電動力魚雷用電池裝置的前景展望

摘要

本文介紹了電動力魚雷的技術(shù)優(yōu)勢及其推進系統(tǒng)對電池裝置的技術(shù)要求，并重點介紹了鉛酸蓄電池、銀鋅電池、鋁/氧化銀電池、鋰亞硫酰氯電池、燃料電池的技術(shù)特點、及其在魚雷領(lǐng)域的應(yīng)用，并針對其特點進行了展望，為相關(guān)科學(xué)研究及工程應(yīng)用提供了必要的理論依據(jù)。電動力魚雷推進系統(tǒng)與熱動力魚雷推進系統(tǒng)相比，在其隱蔽性，航行穩(wěn)定性及發(fā)射深度方面有著其自身的顯著優(yōu)勢。隨著近年來動力電池技術(shù)的不斷優(yōu)化與完善，必定會使電動力魚雷在水中兵器領(lǐng)域大放異彩。

【關(guān)鍵詞】電動力魚雷 鉛酸蓄電池 銀鋅電池鋁/氧化銀電池 鋰/亞硫酰氯電池 燃料電池

第二次世界大戰(zhàn)后，鑒于魚雷在反潛戰(zhàn)、殲滅敵艦艇、破壞敵海上交通線及襲擊敵水下設(shè)施等方面所起的重大作用，特別是在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，潛艇成為制海權(quán)的最大威脅，各國都在發(fā)展適應(yīng)于不同任務(wù)的新型魚雷。同時為了滿足對于新型魚雷不斷提高的性能要求，同時也在探求魚雷的各種新型動力裝置。但總體而言，其發(fā)展趨勢還是遵循熱動力推進系統(tǒng)和電動力推進系統(tǒng)兩大主流技術(shù)領(lǐng)域，其中魚雷的電動力推進方式是使用電池組和電動機來得以實現(xiàn)的。

1電動力魚雷的技術(shù)優(yōu)勢

電動力魚雷推進系統(tǒng)與熱動力魚雷推進系統(tǒng)相比較，存在諸多許多技術(shù)優(yōu)勢：

（1）電動力推進系統(tǒng)在航行時不排出廢氣。因而魚雷無航跡、隱蔽性好;

（2）電動力推進系統(tǒng)的輸出功率不受海水背壓的影響，保證了魚雷在任何深度上航速、航程恒定，便于大深度發(fā)射以及攻擊隱藏于大深度上的潛艇;

（3）電動力推進系統(tǒng)自噪聲較小，有利于聲制導(dǎo)裝置的運作;

（4）電動力推進系統(tǒng)在航行中沒有燃料的消耗，在航行過程中的魚雷總質(zhì)量不變，使得魚雷在航行中的穩(wěn)定性較好。2電動力魚雷用電池裝置的技術(shù)要求

電池作為電動力魚雷的能量來源，其重要性自然不言而喻。電動力魚雷用電池由于其工作環(huán)境特殊，而為了使產(chǎn)品能夠達到要求的性能，對于電池的技術(shù)性能通常有如下要求：

（1）有優(yōu)良的高速率放電性能，有較高的質(zhì)量比功率和體積比功率;

（2）具有高的質(zhì)量比能和體積比能，在規(guī)定的體積和質(zhì)量范圍內(nèi)儲有足夠的能量;

（3）要保證水下航行器在各個環(huán)節(jié)中的安全性。不可有燃燒、爆炸或熱失控等現(xiàn)象發(fā)生：

（4）要求易于裝配及使用，且成本盡可能低廉。

電動力魚雷用動力電池按照其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及總體前景可分為常規(guī)電池、新型電池以及潛力電池。例如：常規(guī)電池包括鉛酸蓄電池、銀鋅電池等，新型電池囊括了鋁/氧化銀電池、鋰/亞硫酰氯電池等，而潛力電池主要為燃料電池等。下文則對上述幾類電池裝置進行逐一介紹及研究展望。

3鉛酸蓄電池于魚雷動力電池的領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

3.1鉛酸蓄電池的技術(shù)特點

鉛酸蓄電池是化學(xué)電源的一種，是一種日常生活中最常見的二次電池，其具有價格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定、技術(shù)成熟度高等一系列優(yōu)勢，目前己在國民經(jīng)濟建設(shè)的各大領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

3.2鉛酸蓄電池于魚雷動力電池的領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

隨著技術(shù)和工藝的不斷進步，魚雷動力用鉛酸蓄電池的性能也在不斷改進和完善。這主要體現(xiàn)在比能量的不斷提高。從第二次世界大戰(zhàn)以來，鉛酸蓄電池的比能量提高了1倍，達到56W-h/kg。使用新型鉛酸蓄電池作為動力推進電源，魚雷可以實現(xiàn)以36kn的速度航行6000m。我國現(xiàn)役某電動力魚雷即是以鉛酸蓄電池為動力電源的。

然而，受制于原理和性能，用于魚雷動力的鉛酸蓄電池在比能方面很難再有大幅度提升的空間。鉛酸蓄電池雖然造價低廉，使用簡單，但是比能量較小，然而，隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的進步，在比能量要求較高的水中兵器領(lǐng)域中鉛酸蓄電池己被逐漸淘汰。

4銀鋅電池于魚雷動力電池的領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

4.1銀鋅電池的技術(shù)特點

銀鋅電池以氧化銀為正極，以鋅為負極，其比能和電動勢均高于鉛酸蓄電池，在民用航空、航天和軍事領(lǐng)域得以大量應(yīng)用，并于20世紀(jì)50年代開始用于魚雷動力，有效提升了其戰(zhàn)術(shù)性能。

銀鋅電池優(yōu)點突出：輸出電壓平穩(wěn)、大電流放電性能優(yōu)異、功率密度和能量密度較高、內(nèi)阻較小;但是缺點也較為明顯，循環(huán)壽命短，價格較高。

4.2銀鋅電池于魚雷動力電池領(lǐng)域的應(yīng)用

銀鋅電池憑借其優(yōu)異的性能，曾經(jīng)在魚雷行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，其中銀鋅儲備電池用于戰(zhàn)雷，鋅二次電池用于操雷。當(dāng)需要運作時，用高壓氮氣將電解液從容器中擠到電池中，在極短的時間內(nèi)激活電池，并安裝于標(biāo)準(zhǔn)的魚雷殼體內(nèi)。

20世紀(jì)80年代，法國研發(fā)的F17-2型魚雷即采用該類電池，代表了當(dāng)時電動力魚雷的世界領(lǐng)先水平。

4.3銀鋅電池應(yīng)用于魚雷動力電池的前景展望

銀鋅電池憑借其優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于軍事宇航領(lǐng)域，是目前各種宇航設(shè)備和武器裝備的主電源或應(yīng)急電源。魚雷的戰(zhàn)雷采用銀鋅儲備電池作為動力推進電源，操雷采用銀鋅二次電池作為動力推進電源。

鋅銀電池不但有突出的優(yōu)點，而且近年來其壽命短的缺點得以逐漸完善，耐久性顯著提高。就目前而言，銀鋅電池是較為成熟的技術(shù)，在能量密度方面的提升較為有限。雖然燃料電池為代表的高能電池在部分場合取代了鋅銀電池，但有關(guān)專家認為：至少在今后的20年以內(nèi)銀鋅電池仍將保有其在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的主要地位。

5鋁/氧化銀電池于魚雷動力電池的領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

5.1鋁/氧化銀電池的技術(shù)特點

鋁/氧化銀電池以鋁為負極，氧化銀為陽極，以溶解有氧氧化鉀的流動海水為電解液。鋁/氧化銀電池具有比能高、電壓高、體積特性好、電流密度大、析氫量低、可長期儲存等優(yōu)點。該類電池需要配備輔助循環(huán)系統(tǒng)、初始電解液混合裝置和電解液濃度保持裝置，自身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。通常而言，鋁/氧化銀電池的技術(shù)優(yōu)勢如下所示：

（1）鋁/氧化銀電池可進行大電流放電，其比能和比功率也較高，同時可減少串聯(lián)電池的個數(shù)，減少電池長度，可有效提升魚雷的航速及航程。

（2）鋁/氧化銀電池魚雷不攜帶液態(tài)電解質(zhì)，一定程度上可減輕魚雷的總質(zhì)量。

（3）鋁/氧化銀電池系統(tǒng)在儲存期間不會出現(xiàn)因電液泄漏而導(dǎo)致的安全問題，為魚雷的啟動、變速和深潛等行動過程提供了有力的技術(shù)保障。

（4）鋁/氧化銀電池系統(tǒng)在儲存時具備優(yōu)異的耐火性和抗沖擊性。

（5）使用鋁/氧化銀電池系統(tǒng)作為動力推進電源的魚雷可在不同深度充分發(fā)揮其作戰(zhàn)性能。此外，由于動力電池段與海水連通，降低了該段殼壁對耐壓的要求，進而增強了系統(tǒng)的換熱效果。

（6）鋁/氧化銀電池系統(tǒng)成本低廉。與鋅/氧化銀一次電池相比，輸出同樣的能量，鋁/氧化銀電池系統(tǒng)成本更低。在輸出同樣能量的前提下，鋁/化銀電池由于單體電池電壓高，可節(jié)省電池總數(shù)，進一步降低了成本。

5.2鋁/氧化銀電池當(dāng)前面臨的技術(shù)問題

對于鋁/氧化銀電池來說，電解液的排放與補充系統(tǒng)可謂至關(guān)重要。由于其在放電過程中，會同時進行產(chǎn)生能量的成流反應(yīng)和腐蝕鋁陽極的寄生反應(yīng)，上述兩類反應(yīng)都會消耗堿物質(zhì)而生成鋁酸鹽，使鋁/氧化銀電池的工作條件惡化，影響到其功率輸出性能。就目前而言，只有將部分電解液排放至電池本體外部并引入新鮮海水補充電解液，方可確保鋁/氧化銀電池的正常運作。

5.3鋁/氧化銀電池于魚雷動力電池領(lǐng)域的應(yīng)用

歷史上，曾由美國水下系統(tǒng)中心（NUSC）最先研究該類電池并己證實，將鋁/氧化銀電池和永磁電機匹配使用，可使電動力魚雷的航行速度達到50 kn以上。

法國SAFT公司從1977年開始研究鋁/氧化銀電池用于魚雷動力推進。并于1985首次將該電池用作試驗魚雷的電源裝置。歐洲魚雷公司則開發(fā)了以鋁/氧化銀電池為動力源的MU90魚雷，該款魚雷1994年首次試射成功，并于1997年正式投入服役。

5.4鋁/氧化銀電池應(yīng)用于魚雷動力電池的前景展望

魚雷動力推進采用鋁氧化銀電池作為新型高能電池，非常適用于需要大比功率推進的海洋環(huán)境，并且目前己得以成功應(yīng)用，并使電動力魚雷的動力性能得以顯著提升。鋁/氧化銀電池具有適合大電流放電、比能和比功率高、適應(yīng)性強、安全性好、儲存性能好、適用于大深度工作以及價格低廉等優(yōu)點，可作為未來電動力魚雷的主流動力電池裝置。

6鋰/亞硫酰氯電池于魚雷動力電池的領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

6.1鋰/亞硫酰氯電池的技術(shù)特點

鋰/亞硫酰氯電池是一種典型的非水無機電解質(zhì)電池，亦是鋰電池的一種，目前為世界上最為先進的一次電池之一，該類電池具有如下技術(shù)特點：

（1）鋰/亞硫酰氯電池的放電電壓高且放電曲線平穩(wěn);

（2）鋰/亞硫酰氯電池的比能高，是當(dāng)前化學(xué)電源中質(zhì)量比能量最高的一種，可達500W-h/kg;

（3）鋰/亞硫酰氯電池的工作溫度范圍寬;

（4）鋰/亞硫酰氯電池的自放電率低、電壓精度高、儲存壽命長;

（5）鋰/亞硫酰氯電池的成本僅為銀鋅電池的1/5左右，且不消耗貴金屬銀。

6.2鋰/亞硫酰氯電池當(dāng)前面臨的技術(shù)問題

鋰/亞硫酰氯電池目前還存在兩大有待解決的技術(shù)性問題，即電壓滯后問題和安全問題，同時也是目前制約鋰/亞硫酰氯電池大規(guī)模商品化和應(yīng)用于魚雷動力來源的主要技術(shù)瓶頸。

在反應(yīng)過程中，由于在鋰電極表面形成了保護膜，因而會導(dǎo)致電壓滯后現(xiàn)象。該保護膜的主要成分是氯化鋰和硫物質(zhì)，其厚度會隨存儲溫度及時間的增加而增大。由于鋰/亞硫酰氯電池的放電產(chǎn)物是氯化鋰，二氧化硫和硫物質(zhì)，其中后兩者主要溶解在電解液中，當(dāng)電池溫度過高時，易于發(fā)生電池爆炸。鋰/亞硫酰氯電池的安全問題至今尚未得以妥善解決。為了有效解決兩類問題，目前采取的主要措施如下：

（1）采用低壓排氣閥解決短路情況下的安全問題;

（2）采用改進電池設(shè)計和采用新的電解質(zhì)鹽，解決反極情況下的安全問題;

（3）采取全密封來防止部分放電的電池在儲存或暴露于環(huán)境中時發(fā)生的安全問題。

6.3鋰/亞硫酰氯電池于魚雷動力電池領(lǐng)域的應(yīng)用

于20世紀(jì)80年代，法國的SAFT公司己開始研究高效的鋰/亞硫酰氯電池作為魚雷動力推進電源，此項研究先后受到法國政府的研究機構(gòu)和海軍部門的資助。經(jīng)過6年電化學(xué)基礎(chǔ)研究，分別針對輕型魚雷和重型魚雷上設(shè)計電池樣機并成功開展試驗，所采用的鋰/亞硫酰氯電池的功率峰值為600kW，總能量為120kW-h。

6.4鋰/亞硫酰氯電池應(yīng)用于魚雷動力電池的前景展望

如上文所述，盡管鋰/亞硫酰氯電池有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢，但目前電壓滯后和安全性方面的兩大問題依然限制了其在魚雷動力電池領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。但盡管如此，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化與完善，其依然有著廣闊的應(yīng)用前景。

7燃料電池于魚雷動力電池的領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

7.1燃料電池的技術(shù)特點

燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，目前己受到各國的廣泛關(guān)注。燃料電池具有其他能量發(fā)生裝置不可比擬的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在工作的高效性、清潔性、靜音性、適應(yīng)環(huán)境的靈活性等方面。燃料電池工作時安靜平穩(wěn)，不會產(chǎn)生較大噪聲，同時無高溫燃氣排放，其用于魚雷電源時有利于提升整體的隱蔽性，大幅減少了被敵方艦船偵測到的可能性。

7.2燃料電池當(dāng)前面臨的技術(shù)問題

盡管燃料電池具備諸多優(yōu)勢，但就目前而言，仍存在一定的技術(shù)缺陷，目前燃料電池的主要問題和不足之處有：市場價格昂貴、耐久性較差、缺乏完善的燃料供應(yīng)體系;隨著器件的老化，會導(dǎo)致電池效率降低;氫能源的制造與儲備等問題尚未得到妥善解決。

7.3燃料電池應(yīng)用于魚雷動力電池的前景展望

隨著低溫堿性燃料電池技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量輕小、電流密度高的氫氧燃料電池也逐漸受到了人們的關(guān)注，該類燃料電池完全適合作為電動力魚雷的推進電源。使用該種燃料電池的魚雷兼顧熱動力魚雷和電動力魚雷的優(yōu)點，可有效提升魚雷的航速、航程、航深及隱蔽性，其戰(zhàn)術(shù)價值不言而喻。

8結(jié)論

本文對鉛酸蓄電池、銀鋅電池、鋁/氧化銀電池、鋰亞硫酰氯電池、燃料電池幾類電動力魚雷用電池裝置的技術(shù)特點及在魚雷領(lǐng)域的應(yīng)用進行了闡述，同時對其應(yīng)用前景進行了展望，并得出如下結(jié)論：

（1）魚雷作為一類重要的水中兵器，在反潛戰(zhàn)、殲滅敵艦艇、破壞敵海上交通線及襲擊敵水下設(shè)施起著重要作用，是重要的軍事武備力量。目前其推進動力形式依然主要為熱動力推進系統(tǒng)和電動力推進系統(tǒng)兩種途徑。

（2）電動力魚雷推進系統(tǒng)與熱動力魚雷推進系統(tǒng)相比，其在隱蔽性、航行穩(wěn)定性及發(fā)射深度方面有著其自身的顯著優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（3）就目前電動力魚雷推進系統(tǒng)電源裝置而言，除了鉛酸蓄電池目前基本己不用作主流魚雷動力電池之外，其他幾類電池裝置均有著其自身的優(yōu)勢及劣勢，于電動力魚雷推進系統(tǒng)而言，均有著自身獨到的應(yīng)用潛力。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化及完善，必定會使電動力魚雷的戰(zhàn)略價值如日方升。

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