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從手機電池到潛艇動力!把高大的AIP系統拉下來馬,锂電池太重

作者:虹攝庫爾斯克

作者:香港庫爾斯克

10月14日,日本海上自衛隊最新正常動力潛艇"白鲸"号的命名和下水儀式在戰後建造的第30艘潛艇川崎重工神戶造船廠舉行。

"白鲸"号是日本海第四艘使用國産锂離子電池供電系統的潛艇,放棄了近年來全面投入使用的空中推進系統(AIP)。不同尋常的是,南韓海軍還宣布,将在第二批最新的KSS-III潛艇中用國産锂離子電池技術取代AIP技術。

锂離子電池是一種非常常見的智能手機,有望成為未來正常潛艇的新動力寵兒。

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照片 日本潛艇"白鲸"号沉沒儀式。

AIP系統不依賴于空氣推進系統,通用名稱,自二戰以來德國各國為了讓潛艇潛伏在水下更長時間而發展AIP系統。

近年來,越來越多的國家開始購買搭載AIP系統的潛艇,或在現役潛艇中增加AIP獨立航段,潛艇作戰能力得到顯著提升。

AIP系統的最大優點是進一步增強了正常動力潛艇的水下"呼吸",可以讓潛艇潛伏在海中更長的時間,并且比傳統的柴電正常潛艇更加隐蔽。

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印度的合法鲶魚級正常潛艇,其AIP系統段布局,是燃料電池AIP系統。

然而,AIP系統并不完善,主要問題是目前的AIP系統輸出功率還沒有達到取代潛艇柴油動力主動的程度,目前AIP系統的負載或規劃通常隻用作輔助電源。

在水上航行或在通風管道中航行時,傳統潛艇仍然使用柴油發動機為電池組充電和航行,而高速水下導航由電池供電,AIP系統僅在水下低速巡航時才用于為電池供電。

這意味着AIP系統不會給高速作戰潛艇帶來太多的速度或機動性優勢。

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相片:AIP系統主要用于低速潛艇巡航,不能用于水下高速作戰狀态。

同時,安裝AIP系統需要付出沉重的代價。

潛艇不得不增加一個特殊的AIP系統段,增加了潛艇的排水能力,最大速度也有所降低。

以日本蒼龍級潛艇為例,由于安裝的斯特林AIP發動機單機功率隻有75KW,該船不得不安裝多達四台斯特林MK2發動機和相應的輔助渦輪裝置,水下排水量從上一代的35級增至4200噸左右,曾是世界上最大的柴電潛艇, 即便如此,斯特林發動機也隻能讓潛艇保持低速,配備兩台柴油發動機和一台推進發動機。

燃料電池AIP技術也有類似的問題,其他閉式循環柴油機AIP、閉式循環渦輪機AIP設計也有這樣的問題,不足以成為海底主動系統。

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照片 一艘日本龍級潛艇,是日本最後一艘使用斯特林AIP發動機的潛艇。

由于這些原因,現代正常動力潛艇仍然使用鉛酸電池作為水下電源。

但是,鉛酸蓄電池能量密度低,電流放電特性大,存在充電效率低、易發熱、氫氣分析現象嚴重、使用壽命短等問題,且機艙污染嚴重,危害機組人員健康。

與現有的鉛酸蓄電池相比,锂離子蓄電池具有能量高、充放電特性好、正常使用非分析鹽酸、循環壽命長、維護簡單等優點,并已廣泛應用于智能手機、電動汽車、電網儲能、無人車等領域。潛艇動力專家很快意識到锂離子電池的特性,日本、德國、法國和南韓開始研制潛艇用锂離子動力電池。

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圖為:手機锂電池。

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從手機電池到潛艇動力!把高大的AIP系統拉下來馬,锂電池太重

照片 來自日本Tomso的潛艇锂離子動力電池。

2018年10月,日本蒼龍級11号潛艇鳳凰龍号放棄了斯特林AIP發動機,成為世界上第一個锂離子動力電池作為水下航行主動權的來源。

目前,日本有四艘配備锂離子動力電池的潛艇,包括最後兩艘龍級"鳳凰龍"号"登龍"和新一代大型鲸魚級潛艇"大鲸魚"、"白鲸"号,之後大型鲸魚級的建設計劃都将使用锂離子動力電池。

據報道,四艘日本潛艇拆除了原來的斯特林MK2發動機和480個鉛酸電池,取而代之的是日本東寶公司開發的672個锂離子電池,實作了電池供電範圍翻倍,電池充電時間減半。

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照片 龍級潛艇動力系統,自第11艘船以來一直在棄用斯特林發動機,以支援更高效的锂離子電池。

與日本一樣,南韓是锂離子電池的主要生産國,并于2018年開始開發用于潛艇的锂離子動力電池,并計劃在最新KSS-III潛艇的第二階段建造期間用锂離子電池取代現有的AIP動力系統。

德國和法國也早在20世紀90年代就開始研制锂離子動力電池潛艇,但不是作為潛艇主動系統,而是随着AIP系統,在214、短鳍梭魚級等出口導向型正常潛艇計劃中反映出來,至今尚未進行散裝。

锂離子動力電池在提高電池壽命、高速移動性和隐蔽性方面具有優勢,無論是作為單一的主動系統,還是與AIP系統配合,都有良好的前景,我國在這方面也應該有一定的行動。

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相片:中國的常規潛艇。

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