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随着各国对更高标准的水下无人航行器的需求，开发一个速度更快、更高效、远距离且具备高反侦查能力的水下动力系统成为重要的研究方向之一。目前，水下无人航行器(UUV)通用的动力来源主要分为两种，第一种是通过热机讲OTTO燃料的化学能转化为机械能推进航行器。OTTO燃料是一种相对稳定的单一成分的喷气式燃料，并且在点绕后会被分解产生高温气体排放。这种推进方式适用于快速、短距离的水下航行，然而因其速度过快而不适用于作为水下无人航行器动力。另一种则是使用电池进行电力驱动，这种驱动方式具有简易、无声且随时启动和停止的能力，具备较高的反侦查性能，缺点则是受电池容量的限制而航行距离过短。因此，近些年来的许多研究致力于通过构建水下涡轮燃烧室来给电池供能(燃料电池)，以此提高水下无人航行器的航行距离。而为了提高水下航行的速度，前苏联海军首创超空泡鱼雷“暴风”，利用气泡包绕航行器的方法大幅减少水阻力，使得航行速度实现超过200节，远超航行速度最快的常规鱼雷(英国的“矛鱼”鱼雷)。“暴风”鱼雷配备两台发动机，由固体火箭发动机来使鱼雷达到既定攻击深度，然后由金属水反应发动机来实现超高速的直航弹道攻击。故实现超空泡航行的关键技术之一便是金属水反应发动机的研究改进 [1, 2]。 ) t) l% j% h$ e/ d! H
图1. 来源：https://www.sohu.com/a/259415236_793025燃烧室是涡轮发动机最重要的组成部分之一，它通过混合点燃空气和雾化后的燃料将燃料内化学能转换为涡轮发动机机械动能。在这个过程中不仅需要考虑热力学，还需要涉及化学、材料学和流体力学。此外，尽管涡轮发动机燃烧室的发展至今已近八十年，依旧没有足够的理论来支撑其设计过程，大多是现有的设计都是基于经验和大量的实验。与航空飞行器等以提供上升力为基础的装置不同，重量对于水下航行器并不是主要限制因素，更多需要考虑的是摩擦阻力(Skin drag)和形状阻力(Form drag)。因此无法直接将航空涡轮发动机设计照搬进水下环境，需要进行大量的设计改良。随着计算机技术的发展，在设计中常常引入计算流体力学（CFD）来大大提升对于燃烧室内复杂流体的理解以及减少所需实验的次数和过程中的误差。而水下涡轮发动机的运行原理与航空飞行器有许多相似之处，相较于航空涡轮发动机燃烧室使用空气作为氧化物的来源，水下燃烧室系统使用所处环境中的水来降低或消除对于航行器携带氧化物的需求。通过燃烧室内输入能与水快速反应的燃料(例如铝粉)来产生高温气体来可以实现高效且快速地加热，并以推动螺旋桨的方式来给如水下航行器等设备提供推进式动力，还能作为发电装置给水下供能设施提供能源 [3]。下面给大家介绍下目前已有的水下燃烧室原理和设计。
' M- \+ i7 m& |! Y/ @: U- p: a) u 图2. 来源：https://bbs.tiexue.net/post2_8286192_1.html?ID=8286192近些年许多不同的水下燃烧室系统被研究和设计出来为驱动系统电池提供能源，其中的燃烧原理也不尽相同。例如使用固体氧化物和氢硼化物等，下图总结了不同金属固体燃料与氧化物反应所产生的能量。空气由于无法在水下环境获取而被排除在外。硼与水及铍与水反应作为燃料未被列入下图表格，尽管它们有较高的能量密度，但因其高昂的价格和有毒性而不被使用。
4 O5 c) x# Q5 Z. V1 L: |2 o- K3 [ 图3. [1]其中，混合式铝燃烧室(HAC)是目前比较常见的水下燃烧室类型，HAC使用铝粉和水反应作为动力来源，其反应式如式(1)和(2)。 ) R6 g T; _! H7 c l
2Al+3H2O=Al2O3+3H22Al + 3H_2O = Al_2O_3 + 3H_2 ------------------(1) 4 P/ S8 V5 w% e4 E' B2 m' Q
ΔH=−409kJ/molAl\Delta H = -409kJ/mol_{Al} ------------------(2)
' P7 r: S. C3 _& | Eagle在他的研究中展示了一种使用了固体氧化物燃料电池的混合式铝燃烧室的工作原理如图6。一个使用铝粉和水反应作为燃烧室原料的缺点就是会有大量氢气( H2H_2 )的排放，由于氢气极低的密度使得其无法被安全存放；而直接排放会严重影响水下航行器的反侦查能力。因此，固体氧化物燃料电池(SOFC)被用来与多余的氢气结合将其转化为水以增加水下发动机的隐蔽性。 9 A: b- l; u; _
式(3)为利用SOFC系统将多余的氢气转化为水的化学反应式，它表示了每消耗1摩尔的氢气，SOFC的负极需要提供0.5摩尔的氧气，反应产生1摩尔的水随后混入正极的流体。 # D8 ]4 z" o4 E- T6 |
H2+12O2⟶H2OH_2 + \frac{1}{2} O_2 \longrightarrow H_2O ------------------(3)
, N$ w/ q, h* |- y9 H7 G 固体氧化物燃料电池，简称SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)，是一种全固态的、将燃料中的化学能转化为电能且无污染的发电装置。SOFC具有全固态、高余热利用价值、低价和燃料适用范围广等优点。SOFC在水下航行器涡轮发动机可以被用来将燃烧室内产生的氢气转化为水，其工作原理如下图. 0 x2 A; g. ]& X$ ?
图4. [5]如图4所示，SOFC的组成部分包含阴极或空气极(Cathode，Air electrode)、电解质(Electrolyte)、阳极或燃料极(Anode，Fuel electrode)、和连接体(Interconnect)或双极板(Bipolar separator)。阳极通常由具有催化作用的镍(Ni)和电解质(YSZ)构成，通过持续输入燃料气体(例如氢气( H2H_2 )，吸附了燃料气体的阳极将多孔结构扩散到阳极与电解质的界面；阴极通常由 LaMnO3LaMnO_3 构成，具有催化作用，通过持续输入空气，使得空气中的氧气( O2O_2 )催化变为 O2−O^{2-} 。在化学势能的作用下， O2−O^{2-} 进入电解质作用的固体氧离子导体，并因为浓度梯度的扩散抵达电解质与阳极的界面与燃料气体发生反应，通过外电路的连接，失去的电子回到阴极。下面列举了几种常见的SOFC，分别为管式SOFC和平板式SOFC。 ( i5 G6 }- t# B% F6 G7 J& G
管式SOFC（图5.） ' c9 p: n( ^- x# u( H1 T0 [
下图为西门子Westinghouse管式固体氧化物燃料电池的结构示意图，相比于平板式，管式SOFC具有较低的功率系数( W/cm2W/cm^2 )、较低的体积功率( W/cm2W/cm^2 )和较高的价格。 / x, j5 p: f1 v& v
图5. [5]平板式SOFC（图6.） 0 w& \/ U8 F" c. I$ W+ f$ Y
图6. [5]下面给大家展示一下HAC-SOFC混合铝式燃烧室的工作原理。首先燃料发射器(Fuel Seeder)是一个高压燃油输送系统，其作用是将金属铝粉末和少量氢气混合送入预燃烧室(Pre-Combustor)与水发生如式(1)和(2)的化学反应产生三氧化二铝和氢气。额外的冷却水会被注入并围绕着燃烧室流动以产生大量的水蒸气来固化铝氧化合物以防止其黏在燃烧室壁面，设计这样一个注射系统来防止结渣非常重要。流体随后通过一个分离器来清除其中包含的铝氧化合物。剩下的流体被分成两个部分，一小部分(大约总量的20-25%)回流到燃烧室以提供过热化的蒸汽来启动化学反应；剩下的一部分通过涡轮机来获取其中的机械能。流体通过涡轮机后便进入固体氧化物燃料电池(SOFC)来将多余的氢气转化为水，由于固体氧化物燃料电池较高的工作温度(500-1000摄氏度)，余热可以通过热交换器来加热额外的冷却水以提高整个燃烧室系统的效率。另一部分蒸汽被完全蒸馏为水并与外界输入的水混合来补充整体反应的消耗。在这个过程中剩余的氢气一部分被分离到燃油发射器(Fuel Seeder)中来提供高压环境；另一部分被压缩并在航行器中被储存起来，压缩过程由于无法假设绝热和恒温，所以需要考虑热传递和能量损耗 [5]。
" V' J3 R4 | n. _* } L 图7. [5]提升金属水燃烧室稳定性需要克服以下几个技术难点。首先，顺利启动水与金属基燃料需要高温条件(至少达到 Al2O3Al_2O_3 的熔点，约为2,327k)。这个难点可以通过在金属基燃料中添加一定量的例如镁、锂等化学性质较为活泼的金属来提高燃烧室温度，也可以使用适当的催化剂在低温下快速启动反应；第二个问题是需要研究如何破除化学反应所产生的氧化膜，现有的研究往往通过添加与氧化膜反应的物质或者物理机械方式来解决这个问题。例如旋涡燃烧器的设计利用铝粉和水沿着圆形带有喷嘴的燃烧室切向喷入，这样就会产生剧烈扰动的区域，铝粉燃料的表面由于固体颗粒的碰撞而暴露出来并与水剧烈反应，并放出热量融化金属铝颗粒。在涡流剪切力的作用下，铝液滴的直径持续减小使得未反应的铝表面增大来提升反应效率，最终实现金属铝和水在气态的完全反应。
$ ?( j0 X1 \2 } 以上就是有关水下涡轮燃烧室的简介~如果大家觉得有用麻烦赞同和收藏哈，如果有错误的地方也欢迎评论指正～
8 u1 J* g/ O( |* s, V( R* A2 { 参考资料 " u! q- D+ e- S5 o8 {6 f. Q
[1] Daniel F. Waters, Christopher P. Cadou, Modeling a hybrid Rankine-cycle/fuel-cell underwater propulsion system based on aluminium-water combustion, Journal of Power Sources, 221, pp.272-283. July 2012. - k2 T9 ]$ _: @( `, ^5 L: Z0 ?
[2] 赵卫，超空泡高速鱼雷技术综合分析，工学硕士论文，哈尔滨工程大学, 2005(学位年度)
% J9 e: ^; N* Y8 I8 h2 |4 O7 @, P! B [3] A. Lefebvre and D. Ballal, GAS Turbine Combustion, CRC Press, 2010. : j1 X2 M5 _& }$ B8 l
[4] X. Li, Principles of Fuel Cells, Taylor & Francis Group, New York, 2006. [5] 谷肄静, 固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的发展与关键材料, 哈尔滨工业 大学, 16th, Sep. 2014. [Online]. Available at: https://wenku.baidu.com/view/1 w+ I. \6 G' P2 `5 r4 O, ]
555863d9f524ccbff12184ba.html. Accessed on: 14 Oct. 2019.
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