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                          走進鋰電潛艇的前世今生

                          2018-12-12 09:22 來源:科技日報 參與互動 
                          標簽:冒險家 賭博游戲 顏莊村

                            水下作戰又有了新動力系統
                            走進鋰電潛艇的前世今生

                            世界第一艘以鋰離子電池作為動力的潛艇“凰龍”號

                            本報記者 張 強

                            連日來,很多人的朋友圈都被日本最新的鋰離子聚合物電池潛艇刷屏。近日,日本第11艘蒼龍級“凰龍”號常規動力潛艇下水,這也是世界上第一艘使用鋰離子電池作為動力的潛艇。

                            早在2014年日本海上自衛隊就宣布,2015年開工的蒼龍級潛艇將革命性地采用鋰離子電池。當時有國外媒體報道,日本蒼龍級潛艇在換裝鋰離子電池的同時還將取消原有的AIP系統,即只保留鋰電池組+柴油機的動力組合。對于這種革命性的設想,當時的觀點卻不甚統一,很多人對這種頗為激進的設計心存疑慮。“凰龍”號的下水使這種激進的設計變為現實。

                            瞭望智庫特約研究員易芳指出:“鋰電潛艇是鋰離子聚合物電池成熟情況下,作為改進AIP潛艇電力推進分系統的一種方式,但絕不是唯一先進的方式。”

                            蓄電池性能制約催生了AIP潛艇

                            潛艇自問世以來就以其神鬼莫測的隱蔽性、較強的突擊性,成為各個國家積極發展的海戰利器。然而早期的潛艇卻和人們的設想相去甚遠。在人們的設想里,潛艇應該和科幻小說《海底兩萬里》中的“鸚鵡螺”號那般,能長時間航行于大洋深處。但技術卻限制了人們的想象力,一直到二戰期間,各國軍隊使用的還是19世紀末期科學家們發明的柴電動力潛艇,即水面航行時使用內燃機,在水下航行時則使用蓄電池和電動機。而這種設計一直到今天仍然有廣泛的市場。

                            由于電池技術的限制,柴電潛艇只能在水下航行10—100個小時,就必須充電。柴油機的運行離不開氧氣,因此必須浮上水面,或者采用通氣管。這樣一來,其隱蔽性就大大降低。為此,人們也一直在尋找各種方式,來突破這一制約,以核能作為動力就是選擇之一。美國人所設計的世界上第一艘核潛艇就使用了“鸚鵡螺”號的名字。但是限于各種制約,核潛艇始終是少數國家的專利。

                            對于適用范圍更廣的常規動力潛艇來說,究竟有沒有更好的解決辦法呢?

                            上百年來,由于電池技術進步緩慢,常規動力潛艇一直主要使用著鉛酸電池。鉛酸電池性能穩定可靠,使用的原材料易于獲得且廉價,本身結構簡單易于維護。但隨著電池技術的進步,鉛酸電池的缺點也開始被放大——其體積和重量太大,而儲電比能卻又很低,而且充滿電很費時間,也就是說比起鋰電池等后來者其能量密度比較低。

                            因此,要增加柴電潛艇水下航行的持續性和隱蔽性,提高電池的儲電能力和效率就變得非常重要。但電池技術的進步顯然不能滿足軍事需求,由此人們研發了不依賴空氣的動力推進系統——AIP系統。

                            易芳介紹:“早期的AIP潛艇,如‘斯特林’發動機AIP動力核潛艇,主要采用熱力發動機+鉛酸蓄電池組的方式作為電力推進分系統,雖然提高了水下安全性能,但降低了水下航速,增加了系統復雜性。因此,后來又有了閉式循環柴油機動力系統、閉式循環蒸汽輪機動力系統和燃料電池動力系統等方式出現。”

                            鉛酸電池必將被新式電池取代

                            AIP潛艇從一定程度上降低了潛艇對蓄電池的要求,但這不意味著潛艇就不需要更好的電池。畢竟,相較柴電潛艇,AIP潛艇的系統更為復雜。

                            “凰龍”號在維持規格和航速不變的情況下,使用鋰離子電池替換掉整個“斯特林”發動機的AIP動力系統和鉛酸蓄電池。

                            “凰龍”號所采用的這種設計使得當前最熱門的AIP潛艇有了新的替代方式,從技術原理上看,又變回了柴電潛艇。

                            “鉛酸電池存在一系列問題,而且根據其工作原理改進的空間十分有限,而且還需要額外的發動機供電,占用了潛艇過多的空間,因此一旦出現更成熟電池技術,例如鋰離子聚合物電池,就必然會被取代。”易芳說。

                            鋰電池其實早已在其中武器系統中應用,涵蓋了陸海空天等諸多兵種,比如軍用通信設備、水下機器人、無人偵察機等。軍用設備電源的能量密度、續航時間、體積重量等是影響作戰能力的重要因素,而鋰電池具有的能量密度高、體積小、重量輕、循環壽命長等優勢,成為軍用設備電源的首選。

                            易芳指出,“由于潛艇潛航時對電力系統的要求很高,一種電池技術如果沒有成熟是不敢貿然使用的,因為一旦供電中斷必然導致潛艇安全事故。因此之前的常規潛艇主要使用成熟的鉛酸蓄電池,直到鋰離子聚合物電池等電池技術逐漸成熟之后,才開始采用新的替代方案。”

                            鋰電潛艇出現屬于水到渠成

                            因常規動力潛艇具備獨特優勢,各國技術人員一直在進行不斷地設計改進,包括不斷嘗試各種新式的電池技術。

                            除了鋰電池之外,技術人員還使用過銀鋅電池。上世紀50年代,美國用“大青花魚”號常規動力高速試驗潛艇試驗過銀鋅電池。有文章指出,1500噸排水量的潛艇使用了220噸電池,可以讓1500噸的潛艇以33節的速度活動1.5小時,這是首次常規潛艇達到核潛艇的運動能力。不過銀鋅電池價格過于昂貴,制造這些電池的銀錠還是從美國國庫中借出來的。

                            當前,AIP潛艇家族中還有一種燃料電池AIP潛艇,然而燃料電池潛艇和日本的鋰電潛艇有著本質區別。燃料電池屬于一次電池,它可以把燃料的化學能直接轉化為電能,也叫電化學發電器。而蓄電池屬于二次電池,需要進行充放電循環,把電能儲存起來進行放電。

                            “燃料電池是一種自供能的電池技術。這種潛艇只要燃料足夠、廢棄物排放科學,是可以在水下長期工作,可以認為是一種‘亞核潛艇’。”易芳說,“而鋰離子電池是一種蓄電池,需要進行充電。也就是說,鋰電潛艇在潛航一段時間以后,也需要上浮至水面,由柴油發電機組系統進行充電,待充電完成后才能繼續下潛作業。”

                            很多人關心,鋰電池已在潛艇及眾多武器上得到了應用,那么它未來是否會在戰場上廣泛應用,或者只是過渡階段的替代品?未來鋰電潛艇會像現在電動汽車取代燃油汽車那樣,成為未來常規動力潛艇的首選配置嗎?

                            對此,易芳認為,“鋰電池在常規潛艇上運用只是其中一種成熟方案,是隨著相關國家技術成熟的出現而出現,主要由于其具有比容量高、單電池輸出電壓高、自放電率低、使用壽命長、安全性能好等優點,成為電力推進分系統的一種選擇而已,也并非過渡階段的替代品,是水到渠成的一種必然選擇。事實上,鈉—氯化鎳等新型高能熱電池也是可供選擇的一種方案。當前,燃料電池AIP潛艇的前景比較好,是未來研究的主要方向,將燃料電池技術與蓄電池技術結合,可以確保常規AIP潛艇更好的安全性。”

                          【編輯:左盛丹】
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