0 引 言

潜艇的水下续航能力直接影响其隐蔽性，潜艇续航能力越强，在海洋中游弋时间越长，对敌人的震慑作用越强。

对于潜艇作战部队，舱室氧气浓度直接决定艇员的战斗力、续航能力以及潜艇安全，因此受到高度重视。潜艇舱室的氧气极其有限，艇员自身呼吸需要消耗舱室氧气。与此同时，常规动力潜艇运转也需要大量的氧气，这也使得平衡舱室内氧气的浓度尤为重要。为确保艇员生命安全与正常工作，舱室中需要按生存所需的最佳比例持续性注入氧气，并且将舱室内的氧气浓度标准控制在 19% ~ 21% 之间^[1]。为维持舱室氧气浓度，舱室需要有供氧装置进行供氧，因此，各国科研工作者发展了一系列先进的潜艇舱室供氧技术。

1 潜艇供氧原理及分析

随着科技的发展，潜艇的供氧技术日趋完善，超氧化物供氧、碱性电解液电解水及SPE 电解水供氧法是比较常见的方法。按照供氧原理可以将其分为物理法、化学法等多种供氧方法。一般情况下，不同型号潜艇，根据供氧方法的原理，寻找适合的供氧方式。

1.1 通气管换气供氧

潜艇通气管由进气管和排气管组成，当潜艇在近海面处，通过露出水面的进气管进行潜艇舱室的换气，此时柴油机需要给潜艇充电，排气管需将发动机的废气排出。为了避免潜艇在下潜时海水灌入舱室，需将浮球放置在进气管顶部。

采用通气管换氧，结构比较简单，设备装置紧凑，重要的是这种换气装置并不会消耗太多的能量。但是，潜艇采用这种方法换气，需要靠近海面，频繁上浮，因此增加了潜艇的暴露机率，特别是遇到大风浪天气，通气管还要面临被海浪淹没的风险。

德国曾在 U 型潜艇上加装通气管，并在二战时大量使用。现在的常规潜艇依然保留通气管，常规潜艇造价低廉，适用于近海活动，操作起来灵活，但是通气管换气供氧也成为常规潜艇的致命弱点。因此，如何设计和使用通气管也成为潜艇研制人员最关心的问题之一。

1.2 氧气瓶供氧

氧气瓶供氧基本思路是将空气中的氧气通过低温高压压缩到高压气瓶，使用时通过减压将气体放出供潜艇人员使用。

潜艇航行在水下，环境比较复杂，特别是作战过程中会受到剧烈的冲击，这也使得高压钢瓶存在安全隐患，一旦爆裂将给潜艇带来更大损害。此外，由于高压气瓶的体积限制，潜艇的需氧量增大时，狭小的潜艇舱室只能堆放有限的钢瓶，这种方法将不适用。不过，对于小型潜艇，这种比较经济的供氧方式可行，其操作过程简单，在获取高纯氧的过程中不会消耗额外能量，并且不会给舱室空气带来二次污染。

气瓶供氧技术曾在德国、日本等国早期的常规潜艇中使用，现在的潜艇也常会携带部分氧气瓶，当潜艇在作战中供氧系统受损，氧气瓶可以作为应急供氧向舱室供气。

1.3 液氧供氧

液态氧是液化后的氧气。其常压（101.325 kPa）下密度 1 141 kg/m³，液氧密度大约是常温常压下气氧密度的 1 000 倍，因此同体积的贮罐可以携带更多的液氧。

液氧在使用时需经过气化、减压，最后进行混合，释放到舱室中供人员呼气使用^[2]。液氧纯度较高，对舱室不会产生二次污染，蓄氧量远大于气氧，其供氧方式和气瓶供氧基本一样，经济可靠并且操作简单。然而，液氧需要保存在 -183℃ 以下，这也对液氧保温技术提出更高的要求。目前的液氧储罐大多采用双层真空保温设计，但是保温材料和技术无法阻止液氧从外界吸热蒸发，液氧灌的安全保温度技术仍面临巨大的挑战。

目前液氧供氧技术在 AIP（Air Independent Propulsion）潜艇中得到使用，德国、瑞典等国的 AIP 潜艇均采用液氧供氧技术。实践表明，将 AIP 系统应用在常规潜艇后，潜艇的作战能力得到显著提升，这得益于 AIP 系统对潜艇续航能力的提升和对潜艇水下噪声的控制。

1.4 碱金属超氧化物制氧^[3]

采用碱金属超氧化物制氧属于化学制氧技术，目前潜艇中大多采用的碱金属超氧化物主要是超氧化钠（Na₂O₂）和超氧化钾（K₂O₂）。超氧化物在热分解时会释放氧气，在水蒸气存在的条件下也会与 CO₂ 反应生成氧气。以 Na₂O₂ 为例，主要反应如下：

$ \begin{array}{l} 2{\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_2} + 2{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O = 4NaOH + }}{{\rm{O}}_2} \uparrow \text{，}\\ 2{\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_2} + 2{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ = 2N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + }}{{\rm{O}}_2} \uparrow \text{。} \end{array} $

理论而言，超氧化物供氧是非常理想的供氧方式，它不仅可以除去密闭舱室中的二氧化碳，同时还制备出氧气，非常方便。但这种制氧技术在潜艇的实际应用中面临一些问题，在高温潮湿的海洋环境中，超氧化物在化学反应中容易发生膨胀与糊状现象，从而降低了反应效率。

此外，超氧化物是强氧化性物质，遇水后会剧烈反应发生爆炸，因此存储要求比较严格，使用过程中超氧化物的颗粒挥发到大气中，对人的身体造成损伤，还会腐蚀舱室的设备，造成相当大的安全隐患。

目前，各国都对该项供氧技术进行研究，该技术对于小型水下航行器具有较高的应用优势。另外，核潜艇中把超氧化物作为备用供氧装置，特别是俄罗斯等国，已经在多种型号的潜艇中使用超氧化物供氧。

1.5 氧烛供氧

氯酸盐中加入燃料、抑氯剂、助燃剂和粘结剂，经混合后，压制或者浇铸形成固体氧烛，使用时将其点燃。固体氧烛受热会释放氧气，将产生的气体通过气体净化装置后，可以直接供艇员使用。反应方程式如下：

$ {\rm{2NaCl}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \to 2{\rm{NaCl + 3}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow \text{。} $

氧烛作为固体氧源使用比较方便，通过加热可获得氧气，并且存储也比较容易。氧烛的密度与液氧密度相当，因此氧烛的供氧能力是同体积气体氧的 3 倍。氧烛的存储期比较长，使用过程比较安全，并且可以快速产氧，产生的氧气量也比较大。但氧烛在燃烧的时候无法控制反应速度，反应过程中迅速释放的氧会导致舱室氧气浓度局部波动较大。此外，氧烛在燃烧的时候会产生一些氯化物烟尘和 CO₂，CO，Cl₂ 及简单的有机物等一些杂质，这也给舱室的空气净化系统带来负担，容易造成舱室的环境二次污染^[4]。

氧烛供氧装置可以应用到核潜艇作为应急供氧设备，美国、欧洲等国一直致力于开发与研究氧烛供氧技术。氧烛供氧在生活生产中也得到广泛使用，在其他密闭环境里，如矿井、隧道、高原地带中用作短期供氧设备。王雅娟等^[5]将氧烛应用于高原缺氧环境的供氧，并将其应用于士兵卧室的供氧实验，取得了良好的效果。

1.6 碱性电解水供氧

在电解池中，以一定浓度 NaOH 或 KOH 作为电解液，通入电流将水分解为 O₂ 和 H₂，阴极发生还原反应形成 H₂，阳极则发生氧化反应形成 O₂。化学反应方程式为：

$ {\rm{2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \stackrel{\text{电解}}{\longrightarrow} {\rm{2}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}} \uparrow + {{\rm{O}}_{\rm{2}}} \uparrow \text{。} $

电解后产生的气体通过分离器进行洗涤、净化、冷却，然后把纯化后的 O₂ 输送到舱室，电解出的 H₂ 收集后排出潜艇。

为防止电解水过程中产生的 H₂ 和 O₂ 混合时发生爆炸，因此反应过程中对气体的密封性有很高的要求，要保证 H₂ 不会泄漏到舱室。另外，H₂ 排出到海面的过程也会影响潜艇的隐蔽性。电解液是选用强碱性溶液，具有强腐蚀性，电解制备的气体必须经过多次的洗涤才能使用。电解水制氧消耗大量的电能，并且效率比较低，不过，对于核潜艇可以不用考虑电能问题，目前美国、欧洲等国在核潜艇上使用的多是电解水制氧装置。

1.7 固态电解质电解水供氧

固态聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte）技术简称SPE电解水技术，其电解原理与碱性水电解原理相似，区别是用全氟磺酸聚合物膜薄片代替传统的碱性电解液，这种材料在水中可以成为离子的良导体，水合氢离子在电场的作用下可以在薄膜上迁移，最后在电解质的两侧分别涂覆一层阴极和阳极催化材料。H₂O 在阳极电解成 O₂，H^-和 e^-，H^- 在阴极生成 H₂。

固体聚合物电解质电解水制氧装置能耗小，成本低，并且在一定电流密度下具有较高的效率。采用全氟磺酸聚合物膜薄片替换了原来的腐蚀性液体，所以更安全可靠，产生的气体纯度更高，电解质也能承受更大的压差^[6]。

目前，该制氧技术已取得很大的进展，不同型号的 SPE 电解水制氧装置成熟的应用于核潜艇供氧，美国、英国在此方面处于领先地位。

2 新型供氧技术在潜艇中的应用

新型潜艇供氧技术与现有的成熟供氧技术有着很大的不同，新型供氧技术的目的是更绿色、更环保、更人性化。但是，新型供氧技术在发展过程中也遇到很大的困难，目前仍大多停留在实验室模型阶段，并没有真正的实际应用。可以预计，从实验室模型到真正的实际应用还需要大量的工作去做。下面简单介绍几种针对潜艇的新型供氧技术。

2.1 联用供氧技术

该技术的思路是在电解水制氧装置的基础上将二氧化碳清除装置一起联用，通过改进电解池结构，新型的电解池在阳极反应产生氧气，同时，在阴极附近聚集的氢离子与联用的二氧化碳清除装置在催化剂作用下发生电化学反应，生成小分子有机物。反应方程式如下：

阳极反应：2H₂O→4H⁺ + O₂↑ + 4e^-，

阴极反应：CO₂ + 2H⁺ + 2e^-→HCOOH，

CO₂ + 6H+ +6e^-→CH₃OH + H₂O。

该项技术由美国开发，目前已经完成了电解池设计、工艺流程、电极材料和催化剂的研发。这种联用技术并不是 2 台装置简单的组合，其研究进程的缓慢也透露出这个技术的复杂性。但该技术能够研制成功，将会给潜艇生命的维持系统带来革命性提高。

2.2 藻类光合作用供氧技术

藻类植物可以在水中通过光合作用，放出氧气，为水生动物提供一定的氧气^[7]。通过在潜艇内养殖藻类植物，利用藻类植物的光合作用吸收舱室的 CO₂，并且释放出 O₂，在潜艇内建立起一个平衡的供氧系统，供潜艇舱室使用。

目前，该项技术已经在国外海军机构进行了研究，英国、美国等通过探索性试验，确定了该项技术的可行性，但是并未有实际应用的报道。在实际应用中，养殖藻类植物需要较大的船舱空间，并且藻类植物的产氧量不可控制，容易对人员的生命造成潜在威胁。

2.3 人工腮技术

人工腮^[8]的基本原理是利用分离膜技术，阻止水分子的透过，选择性地透过并收集海水中的氧气。当舱室氧分压小于海水中的溶解氧的氧分压，海水中的溶解氧就会透过分离膜进入舱室。

人工腮用于常规潜艇将会优化潜艇的供氧系统，延长潜航能力，不需要频繁的上浮，从而提高潜艇的隐蔽性和战斗力，并且减轻潜艇负荷，给潜艇节省宝贵的空间。

美、日、英、德等国在军方的支持下已经研制出小型的人工腮雏形。该技术现在的主要问题是分离膜的性能有限，要达到所需供氧量就需要增加分离膜的用量，从而也增大了人工鳃的体积和能耗。人工鳃技术虽然尚未成熟，但是由于其明显的优势，有可能会成为将来潜艇供氧的最佳方式。

3 潜艇供氧新技术展望

目前，各国致力于延长潜艇的连续潜航时间，这对潜艇舱室中的供氧系统和供氧技术提出了更高的要求，潜艇中供氧系统的好坏和供氧技术的先进性直接影响艇员的战斗力。

表 1 通过对比不同供氧方式的优缺点可以发现，对于小型常规潜艇，气瓶供氧、超氧化物供氧、氧烛等技术完全可以满足舱室的氧气供给。但是，对于有作战任务的常规潜艇，为了满足其海下潜航时间，这些方法无法安全满足需求，而新型 AIP 的出现，给常规潜艇提供了一个很好的方向。

碱性电解质电解水制氧技术已经发展了半个多世纪，是相对成熟的供氧技术。但是，碱性电解质电解水的能耗较高，一般常规潜艇难以承受。目前这种成熟的制氧技术主要应用在核潜艇上，也是各国海军核潜艇的主要供氧设备。近年来，随着技术的进步，SPE 电解水制氧技术的优点逐渐凸显，并且有逐步取代碱性电解质电解水技术的趋势，有希望成为核潜艇供氧技术的主要发展方向。

随着科技的发展，一些新型供氧方式也逐渐出现，如光合植物供氧、人工鳃等先进技术和概念。这些新方法、新技术也正反复在实验室实验、验证，虽然这些技术离实际应用还有一段距离，但其新颖性、以及巨大的优势和潜在的应用价值，值得科研工作者投入更多的精力研究。

4 结 语

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，各国海军对于发展潜艇供氧设备和技术均已投入大量的资金和人力。伴随着现代战争重心从陆地向海洋转移，未来战争对潜艇的性能要求也会越来越高。为进一步满足潜艇的需求，最大程度发挥潜艇的作战能力，应从理论和实验结合的角度，深入研究潜艇舱室供氧新技术、新方法和新理论，开展更多的基础和应用研究，探索更新、更好、效率更高的潜艇舱室供氧技术，从而进一步增强其威慑力，提高潜艇在现代战争中的作战价值。