日本正引领下一代常规动力潜艇技
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日本正引领下一代常规动力潜艇技术?

2019-07-22 19:06 主页 来源:未知

日本正引领下一代常规动力潜艇技术?


日前,美国媒体《国家利益》杂志发文称,未来常规动力潜艇领域最隐形的潜艇将是日本开发的下一代锂电池潜艇。这也被认为是未来常规动力潜艇的发展方向。

在去年10月初,日本宣布第一艘由锂电池驱动的“苍龙”级潜艇下水后,11月中旬韩国方面也透出消息,“韩国研制的下一代潜艇将采用锂离子电池,性能超群”。

面对这样的动态,已经有不少美国防务媒体和专家建议,美国海军也应该拿出一部分精力和资金,重新启动以锂电池潜艇为代表的常规动力潜艇发展研究。那么锂电池潜艇到底有什么优势?其技术劣势又在哪?此前风靡世界的AIP潜艇技术会被完全取代吗?

一、 技术优势在哪?

2018年10月4日,日本神户造船厂不只是在这一天下水了一艘新潜艇,而且似乎正拉开潜艇战争的一个新时代——其所用到的技术,就是我们日常手机所用到的锂电池技术。

“凰龙”号是日本“苍龙”级潜艇中的第十一艘,对于一艘常规动力潜艇来说,它的尺寸并不小。艇长84米,艇上成员65人,潜入水下时排水量为4200吨。在许多方面,“苍龙”级的能力都堪称是常规动力潜艇的典型代表:它配备了6个533毫米的鱼雷发射管,可以发射多达30枚89型鱼雷或者“鱼叉”反舰导弹,最高水下速度为20节。 这种潜艇的航程为6100海里,远远落后于同行,而600米或更大的最大潜水深度则远高于平均水平,超过了一些反潜鱼雷的冲击深度。

现代常规潜艇使用电力来转动螺旋桨提供动力,并为其作战系统提供能量。这种电力由柴油发动机和发电机产生,并存储在数百个铅酸电池中。然而,柴油发动机需要消耗潜艇的空气供应,迫使潜水艇不得不周期性地浮出水面,或者靠近水面浮潜,然后在“暴露时期”给电池充电,这就使其更容易被侦察到并遭到打击。

此外,当前常规动力潜艇的发电机会产生相当大的噪音。因此,在靠近敌军的情况下航行的潜艇,可能需要关闭其柴油发动机并纯粹依靠电池供电。

问题是一艘潜艇的电池消耗速度真的很快。在最快航行速度(通常约20节)条件下,目前的常规潜艇将在一两个小时内耗尽电池的电能。在5到10节的可持续巡航速度下,续航时间可延长至几天。解决这个问题的一种方法是使用核电,其能提供接近无限的水下持久性,不但允许潜艇能以更高的速度航行而且比柴油发动机更安静。然而,它并不能像纯粹依靠电池运行的常规动力潜艇那样实现极低的噪音,核潜艇无法在运行中关闭其反应堆。更重要的是,核动力潜艇的成本是纯电池动力常规潜艇的四到六倍——即使对于能够获得核反应堆技术的国家来说,核潜艇对于短程巡逻来说也是“奢侈”的。

在过去20年中,常规潜艇的进步一直集中在采用各种更安静和更持久的“不依赖空气推进”(AIP)方案来提供动力。此前,“苍龙”级已经是一种非常现代化的常规动力潜艇,在十多年前投入使用。作为“亲潮”级潜艇的替代者,“苍龙”级并非小型潜艇,水下排水量为4200吨,它们是日本自二战结束以来建造的最大型的潜艇。它们还具有“X”尾舵配置,可在狭窄的沿海环境中实现极佳的机动性。

“苍龙”级潜艇如今有近10艘处于部署状态,这些潜艇都利用了直接从Kockums公司获得许可的斯特林发动机AIP技术——这是一家生产“哥特兰”级潜艇的瑞典公司。日本是一个拥有漫长而复杂海岸线的岛国,它利用潜艇巡逻其领海并保护其海岸。因此,基于斯特林发动机的AIP技术经过验证且经济实惠,与“苍龙”级的大尺寸和充足的燃料储存器配合使用,可以满足日本海上自卫队的需求。

AIP潜艇可以比核潜艇更安静地运行,并且在需要浮出水面之前可以保持在水下航行数周时间,不过条件是只有在以4节—6节的低速行驶时。然而,这种AIP系统的缺点包括膨胀性和用于操作它们的挥发性流体所带来的风险。所以,现在日本希望完全不依赖AIP技术,同时又不会失去其优势,这样做可以腾出空间用于其他能力,同时还可以简化未来潜艇的设计、建造和维护。最重要的是,这种新配置应该比大多数现有具备AIP能力的潜艇在航行时更加安静。

这个想法是在改进型的“苍龙”级潜艇设计中,安装数千个锂离子电池以及强大的柴油发动机和发电机,以及大型排气和进气口堆叠。这个概念还包括一个新的动力处理系统,可以处理高功率负载,并且优化效率。1991年,日本公司将锂离子电池引入一般商业用途。从那时起,他们在便携式电子产品(包括笔记本电脑和手机)中的应用迅速普及。与传统的铅酸电池相比,锂离子电池具有许多优势。例如,即使在充电不足时也能保持输出,比铅酸电池更轻,可以非常快速地充电(因此需要功率更大的柴油发动机和发电机),并且可以储存更多的能量。锂电池可以80%至90%的效率释放能量,而铅酸电池的能量释放大约为60%至70%。

据报道,“凰龙”号采用的672 锂电池模块的电池寿命,是之前改进中的480铅酸电池的两倍,这意味着它可以在不得不浮出水面之前,进行更大范围巡航。此外,可以更快地为电池充电,这意味着潜艇在给电池充电时的风险期更短——根据一项计算,锂电池潜艇的充电时间从2.7小时减少到1.4小时。当然 锂电池的成本更高,达到9700万美元,而铅酸电池的成本为1300万美元。

锂电池潜艇的水下耐力也可能不一定就能跟AIP动力潜艇相当,能承受数个星期的水下潜航行动。然而,锂电池潜艇的整体推进系统设计将不那么复杂和笨重,更长的电池寿命将使潜艇指挥官更灵活地使用更多的电力,实施更长时间关闭发电机的超静音潜航,或者更长时间的高速机动。不仅如此,锂离子电池还可以根据需要提供大量输出,与AIP系统在运行中相比,可以让潜艇快速下降至水下。总的来说,如果仅就短程巡逻而言,锂电池潜艇可能比AIP潜艇更有用。

二、 技术缺点如何克服?

西班牙在1888年建造的“佩拉尔”号小型潜艇,可以说是世界上最早的电力推进潜艇之一。而在第一次世界大战前,大多数潜艇都是仅靠电池供电。为什么之后纯电动潜艇一度不被看好?原因还是其存在一些技术能力上的限制。

也有不少人对锂电池技术运用于潜艇存在担心。人们可能还记得,由于锂离子电池过热,2013年1月7日日本航空公司(Japan Airlines)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”。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,也是一个噩梦般的担忧!

锂离子电池容易“失控”并且燃烧,正是在潜艇上不愿意看到的。当锂离子电池工作时,如果“失控”,它们产生非常高的热量,释放有毒烟雾并排放出导电尘埃。使用传统方法也很难扑灭它们。事实上,2008年美国“海豹”特种部队运输器迷你潜艇的锂离子电池也在珍珠港曾发生着火。这就解释了锂电池技术在商业使用这么长时间里,为什么此前并没有在大型潜艇上采用。

但由于其重量并不像大型海上船舶那样带来严重问题,因此可以采用新的减排方法来降低火灾风险及其潜在的灾难性后果。为了解决这个风险,日本投入多年努力和数十亿美元用于相关技术工作。锂电池技术供应商与日本海上自卫队合作,通过构建更大的锂离子电池矩阵来克服这些问题,这些基质具有增强的边界和增强的化学性质,不易受到这些类型事件影响。供应商还进行了广泛的短路、盐水侵入,跌落和冲击测试,以证明锂电池适合如此重要的用途。此外,还将在先进的“苍龙”级潜艇上安装专门的灭火系统,以便在发生火灾时迅速自动消除火灾。这些措施为其亚基锂离子电池建立了更高的安全性和可靠性。据报道,日本方面测试配置时非常严格,考虑到要面临的各种高压力的情况。“凰龙”号的下水表明,日本方面对锂离子电池已改进后的可操作性、安全性能感到满意。

三、 市场前景被看好

在未来的道路上,日本锂电池动力潜艇的成功也意味着其类似AIP能力很可能会降价。不仅如此,现有的AIP技术与锂离子电池相组合产生的配置也可能出现,为一些用户提供两全其美的产品。锂离子电池没有理由不能与燃料电池等AIP系统结合使用,这是两个世界中最好的常规动力潜艇的动力方案。例如,锂离子电池和燃料电池的组合配对,可以产生功能强大且功能多样的潜艇,具有极高的持续行动能力,非常安静的低噪音,更快的加速和高速的冲刺速度。事实上,有传言称中国也正在努力将锂离子电池与自己的AIP潜艇结合起来。但是,这种“混合”设计的成本和复杂性,将高于日本或大多数海军的要求。主要的缺点是为了容纳AIP发动机,不得不牺牲额外的空间,以及耗费更多的成本。

有消息说,日本方面在做出技术尝试,第7艘“苍龙”也可以使用锂离子电池,很可能是与早期型号中的四个斯特林发动机组合使用。这艘潜艇可能是作为新的全面采用锂离子电池配置的潜艇,与之前采用AIP配置的“苍龙”级之间的“桥梁”,也或许作为技术演示,用于在潜艇上以较小的规模部署新电池。

川崎重工将使用锂离子电池建造另外一艘“苍龙”级潜艇——第十二艘也是最后一艘,在此之后,日本将开始开发下一代锂离子电池潜艇。 一些消息人士透露,早期采用斯特林AIP动力“苍龙”级潜艇也可能升级为锂离子潜艇。

通过这种新的“苍龙”级潜艇的配置,日本有可能树立自己“优秀的攻击型潜艇建造者”的形象,提升自己在新型常规动力潜艇技术领域的世界领先地位。如果该型号被证明是可靠和安全的,这可能意味着可观的出口。

有传言称澳大利亚方面又重新对“苍龙”级潜艇报以非常大的兴趣。 2016年,堪培拉在选择自己下一代常规动力潜艇时最后放弃了日本的“苍龙”级潜艇,转而选择了法国“梭鱼”级潜艇,计划建造12艘该型潜艇替代现有的“柯林斯”级攻击潜艇。然而,在这个项目上的合作程度,法国人与澳大利亚人存在分歧(澳大利亚方面希望能有更多的技术转移方面的合作),以及巴黎和堪培拉政府的变化都使这一安排受到质疑。然而,与日本的潜艇相比,澳大利亚潜艇需要远离本土水域进行巡逻,并且如果以“苍龙”级为基础为澳大利亚设计潜艇,需要加大潜艇的长度,以便容纳更多的燃料和更多的船员住宿空间。

日本主力潜艇对比

无论如何,日本部署技术可靠的锂离子电池潜艇,是过去20年来实用型常规动力潜艇技术能力迎来第二次重大飞跃的标志。据悉中国也在开发这种潜艇。

四、 美国也会心动?

虽然美国海军这几十年来一直坚持发展更昂贵的核动力攻击型潜艇和战略核潜艇,并不断提升潜艇能力,但仍然无法拥有足够的资金,以及足够快的建造速度,以实现自己66艘潜艇舰队的目标。一些美国防务专家认为,鉴于与中国和俄罗斯的安全竞争越来越激烈,锂离子电池潜艇的潜力应该给美国海军另一个重新评估选择的理由。

美国《国家利益》杂志认为,如果日本成功地证明这一高科技且可能更便宜的锂电池动力潜艇,可以获得与装备AIP系统的潜艇相似或更好的性能,那么这些潜艇可能具有与最好的核潜艇相当的声学特征,美国应该采用这项技术。

“蓝背鱼”号是美国海军舰队中最后一艘柴电动力潜艇。多年来,它一直被作为演习中的“侵略船”,但到了1990年,美国海军已经转向全核潜艇部队。

一些美国专家认为,美国海军完全有理由投资发展常规动力潜艇,因为这种潜艇在过去30年中已经得到充分和快速的技术发展。对于美军如此多的任务,有些并不需要核潜艇去完成。如今,一旦锂电池技术得到完善,甚至可能不需要采用负责的AIP技术,海军可以通过采用日本的技术并在获得许可下建造美军自己版本的锂电池潜艇,来解决攻击潜艇能力不足的问题。这将以尽可能低的成本,提供最高技术的解决方案。

弗吉尼亚级SSN-780“密苏里”号

眼下,一艘“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇的价格可以购买大约4艘“苍龙”级潜艇。如果日本的锂电池潜艇投入更广泛的批量生产,其价格将进一步下降。但是,更多美国防务人士也指出核心问题所在,美国海军造船背后是复杂的政治因素和特殊利益集团,并非简单地出于成本因素考虑。特别是在潜艇建造方面,几十年来美海军盲目不愿偏离其“核唯一”的潜艇战略,使得一个合乎逻辑的主张几乎不可能实现。