淺析日本“凰龍”號潛艇動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)

宋 強(qiáng)，趙 滿，毛柳偉

應(yīng)用研究

淺析日本“凰龍”號潛艇動力系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)

宋 強(qiáng)，趙 滿，毛柳偉

（92578部隊，北京 100161）

本文簡述了日本“蒼龍”級11號潛艇“凰龍”號潛艇，其動力系統(tǒng)采用鋰離子電池取代傳統(tǒng)的鉛酸電池及AIP系統(tǒng)，成為世界首艘采用鋰電池為主動力的潛艇，其下一代潛艇“大鯨”級也采用此種動力系統(tǒng)形式。簡要分析“凰龍”號潛艇動力系統(tǒng)特性進(jìn)行，得出了鋰離子動力電池是常規(guī)潛艇動力電池系統(tǒng)的發(fā)展方向，應(yīng)加速鋰電池安全性研究和工程應(yīng)用步伐的啟示。

“凰龍”號 鋰離子電池 動力系統(tǒng)

0 引言

2018年10月，裝備鋰離子動力電池的“蒼龍”級11號潛艇“凰龍”號（SS-511，MK.II）在三菱重工神戶造船廠下水。“凰龍”采用日本湯淺公司的鋰離子電池取代了傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池以及AIP系統(tǒng)，由此成為日本首艘，同時也是世界上首艘采用鋰電池作為主動力的潛艇。日本下一代潛艇“大鯨”級也采用鋰電池作為主動力[1-4]。

1 日本潛艇裝備發(fā)展特點(diǎn)

受戰(zhàn)后國際條約和《和平憲法》的限制，日本不能發(fā)展核潛艇，因此對常規(guī)潛艇的發(fā)展不遺余力。自1957年恢復(fù)潛艇研制能力至今，日本先后自主研制和建造了“早潮”、“夏潮”、“大潮”、“朝潮”、“渦潮”、“夕潮”、“春潮”、“親潮”、“蒼龍”等9個型號57艘常規(guī)動力潛艇。經(jīng)過60多年的全力發(fā)展，日本已成為世界上潛艇研制和建造大國之一。

從發(fā)展歷程來看，日本潛艇裝備發(fā)展有如下突出特點(diǎn)：

一是潛艇裝備更新?lián)Q代快。為了確保潛艇技術(shù)始終保持世界一流水平，日本海自潛艇部隊一直保持極快的更新?lián)Q代率，70年代以來基本按照每年服役一艘、退役一艘的速度進(jìn)行潛艇的更新?lián)Q代，每型潛艇均有較多改進(jìn)，緊跟當(dāng)時世界潛艇新技術(shù)的發(fā)展，從而確保本國潛艇保持世界先進(jìn)水平。

二是每型潛艇最后幾艘開展新技術(shù)試驗為下一型艇應(yīng)用做好準(zhǔn)備。自20世紀(jì)80年代至今，由“夕潮”、“春潮”、“親潮”、“蒼龍”級等潛艇發(fā)展可看出，日本每一級潛艇的后幾艘或最后一艘艇，一般通過加改裝或改進(jìn)設(shè)計，試驗性地應(yīng)用新技術(shù)或新設(shè)備，進(jìn)而為新一級潛艇的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。“夕潮”級潛艇的后6艘艇首次加裝了拖曳聲納，并應(yīng)用了NS80型鋼，潛深提高到300米，這也是下一級“春潮”級潛艇采用的技術(shù)；“春潮”級潛艇的最后一艘艇“朝潮”號在2000年加裝了AIP艙段，驗證AIP技術(shù)，為日本AIP潛艇研制奠定基礎(chǔ)；“親潮”級潛艇的后續(xù)艇首次應(yīng)用了雪茄型艇型、成熟商用化作戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)等，這也是下一級“蒼龍”級潛艇的代表性技術(shù)；“蒼龍”級潛艇自第11艘“凰龍”號首次應(yīng)用鋰離子電池技術(shù)，以充分提升水下續(xù)航能力，預(yù)計這一技術(shù)也將是其新一級潛艇的代表性技術(shù)。

三是堅持國產(chǎn)化自主研制道路。二戰(zhàn)后日本潛艇損失殆盡，在潛艇建造方面存在10年的空白期，但日本并沒有走購買別國潛艇的道路, 而是通過租借和研究美國潛艇，迅速恢復(fù)本國建造潛艇的能力，逐漸形成了強(qiáng)大的設(shè)計與建造現(xiàn)代化潛艇的科研和工業(yè)基礎(chǔ)，從而成為目前世界上少數(shù)能夠自行研制先進(jìn)常規(guī)潛艇的國家之一。值得注意的是，從20世紀(jì)70年代開始，除；潛艇本國建造外，潛艇配備的設(shè)備和武器也開始了國產(chǎn)化，如“春潮”級和“親潮”級潛艇采用的主機(jī)是川崎公司生產(chǎn)的四沖程柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)由富士公司生產(chǎn)；艇上的魚雷由美制替換為日本國產(chǎn)的89式線導(dǎo)魚雷所取代；潛艇上的電子設(shè)備, 除個別的美制外，已基本實(shí)現(xiàn)全部國產(chǎn)品。隨著日本潛艇建造業(yè)的發(fā)展, 日本潛艇上配置的設(shè)備和武器的國產(chǎn)化程度日益達(dá)到完全自主化。

2 “凰龍”號潛艇動力分析

通過對《世界艦船》等刊登文章以及日本軍事發(fā)燒友利用日本防衛(wèi)省信息公開制度所獲得標(biāo)準(zhǔn)、委托說明書、試制說明書、規(guī)范書等資料的收集、整理及相互印證，可初步解讀“凰龍”號動力系統(tǒng)。

“凰龍”號相對前10艘蒼龍級潛艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化如圖1所示，去除了原有的AIP裝置及480塊鉛酸蓄電池（“蒼龍”級潛艇AIP裝置可支撐潛艇水下約1500海里續(xù)航力，鉛酸蓄電池組可支撐潛艇水下約300海里續(xù)航力），取而代之的是湯淺公司開發(fā)的672塊鋰離子電池，實(shí)現(xiàn)了電池供電續(xù)航里程翻倍，電池成本由每條艇的1300萬美元增加到了9700萬美元。

圖2 日本湯淺公司潛艇用鋰離子電池

湯淺公司開發(fā)的鋰離子電池采用與現(xiàn)役鉛酸電池相同尺寸的方式進(jìn)行設(shè)計，如圖2所示，電池內(nèi)部采用先由電芯組成電池單元包（單電池），再由單元包通過串聯(lián)構(gòu)成電池模塊，電池模塊通過管理裝置串并聯(lián)組成電池組與電池系統(tǒng)?！盎她垺碧枬撏е醒b備的鋰離子動力電池模塊尺寸與鉛酸蓄電池相當(dāng)，因此布置方式應(yīng)與鉛酸蓄電池相同，即在5艙和8艙分別布置240個電池模塊。原9艙和10艙為AIP艙，在去除AIP系統(tǒng)后，由于電池模塊較重，在潛艇中一般是設(shè)置在下層，因此僅采用第13艙中的空間放置增設(shè)的電池，其他空間留作他用，根據(jù)13艙的空間尺寸，增設(shè)電池的布置方式為12列×16排，共192個電池模塊。“蒼龍”級前10艘艇電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖與“凰龍”號電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖對比分別如圖3、圖4所示；“凰龍”號原AIP艙改裝鋰離子動力電池布置方式示意圖如圖5所示； “蒼龍”級前10艘艇電池組構(gòu)成與“凰龍”號電池組構(gòu)成對比見示意圖6、3-7；鋰電池組構(gòu)成示意圖見圖8，電池模塊外觀示意圖如圖9所示。

圖3 “蒼龍”級前10艘艇電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

圖4 “凰龍”號電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

圖5 原AIP艙改裝鋰離子動力電池布置方式示意圖

圖6 “蒼龍”級前10艘艇電池組構(gòu)成示意圖

圖7 “凰龍”號電池組構(gòu)成示意圖

圖8 鋰電池組構(gòu)成示意圖

圖9 電池模塊外觀示意圖

對比可知，“凰龍”號與“蒼龍”級前10艘艇相比主要變化：一是用鋰離子動力電池替換了鉛酸蓄電池，電池組數(shù)量增多，單組電池數(shù)量減少；二是取消了熱氣機(jī)AIP裝置；三是優(yōu)化了控制板，減少了控制開關(guān)數(shù)量；四是單組電池組內(nèi)串聯(lián)的鋰電池模塊數(shù)量為16塊（原鉛酸電池組240塊電池一組）；五是電池檢測裝置可監(jiān)測到電池組內(nèi)的每一個電池模塊。另外，據(jù)悉“凰龍”號采用了2臺1850 kW柴發(fā)機(jī)組，并將最大5900 kW的推進(jìn)電機(jī)更換為最大4170 kW的推進(jìn)電機(jī)。

從其動力系統(tǒng)的變化可推出如下結(jié)論：一是“凰龍”號水下動力僅來源于鋰離子動力電池，其電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成與傳統(tǒng)的柴電潛艇沒有本質(zhì)區(qū)別；二是由于取消了AIP裝置，其控制板相應(yīng)減少了控制開關(guān)，簡化了電力系統(tǒng)，有利于提升電力系統(tǒng)可靠性；三是鋰電池模塊的電壓等級提升，電池組采用了多組并聯(lián)的策略；四是“凰龍”號配置的鋰電池總儲能達(dá)到約38.9MWh,按照1850 kW×2對充電時間進(jìn)行估算，其全充電時間約10.5小時，高速航行時間約9小時（18節(jié)），采用3～4節(jié)航速可水下連續(xù)航行7～8天，續(xù)航力達(dá)到600海里以上。

3 日本采用柴電動力原因簡析

基于以上分析，考慮到日本潛艇的主要使命任務(wù)應(yīng)是對抗俄羅斯、中國以及朝鮮和協(xié)助美軍，推測其放棄AIP技術(shù)路線轉(zhuǎn)而回歸到傳統(tǒng)柴電潛艇主要原因如下：

1）日本距俄羅斯、中國和朝鮮等主要港口距離較近，“凰龍”號600海里的續(xù)航力已基本夠用；

2）在黃海、東海等潛在交戰(zhàn)區(qū)，多屬于海底大陸架區(qū)域，水聲環(huán)境復(fù)雜，有利于振動噪聲小的柴電潛艇發(fā)揮效用；

3）為保持對俄羅斯的“基洛”級等振動噪聲小的常規(guī)潛艇形成一定的技術(shù)優(yōu)勢，選擇了鋰電池技術(shù)路線；

4）從協(xié)助美軍角度來看，因日本受限于和平憲法不能發(fā)展核動力潛艇，而AIP動力無法提供高航速動力，故采用鋰離子電池使“凰龍”號18節(jié)可航行9小時，達(dá)到了伴隨美軍行動基本要求。

4 啟示

1）日本的老型號潛艇或者每型的最后幾艘艇往往起到技術(shù)驗證平臺作用，不斷應(yīng)用新理念、新技術(shù)以保持潛艇的技術(shù)優(yōu)勢，啟示我們應(yīng)加快新理念、新技術(shù)的研究、試驗驗證和應(yīng)用。

2）鋰離子動力電池是常規(guī)潛艇動力電池系統(tǒng)的發(fā)展方向，應(yīng)加速鋰電池安全性研究和工程應(yīng)用步伐。

[1] 令和1年8月發(fā)布的防衛(wèi)省《防衛(wèi)計劃大綱、中期防衛(wèi)計劃發(fā)展計劃》.

[2] 雅虎新聞 2020-10-14 “海上自衛(wèi)隊最先進(jìn)的 3000 噸級潛艇“大船”下水”，高橋康介.

[3] 技術(shù)開發(fā)副官、船舶經(jīng)理 Hirofumi Kaneko 的收購、技術(shù)和物流代理“船舶設(shè)備開發(fā)的歷史”.

[4] U.S. Naval Today.com 2020 年 10 月 15 日“日本下水，命名新型柴電攻擊潛艇”，Naida Hakirevic.

Analysis on technical status of the power system of the Japanese JS Oryu submarine

Song Qiang, Zhao Man, Mao Liuwei

(Unit 92578, Beijing 100161)

TM912

A

1003-4862（2022）12-0022-03

2022-04-02

宋強(qiáng)（1981-），男，高級工程師。主要從事潛艇動力方向。E-mail: 754870456@qq.com