鋰電池將取代潛艦 AIP?到底這兩種技術有什麼關係

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 18 日 8:00 | 分類 尖端科技 , 能源科技 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


近期台灣海軍表示,國造潛艦的高性能電池能夠取代絕氣推進系統(AIP),引起輿論關注,不過到底 AIP 是什麼?兩者之間真的是替代關係嗎?

傳統動力潛艦基本上是由柴油引擎驅動,所以稱為柴電潛艦,其特徵為需要經常浮上潛望鏡深度利用呼吸管進行換氣,才能替電池充電並進行水下匿蹤航行。所以在早期潛艦基本上都還是在水面活動,只有緊急狀況才會下潛,以維持電池飽滿,若潛艦在作戰中耗盡電力會陷入非常的不利境地。

▲ 第一次世界大戰時,德國曾用無限制潛艇戰來對抗英國的封鎖,不過當時還沒有 AIP ,U 艇大部分時間都還是在水面航行,雖然性能非常差,但仍然取得相當驚人的戰果。(Source:The Library of Congress, Public domain, via Wikimedia Commons)

基本上,傳統柴電潛艦動力的原始構成就是開放循環式柴油引擎、鉛酸蓄電池和推進電動馬達這 3 大部分。而廣泛地來講,呼吸管其實就是最初的 AIP,因為船身不需要完全露出海面,只是這種程度的潛行,隨著反潛技術的發展,已經沒有用處。

 AIP  非指單一技術

是的,廣義上,其實只要能讓潛艦持續在水下作戰,都算是 AIP 概念的涵蓋範圍,如今所稱的 AIP 基本上有多種方案,包括核動力、封閉循環渦輪機(CCDE)、史特林引擎(Stirling Engine)以及燃料電池系統等。當然若安裝核動力,基本上也不會再被稱為柴電潛艦,所以狹義來講,AIP 主要指的是後 3 種方案,並成為柴電潛艦動力的第 4 部分。

AIP 具體的設計思路,就是一種可以在不對外循環氧氣下就能運轉的動力系統,例如最早的封閉循環渦輪機本質上仍然是柴油發電機,只不過提高氧氣燃燒效率,以潛艦自帶氧氣進行循環,結構大部分於傳統柴油引擎雷同,且最早的設計其實是為了提高水下推進力,而非為了增加潛航時間,廢氣排放等限制還是不少。值得一提的是,現代法國的朗肯循環渦輪技術(MESMA)則更為理想,採納了核能引擎的設計經驗,改為用酒精與液態氧在高溫高壓下混合燃燒,可靠性相當高。

而史特林引擎其實也同樣需要液態氧,但這是一種外燃機,燃燒室內不產生爆震,所以噪音更小,且處理廢氣也更簡單。不過製程要求高、造價昂貴、體積大且笨重,其應用對空間狹小的潛艦是一種挑戰,且最致命的是馬力相對內燃機小,水下航行速度並不快,這是最為軍方詬病的一點。

而燃料電池其實也有燃燒室,但這是由化學反應直接放電,不需要先轉換成機械能,所以被稱為「電池」。其性能也同樣輕薄安靜,不需要處理廢氣循環等問題,能量轉換效率及密度都很高,對潛艦來講可說是相當理想。但單位電流輸出是個問題,且除了液態氧,通常還需要再攜帶大量液態氫,這些都需要低溫高壓的儲存環境的危險燃料,相關材料價格也很高昂,技術上並未較容易,也常傳出故障的消息,還在持續發展當中。

▲ 2019 年法國海軍集團公布了最新的燃料電池 AIP FC2G,可以直接從柴油中提取氫氣,不用再另外攜帶液態氫,性能及可靠性更加提升。(Source:Naval Group

「電池」技術備受關注

不過演進至今,已可以明顯看出,柴電潛艦水下動力的演進,基本上已開始從「引擎」向「電池」靠攏,成為最可能同時滿足靜音及續航的解決方案。但必須注意的是,近年來廣為討論的鋰電池技術並非是為了取代燃料電池,主要是為了淘汰效率太低的鉛酸蓄電池。過去,無論是何種 AIP 基本上都還是與鉛酸電池搭配使用。

包括燃料電池 AIP 也是如此,雖然燃料電池可以直接輸出電力,理論上似乎不需要再與傳統電池連結,但實務上性質還是有所不同。燃料電池的能量密度夠高,但出力偏低。然而鋰電池的出現更好的彌補了這缺點,雖然能量密度低,但出力足夠高。這也是鋰電池越受青睞的原因,能讓潛艦實現高速水下航行。

法國海軍集團近年來所專注發展的先進柴電潛艦 SMX-Ocean 系列就是使用燃料電池 AIP 搭配鋰電池的組合,能夠進行遠洋航行,作戰能力不輸核動力潛艦,連續潛航時間長達 21 日,且靜音能力更勝,可連續作戰 90 日,足以橫渡大西洋 6 次,其設計曾在 2016 年澳洲的標案中擊敗日本的蒼龍級。

而目前最積極在潛艦上使用鋰電池的就是日本,由於早前燃料電池在潛艦上的應用還在發展中,據信日本因其不穩定性,所以在初代 AIP 潛艦上採用史特林引擎,但自蒼龍級第 5 艘瑞龍號後,開始引進鋰電池,最終目標則是直接使用鋰電池,而不再需要狹義的 AIP,重回原始的柴電設計,還能解決水下航行太慢的問題。值得一提的是,日本也曾撥過預算研發燃料電池 AIP 但似乎並不順遂。

不是取代,而是捨棄 AIP

如今蒼龍級第 11 艘凰龍號,以及去年剛下水的闘龍號,已捨棄傳統 AIP 成為全鋰電潛艦。鋰電池雖然有快速充放電的性能,但相對也不太穩定,若要在潛艦上大規模使用,散熱等管理是非常重要的,甚至連配合的動力機組都要重新規劃。蒼龍級由於一開始並非為全鋰電設計,所以還無法完全發揮鋰電池的實力,充電及出力等都不是最佳,只能算是試驗艦。而最新的次世代常規潛艦大鯨級,已從設計上讓鋰電池性能有更好的發揮。

▲ 法國海軍集團 2020 年提出的未來概念潛艦 SMX 31 E,甚至捨棄了柴油發電機,只使用燃料電池及鋰電池的混合動力,能搭載無人機群及海軍陸戰隊,且在水下高速航行近 40 天,還具有高度自動化的人工智慧系統。(Source:Naval Group YouTube

但過去為何不直接使用電池、而要發展 AIP 的主要原因,還是礙於電池續航力不夠。近年來,雖然鋰電池技術屢有突破,但還是很難擺脫能量密度低的缺點,雖然取代鉛酸電池是沒有問題,但要把整套 AIP 給替換掉並不是件容易的事。雖然號稱有鉛酸電池兩倍的電力,但這數據可能還不夠好看。不少意見認為,潛艦所用應不是常見的鋰鐵電池,而是能量密度非常高的鋰硫電池,就可能展現出相當驚人的性能,但似乎還沒有證據顯示這方面技術已經成熟。

不過就算非鋰硫電池等嶄新技術,若用在不需要遠洋或長時間機動作戰的台灣自製防禦潛艦(IDS)還是有其可行性。IDS 與蒼龍級外觀類似,且採用同樣的 X 型尾舵,容易在海床上進行埋伏,操控及反應也更靈活,若只是靜態待機,鋰電池系統應仍足以勝任潛航作戰,當然這也只是猜測。

▲  台灣 IDS 與日本蒼龍級同樣採用較少見的 X 尾舵,不過因最初就沒計畫要搭載 AIP 而艦身較短。(Source:科技新報)

更早之前,據傳 IDS 採用的是工研院研發的燃料電池系統,台灣在這方面的技術能力其實並不差,軍方也一直有研究,只是燃料電池造價昂貴,且若近期海軍發言並無口誤,台灣將不採用 AIP,當然也就不是燃料電池。目前來看,台灣第一艘 IDS 為鋰電實驗艦的機率很高,且噸位比蒼龍級小,若載有 700 噸鋰電池,水下的爆發力應還是能保證。

實務上,同型潛艦要更換動力系統是很難的,就算外觀不變,內部空間的配置及配重都需要重新計算,且不一定能成功,若一開始沒有考量到系統升級,不如另求新艦型。所以台灣海軍表示後續艦也不採用 AIP 是很正常的,但若如此,軍方可能就是壓注在新一代電池技術的發展,以繼續提升潛艦性能。

(首圖來源:日本海上自衛隊

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