AIP（Air Independent Propulsion），是一種不依賴空氣的潛艇動力推進技術英文簡稱。這種技術主要分為閉式循環柴油發動機、閉式循環蒸汽輪機、斯特林循環熱機、氫氧燃料電池等類型，不同類型的AIP技術在工作原理上有所區別，但都在有效的彌補了傳統潛艇隱蔽性差，不能在水下長時間航行的致命缺陷。
20世紀30年代初期，德國工程師赫爾姆特·沃爾特博士提出了一種基于使用高純度過氧化氫作為氧化劑的新型潛艇推進裝置，這是AIP技術最早的雛形。蘇聯也在1935年針對AIP技術進行了一些設計，但因為技術尚未成熟，僅作為一種試驗課題被提出。第二次世界大戰后，英國和美國從被擊沉的XVIIB型潛艇中拿到了瓦爾特渦輪機，以此為基礎繼續開展AIP技術的研究，并成功研制出了HMS Explorer、X-1等新型潛艇，蘇聯也基于德國 Kreislauf 系統在1956年造就了蘇聯魁北克省級AIP潛艇，但受制于安全性問題以及核潛艇的發展，這些潛艇都很快退役。20世紀80年代開始，西方常規潛艇技術先進的國家，如德國、英國、瑞典、俄羅斯、法國等國家將目光重新聚焦到AIP技術上來，包括瑞典"哥特蘭"級潛艇，德國212A、214級潛艇，法國"阿哥斯塔90B"潛艇等，形成了世界常規潛艇AIP系統“百花齊放”的局面。
AIP技術潛艇其新穎的作戰范式，可以對習慣于面對核動力潛艇或傳統柴油潛艇潛的敵人構成特殊威脅。在未來的海上軍事作戰中，AIP在作為常規潛艇水下性能的低速、長航時的主要輔助手段具有極高的價值。
歷史沿革
研制背景
早在一戰之前，潛艇已經開始使用柴油機配合電動機作為動力來源。柴油機負責潛艇在水面上航行，以及給電瓶充電。而在水面下，潛艇需要使用預先儲備在電瓶中的電力航行。但是由于電瓶儲存的電力必須提供全艇設備使用，即使潛艇低速航行，也只能維持很短的時間，之后必須浮上水面充電。所以與核潛艇相比，雖然常規潛艇的造價低，但卻有一個致命的弱點：不能在水下長時間航行，即在通氣管狀態下使用柴油機為蓄電池充電。而隨著科學技術的進步，特別是反潛探測技術的發展，常規潛艇的這種通氣管航行狀態也變成了高暴露狀態，這樣一來常規潛艇及易受到反潛力量的攻擊，潛艇的隱蔽性能因此而大大降低。如果上浮水面時被敵方發現圍追堵截，要么浮出水面投降，要么就因為無法移動而被護衛艦、飛機炸沉。
研制歷程
早期實驗
第二次世界大戰前后，德國與蘇聯就曾涉足AIP動力裝置的研究。
德國
在20世紀30年代初期，德國工程師赫爾姆特·沃爾特博士提出了一種基于使用高純度過氧化氫作為氧化劑的新型潛艇推進裝置。在沃爾特的系統中，使用高錳酸鹽催化劑分解來自機載供應的過氧化氫，產生高溫蒸汽和游離氧。向反應室注入柴油，柴油與氧氣一起燃燒，產生蒸汽和熱氣體的混合物驅動高速渦輪機，然后將廢氣和冷凝蒸汽被排出船外。但沃爾特的主要設計目標是高水下速度，而不是長續航能力。事實上，他的第一艘潛艇原型——實驗性的V80，在1940年的試驗中速度達到了28.1節，當時傳統潛艇的航速被限制在10節或更低。
在第二次世界大戰期間，德國海軍受到了盟軍反潛力量的沉重打擊。后期德國海軍便試圖將沃爾特的原型機擴大到有用的作戰規模。但這種不依賴空氣的主動力源若要保持潛艇足夠的續航力，需要攜帶大量的過氧化氫，不但在潛艇有限的空間內難以實現，而且由于過氧化氫容易發生爆炸，對潛艇和人員產生嚴重威脅。因此，這種不依賴空氣的主動力系統在潛艇上的應用現實性差。同時由于德國研制出了通氣管裝置，使潛艇柴油機可以在通氣管狀態長期運行，在當時極大地提高了常規潛艇的隱蔽性和作戰能力。因此，德國只完成了七艘新型潛艇，在最終戰敗之前沒有一艘參加戰斗。這些XVII型潛艇排水量為300噸，由兩臺2500馬力的渦輪機提供動力，此外還有一臺傳統的柴油發電機，建造更大的沃爾特設計遠洋潛艇計劃由于戰爭的失敗而結束，不依顏空氣的推進技術也沒有得到進一步發展。不過，原先計劃中的XVIII型被改裝成非常成功的XXI型“電動船”，提供了17節的水下速度，能維持90分鐘。這項創新以及通氣管的采用，強烈影響了常規潛艇的戰后設計。
蘇聯
1935年，蘇聯第18中央設計局提出，在潛艇上使用AIP系統，并在M-92號潛艇上試驗，取得了大量的試驗數據。不過，那時該項技術尚未成熟，設計師將不依賴空氣技術僅僅作為一種試驗課題提出。
二戰后
第二次世界大戰結束后，一些國家嘗試繼續推進沃爾特博士的這項革命性研究。
英國
英國在戰后獲得了被擊沉的XVIIB型U-1407潛艇，英國將其拿來繼續用作實驗。瓦爾特本人和他的幾位主要員工也被帶到英國，在那里與維克斯公司合作了幾年，設計出了更先進的過氧化氫系統，并在50年代研制出了兩艘新型高速潛艇HMS Explorer 和 HMS Excalibur，其設計深受沃爾特戰時XXVI型潛艇的影響。雖然這兩艘船都實現了高水下速度的既定設計目標，但它們的高濃度過氧化氫燃料依然存在嚴重的安全隱患，后來都在60年代退役。
美國
美國在戰后從XVIIB型U-1406潛艇中搶救出了一臺2500馬力的瓦爾特渦輪機，便將其安裝在馬里蘭州安納波利斯的海軍工程實驗站，計劃用于XXVI型的7500馬力發動機試驗中。之后，美國海軍也資助了幾種替代潛艇AIP方法的研究，包括沃爾特循環和克雷斯勞夫系統的變體。1955年9月，美國海軍第一艘小型潛艇 X-1（SSX-1）在長島下水，X-1主要受到第二次世界大戰中英國“X-craft”的啟發，由 AIP 技術研制出經過大量改裝的閉式循環過氧化氫柴油發動機，再配備小型電池供電的電動機作為備用，用于淺水特別行動隊行動，X-1 的排水量為 36 噸，可以潛行在約 50 英尺長的水中。在水下運作時，燃燒所需的氧氣來自反應室中過氧化氫的催化分解，而發動機的廢氣和冷凝水都被壓縮并排放到船外。四百加侖的過氧化物可以儲存在一個靈活的聚氯乙稀袋中，潛艇可以容納四名船員。在經歷了幾次發動機故障和設計修改后，X-1終于在1957年2月正式投入使用，并在樸茨茅斯海軍江南造船進行了一系列實操試驗。遺憾的是，在1957年5月，過氧化氫儲存系統發生爆炸，整個船首部分都被炸毀，雖然沒有人受傷，但X-1的閉式循環設計被徹底替換。三年后X-1重新啟用，直到 1973 年退役，期間一直在切薩皮克灣被用于各種研究試驗。
蘇聯
戰后的蘇聯也重新開始過氧化氫燃料的試驗，蘇聯建造出了一個單一的沃爾特循環潛艇，這艘潛艇被西方稱為“鯨目”。此外，蘇聯將針對 AIP 技術研究更多的精力集中在了基于德國 Kreislauf 系統和他們自己在戰前研究的閉式循環柴油機上。這些研究在1956年造就了 650 噸的蘇聯魁北克省級潛艇的誕生，魁北克級潛艇使用儲存的液態氧來維持柴油發動機在三個軸上的閉循環運行，蘇聯在1953年至1957年間建造了多達30艘。但由于過氧化氫轉化為氧氣時的極端不穩定性，它們的安全性依然無法得到保障，甚至被潛艇船員自稱為“打火機”，蘇聯只能放棄這一試驗轉而開始了自己的核動力研究，該系列潛艇后來在70年代初期退役。
但是，過氧化氫推進系統后來仍運用在蘇聯和英國的魚雷上。最終，這種燃料的不穩定性造成了災難。2000年8月12日，俄羅斯聯邦武裝力量庫爾斯克號核潛艇，就是由于訓練用魚雷內部的過氧化氫泄露，瞬間爆炸引發大火，高溫又導致七枚裝有真正彈頭的魚雷發生大爆炸，從而釀成歷史上最大的核潛艇沉沒災難，艇上118名官兵全部罹難。
現代發展
20世紀80年代開始，西方常規潛艇技術先進的國家，如德國、英國、瑞典、俄羅斯、法國等國家將目光重新聚焦到不依賴空氣的推進系統(即AIP系統)上來，其使用觀念也發生了改變，將AIP系統作為常規潛艇水下低速航行的輔助動力，而不是是作為主動力，因而AIP系統攜帶的氧化劑大為減少，在常規潛艇上的應用成為現實。由于各個國家的潛艇活動區域不同，技術水平、擁有的產品專利各異，以及對常規潛艇的作戰任務需求也不一樣，因此形成了世界上常規潛艇AIP系統百花齊放的局面。其中瑞典首開斯特林AIP(SE/AIP，Stirling EngineAIP)系統應用于常規潛艇的先河，從1985年到1988年在一個獨立的耐壓艙段內進行了一系列實驗后，又在"耐肯"級潛艇上進行了大量海試，積累了充分的經驗后，正式裝備"哥特蘭"級潛艇；德國從上世紀開始在燃料電池AIP(FC/AIP，Fuel Cell)系統和閉式循環柴油機AIP(CCD/AIP，Closed CyeleDieselAIP)系統的研究和試驗中進行了大量工作，并已裝艇試驗，其中FC/AIP系統統已裝備于212A、214級潛艇；法國在閉式循環汽輪機AIP系統(CCT/AIP，ClosedCycleTurbineAIP，法國稱為MESMA)上獨樹一幟，已裝備于"阿哥斯塔90B"潛艇；荷蘭已將CCD/AIP裝備于"海鱔"級潛艇試用。
現階段，AIP技術主要有四種分類發展：閉式循環柴油發動機、閉式循環蒸汽輪機、斯特林循環熱機、氫氧燃料電池。
閉式循環柴油發動機
在蘇聯之后，其他國家也投入了閉式循環柴油發動機的研究。1993年，德國在退役的205級潛艇U-1號上，成功試驗了250千瓦的閉式循環柴油機系統，并將眼光投向大量出口國外的209型潛艇的改裝上。具體做法是，擬用一個附加耐壓艙段來安裝AIP系統，以插入方式加到209型潛艇中，這樣可使潛艇水下最高航速不變，水下續航時間增加四至五倍，水下4.5節航速時，可連續航行386小時，續航力接近1800海里（約3334公里）。荷蘭和意大利也先后成功試驗了閉式循環柴油機系統，準備用于對現役潛艇進行改裝或用于新建的常規潛艇。
閉式循環蒸汽輪機
世界上唯一在積極研究蒸汽輪機AIP技術的是法國MESMA系統（Module d'Energie Sous-Marin Autonome）。MESMA系統是法國基于核推進經驗的非核衍生產品。雖然MESMA可以提供比其他推進方式更高的輸出功率，但其固有效率卻是四種主要AIP技術中最低的，并且其耗氧率也更高。巴基斯坦的三艘新型Agosta 90B潛艇也都配備了200千瓦的MESMA系統，可以在4節的速度下將水下工作時間提高三到五倍。
斯特林循環熱機
斯特林發動機，是英國物理學家羅伯特·斯特林于1816年發明的，所以命名為“斯特林發動機”。1995年2月，世界上第一艘裝備斯特林發動機的AIP潛艇“哥特蘭”號下水，1996年7月，該艇正式服役于瑞典皇家海軍。盡管這僅是一艘水下排水量近1500噸的潛艇，但卻標志著常規潛艇一個時代的開始?！案缣靥m”艇上裝備兩臺功率各為75千瓦的V4-275R型斯特林發動機。除了供應艇上正常照明、電子設備工作及生活設施所需的75至85千瓦外，剩余能量可用于推進潛艇，潛艇可以大約6節的水下航速，保持連續航行15天。該發動機上的吸收裝置可把廢氣與水充分攪和后排出艇外，不會在周圍環境中形成氣泡，從而減少尾跡，降低紅外輻射。哥特蘭級潛艇高度自動化，全艇艇員只有25人，是現今各型AIP潛艇中人員最少的。
氫氧燃料電池
德國人利用燃料與氧化劑發生化學反應這一技術原理，開發出了固體氫氣儲備技術，也就是利用金屬氫化物存儲氫，同時用液態氧罐存儲氧，解決了燃料攜帶問題。氫燃料電池系統被運用于212型潛艇上。該型AIP潛艇采用了由氫燃料電池和柴電動力組成的混合動力裝置。兩套系統既可單獨工作，也可同時工作。水下最大航速超過八節，可持續航行七天以上。水下的持續最大航程超過1683海里（3117公里），是沒有裝備AIP系統的209型潛艇的四倍以上。德國、日本在該技術領域的技術水平相當高，特別是日本，非常積極地研發這類電池。
其他
加拿大、法國和蘇聯針對小核電AIP系統(LLNP/AIP,Low Lever Nuclear Pant AIP，加拿大稱為AMPS)進行了深入研究，其中加拿大研制出了AMIPS400和AMPS1000兩型小核電AIP系統。
工作原理
閉式循環柴油發動機
閉式循環柴油機就是給潛艇裝上“氧氣瓶”，潛航時用它給柴油機供氣。
閉式循環柴油發動機（CCD） 通常包含一個標準柴油發動機，可以在水面或浮潛時以常規模式運行。在水下工作時，則通過由儲存氧氣、惰性氣體（通常是氬）和回收的廢氣產物合成的人工氣氛上。發動機廢氣（主要包括二氧化碳、氮氣和水蒸氣）被冷卻、洗滌并分離成其成分，氬氣再循環回進氣歧管。剩余的廢氣與海水混合并排放到船外。一般所需的氧氣以液態形式儲存在低溫罐中。
閉式循環蒸汽輪機
閉式循環蒸汽輪機本質上是一種傳統的朗肯循環渦輪交流發電機，由乙醇（谷物酒精）燃燒產生的蒸汽和在 60 個大氣壓下儲存的氧氣提供動力，這種壓力燃燒可以使廢氣二氧化碳在沒有排氣壓縮機的情況下從任何深度排出潛艇外。
斯特林循環熱機
斯特林循環熱機是通過氣缸內工作介質（氫氣或氦氣），在斯特林循環中，來自外部源的熱量被傳遞到一定量的工作流體（通常是惰性氣體）中，并驅動它通過一系列重復的熱力學變化。通過將氣體靠在活塞上膨脹，然后將其吸入單獨的冷卻室進行后續壓縮，外部燃燒產生的熱量可以轉化為機械功，然后再轉化為電能，這樣經由冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期的循環來輸出動力，因此也被稱為熱氣機。斯特林循環熱空氣發動機不排廢氣，除燃燒室內原有的空氣外，不需要其他空氣。
氫氧燃料電池
燃料電池是利用燃料與氧化劑發生化學反應，直接產生電能，但它不能儲電，只能發電。燃料電池與常規電池的不同點在于，燃料電池工作時，需要連續不斷地向電池內輸入燃料和氧化劑，只要持續供應，燃料電池就會不斷提供電能。目前燃料電池都是以氫氣作為燃料，以氧氣作為氧化劑，這樣的電池也稱為氫氧燃料電池。
在工作工程中，加壓氫氣進入電池，氣態氫和氧氣催化結合以產生水、熱量和有用的電力。鉑催化劑將每對分子分解成四個H+和四個自由電子。電子以電流的形式離開陽極進入外部電路（負載）。同時在陰極，每個氧分子（O2）被催化解離成單獨的原子，利用從外部電路流回的電子來完成它們的外部電子“殼層”。分離陽極和陰極的聚合物膜不受電子的影響，但允許帶正電荷的 H+ 通過電池遷移到帶負電荷的陰極，在那里它們與氧原子結合形成水。因此，總反應可以表示為 ：
2H2 + O2 => 2H2O
技術特點
除了燃料電池外，所有 AIP 潛艇都需要將廢氣噴射到船外，這在一定程度上限制了潛艇的潛深能力和隱蔽性。但如果熟練的操作員能夠利用其特性，那么AIP潛艇在短程和中程任務還是具有一定的優勢。AIP技術極大地擴大了常規潛艇的“戰術空間”。在水下，AIP潛艇可以選擇長時間、緩慢、無聲的巡邏，以保持電池電量的充沛，從而能夠為突發情況準備動力。通過管理動力資源，又可以再次恢復到慢速運行，并在數周的運行中重復多次循環。此外，AIP技術也在不斷的發展中，一些專家預測，典型燃料電池模塊的功率輸出可能會在未來幾年內增加一至三倍，從而在水下速度和工作時間之間實現更有利的權衡。AIP潛艇自身的戰術靈活性、小尺寸、固有的隱身性等特點，以及新穎的作戰范式，可以對習慣于面對核潛艇或傳統柴油潛艇潛的敵人構成特殊威脅。
閉式循環柴油發動機
優點是工作壽命要比其他AIP系統的主機時間長；所用柴油與普通常規潛艇用的一樣，可廣泛采購；制造和裝配技術非常成熟，且水上、水下均可使用；耗油率、維修費用相對較低，是AIP系統中最經濟的一種形式；工作不受潛艇下潛深度影響。
缺點是工作效率低、氧氣消耗量大、排出的熱量多，按13000海里（2.4萬公里）的續航能力計算，一艘209型潛艇采用燃料電池，僅須攜帶15噸左右的液態氧，而采用閉式循環柴油機，則需要30噸左右的液氧；產生的噪聲大，閉式循環柴油機采用的是普通柴油機，系統的運動部件較多，工作過程中機械運動產生的噪聲較大；系統輸出功率受到限制，因為受到潛艇的噪聲控制指標限制，一般要求每臺普通柴油機的輸出功率不超過500千瓦，因此閉式循環柴油機的輸出功率很難再增加。
閉式循環蒸汽輪機
閉式循環蒸汽輪機可以提供比其他推進方式更高的輸出功率，但其固有效率卻是四種主要AIP技術中最低的，并且其耗氧率也更高。
斯特林循環熱機
斯特林發動機的優點是效率高、噪聲低、污染小，以及運行成本低。缺點是發動機在提供有效動力之前需要時間暖機，不能快速改變其動力輸出等，這些對于潛艇的快速機動反應十分不利。
氫氧燃料電池
氫氧燃料電池的優點是：無污染，不產生有害物質排放；無噪聲，運行時非常安靜；高效率，能量轉換率非常高，能達到80%，而G4FG發動機效率也就在35%左右。缺點一是壽命不長，成本高，比如需要大量的鉑作催化劑，鉑是貴金屬，地殼中儲量很稀少，每年的產量也很少。此外，氫氣與氧氣的供應與存儲非常成問題，潛艇必須同時儲備氫氣與氧氣，制造成本也非常高。
應用領域
AIP系統主要運用在常規潛艇的軍事領域中，現階段使用該技術的企業及裝備的主要潛艇有：
參考資料：
發展趨勢
在未來的海上軍事作戰中，AIP在作為常規潛艇水下性能的低速、長航時的主要輔助手段具有極高的價值，但在短期內還不易成為柴油或核電的主要替代品。
參考資料 >
AIR-INDEPENDENT PROPULSION AIP Technology Creates a New Undersea Threat .Chinfo.2024-07-18
中國上世紀開研潛艇AIP系統 系第2個掌握SE/AIP國家.環球軍事.2024-07-18