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网王纯纯欲动:锂电池潜艇将引领未来水下力量发展

军工圈 发布时间:2019-01-07 阅读:

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近日,在常规动力潜艇领域掀起了一场新的风暴。2018年10月初,日本宣布第一艘由锂电池驱动的苍龙级潜艇下水,11月中旬韩国方面也透出消息,“韩国研制的下一代潜艇将采用锂电池,性能超群”。据韩国消息人士称,一旦2024年该潜艇建造完成,将超过日本的苍龙级成为世界最大的常规动力潜艇。

面对这样的态势,已经有不少美国防务媒体和专家建议,美国海军也应该拿出一部分精力和资金,重新启动以锂电池潜艇为代表的常规动力潜艇研究。锂电池潜艇到底有什么优势?其技术劣势又在哪?此前风靡世界的不依赖空气推进(AIP)潜艇技术会被完全取代吗?

 日韩争先恐后

2018年10月4日,日本神户造船厂不只是下水了一艘新潜艇凰龙号,而且似乎正在拉开潜艇战争的一个新时代序幕——用我们日常手机和笔记本电脑使用的锂电池技术驱动潜艇。凰龙号是第一艘使用锂电池的大型潜艇。

凰龙号是日本苍龙级潜艇的第11艘,对于一艘常规动力潜艇来说,它的尺寸并不小。艇长84米,艇上成员65人,潜入水下时排水量4200吨。在许多方面,苍龙级的能力都堪称常规动力潜艇的典型代表:配备6个533毫米的鱼雷发射管,可以发射多达30枚89型鱼雷或鱼叉反舰导弹,最高水下速度20节。虽然6100海里的航程远远落后于同行,但600米或更大的潜水深度远高于平均水平,甚至超过了一些反潜鱼雷的冲击深度。

凰龙号造价约5.36亿美元,只是美国弗吉尼亚级核动力攻击潜艇成本的1/4~1/6。

作为商业锂电池领域的另一个强国,韩国也不甘落后。11月17日,韩国国防采办项目管理局“下一代潜艇工程”项目主管丁一植少将在接受美国防务新闻网站采访时称,韩国自行设计制造的新型柴电动力潜艇首艇已于2018年9月下水,另外两艘将于2024年前建造完成。该型柴电动力潜艇是韩国海军下一代攻击潜艇,将安装由全球最大锂电池供应商韩国三星公司研发的锂电池。该项目发布的资料显示,新型锂电池为潜艇专用,替换铅酸电池后可将潜艇水下作战时间延长1倍。

据悉,韩国这款潜艇专用锂电池的研发工作持续近30个月,目前已通过技术评估,向武器平台实用化整合迈出了重要一步。丁一植声称:“韩国公司拥有世界上最出色的锂电池技术。我们向研发工作提出的要求之一,就是将安全和可靠置于首位。为此,甚至不惜降低电池性能,确保其达到更高、更严格的安全标准。”不过,出于保密原因,丁一植没有透露锂电池的性能数据,但表示该电池在定型前经历了模拟爆炸、水淹、火烧以及极寒极热等苛刻恶劣环境的考验。

虽然在韩国之前,日本已将锂电池应用于苍龙级潜艇上,但韩国人认为“抢先”并不代表“领先”。丁一植称,“韩国的锂电池技术会比竞争对手更好”。日韩争锋的结果如何,让我们拭目以待。

技术优势明显

现代常规动力潜艇通常使用电力来转动螺旋桨提供动力,并为其作战系统提供能量。这种电力由柴油发动机和发电机产生,并存储在数百个铅酸电池中。然而,柴油发动机需要消耗潜艇的空气供应,迫使潜艇不得不周期性地浮出水面,或者靠近水面浮潜,然后在“暴露时期”给电池充电,这就使潜艇更容易被侦察并遭到打击。

此外,当前常规动力潜艇的发电机会产生相当大的噪音。因此,靠近敌军位置航行的潜艇,可能需要关闭柴油发动机并纯粹依靠电池供电。

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蒼龙级潜艇
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韩国KSS-Ⅲ型潜艇应用了锂电池技术

但是一艘潜艇的电池消耗速度非常快。在最快航行速度(通常约20节)条件下,目前的常规动力潜艇将在1~2个小时内耗尽电池的电能。在5~10节的可持续巡航速度下,续航时间可延长至几天。解决这个问题的一种方法是使用核电,这样不但能提供接近无限的水下持久性和允许潜艇以更高的速度航行,而且比柴油发动机更安静。然而,核潜艇并不能像纯粹依靠电池运行的常规动力潜艇那样实现极低的噪音,也无法在运行中关闭反应堆。更重要的是,核潜艇的成本是纯电池动力常规潜艇的4~6倍。即使对于能获得核反应堆技术的国家来说,用核潜艇进行短程巡逻也是“奢侈”的。

在过去20年中,常规动力潜艇的进步一直集中在采用各种更安静和更持久的AIP方案来提供动力。此前,苍龙级已是一种非常现代化的常规动力潜艇,在10多年前投入使用。作为亲潮级潜艇的替代者,苍龙级并非小型潜艇,是日本自二战结束以来建造的最大型潜艇,具有“X”尾舵配置,可在狭窄的沿海环境中实现极佳的机动性。

如今,苍龙级潜艇有近10艘处于部署状态,均采用瑞典斯特林发动机AIP技术。日本是一个拥有漫长而复杂海岸线的岛国,需要利用潜艇巡逻其领海并保护海岸安全。基于斯特林发动机的AIP技术经过验证且经济实惠,与苍龙级的大尺寸和充足的燃料储存器配合使用,可以满足日本海上自卫队的需求。

AIP潜艇可以比核潜艇更安静地运行,并且在需要浮出水面之前可以保持在水下航行数周时间,不过条件是只有在以4~6节的低速行驶时。然而,这种AIP系统的缺点源于膨胀性和用于操作它们的挥发性流体所带来的风险。所以,日本希望在不失去AIP技术优势的情况下,又不完全依赖AIP技术。如此,既可腾出空间发展其他能力,还可简化未来潜艇的设计、建造和维护。最重要的是,这种新配置会比大多数采用AIP系统的潜艇在航行时更加安静。

这种想法在改进型苍龙级潜艇中得以实现。设计人员通过安装数千个锂电池、强大的柴油发动机和发电机,以及大型排气和进气口堆叠,将这一想法变成了现实。这个概念还包括一个新的动力处理系统,可以处理高功率负载,并且优化效率。

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凰龙号锂电池潜艇构造图
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凰龙号近景

与传统的铅酸电池相比,锂电池具有许多优势。例如,即使在充电不足时也能保持输出;比铅酸电池更轻;可以非常快速地完成充电;可以储存更多能量。锂电池可以80%~90%的效率释放能量,而铅酸电池的能量释放效率大约为60%~70%。

据报道,凰龙号采用的672锂电池模块的电池寿命,是之前改进中的480铅酸电池的2倍,这意味着它可以在不得不浮出水面之前,进行更大范围的巡航。此外,可以更快地为电池充电,意味着潜艇在给电池充电时的风险期更短。根据计算,更换锂电池的潜艇充电时间可从2.7小时减少到1.4小时。当然,锂电池的成本更高,达到9700万美元,而铅酸电池的成本为1300万美元。

此外,与AIP潜艇相比,锂电池潜艇的整体推进系统设计将不那么复杂和笨重,更长的电池寿命将使潜艇指挥官更灵活地使用更多的电力,实施更长时间的关闭发电机的超静音潜航,或者更长时间的高速机动。不仅如此,锂电池还可以根据需要提供大量输出,与运行中的AIP系统相比,可以让潜艇快速下降至水下。总的来说,如果仅就短程巡逻而言,锂电池潜艇可能比AIP潜艇更有用。

    技术缺点得以克服

1888年,西班牙建造的佩拉尔号小型潜艇是世界上最早的电力推进潜艇之一。在一战前,大多数潜艇都是仅靠电池供电。为什么之后纯电动潜艇一度不被看好?原因在于其存在一些技术能力上的限制。同样,许多人对锂电池技术运用于潜艇也存在担心。

2013年1月7日,由于锂电池过热,日本航空公司一架由东京飞抵波士顿的波音787客机下客数分钟后辅助动力系统电瓶组件起火,客舱内冒出烟雾。同样是锂电池,使三星Note7手机频频发生自燃而被列为危险品。

显然,锂电池容易失控和燃烧的危险性对于装有数百个锂电池的潜艇来说,是一个噩梦般的隐患!一旦锂电池失控燃烧,立刻会产生非常高的热量,释放有毒烟雾并排放出导电尘埃,传统方法很难扑灭它们。事实上,2008年美国海豹特种部队的运输器迷你潜艇的锂电池就曾发生着火。这就是锂电池技术为何在商业中使用这么长时间,却迟迟没有在大型潜艇上采用的症结所在。

为了解决这个风险,日本投入多年努力和数十亿美元用于技术攻关。锂电池技术供应商与日本海上自卫队合作,通过构建更大的锂电池矩阵来克服这些问题,这些基质具有增强的边界化学性质,稳定性更好。供应商还进行了广泛的短路、盐水侵入、跌落和冲击测试,以证明锂电池适合潜艇的应用。此外,还将在先进的苍龙级潜艇上安装专门的灭火系统,以便在发生火灾时迅速自动消除火灾。这些措施使锂电池拥有了更高的安全性和可靠性。据报道,日本测试配置时非常严格,考虑到了要面临的各种高压力情况。凰龙号的下水表明,日本对锂电池改进后的可操作性、安全性能满意。

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美国海军洛杉矶级攻击核潜艇SSN-700达拉斯号

    市场前景被看好 

在未来的道路上,作为世界上最好的两种常规潜艇动力方案,锂电池与AIP技术很可能被组合配置在潜艇中,从而为用户提供两全其美的产品。例如,锂电池和燃料电池组合配对,可以产生功能强大、样式众多的潜艇,具有极高的持续行动能力、低噪音、更快的冲刺速度。

有消息称,日本正在做技术尝试,第7艘苍龙级很有可能与早期型号中的斯特林发动机组合使用鋰电池。这艘采用锂电池配置的潜艇,可能是作为与之前采用AIP配置的苍龙级之间的桥梁,也或许作为技术演示,用于在潜艇上部署较小规模的新电池。川崎重工将使用锂电池建造第12艘苍龙级潜艇,此后日本将开始开发下一代锂电池潜艇。此外,一些消息人士透露,早期采用斯特林AIP动力的苍龙级潜艇也可能升级为锂电池潜艇。

通过新苍龙级潜艇的配置,日本有可能树立自己“优秀的攻击型潜艇建造者”的形象,提升自己在新型常规动力潜艇技术领域的世界领先地位。如果该型号被证明是可靠和安全的,这可能会带动可观的出口。

有传言称澳大利亚重新对苍龙级潜艇抱以非常大的兴趣。2016年,澳大利亚在选择下一代常规动力潜艇时最后放弃了日本的苍龙级,转而选择了法国梭鱼级,计划建造12艘以替代现有的柯林斯级潜艇。然而,在这个项目的合作程度上法国与澳大利亚存在分歧:澳大利亚希望能有更多的技术转移方面的合作,巴黎和堪培拉政府的变化都使这一安排受到质疑。与日本对潜艇的需求相比,澳大利亚潜艇需要远离本土水域进行巡逻,如果以苍龙级为基础为澳大利亚设计潜艇,需要加大潜艇的长度,以便容纳更多的燃料和更多的船员住宿空间。

无论如何,日本部署技术可靠的锂电池潜艇,是过去20年来实用型常规动力潜艇技术迎来第二次重大飞跃的标志。

    美国悄然心动

几十年来,虽然美国海军一直坚持发展更昂贵的核动力攻击型潜艇和战略核潜艇,并不断提升潜艇能力,但仍然无法拥有足够的资金和足够快的建造速度,以实现66艘潜艇舰队的目标。一些美国防务专家认为,鉴于与中国和俄罗斯的安全竞争越来越激烈,锂电池潜艇是美国海军另一个可重新评估的选择。

美国《国家利益》杂志认为,如果日本成功证明锂电池动力这一技术含量更高、价格更便宜的潜艇可以获得与装备AIP系统的潜艇具有相似或更好的性能,且具有与核潜艇相当的声学特征,美国应该采用这项技术。

一些美国专家认为,美国海军完全有理由投资发展常规动力潜艇,因为这种潜艇在过去30年中已经得到快速和充分的技术发展。美军海洋任务众多,有些并不需要核潜艇去完成。如今,一旦锂电池技术得到完善,美国海军可以通过采用日本技术并在获得许可下建造自己的锂电池潜艇,以此来解决攻击型潜艇能力不足的问题。眼下,一艘弗吉尼亚级攻击型核潜艇的价格可以购买约4艘苍龙级潜艇。如果日本的锂电池潜艇投入更广泛的批量生产,其价格将进一步下降。这将是以尽可能低的成本提供尽可能高的技术含量潜艇的解决方案。

但是,更多美国防务人士也指出核心问题所在,美国海军造船业的背后是复杂的政治因素和特殊利益集团,并非简单地出于成本因素考虑。特别是在潜艇建造方面,几十年来美海军盲目不愿偏离其“核惟一”的潜艇战略,可能使得一个合乎逻辑的主张几乎无法实现。

责任编辑:葛  妍