從日本“凰龍”號潛艇入役，看常規潛艇動力技術新發展

李志煒 程之年 史騰飛 高萌

日本“蒼龍”級“凰龍”號鋰離子電池潛艇，成為世界上第一艘采用鋰離子電池技術的潛艇

2020年3月6日，在三菱重工神戶造船廠，日本海上自衛隊舉行了第11艘“蒼龍”級潛艇“凰龍”號的入役儀式。該艇是日本首艘采用鋰離子電池代替傳統鉛酸電池的潛艇，標志著日本潛艇用鋰離子電池技術日趨成熟，并實現列裝。此外，該潛艇裝備了先進的斯特林發動機AIP系統，水下續航力得到大幅提高。近年來，以鋰離子電池、AIP動力技術為代表的常規潛艇動力技術相繼取得進展，上艇應用步伐進一步加快，常規潛艇新型水下動力技術時代正在到來。

“蒼龍”級潛艇技術領先

潛艇是日本反潛戰，以及海上自衛隊執行近海巡邏警戒甚至遠洋作戰不可或缺的裝備。20世紀初，日本在完成“親潮”級潛艇建造后，開始發展排水量更大、潛航能力更強、系統設備更先進的“蒼龍”級AIP潛艇，計劃建造12艘，由川崎重工與三菱重工輪流建造。動力系統原計劃采用柴油機+斯特林發動機+鉛酸電池。為進一步強化潛艇潛航能力，確保技術領先優勢，日本防衛省在2002年便開始研發潛艇用鋰離子電池，2007年曾計劃在第五艘“蒼龍”級上使用，但因預算不足和技術發展受阻而放棄，直到2014年才決定將鋰離子電池用于“蒼龍”級潛艇11號和12號艇，并列入2015和2016財年國防預算。

“蒼龍”級潛艇水下排水量4200噸，是目前世界上排水量最大的常規潛艇之一。艇長84米，寬9.1米，最大潛深650米，70名艇員，“X”形艉舵。“蒼龍”級潛艇艇型與“親潮”級基本相同，為雪茄形艇體，并在“親潮”級基礎上加裝了AIP艙段。“蒼龍”級裝有6具魚雷發射管，可混合裝載20枚反艦導彈和魚雷。配備有ZQR-1拖曳陣聲吶、ZQQ-7艇殼聲吶等。其動力系統包括2臺柴油機、4臺斯特林發動機、1臺主推進電機，以及鋰離子電池組。該級潛艇的水面最高航速為12節，水下航速為20節，前10艘可以4～5節航速在水下連續航行至少2周而不必上浮水面;后2艘可以3.6～5節航速水下連續航行2周，并能以20節航速潛航8.5～11.2小時，高航速續航力較使用鉛酸電池（1～2小時）提高4倍以上。

韓國海軍KSS-III鋰離子電池動力潛艇。2018年9月14日， 韓國海軍KSS-III級潛艇首艇“島山安昌浩”號在韓國慶尚南道韓國大宇重工（DSME）玉浦造船廠下水

韓國大宇造船與海洋工程（DSME）公司在2019年釜山國際海事國防工業展覽會（MADEX）上首次展示了新型常規潛艇DSME-2000的概念方案， 采用單殼體，配裝鋰離子電池、光電桅桿、拖曳陣聲吶

鋰離子電池： 常規潛艇動力的“新寵”

除日本以外，印度、德國、法國、韓國等競相研發部署常規潛艇鋰離子電池，高能量鋰離子電池替代鉛酸電池已成為未來常規潛艇的重要發展方向。2018年2月，印度國防部在發布的新版《技術展望與能力路線圖》中明確提出要采購10套潛用鋰離子電池系統。2018年10月，德國蒂森克虜伯海事系統公司與法國帥福得公司合作研發出了新型潛艇鋰離子電池系統，電池的設計符合海洋環境使用、安全性和電化學安全要求，并已通過一系列試驗，證實了電池本體和系統層面上的安全性。同月，法國海軍集團研發出一種高性能、安全性好的LIBRT新型潛艇鋰離子電池系統，其能量密度是現役鉛酸電池的兩倍，同時還可顯著縮短充電時間。2018年11月，韓國三星SDI公司等6家公司和韓國電子技術研究所等5家研究機構聯合研發出潛艇鋰離子電池，并通過技術成熟度評估（TRA），將裝備第二批KSS-III潛艇。2019年7月，日本公布其正在研制的新一代常規潛艇29SS，也計劃配裝鋰離子電池，進一步提升水下高速續航力和隱身性能。2019年10月，在釜山國際海事國防工業展覽會上，韓國大宇造船與海洋工程公司首次展示了新型常規潛艇DSME-2000的概念方案，該型艇同樣裝備鋰離子電池。

按照日媒披露的消息，采用柴油機+斯特林發動機+鉛酸電池的“蒼龍”級潛艇動力系統平均造價約558億日元，而采用鋰離子電池作為水下動力源平均造價則高達640億日元。造價更加高昂的鋰離子電池動力系統何以取代傳統鉛酸電池，成為各國競相研發部署的常規潛艇動力“新寵”？

鋰離子電池相比傳統潛艇電池的優勢

與傳統潛艇電池（鉛酸、鎳鎘、銀鋅等）系統相比，鋰離子電池具有單電池電壓高、電池容量大、使用壽命長等優點，具體包括以下幾點。

一是增強常規潛艇水下續航力，提高隱蔽性。隱蔽性是潛艇最為關鍵的性能參數之一。鋰離子電池具備高能量密度和高效能，其中重量比能為鉛酸電池的3倍，體積比能在2倍以上。在儲能效率上，法國研制的鋰離子電池儲能效率高達95%，明顯優于傳統鉛酸電池（一般不超過60%）。此外，在同等航程情況下，采用高能量鋰離子電池的潛艇可減少約10%～25%的上浮充電次數。由于鋰離子電池壓降較小，可用較高的電流保持長時間充電，上浮充電時間亦少于鉛酸電池，進一步提高了常規潛艇隱蔽性能。

二是優化了潛艇有效負載配置。由于同等電能的鋰離子電池體積，僅為鉛酸電池體積的1/2，采用鋰離子電池可顯著減少電池艙所占空間，優化潛艇武器裝備或探測設備布置，提高潛艇綜合作戰能力。

三是維護保養便利，使用成本低。雖然鋰離子電池成本較高，但由于鋰離子電池系統沒有記憶效應，在作戰使用中幾乎不用進行深度放電、周期治療等維護保養活動。此外，鋰離子電池使用壽命更長達10～15年，是傳統鉛酸電池的2 倍。綜合來看，雖然鋰離子動力系統建造成本高于鉛酸電池，但其使用成本要低于鉛酸電池。

圖為法國為澳大利亞打造的“短鰭梭魚”潛艇示意圖，采用鋰離子動力系統，在2016年澳大利亞海軍采購競標中擊敗德國的216型潛艇和日本的“蒼龍”級潛艇，贏得澳海軍潛艇采購大單

鋰離子電池上艇應用的“絆腳石”

安全性是鋰離子電池上艇使用的前提，安全保障措施和技術是艇載鋰離子電池發展的重點。鋰離子電池以往存在安全性差和易發生爆炸的危險，一旦失控燃燒，會立刻產生非常高的熱量，釋放有毒煙霧并排放出導電塵埃，并且很難撲滅。由于鋰離子電池過熱，2013年1月7日，日本航空公司由東京飛抵波士頓的一架波音787客機，下客數分鐘后輔助動力系統（APU）電瓶組件起火，客艙內冒出煙霧。同樣是鋰離子電池，使三星Note7手機頻頻發生自燃而被列為“危險品”。2008年美國“海豹”特種部隊的迷你潛艇的鋰離子電池也曾在珍珠港發生自燃。顯然，這種電池的過熱和自燃的可能性，對于裝有數百個鋰電池的潛艇來說，也是一個噩夢般的存在。德國、法國在研制艇載鋰離子電池系統中，不惜犧牲電池部分重量比能來提升電池安全性，并采取研制電池安全管理系統、采用冗余設計、研發新型電池材料等措施消除鋰電池安全隱患，確保電池上艇使用安全。日本多年來投入數十億美元用于鋰離子電池技術攻關，通過構建更大的鋰離子電池矩陣來確保安全性。此外，鋰離子電池供應商還與日本海上自衛隊合作進行了短路、鹽水侵入、跌落和沖擊試驗，以驗證鋰離子電池的安全性。這些措施均使鋰離子電池朝著更高的安全性和可靠性方向發展。

圖為日本GS湯淺公司（GS Yuasa） 制造的鋰離子電池，該公司為諸多國防應用開發和生產先進的電池動力系統

AIP動力技術： 提升潛艇隱身性能的“撒手锏”

AIP（AirIndependentPropulsion）系統是指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供推進動力和其它動力的能源系統，使潛艇可長時間無需上浮到水面為電池充電，從而大幅提高潛艇的隱身性能。AIP可分為熱機系統、電化學系統和小堆系統三大類。其中熱機系統包括斯特林發動機（SE/AIP）、閉式循環柴油機（CCD/AIP）、閉式循環渦輪機（MESMA/AIP）等形式;電化學系統以燃料電池（FC/AIP）形式為主;小堆系統是以低功率核動力裝置（LLNP/AIP）為基礎的動力系統。

FC2G 型AIP 系統主要組成：（1）氫氣重整器，從柴油中生產富氫氣體;（2）氣體發生器，提高氫氣產量并從重整器產生的氣體中去除一氧化碳;（3）高科技凈化膜，為燃料電池提供超純氫;（4）PEM 空氣燃料電池，氫氣和氧氣發生化學反應發電;（5）氧氣模塊，存儲液氧，為AIP 系統和艇員呼吸提供氧氣

FC2G型AIP系統艙段。它是第二代燃料電池推進系統，是一個模塊艙段，所有設備集成到長約8米的專用艇體之內

瑞典“哥特蘭”級潛艇，它采用斯特林發動機AIP技術，是世界上第一批裝備AIP系統的常規潛艇

燃料電池系統（FC/AIP）

FC/AIP 系統由燃料電池本體、氫源、氧源、輔助系統和管理系統組成。輔助系統主要包括水收集系統、惰性氣體保護系統、冷卻系統等。管理系統包括氫氣供給、氧氣供給、尾氣管理、氣體增濕、控制單元、DC/DC變換單元、安全管理等模塊。FC/AIP在潛艇上應用的基本原理是：氫燃料和氧化劑在燃料電池質子交換膜兩側催化劑表面進行化學反應，直接將化學能轉化為電能，為潛艇提供水下的巡航動力。其優勢在于不受熱力學定律限制，只要有氫氣和氧氣供應，就能直接產生電能，具有效率高、機械振動少、工作溫度低、工作潛深大、布置方式靈活、安裝和維護簡單等特點。

FC/AIP系統的關鍵在于艇上氫氣的制取和儲存，由于高壓氫氣儲存條件苛刻、金屬氫化物儲氫密度低，目前國外海軍正在研發利用甲醇、乙醇、燃油為原料重整制氫的技術。其中俄羅斯第五代常規潛艇以及法國“短鰭梭魚”型潛艇都在研究燃油重整制氫技術方案。2019年7月30日，法國海軍集團宣布其研制的常規潛艇用FC2G型AIP系統取得突破性進展，成功支撐潛艇在水下連續航行18天。FC2G型AIP系統通過柴油重整、氣體凈化的方式制取純度超過99.999%的氫氣，增加了燃料電池壽命，優于金屬氫存儲解決方案。此外，該技術提高了催化劑和柴油重整系統的耐久性，減少了維護時間，對于氫氣的回收效率達到了99%以上。

近年來，燃料電池（FC/AIP）逐漸成為常規動力潛艇裝備數最多的方案，占據AIP潛艇一半以上。德國海軍裝備的212型、214型、214A型和216型潛艇，俄羅斯第五代常規潛艇，西班牙S80潛艇，法國“短鰭梭魚”型潛艇均已使用或確定使用燃料電池+柴油機動力型式。此外，日本防衛省也在研發潛艇燃料電池動力系統，很可能用于下一代29SS潛艇。

斯特林發動機AIP系統（SE/AIP）

斯特林發動機系統主要由斯特林發動機、發電機液氧系統、供油系統、冷卻系統、工質系統及控制系統等組成，其工作過程是：在燃燒室內，氧氣和燃油持續燃燒，燃燒的火焰將加熱器加熱，由加熱器把熱能不斷地傳遞給流經其內部的工作介質（氦氣或氬氣），介質吸收熱量膨脹做功，推動活塞運動，再通過曲柄、連桿機構變往復運動為旋轉運動，使曲軸旋轉并輸出功率。

瑞典最早將斯特林發動機技術應用到常規潛艇上。1996年4月，瑞典A-19級首艇“哥特蘭”號潛艇服役，成為世界上第一艘實用型AIP潛艇。其采用的MK2（V4-275R）型動力系統是目前技術最為成熟的斯特林發動機，額定功率65千瓦，最大功率75千瓦。日本于2005年從瑞典引進了斯特林發動機技術，現役的11艘“蒼龍”級潛艇，每艘裝備4臺MK2型斯特林發動機。作為輔助動力系統，它們主要是供潛艇在水下以4～5節的低速航行時使用，保證潛艇水下連續潛航至少2周而不必上浮水面，低于4節時持續潛航時間可進一步延長到3周左右。瑞典目前正在研制下一代MK3型斯特林發動機，在運行效率、輸出功率、水下運行深度、隱蔽性等方面均有所改進，計劃裝備在瑞典下一代A26型AIP動力潛艇上。新加坡等國潛艇同樣裝備了斯特林發動機。

德國212A級常規潛艇，該潛艇采用AIP 動力技術，“X”型尾舵

印度“鲉魚”級潛艇“卡爾瓦里”號。“鲉魚”級潛艇結合了法國和西班牙兩國潛艇的設計理念，技術靈活，性能先進，可加裝采用了閉式循環汽輪機AIP動力系統，已成功銷往智利，馬來西亞，印度和巴西等國家

閉式循環汽輪機、燃氣輪機AIP系統

閉式循環汽輪機（MEMSA/AIP）系統由液氧儲罐、燃料儲罐、燃燒室、冷卻裝置、蒸汽發生器、汽輪機等部分組成。其工作過程是：一回路中的氧氣與乙醇在燃燒室內混合燃燒，產生的高溫高壓燃氣將二回路中的淡水加熱成蒸汽，蒸汽對蒸汽輪機做功，使汽輪機驅動電機發電，從而為潛艇提供電源。法國從1988年就開始研制MESMA/AIP系統，其第一代產品用于出口到巴基斯坦的“阿戈斯塔”級90B型潛艇上。目前法國和西班牙聯合研制的“鲉魚”級常規動力潛艇也采用了閉式循環汽輪機AIP系統。

閉式循環燃氣輪機是指不依賴空氣能正常進行工作的燃氣輪機。它主要由兩個回路組成，一是產生高溫燃氣回路，基本上與閉式循環蒸汽輪機系統相同。另一個是工質二回路，按布雷頓循環工作。其工作過程是：工質進入壓氣機進行增壓，后進入回熱器利用做功后的余熱進行加熱，再進入熱發生器進一步加熱，最后進入燃氣輪機膨脹做功，帶動同軸的壓氣機和發電機，做功后的工質從燃機出來經回熱器放出部分余熱，然后進入冷卻器冷卻，再次進入壓氣機。

2019年7月，俄羅斯孔雀石設計局在2019年俄羅斯海事防務展（IMDS-2019）上首次展示其P-750B型潛艇設計，其動力系統采用2臺單機功率400千瓦的閉式循環燃氣輪機和1臺2500千瓦的推進電動機。在水面模式中，動力系統依靠空氣用于燃氣輪機做功;在水下模式中，通過杜瓦容器向燃氣輪機提供液氧。

未來可期

常規動力潛艇具有噪音小、價格低、建造周期短、易于在淺海區域活動的特點，適合沿海作戰和水下威懾。伴隨著以鋰離子電池、AIP 系統為代表的常規潛艇新型動力技術發展的巨大突破，常規潛艇的機動隱身性能及作戰效能將得到極大提升，未來水下戰場爭奪愈發激烈。