP系统，并在M-92号潜艇上试验，取得了大量的试验数据。不过，那时该项技术尚未成熟，设计师将不依赖空气技术仅仅作为一种试验课题提出。
第二次世界大战结束后，一些国家尝试继续推进沃尔特博士的这项革命性研究。
英国在战后获得了被击沉的XVIIB型U-1407潜艇，英国将其拿来继续用作实验。瓦尔特本人和他的几位主要员工也被带到英国，在那里与维克斯公司合作了几年，设计出了更先进的过氧化氢系统，并在50年代研制出了两艘新型高速潜艇HMS Explorer 和 HMS Excalibur，其设计深受沃尔特战时XXVI型潜艇的影响。虽然这两艘船都实现了高水下速度的既定设计目标，但它们的高浓度过氧化氢燃料依然存在严重的安全隐患，后来都在60年代退役。
美国在战后从XVIIB型U-1406潜艇中抢救出了一台2500马力的瓦尔特涡轮机，便将其安装在马里兰州安纳波利斯的海军工程实验站，计划用于XXVI型的7500马力发动机试验中。之后，美国海军也资助了几种替代潜艇AIP方法的研究，包括沃尔特循环和克雷斯劳夫系统的变体。1955年9月，美国海军第一艘小型潜艇 X-1（SSX-1）在长岛下水，X-1主要受到第二次世界大战中英国“X-craft”的启发，由 AIP 技术研制出经过大量改装的闭式循环过氧化氢柴油发动机，再配备小型电池供电的电动机作为备用，用于浅水特别行动队行动，X-1 的排水量为 36 吨，可以潜行在约 50 英尺长的水中。在水下运作时，燃烧所需的氧气来自反应室中过氧化氢的催化分解，而发动机的废气和冷凝水都被压缩并排放到船外。四百加仑的过氧化物可以储存在一个灵活的聚氯乙稀袋中，潜艇可以容纳四名船员。在经历了几次发动机故障和设计修改后，X-1终于在1957年2月正式投入使用，并在朴茨茅斯海军江南造船进行了一系列实操试验。遗憾的是，在1957年5月，过氧化氢储存系统发生爆炸，整个船首部分都被炸毁，虽然没有人受伤，但X-1的闭式循环设计被彻底替换。三年后X-1重新启用，直到 1973 年退役，期间一直在切萨皮克湾被用于各种研究试验。
战后的苏联也重新开始过氧化氢燃料的试验，苏联建造出了一个单一的沃尔特循环潜艇，这艘潜艇被西方称为“鲸目”。此外，苏联将针对 AIP 技术研究更多的精力集中在了基于德国 Kreislauf 系统和他们自己在战前研究的闭式循环柴油机上。这些研究在1956年造就了 650 吨的苏联魁北克省级潜艇的诞生，魁北克级潜艇使用储存的液态氧来维持柴油发动机在三个轴上的闭循环运行，苏联在1953年至1957年间建造了多达30艘。但由于过氧化氢转化为氧气时的极端不稳定性，它们的安全性依然无法得到保障，甚至被潜艇船员自称为“打火机”，苏联只能放弃这一试验转而开始了自己的核动力研究，该系列潜艇后来在70年代初期退役。
但是，过氧化氢推进系统后来仍运用在苏联和英国的鱼雷上。最终，这种燃料的不稳定性造成了灾难。2000年8月12日，俄罗斯联邦武装力量库尔斯克号核潜艇，就是由于训练用鱼雷内部的过氧化氢泄露，瞬间爆炸引发大火，高温又导致七枚装有真正弹头的鱼雷发生大爆炸，从而酿成历史上最大的核潜艇沉没灾难，艇上118名官兵全部罹难。
20世纪80年代开始，西方常规潜艇技术先进的国家，如德国、英国、瑞典、俄罗斯、法国等国家将目光重新聚焦到不依赖空气的推进系统(即AIP系统)上来，其使用观念也发生了改变，将AIP系统作为常规潜艇水下低速航行的辅助动力，而不是是作为主动力，因而AIP系统携带的氧化剂大为减少，在常规潜艇上的应用成为现实。由于各个国家的潜艇活动区域不同，技术水平、拥有的产品专利各异，以及对常规潜艇的作战任务需求也不一样，因此形成了世界上常规潜艇AIP系统百花齐放的局面。其中瑞典首开斯特林AIP(SE/AIP，Stirling EngineAIP)系统应用于常规潜艇的先河，从1985年到1988年在一个独立的耐压舱段内进行了一系列实验后，又在"耐肯"级潜艇上进行了大量海试，积累了充分的经验后，正式装备"哥特兰"级潜艇；德国从上世纪开始在燃料电池AIP(FC/AIP，Fuel Cell)系统和闭式循环柴油机AIP(CCD/AIP，Closed CyeleDieselAIP)系统的研究和试验中进行了大量工作，并已装艇试验，其中FC/AIP系统统已装备于212A、214级潜艇；法国在闭式循环汽轮机AIP系统(CCT/AIP，ClosedCycleTurbineAIP，法国称为MESMA)上独树一帜，已装备于"阿哥斯塔90B"潜艇；荷兰已将CCD/AIP装备于"海鳝"级潜艇试用。
现阶段，AIP技术主要有四种分类发展：闭式循环柴油发动机、闭式循环蒸汽轮机、斯特林循环热机、氢氧燃料电池。
在苏联之后，其他国家也投入了闭式循环柴油发动机的研究。1993年，德国在退役的205级潜艇U-1号上，成功试验了250千瓦的闭式循环柴油机系统，并将眼光投向大量出口国外的209型潜艇的改装上。具体做法是，拟用一个附加耐压舱段来安装AIP系统，以插入方式加到209型潜艇中，这样可使潜艇水下最高航速不变，水下续航时间增加四至五倍，水下4.5节航速时，可连续航行386小时，续航力接近1800海里（约3334公里）。荷兰和意大利也先后成功试验了闭式循环柴油机系统，准备用于对现役潜艇进行改装或用于新建的常规潜艇。
世界上唯一在积极研究蒸汽轮机AIP技术的是法国MESMA系统（Module d'Energie Sous-Marin Autonome）。MESMA系统是法国基于核推进经验的非核衍生产品。虽然MESMA可以提供比其他推进方式更高的输出功率，但其固有效率却是四种主要AIP技术中最低的，并且其耗氧率也更高。巴基斯坦的三艘新型Agosta 90B潜艇也都配备了200千瓦的MESMA系统，可以在4节的速度下将水下工作时间提高三到五倍。
斯特林发动机，是英国物理学家罗伯特·斯特林于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”。1995年2月，世界上第一艘装备斯特林发动机的AIP潜艇“哥特兰”号下水，1996年7月，该艇正式服役于瑞典皇家海军。尽管这仅是一艘水下排水量近1500吨的潜艇，但却标志着常规潜艇一个时代的开始。“哥特兰”艇上装备两台功率各为75千瓦的V4-275R型斯特林发动机。除了供应艇上正常照明、电子设备工作及生活设施所需的75至85千瓦外，剩余能量可用于推进潜艇，潜艇可以大约6节的水下航速，保持连续航行15天。该发动机上的吸收装置可把废气与水充分搅和后排出艇外，不会在周围环境中形成气泡，从而减少尾迹，降低红外辐射。哥特兰级潜艇高度自动化，全艇艇员只有25人，是现今各型AIP潜艇中人员最少的。
德国人利用燃料与氧化剂发生化学反应这一技术原理，开发出了固体氢气储备技术，也就是利用金属氢化物存储氢，同时用液态氧罐存储氧，解决了燃料携带问题。氢燃料电池系统被运用于212型潜艇上。该型AIP潜艇采用了由氢燃料电池和柴电动力组成的混合动力装置。两套系统既可单独工作，也可同时工作。水下最大航速超过八节，可持续航行七天以上。水下的持续最大航程超过1683海里（3117公里），是没有装备AIP系统的209型潜艇的四倍以上。德国、日本在该技术领域的技术水平相当高，特别是日本，非常积极地研发这类电池。
加拿大、法国和苏联针对小核电AIP系统(LLNP/AIP,Low Lever Nuclear Pant AIP，加拿大称为AMPS)进行了深入研究，其中加拿大研制出了AMIPS400和AMPS1000两型小核电AIP系统。
闭式循环柴油机就是给潜艇装上“氧气瓶”，潜航时用它给柴油机供气。
闭式循环柴油发动机（CCD） 通常包含一个标准柴油发动机，可以在水面或浮潜时以常规模式运行。在水下工作时，则通过由储存氧气、惰性气体（通常是氩）和回收的废气产物合成的人工气氛上。发动机废气（主要包括二氧化碳、氮气和水蒸气）被冷却、洗涤并分离成其成分，氩气再循环回进气歧管。剩余的废气与海水混合并排放到船外。一般所需的氧气以液态形式储存在低温罐中。
闭式循环蒸汽轮机本质上是一种传统的朗肯循环涡轮交流发电机，由乙醇（谷物酒精）燃烧产生的蒸汽和在 60 个大气压下储存的氧气提供动力，这种压力燃烧可以使废气二氧化碳在没有排气压缩机的情况下从任何深度排出潜艇外。
斯特林循环热机是通过气缸内工作介质（氢气或氦气），在斯特林循环中，来自外部源的热量被传递到一定量的工作流体（通常是惰性气体）中，并驱动它通过一系列重复的热力学变化。通过将气体靠在活塞上膨胀，然后将其吸入单独的冷却室进行后续压缩，外部燃烧产生的热量可以转化为机械功，然后再转化为电能，这样经由冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此也被称为热气机。斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气。
燃料电池是利用燃料与氧化剂发生化学反应，直接产生电能，但它不能储电，只能发电。燃料电池与常规电池的不同点在于，燃料电池工作时，需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。目前燃料电池都是以氢气作为燃料，以氧气作为氧化剂，这样的电池也称为氢氧燃料电池。
在工作工程中，加压氢气进入电池，气态氢和氧气催化结合以产生水、热量和有用的电力。铂催化剂将每对分子分解成四个H+和四个自由电子。电子以电流的形式离开阳极进入外部电路（负载）。同时在阴极，每个氧分子（O2）被催化解离成单独的原子，利用从外部电路流回的电子来完成它们的外部电子“壳层”。分离阳极和阴极的聚合物膜不受电子的影响，但允许带正电荷的 H+ 通过电池迁移到带负电荷的阴极，在那里它们与氧原子结合形成水。因此，总反应可以表示为 ：
2H2 + O2 =\u003e 2H2O
除了燃料电池外，所有 AIP 潜艇都需要将废气喷射到船外，这在一定程度上限制了潜艇的潜深能力和隐蔽性。但如果熟练的操作员能够利用其特性，那么AIP潜艇在短程和中程任务还是具有一定的优势。AIP技术极大地扩大了常规潜艇的“战术空间”。在水下，AIP潜艇可以选择长时间、缓慢、无声的巡逻，以保持电池电量的充沛，从而能够为突发情况准备动力。通过管理动力资源，又可以再次恢复到慢速运行，并在数周的运行中重复多次循环。此外，AIP技术也在不断的发展中，一些专家预测，典型燃料电池模块的功率输出可能会在未来几年内增加一至三倍，从而在水下速度和工作时间之间实现更有利的权衡。AIP潜艇自身的战术灵活性、小尺寸、固有的隐身性等特点，以及新颖的作战范式，可以对习惯于面对核潜艇或传统柴油潜艇潜的敌人构成特殊威胁。
优点是工作寿命要比其他AIP系统的主机时间长；所用柴油与普通常规潜艇用的一样，可广泛采购；制造和装配技术非常成熟，且水上、水下均可使用；耗油率、维修费用相对较低，是AIP系统中最经济的一种形式；工作不受潜艇下潜深度影响。
缺点是工作效率低、氧气消耗量大、排出的热量多，按13000海里（2.4万公里）的续航能力计算，一艘209型潜艇采用燃料电池，仅须携带15吨左右的液态氧，而采用闭式循环柴油机，则需要30吨左右的液氧；产生的噪声大，闭式循环柴油机采用的是普通柴油机，系统的运动部件较多，工作过程中机械运动产生的噪声较大；系统输出功率受到限制，因为受到潜艇的噪声控制指标限制，一般要求每台普通柴油机的输出功率不超过500千瓦，因此闭式循环柴油机的输出功率很难再增加。
闭式循环蒸汽轮机可以提供比其他推进方式更高的输出功率，但其固有效率却是四种主要AIP技术中最低的，并且其耗氧率也更高。
斯特林发动机的优点是效率高、噪声低、污染小，以及运行成本低。缺点是发动机在提供有效动力之前需要时间暖机，不能快速改变其动力输出等，这些对于潜艇的快速机动反应十分不利。
氢氧燃料电池的优点是：无污染，不产生有害物质排放；无噪声，运行时非常安静；高效率，能量转换率非常高，能达到80%，而G4FG发动机效率也就在35%左右。缺点一是寿命不长，成本高，比如需要大量的铂作催化剂，铂是贵金属，地壳中储量很稀少，每年的产量也很少。此外，氢气与氧气的供应与存储非常成问题，潜艇必须同时储备氢气与氧气，制造成本也非常高。
AIP系统主要运用在常规潜艇的军事领域中，现阶段使用该技术的企业及装备的主要潜艇有：
参考资料：
在未来的海上军事作战中，AIP在作为常规潜艇水下性能的低速、长航时的主要辅助手段具有极高的价值，但在短期内还不易成为柴油或核电的主要替代品。
AIR-INDEPENDENT PROPULSION AIP Technology Creates a New Undersea Threat .Chinfo.2024-07-18
中国上世纪开研潜艇AIP系统 系第2个掌握SE/AIP国家.环球军事.2024-07-18