事关潜艇！新型供氧技术的崛起

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引言

在海上获得军事优势的最重要手段之一是潜艇。潜艇在行动期间不应失去隐蔽性，以确保其安全和军事突然袭击的优势。潜艇在水下的优势是游击作战，长时间游行在水下有利于隐藏，也可以给敌军最大的威震。由于为推进提供能量或在常规潜艇中充当发电机的内燃机（ICE）需要空气，因此潜艇需要接近海面并遇到定位它们的问题，同时它们处于非常危险的位置，目前已经开发了AIP系统来消除减少这种危险，AIP (Air Independent Propulsion)是一种不依赖空气的推进装置的英文简称，是指潜艇水下航行时利用自身携带的氧 (通常为液态氧)，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，为潜艇提供推进动力和电能，常规潜艇安装AIP系统后，水下续航力成倍增加，噪声指标明显降低，潜艇的作战效能得到显著的提高。但AIP系统仍然是相对低功耗的系统，导致平衡速度低，最终严重限制了速度和移动性。

图1.中国潜艇（图片来源于凤凰网）

潜艇里的氧气是潜水员赖以生存的基本条件, 如果遇到特殊的境况，舱室氧气含量必须得到保障，关乎艇员的作战能力和保护潜艇安好，因此这是研发应用潜艇之前必须重视的问题之一，我们知道潜艇舱室的空间也就那么大，里面可供呼吸和设备运转氧气的数量是有限的，并且艇员和内部的设施运作都需要氧气，确保舱内空间的氧气浓度平衡是必要的。为保证艇员能更好的完成使命，舱室内部的需求是按生存所需的首选比例接连注入氧气，氧气浓度标准掌握在19%~21%是最好的[1]。那有哪些新技术是开发应用于深海中的潜艇的呢? 让我们一起从科学的角度了解和学习。

2、新型供氧技术

我们知道现有成熟的供氧技术有物理供氧、化学供氧和电解水供氧，其中物理供氧方式又包括通气管、氧气瓶和液氧供氧，化学供氧有超氧化物供氧和氧烛供氧两种，电解水供氧方式里面常见的就是碱性电解水和固体聚合物电解质（SPE）电解水制氧。新型潜艇供氧技术与现有的成熟的供氧技术有着极大的差异，新颖的供氧技术着眼点就是奔着更低碳、更节能、更合理化的方向行进，简化之前繁琐的制氧步骤，紧跟时代创新的步伐。但是，任何技从探索到实际应用这个阶段需要耗费不可估量的人力和物力，新型供氧技术的发展也是如此，目前仍有大多停留在实验室模型阶段，还需要大量的工作去做，只有不断地改进与优化，才能为以后成功实践打下坚实的基础。

2.1电解水装备与CO2清除设备联用型供氧

当电解水制氧装置独立发挥作用时会产生一些氢离子和自由电子，这些物质在二氧化碳清除装置中得到很好的运用，所以将二者联系起来是巧妙的方案，电解池的结构会发生很大的改动，改变后的电解池会在阳极反应中产生氧气（式1），生成的其他物质与CO2在催化剂作用下产生电化学反应，在阴极出现小分子有机物（式2和3）。

图2. 联用供氧技术涉及方程式（图片来源于作者）

美国高级研究所发现联用供氧技术的卓越性和可开展潜力，于1990年注入不少的资金对该技术实行开拓和琢磨，1996年隶属于美国的一个联合技术公司的研究讲明了他们已经完成了供氧和清除CO2联合技术的电解槽设计，只不过是小型的电解槽供实验室阶段适用，下一步准备进一步放大成为样机。电解槽波及的工艺流程、工作原理、电极材料以及催化剂都是需要投入时间去改进的，直到今天，由于技术保密和许多不确定因素，未见该项目进一步报道，但这项技术的应用潜力值得科研人员去深究，这种联用技术并不是人们思绪里想的 2 台装置简易的拼凑，而是将双方的装备有机的联结起来，弃其糟粕，使每一个零件都充分发挥作用[2]。

2.2 藻类光合作用供氧技术

海底存在很多的藻类植物，他们通过自身独特的叶绿体进行光合作用，释放出氧气，为深海下其他的动物提供一部分O2。当然这一现象也被科学家发现并做了大胆的想法，在潜艇内部养殖得当的藻类植物，运用藻类植物的优势，吸收舱室的 CO2，通过藻类植物独特的机构转化释放出 O2，光合作用过程图如下图3所示，在潜艇内建立起一个平衡的供氧系统，供潜艇舱室内的潜水员使用氧气[3]。

图3.光合作用过程图（图片来源于宜城教育资源网）

目前，国外一些发达国家开展了阶段性的探索实验，确定了利用藻类植物可以进行光合作用获取氧气，但我们也查不到具体是否真实在潜艇中已经适用，主要原因有两点，第一点是实际应用中养殖藻类植物需要较大的船舱空间，但一般的潜艇里面的闲置空间很少，大部分都是被精密的仪器设备所占用，这样在很大程度上限制了养殖藻类植物的数量。第二点是藻类植物的产氧量不可控制，氧气量不会按照一定的浓度和数量产出，容易对人员的生命造成潜在威胁。值得一提的是，该技术的绿色性和环保性是突出的。

2.3人工腮技术

人工腮也是利用了分离膜的选择性透过特性，将需要的物质与没用的东西分离开，在海水中阻止水分子的穿过，让海水中的氧气通过并用装置集纳，运用压力差将海水中的溶解氧透过分离膜进入潜艇的内置空间。如果把分离膜设计成一款皮肤贴在潜艇的外表面，利用压力差进行氧气置换，潜艇就可以不用每隔一段时间上浮采集氧气，一方面延长了在水下的潜航能力，另一方面也能更好的隐蔽于海底深处。也有仿生设计师兼材料科学家Jun Kamei开发出了仿生人工鳃，奇特的地方是使用特殊的多空疏水材料，通过3D打印手段制造出一个个由气囊组成扇形背心穿戴在身体上，如下图4所示，这些气囊可以覆盖人的鼻子和嘴巴，吸收水中的氧气以供给人呼吸。

图4. 仿生人工鳃（图片来源于知乎）

此外，一些国家凭借军方的扶助已经试验出小型的人工腮雏形，例如美国、日本、英国和德国。但隔膜的透过性能是经不起考验的，供氧量是在分离膜数量的前提下上升的，没有足够多的数量是不行的，这也增大了人工腮原本的体积和材料的损耗，体积越大，使用起来愈发不方便[4]。人工腮技术虽然没有完全成熟，但是其明显的优势有目共睹，随着时间的推移不妨会成为以后潜艇供氧的最佳路线。

3、供氧新技术瞻望

目前，潜航时间是各国在潜艇方面的短板，如何延长潜艇在水下的续航时间，首要解决的问题就是氧气的供给方式，下表 1 列出了常见供氧方式在各方面的能耗，不难得出，使用气瓶供氧、超氧化物供氧和点燃氧烛供氧等技术完全能满足小型常规潜艇的的氧气供给，不需要额外的流程。相比于从事作战任务的常规潜艇，它们在水下停留的时间会更久，对氧气的需求也会更多，小型潜艇的供氧方式已经不能满足需求。碱性电解质电解水从发明一直使用到如今，在供氧技术和仪器设备方面都做到了效率最高化。但是，不得不提出它自身能耗较高的问题，一般常规潜艇都不用这种技术供氧。目前这种成熟的制氧技术主要操纵在核潜艇上，各国海军也积极的在核潜艇上灵活使用这项技术。

表1.常用供氧技术优缺点对比（表来源于[5]）

时代的更替变化，导致SPE 电解水制氧技术不断地成熟化，它的优点也是暴露到人们的视野中，很有可能会取代碱性电解质电解水技术，在核潜艇供氧技术中发挥自己的优势。一些新型供氧方式在第二节中也做了简单介绍，如藻类植物光合作用供氧、人工腮、联用供氧技术等，上面讲到的方法、新兴的技术也在不同的实验室进行不断地演示和验证，虽然第二节提到的这些技术还没有真正到达成功实践的层面，但它的新颖程度、以及巨大的优势和潜在的利用形式，值得科研者去研发与推广，相信不久的将来在实际应用中会出现它们的身影[5]。

4、结语

氧气关乎潜艇里面的工作人员的生命，先进的舱室供氧技术对发挥潜艇的战斗力的重要性是不言而喻的，世界上的不同国家都对于发展潜艇供氧设备和技术投入大量的时间和物力，目的在于能更好的研发出环保和高效的供氧设备。为进一步增强潜艇在水下的威慑力，一些新兴的技术、崭新的方法和新型的概念，需要科研人员时刻去关注国内外的进展，追求创新、完整、效率更高的供氧技术应用在现实中是当前科研人员必须去面对的事情，虽然研发的过程可能会很艰辛，但是成功的果实却很耀眼[5]。