柴电潜艇 关于全电常规潜艇的几点想法

去年年底我看到了关于日本制造的最新苍龙潜艇的信息，感觉耳目一新。当时没有细想，就随性根据自己的想法写了一篇文章。但是后来回想起来，再仔细看了日本最新苍龙潜艇的资料，感觉当时有些内容过于草率。

首先当时没有仔细看关于苍龙潜艇的信息，把未来苍龙潜艇ss513的指标39小时全速当成了现在制造的苍龙潜艇SS511和SS512。现在再仔细读，资料还是写得很清楚的，日本最新制造的苍龙潜艇，使用的只是100WH/公斤的锂离子电池，按这个能量比远达不到39小时全速的指标，而之后的ss513所要求采用的电池电量达到之前的3倍。这个并不意味着能量比提高了3倍。因为SS513把AIP拆除后，电池总重量达到786吨，这个电池重量达到普通常规潜艇的2-3倍。不知道为啥目前日本在苍龙潜艇上采用是比较低能量比的锂电池。因为现在电动汽车上使用的三元锂电池能量比是200WH/公斤，不过这个容易起火。而安全性比较高的磷酸铁锂电池也能达到180WH/公斤。也就是说要达到39小时全速还是多年后的目标。

关于全电潜艇的标准，我设想是78小时全速（20节）也就是ss513的指标39小时全速的一倍。为啥是这个数值呢，要达到航行78小时全速的电量基本可以满足7节11000海里，这个基本相当于战后常规潜艇的柴油机普通航程（7-8节10000海里），事实上比较新的一些潜艇已经达不到这个航程了，基洛级只有6000多海里。

而要达到满足这个航程的电量，我算了一下电池能量比起码要达到500WH/公斤左右。要注意的是这个能量比是基于电池重量达到全潜艇的1/3的基础上。也就是不仅要像苍龙潜艇ss513一样拆除AIP系统，而且要拆除柴电系统包括柴油机发电机和燃料，ss513在拆除AIP的基础上达到786吨电池，如果再拆除200多吨的柴电系统基本可以腾出1000吨给电池。苍龙潜艇是比较大的潜艇，而对于2000吨级的潜艇基本要留出700吨给电池。

全电潜艇为啥不需要柴电系统？

柴电系统主要的作用是给电池充电。战后柴电潜艇一般发电比例是1:1,就是柴电系统功率与主电机是相当的，有些潜艇已经达不到了。基洛级只有0.6。即便按1:1来算，柴电系统要充满全电潜艇的全部电池需要靠近水面的地方震天响的运转78小时，这个太危险了，不要说充满，就是充到1/3也要1天多，基本是不可能的。既然不可能用柴电系统来充电，还不如拆除了，省出重量和空间给电池。

那么有哪些能源可以达到这个500WH/公斤的能量比？

首先要排除的是目前的常规锂电池，目前的锂电池最大的问题不是不安全，而是能量比还远远不够。因为其理论能量比只是800多，但那个仅仅是理论数值，不论三元锂电池还是磷酸铁锂电池都只在200左右，是实际上超过200WH/公斤以后提高能量比越来越困难。所以要考虑其他电池。

其二，我对氢燃料电池也不看好，尽管其现在非常时髦。主要原因还不是氢的储藏难题以及其密度低的问题。而是实际上其比能量并不高。尽管单从氢看其单位能值很高达到24000WH/公斤，这个在汽车或者其他敞开环境下的确不错，因为不必考虑氧的重量问题，反应的氧气来源于大气。而在像潜艇这样封闭环境下必须考虑参加反应的氧气重量时,燃料电池的比能量就急剧下跌。因为1个重量的氢要8个重量的氧气才能完全反应。这么算来1公斤氢氧配比好的燃料反应的理论能量比只有2500WH/公斤，可再考虑到燃料电池的实际反应效率只有60%，还有复杂和沉重的储氢系统，以及燃料电池本身的重量（燃料电池功率比比较低）。氢燃料电池包括氢氧储存系统的实际能量比不比锂电池高多少，甚至还不如。而其他燃料重整制氢+燃料电池系统，其实只解决了氢的储藏难题，可能量比低的问题并没有解决。此外还增加了重整器的重量。

其三，携带液氧的环闭发动机系统，比如环闭柴油机，环闭蒸汽轮机等。这些发动机包都是存在活塞往复动作，能产生相当强度的多种频率噪声，是常规潜艇的主要噪声源。这个实际上违背了搞全电潜艇的初衷。柴电潜艇主要的噪音就是柴油机，看到过一份资料，老R级潜艇在使用低速电动机时噪音只有70多分贝。我们知道大海的背景噪音就有90多分贝，而最先进的核潜艇海狼的噪音接近这个也是90多。这也就是为啥美军与埃及海军合练时，埃及海军的中国造的古董R级潜艇可以混入航母编队，并对航母发起模拟攻击的原因。

而斯特林系统。斯特林系统功率太低，效率也低。此外斯特林发动机也是存在活塞往复动作，如果有办法提高斯特林系统的功率的话，估计噪声也小不了。

其五，小堆，小堆说穿了也是具有核潜艇的问题，就是无法关闭冷却泵，总是有不小的噪音，其次无法达到20节的全速，最后出口上会有问题。

我认为比较有希望的是以下几种动力：

第一，锂硫电池，理论能量比达到2600WH/公斤。现在已有达到500WH/公斤，甚至最高900WH/公斤的样品，具体情况优缺点啥不太了解，但是这么看来似乎最有希望做全电潜艇动力的就是锂硫电池。据传日本对未来的凰龙潜艇打算采用全新的锂硫电池，电量达到苍龙SS513的一倍，这个就已经达到了全电潜艇的标准。

第二，铝空电池，尽管铝空气电池是一次电池，但考虑到全电潜艇在航行途中是不用柴电系统充电的，所以一次二次电池在航行中使用差别不大。返回基地后更换铝板也不会很麻烦。而一般认为的铝空气电池的功率小的问题，在汽车上很明显，可在允许大体积和大重量的舰艇上问题不大，我算过铝空气电池尽管比功率低，但是在潜艇上完全可以满足全速航行的电机功率。铝空气电池的理论能量比8100WH/公斤，几乎接近汽油了。但是这个是没有考虑到氧气的重量。如果考虑氧气的重量，理论能量比大约是4000WH/公斤（比氢燃料电池高）。目前铝空气电池的问题是实际产品能量比偏低，只有500WH/公斤，看似已经达到了全电潜艇的装机标准，可这个是没有计算氧气重量，计算氧气重量的话，起码打对折，这个就不够了。

关于未来全电潜艇的运用，我认为会对核潜艇形成强烈的竞争关系。尽管核潜艇理论潜航时间很长，可是那个机器受得了，人可受不了。实际上全电潜艇潜航时间会与核潜艇相当，甚至优于核潜艇。因为全电潜艇因为只有一种主动力，简化了系统，让艇员数量大大减少，这样只要很少的人就可以操控潜艇，这样每个人所占的空间就大了，在水下的自持力也就长了。而核潜艇由于结构复杂，人员少不了，水下自持力就弱。

此外全电潜艇的噪音远低于核潜艇，即便是在全速的情况也是比核潜艇低。低噪音就是潜艇的主要战斗力。

此外全电潜艇价格上只有核潜艇的几分之一。尽管核潜艇的机动性是优于全电潜艇的。可是架不住全电潜艇数量多。就类似于二战时，尽管豹和虎坦克性能优于T34，可是由于生产数量远远赶不上T34，最后被T34给淹没。