從日本“凰龍”號潛艇入役，看常規(guī)潛艇動力技術(shù)新發(fā)展

李志煒 程之年 史騰飛 高萌

日本“蒼龍”級“凰龍”號鋰離子電池潛艇，成為世界上第一艘采用鋰離子電池技術(shù)的潛艇

2020年3月6日，在三菱重工神戶造船廠，日本海上自衛(wèi)隊(duì)舉行了第11艘“蒼龍”級潛艇“凰龍”號的入役儀式。該艇是日本首艘采用鋰離子電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉛酸電池的潛艇，標(biāo)志著日本潛艇用鋰離子電池技術(shù)日趨成熟，并實(shí)現(xiàn)列裝。此外，該潛艇裝備了先進(jìn)的斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)，水下續(xù)航力得到大幅提高。近年來，以鋰離子電池、AIP動力技術(shù)為代表的常規(guī)潛艇動力技術(shù)相繼取得進(jìn)展，上艇應(yīng)用步伐進(jìn)一步加快，常規(guī)潛艇新型水下動力技術(shù)時(shí)代正在到來。

“蒼龍”級潛艇技術(shù)領(lǐng)先

潛艇是日本反潛戰(zhàn)，以及海上自衛(wèi)隊(duì)執(zhí)行近海巡邏警戒甚至遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)不可或缺的裝備。20世紀(jì)初，日本在完成“親潮”級潛艇建造后，開始發(fā)展排水量更大、潛航能力更強(qiáng)、系統(tǒng)設(shè)備更先進(jìn)的“蒼龍”級AIP潛艇，計(jì)劃建造12艘，由川崎重工與三菱重工輪流建造。動力系統(tǒng)原計(jì)劃采用柴油機(jī)+斯特林發(fā)動機(jī)+鉛酸電池。為進(jìn)一步強(qiáng)化潛艇潛航能力，確保技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，日本防衛(wèi)省在2002年便開始研發(fā)潛艇用鋰離子電池，2007年曾計(jì)劃在第五艘“蒼龍”級上使用，但因預(yù)算不足和技術(shù)發(fā)展受阻而放棄，直到2014年才決定將鋰離子電池用于“蒼龍”級潛艇11號和12號艇，并列入2015和2016財(cái)年國防預(yù)算。

“蒼龍”級潛艇水下排水量4200噸，是目前世界上排水量最大的常規(guī)潛艇之一。艇長84米，寬9.1米，最大潛深650米，70名艇員，“X”形艉舵。“蒼龍”級潛艇艇型與“親潮”級基本相同，為雪茄形艇體，并在“親潮”級基礎(chǔ)上加裝了AIP艙段。“蒼龍”級裝有6具魚雷發(fā)射管，可混合裝載20枚反艦導(dǎo)彈和魚雷。配備有ZQR-1拖曳陣聲吶、ZQQ-7艇殼聲吶等。其動力系統(tǒng)包括2臺柴油機(jī)、4臺斯特林發(fā)動機(jī)、1臺主推進(jìn)電機(jī)，以及鋰離子電池組。該級潛艇的水面最高航速為12節(jié)，水下航速為20節(jié)，前10艘可以4～5節(jié)航速在水下連續(xù)航行至少2周而不必上浮水面;后2艘可以3.6～5節(jié)航速水下連續(xù)航行2周，并能以20節(jié)航速潛航8.5～11.2小時(shí)，高航速續(xù)航力較使用鉛酸電池（1～2小時(shí)）提高4倍以上。

韓國海軍KSS-III鋰離子電池動力潛艇。2018年9月14日， 韓國海軍KSS-III級潛艇首艇“島山安昌浩”號在韓國慶尚南道韓國大宇重工（DSME）玉浦造船廠下水

韓國大宇造船與海洋工程（DSME）公司在2019年釜山國際海事國防工業(yè)展覽會（MADEX）上首次展示了新型常規(guī)潛艇DSME-2000的概念方案， 采用單殼體，配裝鋰離子電池、光電桅桿、拖曳陣聲吶

鋰離子電池： 常規(guī)潛艇動力的“新寵”

除日本以外，印度、德國、法國、韓國等競相研發(fā)部署常規(guī)潛艇鋰離子電池，高能量鋰離子電池替代鉛酸電池已成為未來常規(guī)潛艇的重要發(fā)展方向。2018年2月，印度國防部在發(fā)布的新版《技術(shù)展望與能力路線圖》中明確提出要采購10套潛用鋰離子電池系統(tǒng)。2018年10月，德國蒂森克虜伯海事系統(tǒng)公司與法國帥福得公司合作研發(fā)出了新型潛艇鋰離子電池系統(tǒng)，電池的設(shè)計(jì)符合海洋環(huán)境使用、安全性和電化學(xué)安全要求，并已通過一系列試驗(yàn)，證實(shí)了電池本體和系統(tǒng)層面上的安全性。同月，法國海軍集團(tuán)研發(fā)出一種高性能、安全性好的LIBRT新型潛艇鋰離子電池系統(tǒng)，其能量密度是現(xiàn)役鉛酸電池的兩倍，同時(shí)還可顯著縮短充電時(shí)間。2018年11月，韓國三星SDI公司等6家公司和韓國電子技術(shù)研究所等5家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)出潛艇鋰離子電池，并通過技術(shù)成熟度評估（TRA），將裝備第二批KSS-III潛艇。2019年7月，日本公布其正在研制的新一代常規(guī)潛艇29SS，也計(jì)劃配裝鋰離子電池，進(jìn)一步提升水下高速續(xù)航力和隱身性能。2019年10月，在釜山國際海事國防工業(yè)展覽會上，韓國大宇造船與海洋工程公司首次展示了新型常規(guī)潛艇DSME-2000的概念方案，該型艇同樣裝備鋰離子電池。

按照日媒披露的消息，采用柴油機(jī)+斯特林發(fā)動機(jī)+鉛酸電池的“蒼龍”級潛艇動力系統(tǒng)平均造價(jià)約558億日元，而采用鋰離子電池作為水下動力源平均造價(jià)則高達(dá)640億日元。造價(jià)更加高昂的鋰離子電池動力系統(tǒng)何以取代傳統(tǒng)鉛酸電池，成為各國競相研發(fā)部署的常規(guī)潛艇動力“新寵”？

鋰離子電池相比傳統(tǒng)潛艇電池的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)潛艇電池（鉛酸、鎳鎘、銀鋅等）系統(tǒng)相比，鋰離子電池具有單電池電壓高、電池容量大、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，具體包括以下幾點(diǎn)。

一是增強(qiáng)常規(guī)潛艇水下續(xù)航力，提高隱蔽性。隱蔽性是潛艇最為關(guān)鍵的性能參數(shù)之一。鋰離子電池具備高能量密度和高效能，其中重量比能為鉛酸電池的3倍，體積比能在2倍以上。在儲能效率上，法國研制的鋰離子電池儲能效率高達(dá)95%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸電池（一般不超過60%）。此外，在同等航程情況下，采用高能量鋰離子電池的潛艇可減少約10%～25%的上浮充電次數(shù)。由于鋰離子電池壓降較小，可用較高的電流保持長時(shí)間充電，上浮充電時(shí)間亦少于鉛酸電池，進(jìn)一步提高了常規(guī)潛艇隱蔽性能。

二是優(yōu)化了潛艇有效負(fù)載配置。由于同等電能的鋰離子電池體積，僅為鉛酸電池體積的1/2，采用鋰離子電池可顯著減少電池艙所占空間，優(yōu)化潛艇武器裝備或探測設(shè)備布置，提高潛艇綜合作戰(zhàn)能力。

三是維護(hù)保養(yǎng)便利，使用成本低。雖然鋰離子電池成本較高，但由于鋰離子電池系統(tǒng)沒有記憶效應(yīng)，在作戰(zhàn)使用中幾乎不用進(jìn)行深度放電、周期治療等維護(hù)保養(yǎng)活動。此外，鋰離子電池使用壽命更長達(dá)10～15年，是傳統(tǒng)鉛酸電池的2 倍。綜合來看，雖然鋰離子動力系統(tǒng)建造成本高于鉛酸電池，但其使用成本要低于鉛酸電池。

圖為法國為澳大利亞打造的“短鰭梭魚”潛艇示意圖，采用鋰離子動力系統(tǒng)，在2016年澳大利亞海軍采購競標(biāo)中擊敗德國的216型潛艇和日本的“蒼龍”級潛艇，贏得澳海軍潛艇采購大單

鋰離子電池上艇應(yīng)用的“絆腳石”

安全性是鋰離子電池上艇使用的前提，安全保障措施和技術(shù)是艇載鋰離子電池發(fā)展的重點(diǎn)。鋰離子電池以往存在安全性差和易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，一旦失控燃燒，會立刻產(chǎn)生非常高的熱量，釋放有毒煙霧并排放出導(dǎo)電塵埃，并且很難撲滅。由于鋰離子電池過熱，2013年1月7日，日本航空公司由東京飛抵波士頓的一架波音787客機(jī)，下客數(shù)分鐘后輔助動力系統(tǒng)（APU）電瓶組件起火，客艙內(nèi)冒出煙霧。同樣是鋰離子電池，使三星Note7手機(jī)頻頻發(fā)生自燃而被列為“危險(xiǎn)品”。2008年美國“海豹”特種部隊(duì)的迷你潛艇的鋰離子電池也曾在珍珠港發(fā)生自燃。顯然，這種電池的過熱和自燃的可能性，對于裝有數(shù)百個(gè)鋰電池的潛艇來說，也是一個(gè)噩夢般的存在。德國、法國在研制艇載鋰離子電池系統(tǒng)中，不惜犧牲電池部分重量比能來提升電池安全性，并采取研制電池安全管理系統(tǒng)、采用冗余設(shè)計(jì)、研發(fā)新型電池材料等措施消除鋰電池安全隱患，確保電池上艇使用安全。日本多年來投入數(shù)十億美元用于鋰離子電池技術(shù)攻關(guān)，通過構(gòu)建更大的鋰離子電池矩陣來確保安全性。此外，鋰離子電池供應(yīng)商還與日本海上自衛(wèi)隊(duì)合作進(jìn)行了短路、鹽水侵入、跌落和沖擊試驗(yàn)，以驗(yàn)證鋰離子電池的安全性。這些措施均使鋰離子電池朝著更高的安全性和可靠性方向發(fā)展。

圖為日本GS湯淺公司（GS Yuasa） 制造的鋰離子電池，該公司為諸多國防應(yīng)用開發(fā)和生產(chǎn)先進(jìn)的電池動力系統(tǒng)

AIP動力技術(shù)： 提升潛艇隱身性能的“撒手锏”

AIP（AirIndependentPropulsion）系統(tǒng)是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進(jìn)動力和其它動力的能源系統(tǒng)，使?jié)撏Э砷L時(shí)間無需上浮到水面為電池充電，從而大幅提高潛艇的隱身性能。AIP可分為熱機(jī)系統(tǒng)、電化學(xué)系統(tǒng)和小堆系統(tǒng)三大類。其中熱機(jī)系統(tǒng)包括斯特林發(fā)動機(jī)（SE/AIP）、閉式循環(huán)柴油機(jī)（CCD/AIP）、閉式循環(huán)渦輪機(jī)（MESMA/AIP）等形式;電化學(xué)系統(tǒng)以燃料電池（FC/AIP）形式為主;小堆系統(tǒng)是以低功率核動力裝置（LLNP/AIP）為基礎(chǔ)的動力系統(tǒng)。

FC2G 型AIP 系統(tǒng)主要組成：（1）氫氣重整器，從柴油中生產(chǎn)富氫氣體;（2）氣體發(fā)生器，提高氫氣產(chǎn)量并從重整器產(chǎn)生的氣體中去除一氧化碳;（3）高科技凈化膜，為燃料電池提供超純氫;（4）PEM 空氣燃料電池，氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)電;（5）氧氣模塊，存儲液氧，為AIP 系統(tǒng)和艇員呼吸提供氧氣

FC2G型AIP系統(tǒng)艙段。它是第二代燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)，是一個(gè)模塊艙段，所有設(shè)備集成到長約8米的專用艇體之內(nèi)

瑞典“哥特蘭”級潛艇，它采用斯特林發(fā)動機(jī)AIP技術(shù)，是世界上第一批裝備AIP系統(tǒng)的常規(guī)潛艇

燃料電池系統(tǒng)（FC/AIP）

FC/AIP 系統(tǒng)由燃料電池本體、氫源、氧源、輔助系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成。輔助系統(tǒng)主要包括水收集系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。管理系統(tǒng)包括氫氣供給、氧氣供給、尾氣管理、氣體增濕、控制單元、DC/DC變換單元、安全管理等模塊。FC/AIP在潛艇上應(yīng)用的基本原理是：氫燃料和氧化劑在燃料電池質(zhì)子交換膜兩側(cè)催化劑表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為潛艇提供水下的巡航動力。其優(yōu)勢在于不受熱力學(xué)定律限制，只要有氫氣和氧氣供應(yīng)，就能直接產(chǎn)生電能，具有效率高、機(jī)械振動少、工作溫度低、工作潛深大、布置方式靈活、安裝和維護(hù)簡單等特點(diǎn)。

FC/AIP系統(tǒng)的關(guān)鍵在于艇上氫氣的制取和儲存，由于高壓氫氣儲存條件苛刻、金屬氫化物儲氫密度低，目前國外海軍正在研發(fā)利用甲醇、乙醇、燃油為原料重整制氫的技術(shù)。其中俄羅斯第五代常規(guī)潛艇以及法國“短鰭梭魚”型潛艇都在研究燃油重整制氫技術(shù)方案。2019年7月30日，法國海軍集團(tuán)宣布其研制的常規(guī)潛艇用FC2G型AIP系統(tǒng)取得突破性進(jìn)展，成功支撐潛艇在水下連續(xù)航行18天。FC2G型AIP系統(tǒng)通過柴油重整、氣體凈化的方式制取純度超過99.999%的氫氣，增加了燃料電池壽命，優(yōu)于金屬氫存儲解決方案。此外，該技術(shù)提高了催化劑和柴油重整系統(tǒng)的耐久性，減少了維護(hù)時(shí)間，對于氫氣的回收效率達(dá)到了99%以上。

近年來，燃料電池（FC/AIP）逐漸成為常規(guī)動力潛艇裝備數(shù)最多的方案，占據(jù)AIP潛艇一半以上。德國海軍裝備的212型、214型、214A型和216型潛艇，俄羅斯第五代常規(guī)潛艇，西班牙S80潛艇，法國“短鰭梭魚”型潛艇均已使用或確定使用燃料電池+柴油機(jī)動力型式。此外，日本防衛(wèi)省也在研發(fā)潛艇燃料電池動力系統(tǒng)，很可能用于下一代29SS潛艇。

斯特林發(fā)動機(jī)AIP系統(tǒng)（SE/AIP）

斯特林發(fā)動機(jī)系統(tǒng)主要由斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)液氧系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工質(zhì)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成，其工作過程是：在燃燒室內(nèi)，氧氣和燃油持續(xù)燃燒，燃燒的火焰將加熱器加熱，由加熱器把熱能不斷地傳遞給流經(jīng)其內(nèi)部的工作介質(zhì)（氦氣或氬氣），介質(zhì)吸收熱量膨脹做功，推動活塞運(yùn)動，再通過曲柄、連桿機(jī)構(gòu)變往復(fù)運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使曲軸旋轉(zhuǎn)并輸出功率。

瑞典最早將斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)潛艇上。1996年4月，瑞典A-19級首艇“哥特蘭”號潛艇服役，成為世界上第一艘實(shí)用型AIP潛艇。其采用的MK2（V4-275R）型動力系統(tǒng)是目前技術(shù)最為成熟的斯特林發(fā)動機(jī)，額定功率65千瓦，最大功率75千瓦。日本于2005年從瑞典引進(jìn)了斯特林發(fā)動機(jī)技術(shù)，現(xiàn)役的11艘“蒼龍”級潛艇，每艘裝備4臺MK2型斯特林發(fā)動機(jī)。作為輔助動力系統(tǒng)，它們主要是供潛艇在水下以4～5節(jié)的低速航行時(shí)使用，保證潛艇水下連續(xù)潛航至少2周而不必上浮水面，低于4節(jié)時(shí)持續(xù)潛航時(shí)間可進(jìn)一步延長到3周左右。瑞典目前正在研制下一代MK3型斯特林發(fā)動機(jī)，在運(yùn)行效率、輸出功率、水下運(yùn)行深度、隱蔽性等方面均有所改進(jìn)，計(jì)劃裝備在瑞典下一代A26型AIP動力潛艇上。新加坡等國潛艇同樣裝備了斯特林發(fā)動機(jī)。

德國212A級常規(guī)潛艇，該潛艇采用AIP 動力技術(shù)，“X”型尾舵

印度“鲉魚”級潛艇“卡爾瓦里”號。“鲉魚”級潛艇結(jié)合了法國和西班牙兩國潛艇的設(shè)計(jì)理念，技術(shù)靈活，性能先進(jìn)，可加裝采用了閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP動力系統(tǒng)，已成功銷往智利，馬來西亞，印度和巴西等國家

閉式循環(huán)汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)AIP系統(tǒng)

閉式循環(huán)汽輪機(jī)（MEMSA/AIP）系統(tǒng)由液氧儲罐、燃料儲罐、燃燒室、冷卻裝置、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)等部分組成。其工作過程是：一回路中的氧氣與乙醇在燃燒室內(nèi)混合燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈱⒍芈分械牡訜岢烧羝?，蒸汽對蒸汽輪機(jī)做功，使汽輪機(jī)驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，從而為潛艇提供電源。法國從1988年就開始研制MESMA/AIP系統(tǒng)，其第一代產(chǎn)品用于出口到巴基斯坦的“阿戈斯塔”級90B型潛艇上。目前法國和西班牙聯(lián)合研制的“鲉魚”級常規(guī)動力潛艇也采用了閉式循環(huán)汽輪機(jī)AIP系統(tǒng)。

閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)是指不依賴空氣能正常進(jìn)行工作的燃?xì)廨啓C(jī)。它主要由兩個(gè)回路組成，一是產(chǎn)生高溫燃?xì)饣芈?，基本上與閉式循環(huán)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)相同。另一個(gè)是工質(zhì)二回路，按布雷頓循環(huán)工作。其工作過程是：工質(zhì)進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)行增壓，后進(jìn)入回?zé)崞骼米龉蟮挠酂徇M(jìn)行加熱，再進(jìn)入熱發(fā)生器進(jìn)一步加熱，最后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹做功，帶動同軸的壓氣機(jī)和發(fā)電機(jī)，做功后的工質(zhì)從燃機(jī)出來經(jīng)回?zé)崞鞣懦霾糠钟酂?，然后進(jìn)入冷卻器冷卻，再次進(jìn)入壓氣機(jī)。

2019年7月，俄羅斯孔雀石設(shè)計(jì)局在2019年俄羅斯海事防務(wù)展（IMDS-2019）上首次展示其P-750B型潛艇設(shè)計(jì)，其動力系統(tǒng)采用2臺單機(jī)功率400千瓦的閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和1臺2500千瓦的推進(jìn)電動機(jī)。在水面模式中，動力系統(tǒng)依靠空氣用于燃?xì)廨啓C(jī)做功;在水下模式中，通過杜瓦容器向燃?xì)廨啓C(jī)提供液氧。

未來可期

常規(guī)動力潛艇具有噪音小、價(jià)格低、建造周期短、易于在淺海區(qū)域活動的特點(diǎn)，適合沿海作戰(zhàn)和水下威懾。伴隨著以鋰離子電池、AIP 系統(tǒng)為代表的常規(guī)潛艇新型動力技術(shù)發(fā)展的巨大突破，常規(guī)潛艇的機(jī)動隱身性能及作戰(zhàn)效能將得到極大提升，未來水下戰(zhàn)場爭奪愈發(fā)激烈。