“純電動潛艇”向人類駛來

業界 | 2021-11-05 15:16:46
時間:2021-11-05 15:16:46   /   來源: 解放軍報      /   點擊數:()

10月14日,日本海上自衛隊最新一艘常規動力潛艇——大鯨級二號艇白鯨號舉行了命名及下水儀式。這是日本第4艘采用國產鋰離子電池動力系統的潛艇。在此之前,韓國海軍也宣布,在最新的KSS-Ⅲ型潛艇第二批建造中將采用國產鋰離子電池。放棄近年來風頭正勁的不依賴空氣推進系統(AIP)而采用鋰離子電池為潛艇提供動力,正成為當前一些國家發展常規潛艇的新選擇。

那么,是否可由此推斷鋰離子電池將逐漸成為未來常規潛艇的動力新寵?鋰離子電池真的能給常規潛艇帶來更強隱蔽性和更遠航程嗎?請看相關解讀。

AIP系統,只為讓常規潛艇在水下潛伏更久

對以“柴油機+電動機”為動力的常規潛艇來說,能否在水下潛伏更長時間至關重要。尤其在戰時,這一能力的強弱直接關系到常規潛艇的生死存亡。

第二次世界大戰期間,納粹德國潛艇部隊遭到盟軍??辗礉摿α康某林卮驌?。那些浮出水面進行換氣充電的德軍潛艇,不少被盟軍的反潛機發現并擊沉。

為此,德軍開始考慮如何讓U型潛艇在水下潛伏得更久。制約因素很明顯,那就是需要大量消耗空氣的柴油機和電量不長時間內就消耗殆盡的電池組。于是,技術人員開始研制不需要空氣就能運行的動力系統(AIP系統)。

德國人研制出了早期AIP系統的核心設備——瓦爾特發動機。其以過氧化氫為氧化劑、以煤油為燃料,不需要空氣就能運行。但是,瓦爾特發動機并沒有得到廣泛應用。這是因為,用它作為主動力系統為遠航潛艇提供推動力,必須攜帶大量過氧化氫。當時潛艇的排水量和內部空間有限,這顯然難以實現。加上過氧化氫本身易爆,對潛艇安全威脅大,最終德國海軍并沒有廣泛應用,而是采用了更加簡單、可靠的通氣管裝置,使潛艇在潛望鏡深度就可以用通氣管向柴油機供氧,并為蓄電池充電,實現長時間水下潛航的目的。

隨著反潛技術發展,伸出水面的通氣管漸漸成為反潛機對海搜索雷達緊盯的目標。常規潛艇蓄電池容量有限,因此不得不頻繁上浮在通氣管狀態下航行并充電,這更增大了潛艇暴露的風險。

20世紀70年代,蘇聯設計師借用航天新技術,為潛艇裝上了燃料電池,并研制了613E型試驗潛艇。燃料電池是一種電化學裝置,利用氧和氫為燃料,在特定燃燒室內進行化學反應和電解,通過直流電直接驅動電動機,帶動螺旋槳推動潛艇航行。

這種設計也有缺陷。它使潛艇的電池艙尺寸變得很大,加上所用催化劑十分危險,蘇聯設計師只能將4具圓柱形電池艙呈半埋狀態布置在潛艇中段甲板上。613E型潛艇是戰后第一種裝有AIP動力系統的試驗潛艇,其最高紀錄是在水下待14天。

20世紀80年代,更多國家開始重視AIP動力系統的研發,呈現出百花齊放的態勢。

此時,AIP系統被劃分為小型核動力裝置AIP系統和非核AIP系統兩大類。其中,小型核動力裝置AIP系統在維護使用方面與潛艇核動力系統并無二致,因此成了高不成低不就的雞肋,除科研外并沒有在戰斗潛艇上廣泛使用。各國技術人員把精力和資源主要投向非核AIP系統的研制中。

非核AIP系統又分為電化學AIP和熱機型AIP。613E型潛艇的燃料電池就是電化學AIP系統的主要組成部分,俄羅斯的阿穆爾級潛艇、德國的212型潛艇、韓國KSS-Ⅱ(214型)潛艇等采用的是現代化的電化學AIP技術,加拿大的維多利亞級潛艇也加裝了類似的AIP系統。熱機型AIP系統類型很多,主要包括斯特林發動機AIP、閉式循環柴油機AIP、閉式循環汽輪機AIP系統等。其中,比較著名的是瑞典哥特蘭級潛艇上首次使用的斯特林發動機AIP系統。斯特林發動機通過氣缸內氫氣或氦氣等介質以冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期來循環輸出動力,因此又被稱為熱氣機。這些膨脹壓縮動作都在氣缸內完成,因為不需要像柴油機等內燃機那樣與大氣交換氣體,不僅安全高效、噪音更低,而且更環保、維修成本也低。除了哥特蘭級潛艇,日本蒼龍級潛艇也使用斯特林發動機推進。

近年來,越來越多的國家開始研制和購置帶有AIP系統的潛艇,或者對在建潛艇嵌加AIP獨立艙段。AIP系統幾乎成了新型常規動力潛艇的標配。

持續改進,諸多方案優點喜人、缺點煩人

AIP系統的最大優點是有助于常規動力潛艇在水下較長時間地潛伏,一些裝有該系統的潛艇水下續航能力可達20天。和傳統柴電常規潛艇相比,使用AIP系統后,潛艇的行動隱蔽性更強。

然而,AIP系統并非完美無瑕。事實上,該系統也可以說是問題多多。最主要的問題是各國研制的AIP系統輸出功率都相對不足,尚未達到取代常規潛艇柴電主動力的程度。目前已裝艇或計劃裝艇的AIP系統通常都只是作為輔助動力來使用。從本質上講,這些潛艇使用的是AIP系統和傳統柴油發電機組、蓄電池組成的混合推進系統。

常規潛艇在水面或者通氣管狀態下航行時,仍然使用柴油機為蓄電池組充電和航行,水下高速航行時則由蓄電池提供動力。只有在水下低速巡航狀態時,才由AIP系統為蓄電池提供電力。也就是說,AIP系統并不能給戰斗狀態的潛艇高速行駛帶來更多好處。

同時,安裝AIP系統要付出的代價不小——潛艇不得不專門增加一個容納艙段,進一步加大了潛艇的排水量,也降低了潛艇最大航速。以日本蒼龍級潛艇為例,其所裝斯特林MK2發動機單臺功率較小,該艇不得不安裝多達4臺斯特林MK2發動機和相應輔助輪機裝置,這使潛艇的水下排水量增至4200噸左右,一度成為全世界排水量最大的柴電潛艇。即便如此,斯特林發動機也只能讓該級潛艇維持低速航行。

燃料電池技術也存在類似問題。采用該技術后,潛艇內部無需增加回轉機械,且具有效率高、無噪音、排溫低、信號特征小等優點,但成本較高、系統復雜、燃料儲備占據空間較大等問題仍然無法解決,安全性相對較差。其他閉式循環柴油機AIP、閉式循環汽輪機AIP設計方案同樣有不少問題,不足以充當潛艇主動力系統。

各國現役常規動力潛艇大部分仍以鉛酸蓄電池作為水下主動力電源。AIP潛艇由于將大量空間留給AIP動力系統,留給電池艙的空間有限。因此,這使潛艇對具有高能量密度和大電流放電能力的動力電池有了更迫切的需求。

目前,鉛酸蓄電池能量密度較低,潛艇往往需要攜帶大量電池組,同時其大電流放電特性差,制約著潛艇高速機動能力提升,此外充電效率低、容易發熱、使用壽命短等問題也增加了潛艇的維護保養工作量??梢哉f,由于電化學體系的限制,鉛酸蓄電池存在的這些問題要取得進一步突破十分不易。

新的選擇,一些國家將目光轉向鋰離子電池

為解決常規潛艇的水下續航力問題,世界各國開始從借力AIP動力系統和鉛酸蓄電池轉向對鋰離子電池的研發和運用。

相對于鉛酸電池,鋰離子電池具有能量密度高、充放電特性好、循環壽命長、使用維護簡單等優勢,目前已經在智能手機、電動汽車、電網儲能、無人車輛等領域廣泛應用。

潛艇動力專家很快注意到鋰離子電池所具有的優勢。日本、德國、法國和韓國等國家相繼展開潛艇用鋰離子動力電池的研發工作。2018年,日本蒼龍級潛艇11號艇凰龍號下水,它棄用斯特林AIP發動機,將鋰離子動力電池作為水下航行的主動力源。目前,日本共有4艘潛艇使用了鋰離子動力電池,此后其建造的大鯨級潛艇計劃全部采用鋰離子動力電池。

據介紹,日本這4艘潛艇改用鋰離子電池后,實現了電池供電續航里程翻倍,電池充電時間減半。

韓國也于2018年開始研制潛艇用鋰離子動力電池。韓華公司負責鋰離子電池模塊的研制和艇用化集成,三星SDI公司提供三元聚合鋰離子電池電芯。韓國相關媒體稱,裝備鋰離子動力電池后,KSS-Ⅲ型潛艇的高速機動續航里程將提升300%,電池壽命翻倍。德國和法國也在20世紀90年代開始了潛艇用鋰離子動力電池的研制,但并未將其作為潛艇主動力系統,而是與AIP系統配合使用,在214型、短鰭梭魚級等出口型常規潛艇方案中有所體現,目前還未批量裝艇。

由此可見,鋰離子動力電池在提高常規潛艇續航力、高速機動性和隱蔽性等方面有相當大的潛力。至于其今后是否會成為各國常規潛艇普遍采用的主動力系統,仍需要一段時間來證明。

供圖:陽 明

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圖①:德國212型潛艇;圖②:俄羅斯阿穆爾級潛艇;圖③:韓國KSS-II型潛艇;圖④:加拿大維多利亞級潛艇。資料圖片

標簽:Lucid

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