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水下作战又有了新动力系统 走进锂电潜艇的前世今生

2018年10月17日 03:01 来源科技日报 参与互动 

世界第?#20976;?#20197;锂离子电池作为动力的潜艇^凰龙 ̄号

  水下作战又有了新动力系统

  走进锂电潜艇的前世今生

  连日来很多人的朋友圈都被日本最新的锂离子聚合物电池潜艇刷屏。近日日本第11艘苍龙级^凰龙 ̄号常规动力潜艇下水这也是世界?#31995;凰?#20351;用锂离子电池作为动力的潜艇。

  早在2014年日本海上自卫队就宣布2015年开工的苍龙级潜艇将革命性地采用锂离子电池。当时有国外媒体报道日本苍龙级潜艇在换装锂离子电池的同?#34987;?#23558;取消原有的AIP系统即只保留锂电池组+柴油机的动力组合。对于这?#25351;?#21629;性的设想当时的观点却不甚统一很多人对这种颇为激进的设计心存疑虑。^凰龙 ̄号的下水使这种激进的设计变为现实。

  瞭望智库特约研究员易芳指出此锂电潜艇是锂离子聚合物电池成熟情况下作为改进AIP潜艇电力推进分系统的一种方式但绝不是唯一先进的方式。 ̄

  蓄电池性能制约催生了AIP潜艇

  潜艇自问世以来就以其神鬼莫测的隐蔽性、较强的?#25442;?#24615;成为各个国?#19968;?#26497;发展的海战利器。然而早期的潜艇却和人们的设想相去甚远。在人们的设想里潜艇应该和科幻小说ゞ海底两万里?#20998;?#30340;^鹦鹉螺 ̄号?#21069;磽?#33021;长时间航行于大洋深处。但?#38469;?#21364;限制了人们的想象力一直到二战期间各国军队使用的还是19世纪末期科学家们发明的柴电动力潜艇即水面航行时使用内燃机在水下航行时则使用蓄电池和电动机。而这种设计一直到今天仍然有广泛的市场。

  由于电池?#38469;?#30340;限制柴电潜艇只能在水下航行10!100个小时就必须充电。柴油机的运行离不开氧气因此必须浮上水面或者采用通气管。这样一来其隐蔽性就大大?#26723;諭?#20026;此人们也一直在寻找各种方式来突破这一制约以核能作为动力就是选择之一。美国人所设计的世界?#31995;凰?#26680;潜艇就使用了^鹦鹉螺 ̄号的名字。但是限于各种制约核潜艇始终是少数国家的专利。

  对于适用?#27573;?#26356;广的常规动力潜艇来说究竟有没有更好的解决办法呢

  上百年来由于电池?#38469;?#36827;步缓慢常规动力潜艇一直主要使用着铅酸电池。铅酸电池性能稳定可靠使用的原材料易于获得且廉价本身结构简单易于维护。但随着电池?#38469;?#30340;进步铅酸电池的缺点也开始被放大!!其体积和重量太大而储电比能却又很低而?#39029;?#28385;电很费时间也就是?#24403;?#36215;锂电池等后来者其能量密?#32570;判系諭?/p>

  因此要增加柴电潜艇水下航行的?#20013;?#24615;和隐蔽性提高电池的储电能力和效率就变得非常重要。但电池?#38469;?#30340;进?#36739;?#28982;不能满足军事需求由此人们研发了不?#35272;?#31354;气的动力推进系统!!AIP系统。

  易芳介绍此早期的AIP潜艇如`斯特林¨发动机AIP动力核潜艇主要采用热力发动机+铅酸蓄电池组的方式作为电力推进分系统虽然提高了水下安全性能但?#26723;?#20102;水下航速增加了系统复?#26377;圈?#22240;此后来又有了闭式循环柴油机动力系统、闭式循环蒸汽轮机动力系统和燃料电池动力系统等方式出现。 ̄

  铅酸电池必将被新式电池取代

  AIP潜艇从一定程度上?#26723;?#20102;潜艇对蓄电池的要求但这不意味着潜艇就不需要更好的电池。毕竟相较柴电潜艇AIP潜艇的系统更为复杂。

  ^凰龙 ̄号在维持规格和航速不变的情况下使用锂离子电池替换掉整个^斯特林 ̄发动机的AIP动力系统和铅酸蓄电池。

  ^凰龙 ̄号所采用的这种设计使得当?#30333;?#28909;门的AIP潜艇有了新的替代方式从?#38469;?#21407;理上看又变回了柴电潜艇。

  ^铅酸电池存在一系列问题而且根据其工作原理改进的空间十分有限而?#19968;?#38656;要额外的发动机供电占用了潜艇过多的空间因此一旦出?#25351;?#25104;熟电池?#38469;?#20363;如锂离子聚合物电池就必然会被取代。 ̄易芳说。

  锂电池其实早已在其中武器系统中应用涵盖了陆海空天等诸多兵种比如军用通信设?#28014;?#27700;下机器人、无人侦察机?#21462;?#20891;用设备电源的能量密?#21462;?#32493;航时间、体积重?#24247;?#26159;影响作战能力的重要因素而锂电池具有的能量密度高、体积小、重量轻、循环寿命长等优势成为军用设备电源的首选。

  易芳指出^由于潜艇潜航时对电力系统的要求很高一种电池?#38469;?#22914;果没有成熟是不敢贸然使用的因为一旦供电中断必然导致潜艇安全事?#30465;?#22240;此之前的常规潜艇主要使用成熟的铅酸蓄电池直到锂离子聚合物电池等电池?#38469;?#36880;渐成熟之后才开始采用新的替代方?#28014;?/p>

  锂电潜艇出现属于水到渠成

  因常规动力潜艇具备独特优势各国?#38469;?#20154;员一直在进行不?#31995;?#35774;计改进包括不断尝试各种新式的电池?#38469;?/p>

  除了锂电池之外?#38469;?#20154;员还使用过银锌电池。上世纪50年代美国用^大青花鱼 ̄号常规动力高速试验潜艇试验过银锌电池。有文章指出1500吨排水量的潜艇使用了220吨电池可以让1500吨的潜艇以33节的速度活动1.5小时这是首?#32428;?#35268;潜艇达到核潜艇的运动能力。不过银锌电池价格过于昂贵制造这些电池的银锭还是从美国国库中借出来的。

  当前AIP潜艇?#26131;?#20013;还有一种燃料电池AIP潜艇然而燃料电池潜艇和日本的锂电潜艇有着本?#26159;?#21035;。燃料电池属于一次电池它可以把燃?#31995;?#21270;学能直接转化为电能也叫电化学发电器。而蓄电池属于二次电池需要进行充放电循环把电能储存起来进行放电。

  ^燃料电池是一种自供能的电池?#38469;?#36825;种潜艇只要燃料足够、废弃物排放科学是可以在水下长期工作可以认为是一种`亚核潜艇¨。 ̄易芳说^而锂离子电池是一种蓄电池需要进行充电。也就是说锂电潜艇在潜航一段时间以后也需要上浮至水面由柴?#22836;?#30005;机组系统进行充电待充电完成后才能继续下潜作业。 ̄

  很多人关心锂电池已在潜艇及众多武器?#31995;?#21040;了应用那?#27492;?#26410;来是否会在战场上广泛应用或者只是过渡阶段的替代品未来锂电潜艇会像现在电动汽车取代燃?#25512;的?#26679;成为未来常规动力潜艇的首选配置吗

  对此易芳认为^锂电池在常规潜艇上运用只是其中一种成熟方案是随着相关国家?#38469;?#25104;熟的出现而出现主要由于其具有比容量高、单电池输出电压高、自放电?#23454;諭?#20351;用寿命长、安全性能好等优点成为电力推进分系统的一种选择而已也并非过渡阶段的替代品是水到渠成的一种必然选择。事实上钠!氯化镍等新型高能热电池也是可供选择的一种方?#28014;?#24403;前燃料电池AIP潜艇的前景比较好是未来研究的主要方向将燃料电池?#38469;?#19982;蓄电池?#38469;?#32467;合可以确保常规AIP潜艇更好的安全性。 ̄

  本报记者 张 强

‐编辑:白嘉懿/

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