【探索时分】台湾潜艇为何用锂电池?三大优势

台湾的潜艇是以日本苍龙级,第11、12艘为蓝本进行设计和建造的。弃用不依赖空气推进系统,采用的是柴油机加锂电池的组合。那么日本为什么不用斯特林发动机了?台湾的潜艇为什么也要采用锂电池呢?

回答这个问题,我们就要看日本最近三代潜艇的设计思路。亲潮级采用柴油机加铅蓄电池。苍龙级引进瑞典的斯特林发动机。而到了苍龙级最后两艘和新建的大鲸级,日本突然弃用斯特林发动机,使用柴油机加锂电池的组合。

传统的柴电潜艇有什么缺点

我先来看一下传统的柴电潜艇有什么缺点?传统的柴电潜艇在水面航行时,柴油机带动发电机发电,驱动螺旋桨旋转,同时给电池充电。而到了水下,柴油机关闭,依靠电池驱动螺旋桨前进。你电用完了,就得浮到水面,所以柴电潜艇的水下时间一般是三到五天,如果高航速,可能几个小时,你就得浮上水面了,在现在的战争环境中,潜艇浮上水面次数越多,就意味着你被敌人发现的概率可能越大,所以不依赖空气推进应运而生。

所谓不依赖空气推进系统,就是指潜艇可以在水下不需要空气,就产生前进的动力,简称AIP。其中最常见的就是斯特林发动机。

斯特林发动机能在水下潜伏两星期

斯特林发动机其实是英国人最早发明的,瑞典人首先应用到自己的哥特兰级潜艇上。哥特兰级潜艇在引用斯特林发动机之后,竟然能在水下潜伏长达两个星期。那么瑞典人又是如何做到的呢?

斯特林发动机简单来说,就是通过热胀冷缩的原理,把热能转化为机械能的一个发动机。你有两个气缸,两个汽缸中分别有一个活塞。一个汽缸是热的,另一个汽缸是冷的。循环开始,热的汽缸中的气体受热膨胀,推动活塞运动,我们注意啊,中间这个机械结构叫连杆,它在运动的时候带动另一个汽缸中的活塞向上走,气体进入另外一个气缸中,因为这个气缸是冷的,热胀冷缩,气体压缩带动活塞向下,这样循环往复,将热能转化为机械能,这就是斯特林发动机。

你只需要对斯特林发动机两个汽缸一个进行加热一个进行降温,就可以在水下产生动力,不需要像柴油机一样,一定要通着空气燃烧才能驱动螺旋桨前进。

除了不需要空气,斯特林发动机的另外一个优点是比较安静,因为它不像内燃机一样,有剧烈的燃烧,产生强烈的震动,它是靠气体的热胀冷缩来带动连杆的运转。

在采用斯特林发动机之后,瑞典的哥特兰级潜艇可以在水下以六节的速度航行达两个星期之久。2005年瑞典哥特兰潜艇在北约大西洋的演习中,竟然打败了美国的核潜艇。

2005年在另外一场演习中哥特兰号竟然突破了美军的反潜防御,袭击了美国里根号航空母舰。美国人一看,好东西,我要研究研究,于是在2004年美国就向瑞典提出租借哥特兰级潜艇,租约到期之后,美国又再延长一年。

两大缺点 日本人突然又不用了

从此以后哥特兰级潜艇和斯特林发动机名声大噪。而日本的苍龙级前10艘,它就是采用两组柴油机和四组斯特林发动机,最大潜行速度达到20级,浮行速度为13节。以六节的速度能在水里待三个星期。

斯特林发动机既然这么好,为什么日本人突然又不用了呢?斯特林发动机对于之前的纯柴电潜艇来说,提升不少,增强了水下运动能力和水下时间。但是斯特林发动机面临两大问题。第一个功率太小,斯特林发动机依靠气体热胀冷缩来做工,哥特兰级的一台斯特林发动机功率只有75千瓦,大概就一百多马力,这是一个什么概念呢?福特野马能达到400马力,苍龙级自己的柴油机能达到3,900马力。

也就是说,苍龙级上斯特林发动机的功率也就只有自己柴油机的四十分之一,连一辆家用轿车的马力都没有。这就是为什么在使用斯特林发动机时,无论是瑞典的潜艇还是日本的苍龙级,在水下只能以不到10公里的速度低速前进,基本上就是比人行走快一点。

那么斯特林发动机的第二大缺点是什么呢?就是它需要消耗柴油和液氧。斯特林发动机的原理是通过制造冷源和热源,将热能转化为机械能,但是有一个问题了,潜艇上的热源哪里来?你总不能用双手捂着汽缸,把它加热吧。其实,斯特林发动机的热源来自于柴油和液氧的燃烧,所以它不依赖空气,但是它依赖于氧气。潜艇出行必须携带大量的液氧,这就是为什么它在水下的自持力只有两到三个星期的时间,因为液氧用光了,你就得浮上来了。

闭循环柴油机

说到这里,有些朋友可能有这么一个疑问,既然斯特林发动机使用液氧和柴油,那为什么不直接用液氧和柴油燃烧去推动柴油机呢?这是一个非常好的问题,工程师们确实这么想了,也这么做了。产生的就是AIP系统的第二个常用的形式,叫做闭循环柴油机。

什么意思呢?就是我把潜艇上的液氧和惰性气体,比如氦气混合到一起,供给柴油机燃烧废弃的气体,我对它进行处理。二氧化碳吸收了,剩下的氦气,混合上新的氧气继续供给柴油机进行燃烧。这样的话潜艇它就不需要空气了,氦气可以重复利用,氧气来自液氧,我只需要带着氧气罐出行就可以了。这就是闭式循环柴油机,苏联人很喜欢,在冷战时期建造了30艘Q级潜艇,但是当时技术不稳定,Q级潜艇因为火灾引发液氧爆炸,导致潜艇沉没,人送一称号,叫“海上打火机”,所以在70年代前期就被全部解体了。

我们说到这里面,概括一下所谓的不依赖空气推进系统的三种常见模式,第一种就是我们今天说的斯特林发动机,第二种就是闭式循环柴油机,第三种就是燃料电池,关于燃料电池,我们以后有机会再跟大家单独讲。

日本人换装锂电池

那么回到日本的苍龙级身上,日本一看,就算使用斯特林发动机,你还需要液氧,过两个星期三个星期依然要回到水面上,那我能不能不要你这个斯特林发动机,我把铅蓄电池和斯特林发动机的空间全部换成锂电池。锂电池相同体积,容量是铅蓄电池的两到三倍。这不就大大地增加了我潜艇上的电量吗?我有这么多的电量,就能保证我充一次电,我在水下潜行两到三个星期,性能这不就达到甚至超过斯特林发动机了吗?

这就是日本人换装锂电池的逻辑,非常有道理。日本人非常聪明,他在引进瑞典斯特林发动机的,就想到了这个问题,日本人在设计苍龙级的时候就已经规划了,最后四艘会使用锂电池,他并不是说,我建造到了一半,最后几艘,我想尝试,修改我的设计,不是这样的,他一开始就定好了。

四大优势

锂电池相比斯特林发动机加铅蓄电池,有这么几大优势,第一,潜行时间更长。苍龙级,把斯特林发动机和铅蓄电池全部换成锂电池之后呢,他充一次电,水下的低速潜行时间比你使用斯特林发动机还要长45%,在高速的情况下锂电池的优势会更加明显,我没有具体的数字,我看到相关报导称高速情况下续航能力比使用斯特林发动机要多百分之70。

第二,充放电时间更快,使用铅蓄电池的时候,要为铅蓄电池充满电在水面可能至少要待几个小时的时间,但是现在安装的锂电池充放电速度更快,可能一个小时就能充好电,这样的话将大大减少潜艇上浮的时间更利於潜艇隐蔽。

第三,水下高速航行时间将会增加,我们知道斯特林发动机,虽然水下能够提供电力,但是它提供功率比较小。那换装锂电池之后,水下高速航行时间将会大大增加,这将会大大增强苍龙级和大鲸级的水下机动能力。

第四点就是噪音更小,在水下使用锂电池因为不开动柴油机和斯特林发动机,没有大的机械振动,完全就是由电池向电动机供电,驱动螺旋桨或者是泵推。我们知道潜艇上的噪音,主要来自于动力结构,不开发动机,将大大地降低苍龙级和大鲸级上的噪音。目前我没有看到官方的数据出来,但是根据我的估计,大鲸级的噪声将比苍龙级低不少。

锂电池缺点:容易着火

锂电池好是好,那有什么缺点呢,当然有了,就是容易着火,从特斯拉到三星的手机,着火的事情,在前几年是层出不穷,但是日本的锂电池技术是世界上第一锂电池的发明人,就是日本人2019年诺贝尔奖获得者吉星张。随着锂电池在电子工业中大量广泛的使用,日本在锂电池上,近几年来有不断的技术突破。苍龙级使用的锂电池来自日本的电池供应商汤浅公司。

在2018年3月汤浅公司推出最新的锂电池产品,日本苍龙级的第11艘就采用了这款新产品,可见日本人对于自己的锂电池技术是非常有信心的。那么到目前为止三年过去了,从来还没有听到过日本的锂电池出了什么问题。

台湾采取苍龙级设计方案 是最佳选择

我们这是从日本三代潜艇,亲潮苍龙级大鲸级,讲到了日本为什么放弃了不依赖空气推进系统而选择了锂电池这样的一个设计方案,我们回过头来再来看台湾。台湾采取苍龙级的设计方案,我觉得是最佳选择,没有之一,为什么呢?

第一,斯特林发动机你买不到,日本的斯特林发动机是引进瑞典的生产许可的,所以瑞典要是不点头,台湾是用不上斯特林发动机的。

第二,日本有非常成熟的潜艇设计和制造的经验,日本的潜艇是每年下水一艘,30年来没有间断,可以说是世界上最强的常规潜艇制造力量,采用日本的技术是非常成熟可靠的。

第三,锂电池其实非常适合台海作战环境。为锂电池充一次电,可以在水下作战三个星期甚至到四个星期,我们知道台海如果发生战争,最关键的就是头一个月甚至头两个星期。有的朋友说台湾最好是有核潜艇,没有必要,要核潜艇有什么用呢?美国澳大利亚需要核潜艇,是因为他们要远洋作战,澳大利亚要把核潜艇开到南海,美国要把核潜艇从西海岸开到日本台湾,这个时候,你当然需要核潜艇了,常规潜艇开回来就得开回去了。台湾就在周围的海域作战,核潜艇不会有任何太大帮助。

并且没有斯特林发动机以后,台湾潜艇在水下的静音效果会非常好,隐蔽性得到了大大的提高。所以综合以上几点台湾潜艇采取日本苍龙级最后两艘的设计方案,锂电池加柴油机的组合,我觉得是经过深思熟虑而且是最佳方案的。

我们今天主要从动力方案,和大家分析了日本苍龙级和大鲸级的特点,但其实这两款潜艇它们的作战能力,远远不止在于AIP系统或者是锂电池。在我眼里呢,苍龙级是20世纪初世界上最佳的常规动力潜艇,大鲸级下水后,将成为新的世界上最佳常规动力潜艇。两款潜艇到底强在哪里呢?请看下集。

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责任编辑:李昊#

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