10月14日，日本海上自衛(wèi)隊(duì)最新一艘常規(guī)動(dòng)力潛艇——大鯨級(jí)二號(hào)艇白鯨號(hào)舉行了命名及下水儀式。這是日本第4艘采用國(guó)產(chǎn)鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)的潛艇。在此之前，韓國(guó)海軍也宣布，在最新的KSS-Ⅲ型潛艇第二批建造中將采用國(guó)產(chǎn)鋰離子電池。放棄近年來(lái)風(fēng)頭正勁的不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng)（AIP）而采用鋰離子電池為潛艇提供動(dòng)力，正成為當(dāng)前一些國(guó)家發(fā)展常規(guī)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(lái)常規(guī)潛艇的動(dòng)力新寵？鋰離子電池真的能給常規(guī)潛艇帶來(lái)更強(qiáng)隱蔽性和更遠(yuǎn)航程嗎？請(qǐng)看相關(guān)解讀。
AIP系統(tǒng)，只為讓常規(guī)潛艇在水下潛伏更久
對(duì)以“柴油機(jī)+電動(dòng)機(jī)”為動(dòng)力的常規(guī)潛艇來(lái)說(shuō)，能否在水下潛伏更長(zhǎng)時(shí)間至關(guān)重要。尤其在戰(zhàn)時(shí)，這一能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到常規(guī)潛艇的生死存亡。
第二次世界大戰(zhàn)期間，納粹德國(guó)潛艇部隊(duì)遭到盟軍?？辗礉摿α康某林卮驌簟Ｄ切└〕鏊孢M(jìn)行換氣充電的德軍潛艇，不少被盟軍的反潛機(jī)發(fā)現(xiàn)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(jī)和電量不長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)就消耗殆盡的電池組。于是，技術(shù)人員開始研制不需要空氣就能運(yùn)行的動(dòng)力系統(tǒng)（AIP系統(tǒng)）。
德國(guó)人研制出了早期AIP系統(tǒng)的核心設(shè)備——瓦爾特發(fā)動(dòng)機(jī)。其以過(guò)氧化氫為氧化劑、以煤油為燃料，不需要空氣就能運(yùn)行。但是，瓦爾特發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有得到廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)椋盟鳛橹鲃?dòng)力系統(tǒng)為遠(yuǎn)航潛艇提供推動(dòng)力，必須攜帶大量過(guò)氧化氫。當(dāng)時(shí)潛艇的排水量和內(nèi)部空間有限，這顯然難以實(shí)現(xiàn)。加上過(guò)氧化氫本身易爆，對(duì)潛艇安全威脅大，最終德國(guó)海軍并沒有廣泛應(yīng)用，而是采用了更加簡(jiǎn)單、可靠的通氣管裝置，使?jié)撏г跐撏R深度就可以用通氣管向柴油機(jī)供氧，并為蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間水下潛航的目的。
隨著反潛技術(shù)發(fā)展，伸出水面的通氣管漸漸成為反潛機(jī)對(duì)海搜索雷達(dá)緊盯的目標(biāo)。常規(guī)潛艇蓄電池容量有限，因此不得不頻繁上浮在通氣管狀態(tài)下航行并充電，這更增大了潛艇暴露的風(fēng)險(xiǎn)。
20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)師借用航天新技術(shù)，為潛艇裝上了燃料電池，并研制了613E型試驗(yàn)潛艇。燃料電池是一種電化學(xué)裝置，利用氧和氫為燃料，在特定燃燒室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和電解，通過(guò)直流電直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)潛艇航行。
這種設(shè)計(jì)也有缺陷。它使?jié)撏У碾姵嘏摮叽缱兊煤艽螅由纤么呋瘎┦治ｋU(xiǎn)，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)師只能將4具圓柱形電池艙呈半埋狀態(tài)布置在潛艇中段甲板上。613E型潛艇是戰(zhàn)后第一種裝有AIP動(dòng)力系統(tǒng)的試驗(yàn)潛艇，其最高紀(jì)錄是在水下待14天。
20世紀(jì)80年代，更多國(guó)家開始重視AIP動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)，呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。
此時(shí)，AIP系統(tǒng)被劃分為小型核動(dòng)力裝置AIP系統(tǒng)和非核AIP系統(tǒng)兩大類。其中，小型核動(dòng)力裝置AIP系統(tǒng)在維護(hù)使用方面與潛艇核動(dòng)力系統(tǒng)并無(wú)二致，因此成了高不成低不就的雞肋，除科研外并沒有在戰(zhàn)斗潛艇上廣泛使用。各國(guó)技術(shù)人員把精力和資源主要投向非核AIP系統(tǒng)的研制中。
非核AIP系統(tǒng)又分為電化學(xué)AIP和熱機(jī)型AIP。613E型潛艇的燃料電池就是電化學(xué)AIP系統(tǒng)的主要組成部分，俄羅斯的阿穆爾級(jí)潛艇、德國(guó)的212型潛艇、韓國(guó)KSS-Ⅱ（214型）潛艇等采用的是現(xiàn)代化的電化學(xué)AIP技術(shù)，加拿大的維多利亞級(jí)潛艇也加裝了類似的AIP系統(tǒng)。熱機(jī)型AIP系統(tǒng)類型很多，主要包括斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP、閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP、閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)等。其中，比較著名的是瑞典哥特蘭級(jí)潛艇上首次使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP系統(tǒng)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)氣缸內(nèi)氫氣或氦氣等介質(zhì)以冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個(gè)周期來(lái)循環(huán)輸出動(dòng)力，因此又被稱為熱氣機(jī)。這些膨脹壓縮動(dòng)作都在氣缸內(nèi)完成，因?yàn)椴恍枰癫裼蜋C(jī)等內(nèi)燃機(jī)那樣與大氣交換氣體，不僅安全高效、噪音更低，而且更環(huán)保、維修成本也低。除了哥特蘭級(jí)潛艇，日本蒼龍級(jí)潛艇也使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)。
近年來(lái)，越來(lái)越多的國(guó)家開始研制和購(gòu)置帶有AIP系統(tǒng)的潛艇，或者對(duì)在建潛艇嵌加AIP獨(dú)立艙段。AIP系統(tǒng)幾乎成了新型常規(guī)動(dòng)力潛艇的標(biāo)配。
持續(xù)改進(jìn)，諸多方案優(yōu)點(diǎn)喜人、缺點(diǎn)煩人
AIP系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是有助于常規(guī)動(dòng)力潛艇在水下較長(zhǎng)時(shí)間地潛伏，一些裝有該系統(tǒng)的潛艇水下續(xù)航能力可達(dá)20天。和傳統(tǒng)柴電常規(guī)潛艇相比，使用AIP系統(tǒng)后，潛艇的行動(dòng)隱蔽性更強(qiáng)。
然而，AIP系統(tǒng)并非完美無(wú)瑕。事實(shí)上，該系統(tǒng)也可以說(shuō)是問題多多。最主要的問題是各國(guó)研制的AIP系統(tǒng)輸出功率都相對(duì)不足，尚未達(dá)到取代常規(guī)潛艇柴電主動(dòng)力的程度。目前已裝艇或計(jì)劃裝艇的AIP系統(tǒng)通常都只是作為輔助動(dòng)力來(lái)使用。從本質(zhì)上講，這些潛艇使用的是AIP系統(tǒng)和傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組成的混合推進(jìn)系統(tǒng)。
常規(guī)潛艇在水面或者通氣管狀態(tài)下航行時(shí)，仍然使用柴油機(jī)為蓄電池組充電和航行，水下高速航行時(shí)則由蓄電池提供動(dòng)力。只有在水下低速巡航狀態(tài)時(shí)，才由AIP系統(tǒng)為蓄電池提供電力。也就是說(shuō)，AIP系統(tǒng)并不能給戰(zhàn)斗狀態(tài)的潛艇高速行駛帶來(lái)更多好處。
同時(shí)，安裝AIP系統(tǒng)要付出的代價(jià)不小——潛艇不得不專門增加一個(gè)容納艙段，進(jìn)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(jí)潛艇為例，其所裝斯特林MK2發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)功率較小，該艇不得不安裝多達(dá)4臺(tái)斯特林MK2發(fā)動(dòng)機(jī)和相應(yīng)輔助輪機(jī)裝置，這使?jié)撏У乃屡潘吭鲋?200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(fā)動(dòng)機(jī)也只能讓該級(jí)潛艇維持低速航行。
燃料電池技術(shù)也存在類似問題。采用該技術(shù)后，潛艇內(nèi)部無(wú)需增加回轉(zhuǎn)機(jī)械，且具有效率高、無(wú)噪音、排溫低、信號(hào)特征小等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜、燃料儲(chǔ)備占據(jù)空間較大等問題仍然無(wú)法解決，安全性相對(duì)較差。其他閉式循環(huán)柴油機(jī)AIP、閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP設(shè)計(jì)方案同樣有不少問題，不足以充當(dāng)潛艇主動(dòng)力系統(tǒng)。
各國(guó)現(xiàn)役常規(guī)動(dòng)力潛艇大部分仍以鉛酸蓄電池作為水下主動(dòng)力電源。AIP潛艇由于將大量空間留給AIP動(dòng)力系統(tǒng)，留給電池艙的空間有限。因此，這使?jié)撏?duì)具有高能量密度和大電流放電能力的動(dòng)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(shí)其大電流放電特性差，制約著潛艇高速機(jī)動(dòng)能力提升，此外充電效率低、容易發(fā)熱、使用壽命短等問題也增加了潛艇的維護(hù)保養(yǎng)工作量?？梢哉f(shuō)，由于電化學(xué)體系的限制，鉛酸蓄電池存在的這些問題要取得進(jìn)一步突破十分不易。
新的選擇，一些國(guó)家將目光轉(zhuǎn)向鋰離子電池
為解決常規(guī)潛艇的水下續(xù)航力問題，世界各國(guó)開始從借力AIP動(dòng)力系統(tǒng)和鉛酸蓄電池轉(zhuǎn)向?qū)︿囯x子電池的研發(fā)和運(yùn)用。
相對(duì)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(huán)壽命長(zhǎng)、使用維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在智能手機(jī)、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能、無(wú)人車輛等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
潛艇動(dòng)力專家很快注意到鋰離子電池所具有的優(yōu)勢(shì)。日本、德國(guó)、法國(guó)和韓國(guó)等國(guó)家相繼展開潛艇用鋰離子動(dòng)力電池的研發(fā)工作。2018年，日本蒼龍級(jí)潛艇11號(hào)艇凰龍?zhí)栂滤?，它棄用斯特林AIP發(fā)動(dòng)機(jī)，將鋰離子動(dòng)力電池作為水下航行的主動(dòng)力源。目前，日本共有4艘潛艇使用了鋰離子動(dòng)力電池，此后其建造的大鯨級(jí)潛艇計(jì)劃全部采用鋰離子動(dòng)力電池。
據(jù)介紹，日本這4艘潛艇改用鋰離子電池后，實(shí)現(xiàn)了電池供電續(xù)航里程翻倍，電池充電時(shí)間減半。
韓國(guó)也于2018年開始研制潛艇用鋰離子動(dòng)力電池。韓華公司負(fù)責(zé)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(guó)相關(guān)媒體稱，裝備鋰離子動(dòng)力電池后，KSS-Ⅲ型潛艇的高速機(jī)動(dòng)續(xù)航里程將提升300%，電池壽命翻倍。德國(guó)和法國(guó)也在20世紀(jì)90年代開始了潛艇用鋰離子動(dòng)力電池的研制，但并未將其作為潛艇主動(dòng)力系統(tǒng)，而是與AIP系統(tǒng)配合使用，在214型、短鰭梭魚級(jí)等出口型常規(guī)潛艇方案中有所體現(xiàn)，目前還未批量裝艇。
由此可見，鋰離子動(dòng)力電池在提高常規(guī)潛艇續(xù)航力、高速機(jī)動(dòng)性和隱蔽性等方面有相當(dāng)大的潛力。至于其今后是否會(huì)成為各國(guó)常規(guī)潛艇普遍采用的主動(dòng)力系統(tǒng)，仍需要一段時(shí)間來(lái)證明。
