锂电池将取代潜舰AIP?到底这两种技术有什么关系

近期台湾海军表示,国产潜舰的高性能电池能够取代绝气推进系统(AIP),引起舆论关注,不过到底AIP是什么?两者之间真的是替代关系吗?

传统动力潜舰基本上是由柴油引擎驱动,所以称为柴电潜舰,其特征为需要经常浮上潜望镜深度利用呼吸管进行换气,才能替电池充电并进行水下匿踪航行。所以在早期潜舰基本上都还是在水面活动,只有紧急状况才会下潜,以维持电池饱满,若潜舰在作战中耗尽电力会陷入非常的不利境地。

第一次世界大战时,德国曾用无限制潜艇战来对抗英国的封锁,不过当时还没有AIP,U艇大部分时间都还是在水面航行,虽然性能非常差,但仍然取得相当惊人的战果。(Source:The Library of Congress, Public domain, via Wikimedia Commons)

基本上,传统柴电潜舰动力的原始构成就是开放循环式柴油引擎、铅酸蓄电池和推进电动马达这3大部分。而广泛地来讲,呼吸管其实就是最初的AIP,因为船身不需要完全露出海面,只是这种程度的潜行,随着反潜技术的发展,已经没有用处。

AIP非指单一技术

是的,广义上,其实只要能让潜舰持续在水下作战,都算是AIP概念的涵盖范围,如今所称的AIP基本上有多种方案,包括核动力、封闭循环涡轮机(CCDE)、史特林引擎(Stirling Engine)以及燃料电池系统等。当然若安装核动力,基本上也不会再被称为柴电潜舰,所以狭义来讲,AIP主要指的是后3种方案,并成为柴电潜舰动力的第4部分。

AIP具体的设计思路,就是一种可以在不对外循环氧气下就能运转的动力系统,例如最早的封闭循环涡轮机本质上仍然是柴油发电机,只不过提高氧气燃烧效率,以潜舰自带氧气进行循环,结构大部分于传统柴油引擎雷同,且最早的设计其实是为了提高水下推进力,而非为了增加潜航时间,废气排放等限制还是不少。值得一提的是,现代法国的朗肯循环涡轮技术(MESMA)则更为理想,采纳了核能引擎的设计经验,改为用酒精与液态氧在高温高压下混合燃烧,可靠性相当高。

而史特林引擎其实也同样需要液态氧,但这是一种外燃机,燃烧室内不产生爆震,所以噪音更小,且处理废气也更简单。不过制程要求高、造价昂贵、体积大且笨重,其应用对空间狭小的潜舰是一种挑战,且最致命的是马力相对内燃机小,水下航行速度并不快,这是最为军方诟病的一点。

而燃料电池其实也有燃烧室,但这是由化学反应直接放电,不需要先转换成机械能,所以被称为“电池”。其性能也同样轻薄安静,不需要处理废气循环等问题,能量转换效率及密度都很高,对潜舰来讲可说是相当理想。但单位电流输出是个问题,且除了液态氧,通常还需要再携带大量液态氢,这些都需要低温高压的存储环境的危险燃料,相关材料价格也很高昂,技术上并未较容易,也常传出故障的消息,还在持续发展其中。

2019年法国海军集团公布了最新的燃料电池AIP FC2G,可以直接从柴油中提取氢气,不用再另外携带液态氢,性能及可靠性更加提升。(Source:Naval Group)

“电池”技术备受关注

不过演进至今,已可以明显看出,柴电潜舰水下动力的演进,基本上已开始从“引擎”向“电池”靠拢,成为最可能同时满足静音及续航的解决方案。但必须注意的是,近年来广为讨论的锂电池技术并非是为了取代燃料电池,主要是为了淘汰效率太低的铅酸蓄电池。过去,无论是何种AIP基本上都还是与铅酸电池搭配使用。

包括燃料电池AIP也是如此,虽然燃料电池可以直接输出电力,理论上似乎不需要再与传统电池连接,但实务上性质还是有所不同。燃料电池的能量密度够高,但出力偏低。然而锂电池的出现更好的弥补了这缺点,虽然能量密度低,但出力足够高。这也是锂电池越受青睐的原因,能让潜舰实现高速水下航行。

法国海军集团近年来所专注发展的先进柴电潜舰SMX-Ocean系列就是使用燃料电池AIP搭配锂电池的组合,能够进行远洋航行,作战能力不输核动力潜舰,连续潜航时间长达21日,且静音能力更胜,可连续作战90日,足以横渡大西洋6次,其设计曾在2016年澳洲的标案中击败日本的苍龙级。

不是取代,而是舍弃AIP

而目前最积极在潜舰上使用锂电池的就是日本,由于早前燃料电池在潜舰上的应用还在发展中,据信日本因其不稳定性,所以在初代AIP潜舰上采用史特林引擎,但自苍龙级第5艘瑞龙号后,开始引进锂电池,最终目标则是直接使用锂电池,而不再需要狭义的AIP,重回原始的柴电设计,还能解决水下航行太慢的问题。值得一提的是,日本也曾拨过预算研发燃料电池AIP但似乎并不顺遂。

如今第11艘凰龙号,以及去年刚下水的斗龙号,已舍弃传统AIP成为全锂电潜舰。锂电池虽然有快速充放电的性能,但相对也不太稳定,若要在潜舰上大规模使用,散热等管理是非常重要的,甚至连配合的动力机组都要重新规划。苍龙级由于一开始并非为全锂电设计,所以还无法完全发挥锂电池的实力,充电及出力等都不是最佳,只能算是试验舰。而最新的次世代常规潜舰大鲸级,已从设计上让锂电池性能有更好的发挥。

法国海军集团2020年提出的未来概念潜舰SMX 31 E,甚至舍弃了柴油发电机,只使用燃料电池及锂电池的混合动力,能搭载无人机群及海军陆战队,且在水下高速航行近40天,还具有高度自动化的人工智能系统。(Source:Naval Group YouTube)

但过去为何不直接使用电池、而要发展AIP的主要原因,还是碍于电池续航力不够。近年来,虽然锂电池技术屡有突破,但还是很难摆脱能量密度低的缺点,虽然取代铅酸电池是没有问题,但要把整套AIP给替换掉并不是件容易的事。虽然号称有铅酸电池两倍的电力,但这数据可能还不够好看。不少意见认为,潜舰所用应不是常见的锂铁电池,而是能量密度非常高的锂硫电池,就可能展现出相当惊人的性能,但似乎还没有证据显示这方面技术已经成熟。

不过就算非锂硫电池等崭新技术,若用在不需要远洋或长时间机动作战的台湾自制防御潜舰(IDS)还是有其可行性。IDS与苍龙级外观类似,且采用同样的X型尾舵,容易在海床上进行埋伏,操控及反应也更灵活,若只是静态待机,锂电池系统应仍足以胜任潜航作战,当然这也只是猜测。

台湾IDS与日本苍龙级同样采用较少见的X尾舵,不过因最初就没计划要搭载AIP而舰身较短。(Source:科技新报)

更早之前,据传IDS采用的是工研院研发的燃料电池系统,台湾在这方面的技术能力其实并不差,军方也一直有研究,只是燃料电池造价昂贵,且若近期海军发言并无口误,台湾将不采用AIP,当然也就不是燃料电池。目前来看,台湾第一艘IDS为锂电实验舰的几率很高,且吨位比苍龙级小,若载有700吨锂电池,水下的爆发力应还是能保证。

实务上,同型潜舰要更换动力系统是很难的,就算外观不变,内部空间的配置及配重都需要重新计算,且不一定能成功,若一开始没有考虑到系统升级,不如另求新舰型。所以台湾海军表示后续舰也不采用AIP是很正常的,但若如此,军方可能就是押注在新一代电池技术的发展,以继续提升潜舰性能。

(首图来源:日本海上自卫队)

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