212和214型潜艇的隐患解读.docx

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212和214型潜艇的隐患解读

212和214型潜艇的隐患

船台上的212A与靠泊码头的214 

          212A与214型潜艇，是德国最新研制并投入服役的AIP混合动力潜艇。

先进的线型、光顺的艇表加上德国人精湛的工艺，让212和214看上去显得个性独特又气质超群。

即使与铀鱼、阿穆尔等先进的AIP潜艇放在一起，也颇有鹤立鸡群之感。

德国人为其配备的DM2A4鱼雷、ISUS90综合作战系统、燃料电池AIP动力，更让212和214拥有了强大的作战能力，在国际市场上的销售态势也异常火爆。

除了德国海军自己订购以外，意大利、希腊、韩国、葡萄牙等也都陆续下了订单，韩国更是大手笔的通过许可证和配件组装，一口气要了9艘。

以此趋势来看，212A和214将替代209成为国际潜艇军购市场上的新翘楚，而研制了209、212A和214型潜艇的HDW集团将成为最大的赢家，其市场霸主的地位也将牢不可破。

一切似乎都在按德国人的计划进行着，一切似乎都在HDW的掌握之中，一切都显得那么的完美。

                    214型AIP潜艇 

  然而，科学告诉我们，物质世界是没有完美事物的，武器装备更是历来如此。

如果德国人够坦白，他们也许会告诉你，当212A、214设计之初，一个巨大的隐患就已经深深的埋下了。

这种隐患对处于北约强大防空体系中的德国来说，或许不是那么会事，德国人也大可以笑笑不予理睬。

但对于制空权与国土保障能力不是那么强的国家，那或许就是个致命的问题了。

  西门子SIII型燃料电池单元                                              214上使用的BMZ34燃料电池模块

  一切都要从212A和214上的质子交换膜燃料电池（FC-AIP）说起。

在当今潜用AIP混合动力中，212A和214上的西门子PEM燃料电池系统，在综合性能上是最优秀的。

西门子的PEM电池模块，通过氢气与氧气在质子交换膜的两极上产生化学反应生成电流。

与MESMA（闭式循环汽轮机）、SE-AIP（斯特林热气机），CCD-AIP（闭式循环柴油机）相比，FC-AIP的能量转换是化学能直接转换到电能，不需要卡诺热机循环过程。

在能量转换过程中没有机械运动，也没有燃料在汽缸中的燃烧和爆炸。

因此，PEM类的FC-AIP能量转换效率高，工作时的噪声很小，生成的废气排放物也很少。

  PEM燃料电池原理图                        212A燃料电池AIP动力布置图

  由于FC-AIP的生产副产物为水和极少量的氢气，没有其他AIP的大量废气排放物，所以FC-AIP也是唯一一个不需要考虑废气排放的AIP动力形式，避免了CCD-AIP,MESMA-AIP,SE-AIP工作时废气排放背压问题。

212和214使用AIP动力时就不会受到潜深的影响，也没有其他AIP排放废气时所形成的红外暴露特征。

这一系列的突出优点，使FC-AIP在目前装艇实用的四种潜用AIP动力形式中，成了唯一的几乎没有较大弊端的AIP动力形式。

不过，事物总是有两面性的。

FC-AIP也不能例外，氢氧燃料电池要解决的难题之一，就是氢的储存问题。

由于氢气属于活泼气体，易燃易爆，在空气含量中超过4%，即有爆炸的威胁。

对于水下完全封闭且空间狭小的潜艇来说，火灾一直是最大的危害，严格控制舱室空气中的氢含量，是潜艇大气环境控制的重要任务。

但是FC-AIP的燃料就是氢，这就必须解决艇上储氢的安全问题。

常规的罐装气液态氢，储存方式复杂成本高昂，安全性差不适合装艇。

因为处于作战环境中的潜艇往往要受到鱼雷、深弹的攻击，罐装贮存的气液态氢，在爆炸后产生的冲击震动下，容易产生二次殉爆，导致更严重的次生事故发生。

在艇上安全贮氢方式一直没有进展的这段时间内，氢氧燃料电池虽然性能优秀，却始终没能在潜艇上得到应用。

一直到戴姆勒-奔驰公司研制出了贮氢合金后，FC-AIP上艇的最大难题终于被解决。

  HDW（霍瓦茨-德意志集团）用奔驰的该项技术，制造出了用于燃料电池贮氢用的铁-钛贮氢合金。

铁-钛贮氢合金是将铁钛金属按组成，在真空中熔化成合金形式，让金属的晶格间产生自由空间，氢原子在自由空间内可以可逆地吸收和释放。

该合金在吸氢时放热，脱氢时吸热，在低温低压下贮氢，在供给热量时则可控的释放氢。

HDW将贮氢合金铸成中心有圆孔的饼状，然后将合金饼块叠放到铝盒中，中间用一根脱吸氢用的集气过滤管串联，构成一个完整的贮氢材料芯子，外部用再用耐压的钢瓶保护。

因为氢原子在不供热时，是被固态的贮氢合金合约束在晶格自由空间中的，只有在供热时氢原子才能从贮氢合金中析出。

所以其安全性远比罐装的液、气态氢高的多，适合作战潜艇的装艇实用，是艇用燃料电池氢贮存模式的重大改革成果。

              贮氢合金钢瓶的基本尺度                                                      212A艇体上的贮氢合金钢瓶

  但问题是这类贮氢合金目前的贮氢效率不是很理想，一般情况下只能达到合金重量的2%。

单个4.2吨重的贮氢合金桶大约只能贮存84公斤左右的氢，为了满足212A和214型艇燃料电池耗氢量需求，这种长5.2米直径50厘米的钢瓶要在艇体上安放大约38个左右（212A）。

船台上的212A上层建筑里露出灰白色的液氧槽，黑色的贮氢合金钢瓶以环形装载的形式，布置在耐压壳   体与外壳体的舷间空间里。

  数量众多的贮氢钢瓶，最合理的布置位置当然是上层建筑。

因为上层建筑位于潜艇水线面以上，轻薄的上层建筑壳板也较为容易拆卸。

在潜艇处于水面状态时，贮氢钢瓶的更换和附属系统的维护能随时随地的进行。

对于部队降低后勤压力，提高维护保养水平都十分有利。

但是38个贮氢钢瓶的总重很大，放置到潜艇的上层建筑里，会提高潜艇的重心高度，对潜艇的稳性不利。

而且212和214上较小的上层建筑空间，也难以容纳这么多贮氢钢瓶。

HDW只能创造性的在212A上采用了单双混合壳体结构，将围壳后部的艇体段设计成双壳体形式，耐压壳体直径由前部艇体的6.3米缩小到5.8米，利用此段舷间空间以环形挂载形式，在耐压壳体上固定布置了38个贮氢钢瓶。

214型潜艇透视图，可以清晰的看到液氧贮存槽（蓝白色的圆筒槽罐）布置在艇体中段铺板下的舱室内，而贮氢钢瓶则被安置到潜艇底部的附加龙骨里（蓝色的细长桶状物体）。

       214则在艇体底部设计了一个附加龙骨，将所有的钢瓶安置到了附加龙骨内。

这样，212A与214都在不影响艇体重心与稳性的情况下，解决了大量贮氢钢瓶的安置问题。

而且两型潜艇的储存位置，都设计在了舷间和底部的非耐压区域，节约了宝贵的耐压舱室容积，对两型艇艇员的生活空间和舱内设备的布置都不会产生影响。

214的附加龙骨对降低214型艇的重心，改善潜艇的横稳性还会起到非产好的作用。

如此来看，这样的设计确实非常成功，至少从单纯的工程设计角度来看，确实非常取巧。

 214型艇的贮氢钢瓶被安置到艇体底部的附加龙骨内（红色箭头处）                        横剖面图

  可惜潜艇是武器并不是单纯的工程产品，既然是武器在设计时就要兼顾后勤维护和保养的问题。

212A的舷间和214的附加龙骨都属于非耐压区域，当潜艇处于水下状态时，贮氢钢瓶和附属系统都浸泡在高盐度的海水里。

长时间浸泡于海水里的贮氢钢瓶与外部供氢管路等附属系统,和潜艇上所有位于非水密空间里的设备一样，都容易出现设备、管路腐蚀，系统气密性水密性降低，可靠性降低等多种问题。

必须进行频繁的维护保养工作，才能保障整个供氢系统可靠的运行。

同时部分寿命到期，出现故障或者损坏的钢瓶，也需要及时的更换，附属系统也要进行定期的检修和保养。

此时，212A和214的隐患就彻底爆发了，对使用部队和后勤系统来说简直是灾难降临。

  212A的贮氢钢瓶挂载位置在该艇的水线面下，214的附加龙骨则在潜艇的最底部。

更换钢瓶或者对附属系统例行维护，就只能将潜艇送进干船坞。

或者类似德国那样送进浮船坞，再通过浮船坞把潜艇送上船台，然后让潜艇坐墩在船台或者船坞内，才能拆卸潜艇的外壳体板和附加龙骨。

这个过程将是非常耗时的，组织起来也比较麻烦，绝不亚于潜艇的回厂返修或者下水过程。

耗费的人工，拖带顶帮的拖轮，占据的船坞和浮船坞都会增加成本，整个后勤维护的时间也会非常冗长。

                 212A要更换贮氢钢瓶只能在船台或者浮船坞进行

  这还没完，送上了船台仅是开始，还要拆卸212A的外壳体板和214艇底的附加龙骨段。

在拆卸完毕后，才能进行相关的后勤维护。

212A上船台后最高位置处的钢瓶大约会在4-6米左右，必须搭脚手架和起重机才能更换钢瓶。

214会更头疼，将钢瓶从附加龙骨扁平的底部拖曳出来，再将补充更换的钢瓶填送回去，是个繁琐又耗时耗力的过程。

整个维护过程中的工作量很大，对操作要求也较高，占用的高级技工和熟练工人的公时都会较长，可以预见每次例行维护的成本都不会是个小数目。

212A和214的AIP系统后勤维护可是个相当复杂专业的技术活，不是随便哪个小船厂能做的。

  由于更换钢瓶和系统维护涉及到潜艇上船台、进浮船坞、拆卸壳体板等专业复杂的工作，212A和214的后勤维护就只能到有相当保障能力的专业船厂去进行，这就大大提高了这两型艇的后勤压力。

对使用部队来说这几乎又是个灾难，可以想象一个艇员队出去作战也就半个月左右，而潜艇回到指定船厂，进行复杂的近乎坞修的系统维护，再返回到作战部队驻点，起码将消耗两倍以上的时间。

212A和214的出勤率在战时能维持在多大的水平，实在让人怀疑。

除非潜艇驻地附近都建设一个具备相当专业维修能力的补给维护站（差不多就是海军修理厂了），否则频繁来往于船厂和部队驻地的212A和214的出勤率是会非常低迷的。

但是在部队驻地都建设这样的维护点是不现实的，就我国为例海军专业修理厂也就几个，分别位于北中南三个地区。

实际上也没有那个国家的海军，能阔绰到到专门为了补给和系统维护，去给每个潜艇支队造个修理厂的。

这个角度可以清晰的看到214底部的附加龙骨，船厂人员正对该部位进行相关操作，右侧为一艘212A型艇。

   根据几次大战得出的经验，在战时后勤补给和维护能力都会有大幅度的下降，船厂的工作环境会急剧恶化。

在这种情况下是否能保持和平时期高水平高素质的维护是打问号的。

两型艇这么复杂的后勤维护工作，在战时能否照常进行，能否像和平时期一样保质保量也是让人忧虑的。

而战时制空权不保的情况司空见惯，难以想象212A和214在此时还能舒舒服服的晒着太阳，躺在船台上进行繁杂又冗长的维护工作。

显然，212A和214在制空权不稳固的国家，随着后勤维护的难以为继，将彻底失掉持续使用AIP动力的作战能力。

                     船台上的212A，露出灰白色的液氧贮存槽和黑色的贮氢合金钢瓶

  而补给难的问题更会影响到212A和214的远洋作战能力。

目前铁-钛合金贮氢技术为HDW一家掌握，HDW从维护自身利益的层面出发，也没有很大的积极性来推广这项专利技术。

HDW更多的是想从中牟利，况且铁-钛合金技术含量高、制造难度大，海外的国际商业码头不愿意也没有这个能力去做这类的商业服务。

同盟国和友好地区也不可能花大价钱化大力气，按照HDW的操作标准，来搞一个专门给212A和214型潜艇做氢补给和系统维护的船厂。

两型艇离境作战后得到氢补给和后勤维护的可能性非常小，会基本丧失AIP动力。

斯特林热气机的AIP舱段的布置图，热气机被安置到减震阀座上，铺板下则是在减震阀座上的液氧贮存槽罐。

由于槽罐处于舱室内，多了耐压壳体的保护，受到外部冲击而损坏的可能性降低，与212A的外置方式相比，平时进行后勤维护也相当方便，对于提高AIP动力可靠性和持续工作能力有益。

   而其他三种AIP中，SE和CCD只需要补给液氧，世界上80%以上的国际商业码头都能提供液氧，能给MESMA提供乙醇的国际商业码头也有不少。

而且液氧、乙醇的制备都较为容易，工业水平一般的国家都可以解决供应问题。

装备SE、CCD、MESMA的潜艇在广阔的作战范围内，都可以进行燃料补给，大大提高了其作战范围。

这三种AIP动力的潜艇，只需要停泊在码头通过码头供给管路即可获得补充，补给手段简单补给时间短。

艇内AIP系统又都位于耐压舱室内，随时都可进行后勤维护。

AIP系统的可靠性也就有了保障，可以保证更好的持续作战。

显然，这些都不是目前后勤维护相当复杂的PEMFC-AIP所能比拟的。

可以预计，在将来很长的时间内，212和214都将难以企及使用其他三种AIP动力潜艇的远洋作战能力。

跑出去算好氢消耗量及时回家，回厂晒太阳换贮氢钢瓶和系统维护，将会是212A、214艇长们的头等大事。

在这种背景下212A和214的远洋作战能力和跨区域作战能力将会是非常低下的。

                                             212A和214型艇上用的液氧贮存槽罐

  而212A的问题可能会更复杂一些，212A的吨位更小，艇内耐压舱室容积更少，为了节约宝贵的耐压舱室容积，德国人把两个体积庞大的液氧贮存槽罐放置到了上层建筑里。

从后勤保养和节约舱室容积考虑，这都是个比较合理的方案。

因为上层建筑板容易拆卸，而且在水线面上也容易维护。

问题是上层建筑在潜艇的耐压艇体上部，本身是非水密非耐压结构，上层建筑板只能起到整流作用，耐受战斗部爆炸形成的爆轰冲击波能力很差。

形象的说这两个液氧贮存槽跟挂在艇体外没有多大区别，在受到鱼雷、深弹乃至一些小战斗部的火箭深弹攻击后，这两个巨大的液氧贮存槽的安全性就成了很大问题，一旦槽罐被命中后爆炸，对潜艇造成的损伤很有可能是致命的。

即使是较远的近失深弹，一定爆轰波冲击下，液氧贮存罐仍否能继续平稳的供氧也成了很大的疑问。

当然HDW在早期工作中做过液氧贮存罐在遭受水下爆炸冲击下的安全性实验，但是HDW的试验更多的是理想化的测试，一定距离一定当量下的水下实验，是永远代替不了战时复杂环境下的考验的。

这样的主动条件控制下的试验，也模拟不了潜艇各种深度，各种速度，各种姿态下面临反潜武器攻击的情况。

 哥特兰（上图）的SE-AIP和阿穆尔的FC-AIP都把液氧贮存槽罐布置在艇体内。

老道的俄罗斯人为了避免出现212A和214的相同问题，阿穆尔的吨位被设计的较大，舱室容积也较为宽裕，所以能把贮氢容器也布置到耐压舱室内（叠立的绿色瓶状物），大大改善了系统维护和保养的能力。

   反观法国、瑞典、俄罗斯、日本、中国在考虑液氧贮存槽罐的布置上就成熟的多，都采用了耐压壳体舱室内布置的设计，将贮存罐安置到了耐压壳体里。

多了耐压壳的保护后，槽罐被反潜武器直接命中产生灾难性后果的概率被大大降低。

也更有利于在航行途中，进行必要的维护和保养工作，提高AIP系统供氧的可靠性。

而在战时受到耐压壳保护的贮存罐也更能耐受冲击和振动，保障持续平稳的供氧，对AIP动力可靠的运行和持续工作都较为有利。

                                                                      舾装中的214型艇

  综合来看212A和214的氢、氧贮存容器以外挂形式布置的设计方案，对后勤补给和维护保养上的考虑是不足的。

这些处于外挂状态的贮存容器由于补给困难、维护保养要求高，航行途中基本丧失的维护能力，都将严重影响212A和214的出勤率、远洋作战能力和可持续作战能力。

并给两型艇的全寿命使用费用，带来巨大的负担。

严格的讲HDW在212A、214的AIP燃料贮存容器布置方式上，出现了明显的设计隐患。

212A和214在复杂恶劣的作战环境下，由于脆弱的后勤保障能力，很有可能变成一艘丧失AIP动力的普通常规潜艇，使212A和214型艇的作战能力大打折扣。

与之相比俄国人在设计上就成熟的多，阿穆尔上虽然也使用了FC-AIP，但是贮氢容器被安置到了耐压舱室内，很好的避免了212A和214的隐患出现在阿穆尔型潜艇上。

                                    渐显浮躁的HDW，所积累的危机终于在214上开始露出苗头

  让人愕然的是，不久前传出了希腊正式拒绝接受4艘214艇的消息。

希腊方面的理由是，这四艘艇出现了噪音超标、重量超标、AIP无法正常工作、推进器振动超标、潜望镜无法正常工作等一系列严重事故。

紧接着韩国也公开声明在其本土组装的214型艇上也出现了相似问题，并确认是HDW设计缺陷所致。

看来，越来越浮躁的HDW在其产品上蕴藏的隐患，还远远不是本文中所列举的这些。

HDW再不静下心来，以最初那种严谨、专业的精神来做好自己的产品，更大的危机或许已经不远了。

参考资料：

1、《德国的潜艇燃料电池》，中船重工集团第712研究所，郭自强。

2、《德国燃料电池在潜艇上的成功应用》，中船重工集团第712研究所，马伯岩。

3、《燃料电池概述》，中国科学院大连化学物理研究所，刘建国、孙公权。

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