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水下作战又有了新动力系统 走进锂电潜艇的前世今生

2018-12-11 03:01 来源:科技日报 参与互动 
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世界第一艘以锂离子电池作为动力的潜艇“凰龙”号

  水下作战又有了新动力系统

  走进锂电潜艇的前世今生

  连日来,很多人的朋友圈都被日本最新的锂离子聚合物电池潜艇刷屏。近日,日本第11艘苍龙级“凰龙”号常规动力潜艇下水,这也是世界上第一艘使用锂离子电池作为动力的潜艇。

  早在2014年日本海上自卫队就宣布,2015年开工的苍龙级潜艇将革命性地采用锂离子电池。当时有国外媒体报道,日本苍龙级潜艇在换装锂离子电池的同时还将取消原有的AIP系统,即只保留锂电池组+柴油机的动力组合。对于这种革命性的设想,当时的观点却不甚统一,很多人对这种颇为激进的设计心存疑虑。“凰龙”号的下水使这种激进的设计变为现实。

  瞭望智库特约研究员易芳指出:“锂电潜艇是锂离子聚合物电池成熟情况下,作为改进AIP潜艇电力推进分系统的一种方式,但绝不是唯一先进的方式。”

  蓄电池性能制约催生了AIP潜艇

  潜艇自问世以来就以其神鬼莫测的隐蔽性、较强的突击性,成为各个国家积极发展的海战利器。然而早期的潜艇却和人们的设想相去甚远。在人们的设想里,潜艇应该和科幻小说《海底两万里》中的“鹦鹉螺”号那般,能长时间航行于大洋深处。但技术却限制了人们的想象力,一直到二战期间,各国军队使用的还是19世纪末期科学家们发明的柴电动力潜艇,即水面航行时使用内燃机,在水下航行时则使用蓄电池和电动机。而这种设计一直到今天仍然有广泛的市场。

  由于电池技术的限制,柴电潜艇只能在水下航行10—100个小时,就必须充电。柴油机的运行离不开氧气,因此必须浮上水面,或者采用通气管。这样一来,其隐蔽性就大大降低。为此,人们也一直在寻找各种方式,来突破这一制约,以核能作为动力就是选择之一。美国人所设计的世界上第一艘核潜艇就使用了“鹦鹉螺”号的名字。但是限于各种制约,核潜艇始终是少数国家的专利。

  对于适用范围更广的常规动力潜艇来说,究竟有没有更好的解决办法呢?

  上百年来,由于电池技术进步缓慢,常规动力潜艇一直主要使用着铅酸电池。铅酸电池性能稳定可靠,使用的原材料易于获得且廉价,本身结构简单易于维护。但随着电池技术的进步,铅酸电池的缺点也开始被放大——其体积和重量太大,而储电比能却又很低,而且充满电很费时间,也就是说比起锂电池等后来者其能量密度比较低。

  因此,要增加柴电潜艇水下航行的持续性和隐蔽性,提高电池的储电能力和效率就变得非常重要。但电池技术的进步显然不能满足军事需求,由此人们研发了不依赖空气的动力推进系统——AIP系统。

  易芳介绍:“早期的AIP潜艇,如‘斯特林’发动机AIP动力核潜艇,主要采用热力发动机+铅酸蓄电池组的方式作为电力推进分系统,虽然提高了水下安全性能,但降低了水下航速,增加了系统复杂性。因此,后来又有了闭式循环柴油机动力系统、闭式循环蒸汽轮机动力系统和燃料电池动力系统等方式出现。”

  铅酸电池必将被新式电池取代

  AIP潜艇从一定程度上降低了潜艇对蓄电池的要求,但这不意味着潜艇就不需要更好的电池。毕竟,相较柴电潜艇,AIP潜艇的系统更为复杂。

  “凰龙”号在维持规格和航速不变的情况下,使用锂离子电池替换掉整个“斯特林”发动机的AIP动力系统和铅酸蓄电池。

  “凰龙”号所采用的这种设计使得当前最热门的AIP潜艇有了新的替代方式,从技术原理上看,又变回了柴电潜艇。

  “铅酸电池存在一系列问题,而且根据其工作原理改进的空间十分有限,而且还需要额外的发动机供电,占用了潜艇过多的空间,因此一旦出现更成熟电池技术,例如锂离子聚合物电池,就必然会被取代。”易芳说。

  锂电池其实早已在其中武器系统中应用,涵盖了陆海空天等诸多兵种,比如军用通信设备、水下机器人、无人侦察机等。军用设备电源的能量密度、续航时间、体积重量等是影响作战能力的重要因素,而锂电池具有的能量密度高、体积小、重量轻、循环寿命长等优势,成为军用设备电源的首选。

  易芳指出,“由于潜艇潜航时对电力系统的要求很高,一种电池技术如果没有成熟是不敢贸然使用的,因为一旦供电中断必然导致潜艇安全事故。因此之前的常规潜艇主要使用成熟的铅酸蓄电池,直到锂离子聚合物电池等电池技术逐渐成熟之后,才开始采用新的替代方案。”

  锂电潜艇出现属于水到渠成

  因常规动力潜艇具备独特优势,各国技术人员一直在进行不断地设计改进,包括不断尝试各种新式的电池技术。

  除了锂电池之外,技术人员还使用过银锌电池。上世纪50年代,美国用“大青花鱼”号常规动力高速试验潜艇试验过银锌电池。有文章指出,1500吨排水量的潜艇使用了220吨电池,可以让1500吨的潜艇以33节的速度活动1.5小时,这是首次常规潜艇达到核潜艇的运动能力。不过银锌电池价格过于昂贵,制造这些电池的银锭还是从美国国库中借出来的。

  当前,AIP潜艇家族中还有一种燃料电池AIP潜艇,然而燃料电池潜艇和日本的锂电潜艇有着本质区别。燃料电池属于一次电池,它可以把燃料的化学能直接转化为电能,也叫电化学发电器。而蓄电池属于二次电池,需要进行充放电循环,把电能储存起来进行放电。

  “燃料电池是一种自供能的电池技术。这种潜艇只要燃料足够、废弃物排放科学,是可以在水下长期工作,可以认为是一种‘亚核潜艇’。”易芳说,“而锂离子电池是一种蓄电池,需要进行充电。也就是说,锂电潜艇在潜航一段时间以后,也需要上浮至水面,由柴油发电机组系统进行充电,待充电完成后才能继续下潜作业。”

  很多人关心,锂电池已在潜艇及众多武器上得到了应用,那么它未来是否会在战场上广泛应用,或者只是过渡阶段的替代品?未来锂电潜艇会像现在电动汽车取代燃油汽车那样,成为未来常规动力潜艇的首选配置吗?

  对此,易芳认为,“锂电池在常规潜艇上运用只是其中一种成熟方案,是随着相关国家技术成熟的出现而出现,主要由于其具有比容量高、单电池输出电压高、自放电率低、使用寿命长、安全性能好等优点,成为电力推进分系统的一种选择而已,也并非过渡阶段的替代品,是水到渠成的一种必然选择。事实上,钠—氯化镍等新型高能热电池也是可供选择的一种方案。当前,燃料电池AIP潜艇的前景比较好,是未来研究的主要方向,将燃料电池技术与蓄电池技术结合,可以确保常规AIP潜艇更好的安全性。”

  本报记者 张 强

【编辑:白嘉懿】
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