10月14日，日本海上自衛(wèi)隊最新一艘常規(guī)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(chǎn)鋰離子電池動力系統(tǒng)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(chǎn)鋰離子電池。放棄近年來風頭正勁的不依賴空氣推進系統(tǒng)（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(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常規(guī)潛艇的動力新寵？鋰離子電池真的能給常規(guī)潛艇帶來更強隱蔽性和更遠航程嗎？請看相關(guān)解讀。
AIP系統(tǒng)，只為讓常規(guī)潛艇在水下潛伏更久
對以“柴油機+電動機”為動力的常規(guī)潛艇來說，能否在水下潛伏更長時間至關(guān)重要。尤其在戰(zhàn)時，這一能力的強弱直接關(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(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和電量不長時間內(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行的動力系統(tǒng)（AIP系統(tǒng)）。
德國人研制出了早期AIP系統(tǒng)的核心設(shè)備——瓦爾特發(fā)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(fā)動機并沒有得到廣泛應(yīng)用。這是因為，用它作為主動力系統(tǒng)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(nèi)部空間有限，這顯然難以實現(xiàn)。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(yīng)用，而是采用了更加簡單、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供氧，并為蓄電池充電，實現(xiàn)長時間水下潛航的目的。
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對海搜索雷達緊盯的目標。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險。
20世紀70年代，蘇聯(lián)設(shè)計師借用航天新技術(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(nèi)進行化學反應(yīng)和電解，通過直流電直接驅(qū)動電動機，帶動螺旋槳推動潛艇航行。
這種設(shè)計也有缺陷。它使?jié)撏У碾姵嘏摮叽缱兊煤艽?，加上所用催化劑十分危險，蘇聯(lián)設(shè)計師只能將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動力系統(tǒng)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(tǒng)的研發(fā)，呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢。
此時，AIP系統(tǒng)被劃分為小型核動力裝置AIP系統(tǒng)和非核AIP系統(tǒng)兩大類。其中，小型核動力裝置AIP系統(tǒng)在維護使用方面與潛艇核動力系統(tǒng)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(zhàn)斗潛艇上廣泛使用。各國技術(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AIP和熱機型AIP。613E型潛艇的燃料電池就是電化學AIP系統(tǒng)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(xiàn)代化的電化學AIP技術(shù)，加拿大的維多利亞級潛艇也加裝了類似的AIP系統(tǒng)。熱機型AIP系統(tǒng)類型很多，主要包括斯特林發(fā)動機AIP、閉式循環(huán)柴油機AIP、閉式循環(huán)汽輪機AIP系統(tǒng)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(fā)動機AIP系統(tǒng)。斯特林發(fā)動機通過氣缸內(nèi)氫氣或氦氣等介質(zhì)以冷卻、壓縮、吸熱、膨脹為一個周期來循環(huán)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(nèi)完成，因為不需要像柴油機等內(nèi)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(huán)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(fā)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(tǒng)的潛艇，或者對在建潛艇嵌加AIP獨立艙段。AIP系統(tǒng)幾乎成了新型常規(guī)動力潛艇的標配。
持續(xù)改進，諸多方案優(yōu)點喜人、缺點煩人
AIP系統(tǒng)的最大優(yōu)點是有助于常規(guī)動力潛艇在水下較長時間地潛伏，一些裝有該系統(tǒng)的潛艇水下續(xù)航能力可達20天。和傳統(tǒng)柴電常規(guī)潛艇相比，使用AIP系統(tǒng)后，潛艇的行動隱蔽性更強。
然而，AIP系統(tǒng)并非完美無瑕。事實上，該系統(tǒng)也可以說是問題多多。最主要的問題是各國研制的AIP系統(tǒng)輸出功率都相對不足，尚未達到取代常規(guī)潛艇柴電主動力的程度。目前已裝艇或計劃裝艇的AIP系統(tǒng)通常都只是作為輔助動力來使用。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)電機組、蓄電池組成的混合推進系統(tǒng)。
常規(guī)潛艇在水面或者通氣管狀態(tài)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(tài)時，才由AIP系統(tǒng)為蓄電池提供電力。也就是說，AIP系統(tǒng)并不能給戰(zhàn)斗狀態(tài)的潛艇高速行駛帶來更多好處。
同時，安裝AIP系統(tǒng)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(fā)動機單臺功率較小，該艇不得不安裝多達4臺斯特林MK2發(fā)動機和相應(yīng)輔助輪機裝置，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)動機也只能讓該級潛艇維持低速航行。
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)部無需增加回轉(zhuǎn)機械，且具有效率高、無噪音、排溫低、信號特征小等優(yōu)點，但成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜、燃料儲備占據(jù)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(huán)柴油機AIP、閉式循環(huán)汽輪機AIP設(shè)計方案同樣有不少問題，不足以充當潛艇主動力系統(tǒng)。
各國現(xiàn)役常規(guī)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(tǒng)，留給電池艙的空間有限。因此，這使?jié)撏哂懈吣芰棵芏群痛箅娏鞣烹娔芰Φ膭恿﹄姵赜辛烁惹械男枨蟆?
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(fā)熱、使用壽命短等問題也增加了潛艇的維護保養(yǎng)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(zhuǎn)向鋰離子電池
為解決常規(guī)潛艇的水下續(xù)航力問題，世界各國開始從借力AIP動力系統(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(huán)壽命長、使用維護簡單等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在智能手機、電動汽車、電網(wǎng)儲能、無人車輛等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
潛艇動力專家很快注意到鋰離子電池所具有的優(yōu)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(fā)工作。2018年，日本蒼龍級潛艇11號艇凰龍?zhí)栂滤?，它棄用斯特林AIP發(fā)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(jù)介紹，日本這4艘潛艇改用鋰離子電池后，實現(xiàn)了電池供電續(xù)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(guān)媒體稱，裝備鋰離子動力電池后，KSS-Ⅲ型潛艇的高速機動續(xù)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(tǒng)，而是與AIP系統(tǒng)配合使用，在214型、短鰭梭魚級等出口型常規(guī)潛艇方案中有所體現(xiàn)，目前還未批量裝艇。
由此可見，鋰離子動力電池在提高常規(guī)潛艇續(xù)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(guī)潛艇普遍采用的主動力系統(tǒng)，仍需要一段時間來證明。
