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从手机电池到潜艇动力!把高大的AIP系统拉下来马,锂电池太重

作者:香港库尔斯克

10月14日,日本海上自卫队最新常规动力潜艇"白鲸"号的命名和下水仪式在战后建造的第30艘潜艇川崎重工神户造船厂举行。

"白鲸"号是日本海第四艘使用国产锂离子电池供电系统的潜艇,放弃了近年来全面投入使用的空中推进系统(AIP)。不同寻常的是,韩国海军还宣布,将在第二批最新的KSS-III潜艇中用国产锂离子电池技术取代AIP技术。

锂离子电池是一种非常常见的智能手机,有望成为未来常规潜艇的新动力宠儿。

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照片 日本潜艇"白鲸"号沉没仪式。

AIP系统不依赖于空气推进系统,通用名称,自二战以来德国各国为了让潜艇潜伏在水下更长时间而发展AIP系统。

近年来,越来越多的国家开始购买搭载AIP系统的潜艇,或在现役潜艇中增加AIP独立航段,潜艇作战能力得到显著提升。

AIP系统的最大优点是进一步增强了常规动力潜艇的水下"呼吸",可以让潜艇潜伏在海中更长的时间,并且比传统的柴电常规潜艇更加隐蔽。

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印度的合法鲶鱼级常规潜艇,其AIP系统段布局,是燃料电池AIP系统。

然而,AIP系统并不完善,主要问题是目前的AIP系统输出功率还没有达到取代潜艇柴油动力主动的程度,目前AIP系统的负载或规划通常只用作辅助电源。

在水上航行或在通风管道中航行时,传统潜艇仍然使用柴油发动机为电池组充电和航行,而高速水下导航由电池供电,AIP系统仅在水下低速巡航时才用于为电池供电。

这意味着AIP系统不会给高速作战潜艇带来太多的速度或机动性优势。

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相片:AIP系统主要用于低速潜艇巡航,不能用于水下高速作战状态。

同时,安装AIP系统需要付出沉重的代价。

潜艇不得不增加一个特殊的AIP系统段,增加了潜艇的排水能力,最大速度也有所降低。

以日本苍龙级潜艇为例,由于安装的斯特林AIP发动机单机功率只有75KW,该船不得不安装多达四台斯特林MK2发动机和相应的辅助涡轮装置,水下排水量从上一代的35级增至4200吨左右,曾是世界上最大的柴电潜艇, 即便如此,斯特林发动机也只能让潜艇保持低速,配备两台柴油发动机和一台推进发动机。

燃料电池AIP技术也有类似的问题,其他闭式循环柴油机AIP、闭式循环涡轮机AIP设计也有这样的问题,不足以成为海底主动系统。

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照片 一艘日本龙级潜艇,是日本最后一艘使用斯特林AIP发动机的潜艇。

由于这些原因,现代常规动力潜艇仍然使用铅酸电池作为水下电源。

但是,铅酸蓄电池能量密度低,电流放电特性大,存在充电效率低、易发热、氢气分析现象严重、使用寿命短等问题,且机舱污染严重,危害机组人员健康。

与现有的铅酸蓄电池相比,锂离子蓄电池具有能量高、充放电特性好、正常使用非分析盐酸、循环寿命长、维护简单等优点,并已广泛应用于智能手机、电动汽车、电网储能、无人车等领域。潜艇动力专家很快意识到锂离子电池的特性,日本、德国、法国和韩国开始研制潜艇用锂离子动力电池。

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图为:手机锂电池。

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照片 来自日本Tomso的潜艇锂离子动力电池。

2018年10月,日本苍龙级11号潜艇凤凰龙号放弃了斯特林AIP发动机,成为世界上第一个锂离子动力电池作为水下航行主动权的来源。

目前,日本有四艘配备锂离子动力电池的潜艇,包括最后两艘龙级"凤凰龙"号"登龙"和新一代大型鲸鱼级潜艇"大鲸鱼"、"白鲸"号,之后大型鲸鱼级的建设计划都将使用锂离子动力电池。

据报道,四艘日本潜艇拆除了原来的斯特林MK2发动机和480个铅酸电池,取而代之的是日本东宝公司开发的672个锂离子电池,实现了电池供电范围翻倍,电池充电时间减半。

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照片 龙级潜艇动力系统,自第11艘船以来一直在弃用斯特林发动机,以支持更高效的锂离子电池。

与日本一样,韩国是锂离子电池的主要生产国,并于2018年开始开发用于潜艇的锂离子动力电池,并计划在最新KSS-III潜艇的第二阶段建造期间用锂离子电池取代现有的AIP动力系统。

德国和法国也早在20世纪90年代就开始研制锂离子动力电池潜艇,但不是作为潜艇主动系统,而是随着AIP系统,在214、短鳍梭鱼级等出口导向型常规潜艇计划中反映出来,至今尚未进行散装。

锂离子动力电池在提高电池寿命、高速移动性和隐蔽性方面具有优势,无论是作为单一的主动系统,还是与AIP系统配合,都有良好的前景,我国在这方面也应该有一定的行动。

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相片:中國的常規潛艇。