会“呼吸”的潜艇

背景介绍

1869年，法国作家凡尔纳的一本《海底两万里》让“鹦鹉螺”号闻名遐迩，这艘造型奇特的潜艇，带我们领略了奇妙的海底世界，也引起了无数科学家的美好梦想。在作品发行近一百年后，世界第一艘核潜艇下水，也命名为“鹦鹉螺”号，这是人类想象力的伟大实践。与此同时，中国的第一艘核潜艇“长征一号”，如图1，也于1970年正式下水[1]。核潜艇是一个由众多子系统构成的庞大而复杂的系统工程，其中，人工大气环境系统是攻克核潜艇技术的“七朵金花”之一[2]。

在潜艇这一密闭环境中，舱室的气体系统组成直接决定了船员的战斗力、潜艇的续航能力和潜艇的安全性。因此，需要持续性注入氧气将舱室的氧气浓度标准控制在19~21%之间[3]，同时还需要对空气中的二氧化碳气体进行吸收和处理。潜艇游曳于深海之中，于无声处鸣惊雷，正是“呼吸”魔力所致。

图1 中国第一代核潜艇首任总设计师团队合影 彭士禄（左二）赵仁恺（左一）黄纬禄（右二）黄旭华（右一）。图源自网络。

正文内容

潜艇的供氧技术主要分为物理法、化学法等多种供氧方式。在实际情况下，不同工况的潜艇，会根据实际条件和需求，配适合理的供氧方法，下文对其做简单介绍：

物理法

——换气法供氧 

如图2所示，潜艇的通气装置通常会配置有进气管与出气管，在潜艇在近海面时，可以通过露出水面的进气管将空气泵入潜艇舱室进行换气，同时，排气管将舱室中的废气排出。这种方法原理简单，结构简易，设备廉价，且不需要消耗较多能量，在潜艇发展的初期阶段被普遍应用。例如，在二战中，德国的U型潜艇就大量加装通气管，目前常规动力潜艇依然保留通气管，尤其是在近海活动中更为简单方便。[4]尽管换气法有着诸多优点，但是这种方法同时也有着显而易见的缺点，那就是潜艇需要频繁上浮，导致其隐蔽性大大降低。

——氧气瓶/液氧供氧 

氧气瓶供氧的主要方法是将空气中的氧气通过低温高压压缩至气瓶中存储，在使用中再通过减压装置放出氧气供给于舱室。液氧供氧的方法与氧气瓶供氧类似，只不过其存储的氧气是液态氧，液态氧密度大约是常温常压下气态氧密度的1000倍，可以携带和储存更多的氧气[5]。理论上讲，这种方法操作简单，经济可靠，具有极大优势。然而，在潜艇中可能面临较为复杂的工况，尤其是在作战过程中往往面临着剧烈冲击，储存氧气的装置的安全性将会受到巨大的考验。此外，潜艇的空间有限，可供存放的空间不足，因此这一方法目前仅作为紧急供氧使用。

图2 常规潜艇的装置示意图。图源自网络。

化学法

——碱金属过氧化物制氧 

早在我们的初中化学就学习过过氧化钠与水的反应（式1），其生成的氢氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠（式2）或者碳酸氢钠（式3）。目前，在潜艇中大多使用的是过氧化钾或者过氧化钠。如图3，碱金属过氧化物在热分解时会释放氧气（式4），在水蒸气存在时则可以与二氧化碳生成氧气和碳酸钠。

从化学反应上看，碱金属过氧化物制氧方法是非常理想的手段，在制氧的同时可以吸收二氧化碳。然而，在实际使用中，则面临一些问题。首先是过氧化物的强氧化性，与水反应剧烈，因此存储要求较高。其次是，过氧化物的强氧化性和产物的强碱性对船员和设备都存在较大的安全隐患[6]。因此，目前在核潜艇中会将过氧化物作为备用供氧装置。

图3 a) 氧化钠；b)过氧化钠。图源自网络。

——氧炷制氧 

氧炷指的是氯酸盐中加入燃料、助燃剂、抑氯剂和粘接剂混合后成型的固体状物品。如图4所示，在使用时将其点燃，便可以释放氧气，其化学方程式如式5。

氧炷作为固体氧源使用简单，储存方便，并且氧炷的供养能力是同体积的气体氧的三倍。然而，氧炷在燃烧过程中会有一些副反应，会产生诸如氯化物烟尘、CO2、CO、Cl2和一些有机物气体，这对舱室的空气净化系统带来了额外负担[7]。因此，氧炷一般用于核潜艇的紧急供氧，不作常规使用。

图4 氧炷的工作原理。图源自网络。

——电解水制氧 

在《海底两万里》中作者所构想的制氧方式正是电解水。碱性电解水制氧是较为成熟的电解水制氧方式，如图5所示，以氢氧化钾或者氢氧化钠为电解液，通入电流后在阴极和阳极分别生成氢气和氧气，其化学方程式见式（6-8）

电解后产生的气体需要进行分离、纯化，将纯化后的氧气供给于舱室，氢气排出潜艇。电解水供氧所面临的最大问题在于电解水的理论电压为1.23 V，而电化学反应一般需要过电势，因此在工程实际中电压则要超过1.7 V。因此，电解水制氧需要消耗大量电能，且能量效率较低。[8]目前，美国和欧洲等国家的核潜艇多采用电解水制氧技术。

图5 电解水的简易装置图。图源自网络。

——分离膜供氧 

分离膜供氧技术是利用膜分离技术将海水中的氧气选择性透过，当舱室氧分压小于海水中的溶解氧的氧分压，海水中的溶解氧会透过膜进入舱室，从而实现氧气的收集，这项技术又被称之为“人工腮”。[9]人工腮是一项相当理想化的供氧技术，可以优化潜艇的供氧系统，极大地延长潜艇续航能力，提高潜艇的隐蔽性和战斗力，并且不需要占用较多空间。受限于膜技术的不成熟和性能有限，目前这项技术还在各国军方和研究所的实验中。

结论

大音希声，大象无形，潜艇于深海之中潜伏，于无声之处战斗，作为战略性武器在现代海洋战争中占据重要角色。无论是物理方法还是化学方法，正是这些“呼吸”的能力给潜艇的战斗力提供了有力保障，持续不断地满足潜艇的供氧需求。随着理论方法的日新月异和科学家们的深耕细作，相信日后定能研发出更好的潜艇舱室供氧技术，让潜艇实现真正的“呼吸”。