从日本“凰龙”号潜艇入役，看常规潜艇动力技术新发展

2020-07-16李志炜程之年史腾飞高萌

兵器知识 2020年7期

李志炜程之年史腾飞高萌

日本“苍龙”级“凰龙”号锂离子电池潜艇，成为世界上第一艘采用锂离子电池技术的潜艇

2020年3月6日，在三菱重工神户造船厂，日本海上自卫队举行了第11艘“苍龙”级潜艇“凰龙”号的入役仪式。该艇是日本首艘采用锂离子电池代替传统铅酸电池的潜艇，标志着日本潜艇用锂离子电池技术日趋成熟，并实现列装。此外，该潜艇装备了先进的斯特林发动机AIP系统，水下续航力得到大幅提高。近年来，以锂离子电池、AIP动力技术为代表的常规潜艇动力技术相继取得进展，上艇应用步伐进一步加快，常规潜艇新型水下动力技术时代正在到来。

“苍龙”级潜艇技术领先

潜艇是日本反潜战，以及海上自卫队执行近海巡逻警戒甚至远洋作战不可或缺的装备。20世纪初，日本在完成“亲潮”级潜艇建造后，开始发展排水量更大、潜航能力更强、系统设备更先进的“苍龙”级AIP潜艇，计划建造12艘，由川崎重工与三菱重工轮流建造。动力系统原计划采用柴油机+斯特林发动机+铅酸电池。为进一步强化潜艇潜航能力，确保技术领先优势，日本防卫省在2002年便开始研发潜艇用锂离子电池，2007年曾计划在第五艘“苍龙”级上使用，但因预算不足和技术发展受阻而放弃，直到2014年才决定将锂离子电池用于“苍龙”级潜艇11号和12号艇，并列入2015和2016财年国防预算。

“苍龙”级潜艇水下排水量4200吨，是目前世界上排水量最大的常规潜艇之一。艇长84米，宽9.1米，最大潜深650米，70名艇员，“X”形艉舵。“苍龙”级潜艇艇型与“亲潮”级基本相同，为雪茄形艇体，并在“亲潮”级基础上加装了AIP舱段。“苍龙”级装有6具鱼雷发射管，可混合装载20枚反舰导弹和鱼雷。配备有ZQR-1拖曳阵声呐、ZQQ-7艇壳声呐等。其动力系统包括2台柴油机、4台斯特林发动机、1台主推进电机，以及锂离子电池组。该级潜艇的水面最高航速为12节，水下航速为20节，前10艘可以4～5节航速在水下连续航行至少2周而不必上浮水面;后2艘可以3.6～5节航速水下连续航行2周，并能以20节航速潜航8.5～11.2小时，高航速续航力较使用铅酸电池（1～2小时）提高4倍以上。

韩国海军KSS-III锂离子电池动力潜艇。2018年9月14日，韩国海军KSS-III级潜艇首艇“岛山安昌浩”号在韩国庆尚南道韩国大宇重工（DSME）玉浦造船厂下水

韩国大宇造船与海洋工程（DSME）公司在2019年釜山国际海事国防工业展览会（MADEX）上首次展示了新型常规潜艇DSME-2000的概念方案，采用单壳体，配装锂离子电池、光电桅杆、拖曳阵声呐

锂离子电池：常规潜艇动力的“新宠”

除日本以外，印度、德国、法国、韩国等竞相研发部署常规潜艇锂离子电池，高能量锂离子电池替代铅酸电池已成为未来常规潜艇的重要发展方向。2018年2月，印度国防部在发布的新版《技术展望与能力路线图》中明确提出要采购10套潜用锂离子电池系统。2018年10月，德国蒂森克虏伯海事系统公司与法国帅福得公司合作研发出了新型潜艇锂离子电池系统，电池的设计符合海洋环境使用、安全性和电化学安全要求，并已通过一系列试验，证实了电池本体和系統层面上的安全性。同月，法国海军集团研发出一种高性能、安全性好的LIBRT新型潜艇锂离子电池系统，其能量密度是现役铅酸电池的两倍，同时还可显著缩短充电时间。2018年11月，韩国三星SDI公司等6家公司和韩国电子技术研究所等5家研究机构联合研发出潜艇锂离子电池，并通过技术成熟度评估（TRA），将装备第二批KSS-III潜艇。2019年7月，日本公布其正在研制的新一代常规潜艇29SS，也计划配装锂离子电池，进一步提升水下高速续航力和隐身性能。2019年10月，在釜山国际海事国防工业展览会上，韩国大宇造船与海洋工程公司首次展示了新型常规潜艇DSME-2000的概念方案，该型艇同样装备锂离子电池。

按照日媒披露的消息，采用柴油机+斯特林发动机+铅酸电池的“苍龙”级潜艇动力系统平均造价约558亿日元，而采用锂离子电池作为水下动力源平均造价则高达640亿日元。造价更加高昂的锂离子电池动力系统何以取代传统铅酸电池，成为各国竞相研发部署的常规潜艇动力“新宠”？

锂离子电池相比传统潜艇电池的优势

与传统潜艇电池（铅酸、镍镉、银锌等）系统相比，锂离子电池具有单电池电压高、电池容量大、使用寿命长等优点，具体包括以下几点。

一是增强常规潜艇水下续航力，提高隐蔽性。隐蔽性是潜艇最为关键的性能参数之一。锂离子电池具备高能量密度和高效能，其中重量比能为铅酸电池的3倍，体积比能在2倍以上。在储能效率上，法国研制的锂离子电池储能效率高达95%，明显优于传统铅酸电池（一般不超过60%）。此外，在同等航程情况下，采用高能量锂离子电池的潜艇可减少约10%～25%的上浮充电次数。由于锂离子电池压降较小，可用较高的电流保持长时间充电，上浮充电时间亦少于铅酸电池，进一步提高了常规潜艇隐蔽性能。

二是优化了潜艇有效负载配置。由于同等电能的锂离子电池体积，仅为铅酸电池体积的1/2，采用锂离子电池可显著减少电池舱所占空间，优化潜艇武器装备或探测设备布置，提高潜艇综合作战能力。

三是维护保养便利，使用成本低。虽然锂离子电池成本较高，但由于锂离子电池系统没有记忆效应，在作战使用中几乎不用进行深度放电、周期治疗等维护保养活动。此外，锂离子电池使用寿命更长达10～15年，是传统铅酸电池的2 倍。综合来看，虽然锂离子动力系统建造成本高于铅酸电池，但其使用成本要低于铅酸电池。

图为法国为澳大利亚打造的“短鳍梭鱼”潜艇示意图，采用锂离子动力系统，在2016年澳大利亚海军采购竞标中击败德国的216型潜艇和日本的“苍龙”级潜艇，赢得澳海军潜艇采购大单

锂离子电池上艇应用的“绊脚石”

安全性是锂离子电池上艇使用的前提，安全保障措施和技术是艇载锂离子电池发展的重点。锂离子电池以往存在安全性差和易发生爆炸的危险，一旦失控燃烧，会立刻产生非常高的热量，释放有毒烟雾并排放出导电尘埃，并且很难扑灭。由于锂离子电池过热，2013年1月7日，日本航空公司由东京飞抵波士顿的一架波音787客机，下客数分钟后辅助动力系统（APU）电瓶组件起火，客舱内冒出烟雾。同样是锂离子电池，使三星Note7手机频频发生自燃而被列为“危险品”。2008年美国“海豹”特种部队的迷你潜艇的锂离子电池也曾在珍珠港发生自燃。显然，这种电池的过热和自燃的可能性，对于装有数百个锂电池的潜艇来说，也是一个噩梦般的存在。德国、法国在研制艇载锂离子电池系统中，不惜牺牲电池部分重量比能来提升电池安全性，并采取研制电池安全管理系统、采用冗余设计、研发新型电池材料等措施消除锂电池安全隐患，确保电池上艇使用安全。日本多年来投入数十亿美元用于锂离子电池技术攻关，通过构建更大的锂离子电池矩阵来确保安全性。此外，锂离子电池供应商还与日本海上自卫队合作进行了短路、盐水侵入、跌落和冲击试验，以验证锂离子电池的安全性。这些措施均使锂离子电池朝着更高的安全性和可靠性方向发展。

图为日本GS汤浅公司（GS Yuasa）制造的锂离子电池，该公司为诸多国防应用开发和生产先进的电池动力系统

AIP动力技术：提升潜艇隐身性能的“撒手锏”

AIP（AirIndependentPropulsion）系统是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其它动力的能源系统，使潜艇可长时间无需上浮到水面为电池充电，从而大幅提高潜艇的隐身性能。AIP可分为热机系统、电化学系统和小堆系统三大类。其中热机系统包括斯特林发动机（SE/AIP）、闭式循环柴油机（CCD/AIP）、闭式循環涡轮机（MESMA/AIP）等形式;电化学系统以燃料电池（FC/AIP）形式为主;小堆系统是以低功率核动力装置（LLNP/AIP）为基础的动力系统。

FC2G 型AIP 系统主要组成：（1）氢气重整器，从柴油中生产富氢气体;（2）气体发生器，提高氢气产量并从重整器产生的气体中去除一氧化碳;（3）高科技净化膜，为燃料电池提供超纯氢;（4）PEM 空气燃料电池，氢气和氧气发生化学反应发电;（5）氧气模块，存储液氧，为AIP 系统和艇员呼吸提供氧气

FC2G型AIP系统舱段。它是第二代燃料电池推进系统，是一个模块舱段，所有设备集成到长约8米的专用艇体之内

瑞典“哥特兰”级潜艇，它采用斯特林发动机AIP技术，是世界上第一批装备AIP系统的常规潜艇

燃料电池系统（FC/AIP）

FC/AIP 系统由燃料电池本体、氢源、氧源、辅助系统和管理系统组成。辅助系统主要包括水收集系统、惰性气体保护系统、冷却系统等。管理系统包括氢气供给、氧气供给、尾气管理、气体增湿、控制单元、DC/DC变换单元、安全管理等模块。FC/AIP在潜艇上应用的基本原理是：氢燃料和氧化剂在燃料电池质子交换膜两侧催化剂表面进行化学反应，直接将化学能转化为电能，为潜艇提供水下的巡航动力。其优势在于不受热力学定律限制，只要有氢气和氧气供应，就能直接产生电能，具有效率高、机械振动少、工作温度低、工作潜深大、布置方式灵活、安装和维护简单等特点。

FC/AIP系统的关键在于艇上氢气的制取和储存，由于高压氢气储存条件苛刻、金属氢化物储氢密度低，目前国外海军正在研发利用甲醇、乙醇、燃油为原料重整制氢的技术。其中俄罗斯第五代常规潜艇以及法国“短鳍梭鱼”型潜艇都在研究燃油重整制氢技术方案。2019年7月30日，法国海军集团宣布其研制的常规潜艇用FC2G型AIP系统取得突破性进展，成功支撑潜艇在水下连续航行18天。FC2G型AIP系统通过柴油重整、气体净化的方式制取纯度超过99.999%的氢气，增加了燃料电池寿命，优于金属氢存储解决方案。此外，该技术提高了催化剂和柴油重整系统的耐久性，减少了维护时间，对于氢气的回收效率达到了99%以上。

近年来，燃料电池（FC/AIP）逐渐成为常规动力潜艇装备数最多的方案，占据AIP潜艇一半以上。德国海军装备的212型、214型、214A型和216型潜艇，俄罗斯第五代常规潜艇，西班牙S80潜艇，法国“短鳍梭鱼”型潜艇均已使用或确定使用燃料电池+柴油机动力型式。此外，日本防卫省也在研发潜艇燃料电池动力系统，很可能用于下一代29SS潜艇。

斯特林发动机AIP系统（SE/AIP）

斯特林发动机系统主要由斯特林发动机、发电机液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统及控制系统等组成，其工作过程是：在燃烧室内，氧气和燃油持续燃烧，燃烧的火焰将加热器加热，由加热器把热能不断地传递给流经其内部的工作介质（氦气或氩气），介质吸收热量膨胀做功，推动活塞运动，再通过曲柄、连杆机构变往复运动为旋转运动，使曲轴旋转并输出功率。

瑞典最早将斯特林发动机技术应用到常规潜艇上。1996年4月，瑞典A-19级首艇“哥特兰”号潜艇服役，成为世界上第一艘实用型AIP潜艇。其采用的MK2（V4-275R）型动力系统是目前技术最为成熟的斯特林发动机，额定功率65千瓦，最大功率75千瓦。日本于2005年从瑞典引进了斯特林发动机技术，现役的11艘“苍龙”级潜艇，每艘装备4台MK2型斯特林发动机。作为辅助动力系统，它们主要是供潜艇在水下以4～5节的低速航行时使用，保证潜艇水下连续潜航至少2周而不必上浮水面，低于4节时持续潜航时间可进一步延长到3周左右。瑞典目前正在研制下一代MK3型斯特林发动机，在运行效率、输出功率、水下运行深度、隐蔽性等方面均有所改进，计划装备在瑞典下一代A26型AIP动力潜艇上。新加坡等国潜艇同样装备了斯特林发动机。

德国212A级常规潜艇，该潜艇采用AIP 动力技术，“X”型尾舵

印度“鲉魚”级潜艇“卡尔瓦里”号。“鲉鱼”级潜艇结合了法国和西班牙两国潜艇的设计理念，技术灵活，性能先进，可加装采用了闭式循环汽轮机AIP动力系统，已成功销往智利，马来西亚，印度和巴西等国家

闭式循环汽轮机、燃气轮机AIP系统

闭式循环汽轮机（MEMSA/AIP）系统由液氧储罐、燃料储罐、燃烧室、冷却装置、蒸汽发生器、汽轮机等部分组成。其工作过程是：一回路中的氧气与乙醇在燃烧室内混合燃烧，产生的高温高压燃气将二回路中的淡水加热成蒸汽，蒸汽对蒸汽轮机做功，使汽轮机驱动电机发电，从而为潜艇提供电源。法国从1988年就开始研制MESMA/AIP系统，其第一代产品用于出口到巴基斯坦的“阿戈斯塔”级90B型潜艇上。目前法国和西班牙联合研制的“鲉鱼”级常规动力潜艇也采用了闭式循环汽轮机AIP系统。

闭式循环燃气轮机是指不依赖空气能正常进行工作的燃气轮机。它主要由两个回路组成，一是产生高温燃气回路，基本上与闭式循环蒸汽轮机系统相同。另一个是工质二回路，按布雷顿循环工作。其工作过程是：工质进入压气机进行增压，后进入回热器利用做功后的余热进行加热，再进入热发生器进一步加热，最后进入燃气轮机膨胀做功，带动同轴的压气机和发电机，做功后的工质从燃机出来经回热器放出部分余热，然后进入冷却器冷却，再次进入压气机。

2019年7月，俄罗斯孔雀石设计局在2019年俄罗斯海事防务展（IMDS-2019）上首次展示其P-750B型潜艇设计，其动力系统采用2台单机功率400千瓦的闭式循环燃气轮机和1台2500千瓦的推进电动机。在水面模式中，动力系统依靠空气用于燃气轮机做功;在水下模式中，通过杜瓦容器向燃气轮机提供液氧。