【探索時分】台灣潛艇為何用鋰電池?三大優勢

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【新唐人北京時間2021年10月27日訊】台灣的潛艇是以日本的蒼龍級,第11、12艘為藍本進行設計和建造的。棄用不依賴空氣推進系統,採用的是柴油機加鋰電池的組合。那麼日本為什麼不用斯特林發動機了?台灣的潛艇為什麼也要採用鋰電池呢?

回答這個問題,我們就要看日本最近三代潛艇的設計思路。親潮級採用柴油機加鉛蓄電池。蒼龍級引進瑞典的斯特林發動機。而到了蒼龍級最後兩艘和新建的大鯨級,日本突然棄用斯特林發動機,使用柴油機加鋰電池的組合。

傳統的柴電潛艇有什麼缺點

我先來看一下傳統的柴電潛艇有什麼缺點?傳統的柴電潛艇在水面航行時,柴油機帶動發電機發電,驅動螺旋槳旋轉,同時給電池充電。而到了水下,柴油機關閉,依靠電池驅動螺旋槳前進。你電用完了,就得浮到水面,所以柴電潛艇的水下時間一般是三到五天,如果高航速,可能幾個小時,你就得浮上水面了,在現在的戰爭環境中,潛艇浮上水面次數越多,就意味著你被敵人發現的機率可能越大,所以不依賴空氣推進應運而生。

所謂不依賴空氣推進系統,就是指潛艇可以在水下不需要空氣,就產生前進的動力,簡稱AIP。其中最常見的就是斯特林發動機。

斯特林發動機能在水下潛伏兩星期

斯特林發動機其實是英國人最早發明的,瑞典人首先應用到自己的哥特蘭級潛艇上。哥特蘭級潛艇在引用斯特林發動機之後,竟然能在水下潛伏長達兩個星期。那麼瑞典人又是如何做到的呢?

斯特林發動機簡單來說,就是通過熱脹冷縮的原理,把熱能轉化為機械能的一個發動機。你有兩個氣缸,兩個汽缸中分別有一個活塞。一個汽缸是熱的,另一個汽缸是冷的。循環開始,熱的汽缸中的氣體受熱膨脹,推動活塞運動,我們注意啊,中間這個機械結構叫連桿,它在運動的時候帶動另一個汽缸中的活塞向上走,氣體進入另外一個氣缸中,因為這個氣缸是冷的,熱脹冷縮,氣體壓縮帶動活塞向下,這樣循環往復,將熱能轉化為機械能,這就是斯特林發動機。

你只需要對斯特林發動機兩個汽缸一個進行加熱一個進行降溫,就可以在水下產生動力,不需要像柴油機一樣,一定要通著空氣燃燒才能驅動螺旋槳前進。

除了不需要空氣,斯特林發動機的另外一個優點是比較安靜,因為它不像內燃機一樣,有劇烈的燃燒,產生強烈的震動,它是靠氣體的熱脹冷縮來帶動連桿的運轉。

在採用斯特林發動機之後,瑞典的哥特蘭級潛艇可以在水下以六節的速度航行達兩個星期之久。2005年瑞典哥特蘭潛艇在北約大西洋的演習中,竟然打敗了美國的核潛艇

2005年在另外一場演習中哥特蘭號竟然突破了美軍的反潛防禦,襲擊了美國里根號航空母艦。美國人一看,好東西,我要研究研究,於是在2004年美國就向瑞典提出租借哥特蘭級潛艇,租約到期之後,美國又再延長一年。

兩大缺點 日本人突然又不用了

從此以後哥特蘭級潛艇和斯特林發動機名聲大噪。而日本的蒼龍級前10艘,它就是採用兩組柴油機和四組斯特林發動機,最大潛行速度達到20級,浮行速度為13節。以六節的速度能在水裡待三個星期。

斯特林發動機既然這麼好,為什麼日本人突然又不用了呢?斯特林發動機對於之前的純柴電潛艇來說,提升不少,增強了水下運動能力和水下時間。但是斯特林發動機面臨兩大問題。第一個功率太小,斯特林發動機依靠氣體熱脹冷縮來做工,哥特蘭級的一台斯特林發動機功率只有75千瓦,大概就一百多馬力,這是一個什麼概念呢?福特野馬能達到400馬力,蒼龍級自己的柴油機能達到3,900馬力。

也就是說,蒼龍級上斯特林發動機的功率也就只有自己柴油機的四十分之一,連一輛家用轎車的馬力都沒有。這就是為什麼在使用斯特林發動機時,無論是瑞典的潛艇還是日本的蒼龍級,在水下只能以不到10公里的速度低速前進,基本上就是比人行走快一點。

那麼斯特林發動機的第二大缺點是什麼呢?就是它需要消耗柴油和液氧。斯特林發動機的原理是通過製造冷源和熱源,將熱能轉化為機械能,但是有一個問題了,潛艇上的熱源哪裡來?你總不能用雙手捂著汽缸,把它加熱吧。其實,斯特林發動機的熱源來自於柴油和液氧的燃燒,所以它不依賴空氣,但是它依賴於氧氣。潛艇出行必須攜帶大量的液氧,這就是為什麼它在水下的自持力只有兩到三個星期的時間,因為液氧用光了,你就得浮上來了。

閉循環柴油機

說到這裡,有些朋友可能有這麼一個疑問,既然斯特林發動機使用液氧和柴油,那為什麼不直接用液氧和柴油燃燒去推動柴油機呢?這是一個非常好的問題,工程師們確實這麼想了,也這麼做了。產生的就是AIP系統的第二個常用的形式,叫做閉循環柴油機。

什麼意思呢?就是我把潛艇上的液氧和惰性氣體,比如氦氣混合到一起,供給柴油機燃燒廢棄的氣體,我對它進行處理。二氧化碳吸收了,剩下的氦氣,混合上新的氧氣繼續供給柴油機進行燃燒。這樣的話潛艇它就不需要空氣了,氦氣可以重複利用,氧氣來自液氧,我只需要帶著氧氣罐出行就可以了。這就是閉式循環柴油機,蘇聯人很喜歡,在冷戰時期建造了30艘Q級潛艇,但是當時技術不穩定,Q級潛艇因為火災引發液氧爆炸,導致潛艇沉沒,人送一稱號,叫「海上打火機」,所以在70年代前期就被全部解體了。

我們說到這裡面,概括一下所謂的不依賴空氣推進系統的三種常見模式,第一種就是我們今天說的斯特林發動機,第二種就是閉式循環柴油機,第三種就是燃料電池,關於燃料電池,我們以後有機會再跟大家單獨講。

日本人換裝鋰電池

那麼回到日本的蒼龍級身上,日本一看,就算使用斯特林發動機,你還需要液氧,過兩個星期三個星期依然要回到水面上,那我能不能不要你這個斯特林發動機,我把鉛蓄電池和斯特林發動機的空間全部換成鋰電池。鋰電池相同體積,容量是鉛蓄電池的兩到三倍。這不就大大地增加了我潛艇上的電量嗎?我有這麼多的電量,就能保證我充一次電,我在水下潛行兩到三個星期,性能這不就達到甚至超過斯特林發動機了嗎?

這就是日本人換裝鋰電池的邏輯,非常有道理。日本人非常聰明,他在引進瑞典斯特林發動機的,就想到了這個問題,日本人在設計蒼龍級的時候就已經規劃了,最後四艘會使用鋰電池,他並不是說,我建造到了一半,最後幾艘,我想嘗試,修改我的設計,不是這樣的,他一開始就定好了。

四大優勢

鋰電池相比斯特林發動機加鉛蓄電池,有這麼幾大優勢,第一,潛行時間更長。蒼龍級,把斯特林發動機和鉛蓄電池全部換成鋰電池之後呢,他充一次電,水下的低速潛行時間比你使用斯特林發動機還要長45%,在高速的情況下鋰電池的優勢會更加明顯,我沒有具體的數字,我看到相關報導稱高速情況下續航能力比使用斯特林發動機要多百分之70。

第二,充放電時間更快,使用鉛蓄電池的時候,要為鉛蓄電池充滿電在水面可能至少要待幾個小時的時間,但是現在安裝的鋰電池充放電速度更快,可能一個小時就能充好電,這樣的話將大大減少潛艇上浮的時間更利於潛艇隱蔽。

第三,水下高速航行時間將會增加,我們知道斯特林發動機,雖然水下能夠提供電力,但是它提供功率比較小。那換裝鋰電池之後,水下高速航行時間將會大大增加,這將會大大增強蒼龍級和大鯨級的水下機動能力。

第四點就是噪音更小,在水下使用鋰電池因為不開動柴油機和斯特林發動機,沒有大的機械振動,完全就是由電池向電動機供電,驅動螺旋槳或者是泵推。我們知道潛艇上的噪音,主要來自於動力結構,不開發動機,將大大地降低蒼龍級和大鯨級上的噪音。目前我沒有看到官方的數據出來,但是根據我的估計,大鯨級的噪聲將比蒼龍級低不少。

鋰電池缺點:容易著火

鋰電池好是好,那有什麼缺點呢,當然有了,就是容易著火,從特斯拉到三星的手機,著火的事情,在前幾年是層出不窮,但是日本的鋰電池技術是世界上第一鋰電池的發明人,就是日本人2019年諾貝爾獎獲得者吉星張。隨著鋰電池在電子工業中大量廣泛的使用,日本在鋰電池上,近幾年來有不斷的技術突破。蒼龍級使用的鋰電池來自日本的電池供應商湯淺公司。

在2018年3月湯淺公司推出最新的鋰電池產品,日本蒼龍級的第11艘就採用了這款新產品,可見日本人對於自己的鋰電池技術是非常有信心的。那麼到目前為止三年過去了,從來還沒有聽到過日本的鋰電池出了什麼問題。

台灣採取蒼龍級設計方案 是最佳選擇

我們這是從日本三代潛艇,親潮蒼龍級大鯨級,講到了日本為什麼放棄了不依賴空氣推進系統而選擇了鋰電池這樣的一個設計方案,我們回過頭來再來看台灣。台灣採取蒼龍級的設計方案,我覺得是最佳選擇,沒有之一,為什麼呢?

第一,斯特林發動機你買不到,日本的斯特林發動機是引進瑞典的生產許可的,所以瑞典要是不點頭,台灣是用不上斯特林發動機的。

第二,日本有非常成熟的潛艇設計和製造的經驗,日本的潛艇是每年下水一艘,30年來沒有間斷,可以說是世界上最強的常規潛艇製造力量,採用日本的技術是非常成熟可靠的。

第三,鋰電池其實非常適合台海作戰環境。為鋰電池充一次電,可以在水下作戰三個星期甚至到四個星期,我們知道台海如果發生戰爭,最關鍵的就是頭一個月甚至頭兩個星期。有的朋友說台灣最好是有核潛艇,沒有必要,要核潛艇有什麼用呢?美國澳大利亞需要核潛艇,是因為他們要遠洋作戰,澳大利亞要把核潛艇開到南海,美國要把核潛艇從西海岸開到日本台灣,這個時候,你當然需要核潛艇了,常規潛艇開回來就得開回去了。台灣就在周圍的海域作戰,核潛艇不會有任何太大幫助。

並且沒有斯特林發動機以後,台灣潛艇在水下的靜音效果會非常好,隱蔽性得到了大大的提高。所以綜合以上幾點台灣潛艇採取日本蒼龍級最後兩艘的設計方案,鋰電池加柴油機的組合,我覺得是經過深思熟慮而且是最佳方案的。

我們今天主要從動力方案,和大家分析了日本蒼龍級和大鯨級的特點,但其實這兩款潛艇它們的作戰能力,遠遠不止在於AIP系統或者是鋰電池。在我眼裡呢,蒼龍級是20世紀初世界上最佳的常規動力潛艇,大鯨級下水後,將成為新的世界上最佳常規動力潛艇。兩款潛艇到底強在哪裡呢?請看下集。

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探索時分】節目組製作

(責任編輯:李紅)

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