法国海军“凯旋”级战略核潜艇。资料图片

近年来，一些国家围绕潜艇空气质量控制系统开展了一场密集技术攻关与装备升级：美国推进弗吉尼亚潜艇大修，将空气监测、应急供氧、分区通风与作战系统深度融合；法国在新一代梭鱼级核潜艇中，尝试依托AI技术实现空气质量控制系统的自动调控，以实现少人化与长期水下部署；英国潜艇列装专用监测装备，解决供氧管道低温结冰难题，提升空气质量控制系统运行的稳定性……

空气质量控制系统的技术跃迁，不但意味着艇员将拥有更好的生存保障，也是提升潜艇战斗力的一项关键所在。回望潜艇200多年发展历程，空气质量控制系统如何演变至今？未来还将朝着什么方向发展？本期，我们一探究竟。

探索期

从“一根伸向海面的通气软管”起步

潜艇最早面临的挑战，并非如何隐蔽或攻击，而是最基础的生存需求：如何在水下呼吸？潜艇发展初期，空气保障的核心思路始终围绕“借气”与“造气”两大方向。

1801年，法国的“鹦鹉螺号”潜艇在布雷斯特港成功炸沉一艘40吨重的单桅帆船，标志着海战新纪元的开始。这艘小型潜艇的各项性能指标可称得上“简陋”：潜深不到8米，潜航时间不超过5小时，依靠一根伸向海面的通气软管获取空气，同时携带压缩空气作为备用。

真正意义上的密闭循环探索始于19世纪中叶。1844年，法国“贝勒多讷号”潜艇尝试通过生石灰、氯酸钾的化学反应实现供气的自给自足，奠定了“制氧+除碳”的基本技术框架。19世纪中后期，美国“鳄鱼号”潜艇配备了最早的粗制净化装置，虽然简陋，却已具备空气净化与氧气制备的基本功能，成为潜艇空气净化系统的雏形。

这一阶段的空气管理技术，整体上高度依赖外部环境或简易化学反应，设备简陋、可靠性低，仅适用于短时潜航，却是潜艇人员实现深海呼吸过程中最艰难同时也是最坚实的一步。

进入20世纪，潜艇正式成为海军主力装备，潜航时间延长、人员编制增多，除氧气供应与二氧化碳清除问题外，密闭环境中的空气质量问题也日益严峻，在众多污染气体中，又以汽油蒸汽的危害最为棘手。1905年，英国的潜艇就曾因电火花引燃艇内浓度超标的汽油蒸汽而发生爆炸。一战期间，英国皇家海军在潜艇上放几只小白鼠，借助它们在汽油泄漏时的异常反应为艇员提供预警。然而，这种生物监测方式并不可靠。

二战期间，潜艇空气质量控制系统在实战中不断完善，除利用高压氧气瓶组提供氧气外，还在通风排气管路上安装氢氧化锂罐和活性炭罐，用于吸收二氧化碳及其他有害气体。

两次世界大战的实战需求，倒逼潜艇空气质量控制系统从“应急求生”转向“体系化防控”，将有毒气体监测与净化作为技术突破的重点。尽管此时的潜艇空气质量控制系统仍属于被动应对，技术水平有限，但已实现了功能模块化的雏形，为后续长期潜航技术的发展奠定了坚实基础。

成熟期

解决长期水下驻留的核心难题

冷战期间，潜艇迈入核动力时代。核动力技术使潜艇摆脱了对水面充电的依赖，传统的氧气瓶供氧和一次性吸附剂除碳模式已无法满足核潜艇长期潜航需求，空气质量控制系统迎来了“生存保障”向“长期驻留”的革命性升级，并形成了“制氧—除碳—净污”三位一体的核心架构。

电解海水制氧技术，彻底解决了核潜艇长期供氧的核心难题。该系统通过水的电解反应产生氢气和氧气，再将氧气通过专用管路输送到潜艇各个舱室供艇员呼吸，而将产生的氢气收集暂存或排出潜艇。该技术仅依靠水和电力供应就能产生氧气，使潜艇告别了对氧气瓶的依赖。

早期使用的氢氧化锂虽能有效吸收二氧化碳，但不可再生，长期潜航时需要大量储备，可再生利用的吸附除碳技术也在这一时期应运而生，它利用一乙醇胺溶液与二氧化碳在常温下能迅速结合，而在加热处理后又重新分解为一乙醇胺和二氧化碳的特性，实现二氧化碳的集中收集处理和吸附剂的反复利用。这大幅减少了吸附剂的消耗，成为长期潜航不可或缺的关键技术。

潜艇舱室内的有害气体来源复杂，包括设备运行产生的一氧化碳、氢气，涂装挥发、炊事活动产生的有机物等，这些气体在密闭舱室中长期积累会严重危害艇员身体健康。面对这一问题，催化燃烧技术应运而生，特别是以铂系催化剂为核心的新型催化燃烧装置，因在潜艇高湿环境下能够运行稳定、能耗较低，得以在各国潜艇广泛应用。

这一阶段的潜艇空气质量控制系统，成功解决了长期水下驻留的核心难题，使潜艇具备了连续数周甚至数月的水下续航能力，为执行远洋战略任务提供了坚实保障。

前沿期

从“被动净化”全面转向“源头控制”

进入21世纪，随着对人因工程和作战效能研究的不断深入，各国逐渐认识到：舱室空气质量不仅关乎艇员的基本生存，更直接影响他们的决策能力、反应速度和士气。相应地，研发理念也从“被动净化”全面转向“源头控制”，力求让舱内空气无限接近自然环境，为艇员打造舒适、健康的工作和生活空间。

传统电解水制氧装置存在体积大、能耗高、腐蚀性强、噪音大等弊端，为了能更好地适应现代潜艇对隐身性能和空间利用的高要求，新一代制氧技术不断涌现。例如固体聚合物电解质，它相比传统液体电解质不仅体积大幅缩小、能耗显著降低，还避免了电解质腐蚀设备的问题，稳定性和运行效率大幅提升；膜吸收制氧技术也是一种极具潜力的制氧方法，它能够通过选择性渗透膜直接从海水中提取氧气，避免了海水淡化和电解等复杂步骤，具有较强的应用前景。

二氧化碳清除技术的发展，则聚焦于提升吸附效率和改善舱内舒适度两大核心目标，而新型吸附材料的研发则成为技术突破的关键。例如美国计划在新一代“哥伦比亚级”核潜艇上采用介孔二氧化硅吸附材料，对二氧化碳清除效率较现有技术大幅提高，且再生性能优异，可长期稳定运行。

传统有害气体净化装置常采用高温催化燃烧技术，能源消耗巨大的同时，还可能在制冷剂分解过程中产生酸性气体，造成二次污染。新一代净污技术侧重于研发在低温状态下也具有较高吸附能力的吸附剂。比如近年来兴起的金负载二氧化钛催化剂、二氧化铈负载铜锰氧化物催化剂等，已经迅速成为各国潜艇的首选方案。

未来展望

在深海如同在陆地般“自由呼吸”

未来的潜艇空气质量控制系统，将不再是孤立设备的简单堆砌，而是朝着智能化、集成化、绿色化的方向全面发展，让艇员在深海拥有如同在陆地般“自由呼吸”的体验。

智能化技术的发展，让潜艇空气质量控制从“被动响应”转化为“主动预判”。借助大数据分析、人工智能等先进技术，未来的潜艇空气质量控制系统将具备精准预判和主动调控能力。系统将实时收集艇员活动强度、设备运行状态、环境参数等多源数据，运用深度学习算法建立精确的空气质量预测模型，提前洞察潜在的污染风险。例如，根据官兵的训练计划和日常活动安排，自动调节制氧设备的产氧量，确保氧气供应始终与人员需求精准匹配；针对厨房油烟排放、设备舱有害气体泄漏等不同舱室的污染源特点，精准启动相应的净化装置，实现对污染的源头防控和精准治理。通过这种“主动控制”模式，彻底摆脱传统“被动响应”的局限，为艇员创造一个始终清新、健康的呼吸环境。

为满足不同吨位、不同任务类型潜艇的多样化需求，同时提高系统的可靠性和可维护性，未来的潜艇空气质量控制系统可将制氧、净化、监测等功能设备进一步整合为高度集成的小型化模块。在潜艇建造或升级时，根据实际需求灵活选择和组合不同模块，实现快速安装和调试；当设备出现故障时，直接更换对应的功能模块，而无需对整个系统进行大规模拆解，大幅缩短维修时间。

随着环保理念和可持续发展要求的不断深入，未来潜艇空气质量控制系统将更加注重有害气体的“转化”而非单纯的“清除”，从而实现从废气到资源的闭环循环。如通过开发先进的催化转化技术和资源回收工艺，将二氧化碳转化为甲烷、甲醇等燃料或其他化工原料的同时，回收其中蕴含的能量，为潜艇的设备运行提供额外的能源支持；协同处理舱内废水和废气，实现水资源与空气资源的联动循环。这种绿色发展模式，不仅能显著减少潜艇对外部资源的依赖，降低运营成本，还能有效减少污染物排放，为保护海洋环境做出积极贡献。

潜艇空气质量控制系统的发展史，是一部从满足基本生存需求逐步迈向追求极致作战效能的进化史。未来，随着材料科学、能源技术、信息技术等多学科的深度融合创新，潜艇舱内的空气将无限接近自然环境，这座钢铁堡垒也将成为官兵们更加舒心值守的“水下家园”。

（作者：鲍 萍　张佳豪 单位：海军工程大学）