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日本“大鲸”号潜艇的锂离子电池能改变未来潜艇战吗?

2020-10-16  tangaolus

昨天,日本“大鲸”号常规潜艇举办了下水仪式,这也解决了此前大家的疑问,即代号29SS的新型潜艇到底会叫做什么。现在确定了,就叫“大鲸”级。

“大鲸”级使用锂离子电池是其设计上较大的亮点。据日本海上自卫队公布称,这种锂电池的容量可达铅酸电池的两倍以上,因此该艇在不使用AIP动力系统的前提下也可以大幅度提高水下航行时间,尤其是可以较长时间的维持较高的航速。

“大鲸”并非日本第一艘使用锂离子电池的潜艇(或者说世界上),第一艘使用锂离子电池的“苍龙”级潜艇“凰龙”号于2018年下水,今年3月5日宣布入役。而目前日本还有一艘正在舾装的同型潜艇“斗龙”号,预计于2021年服役,而“大鲸”按计划应该在2022年入役。按照日本每年开工一艘新潜艇的做法,“大鲸”级的二号艇已经在2019年开工,预计2021年下水;三号艇也已经在今年开工,2022年下水。

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日本“大鲸”号潜艇下水仪式

“大鲸”号作为该级的首艇,将首先被作为试验艇进行测试,这种做法也是日本海上自卫队的首次,此前在建造新一代潜艇前,都会抽出一艘老艇进行新设备的试验,或者专门建造一艘试验艇。而“大鲸”号则直接是新一代潜艇的首艇兼试验艇。

这个原因,咱们就得追溯到很早之前就说过的事儿,就是“苍龙”级的固有缺陷。

此前有消息提到,“苍龙”级外形设计上存在一定缺陷,一旦达到某个较高的特定航速(对于潜艇来说就是15-20节航速),就会发出特殊频率的噪音,从而会被马上识别和发现。

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客观来讲,苍龙级虽然有特定缺陷,但其总体技术运用水平和很多技术参数,还是优于我们的039B的,是一种不可小觑的对手——虽然这和日本当初设计的时候希望凭借技术优势压倒我们的目标相比嘛……

我们都知道,潜艇的噪音大家都以为只有一个“分贝”的参数,所以什么低于海洋背景噪音110分贝就不会被发现什么的说法大行其道。

但实际上,现代被动声呐系统发现目标很大程度上是靠频谱分析,如果你的潜艇的噪音频谱特征被人家记录下来,在同等分贝的情况下,对手的探测距离可以增加四倍甚至更多(当然也得你声呐够灵敏)。

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虽然此前关于29SS要使用泵喷推进的传闻不断,而且日本确实斥巨资研制这种技术

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但“大鲸”用的还是螺旋桨推进器,可能要“大鲸”级至少四号艇开始才会换泵喷了

这就好比在嘈杂环境下,你用力大喊可能并不能引起别人的注意,但是如果你吹哨子,即使哨子音量比你大喊要小,别人还是马上就会注意到你。

而“苍龙”的这个缺陷正是经常和日本潜艇玩水下“猫捉老鼠”游戏的某大国海军发现的。

当初“苍龙”级参加澳大利亚潜艇竞标的时候,就有“神秘的第三方情报源”向澳大利亚提供了“苍龙”级的这个缺陷的信息,从而导致其在竞争中直接被排除出局……

当然了,“苍龙”级的这个缺陷其实日本自己也早就知道。日本其实在“苍龙”刚刚服役的时候就已经开始规划其后续艇设计,其研发持续了十多年时间。而值得注意的是,在2016年,日本防卫省研究本部关于下一代潜艇研制的预算报告书中就出现了一条新的要求:“采用新艇体设计,降低流体噪声,以及新型声呐,以适应未来外国水面战舰与潜艇技术的进步。”这个新艇体设计投资12亿日元,相当与此前2012-2015年间投入到该艇研制上的总费用。

这个话的意思相信了解背景的朋友自然明白。

当然新型的声呐研究花钱比这更多,为51亿日元,加上从2009年开始已经投入的49亿日元,实际上其新型声呐的投资已经达到了100亿日元之多。

据此前日本公布的消息,这主要用于研制安装在艇体上的舷侧阵列声呐。

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目前世界上只有美英法的潜艇上使用了这种声呐,可以在一定程度上弥补拖曳式阵列的缺陷。而目前中国和俄罗斯的潜艇上使用的还是舷侧线列声呐,当然093B上据称是多排的舷侧线列声呐,是一种介于线列和阵列声呐之间的设计。

日本的这个舷侧阵列从其公布的概念图上也和西方的舷侧阵列有所不同,更类似中国093B上的多排线列,更适应浅水环境。

此外,2017年,自卫队又在新型推进系统方面投入了57亿日元,不过按照他们的计划这种“静音推进器”的实验将在2021-2022年间展开。

而我们也可以看到,实际下水的“大鲸”号尾部的推进器依然是传统的螺旋桨,而不是此前一度传说的泵喷式推进器。

虽然不能排除之后再进行改装的可能,但更可能的是泵喷式推进器要在后续的“大鲸”级上才能得到实际运用了。

除了上述这些,“大鲸”级还在制造工艺、新型材料、焊接技术、舱室设计、静音鱼雷发射系统等方面相比“苍龙”级有较大的改进。

应该说,这是一种日本跟踪世界最新潜艇技术而研制的新一代常规潜艇,尤其是首次实用锂离子电池,可以说是首次实践。应该说它比我国正在批量生产的039B型常规潜艇在很多方面要更加先进。

当然了,中国下一代潜艇的动力系统可能会有一些更加新概念的技术,那就不是日本这个无核国家可比的了。

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中国海军的AIP潜艇和日本“苍龙”使用的都是斯特林机,数量也一样,只是中国从仿制瑞典发动机起步研制出了功率更强的型号,并且由马伟明院士解决了边充电边航行的难题……

不过,锂离子电池和AIP系统相比到底谁更有优势呢,我们还是要分析一下潜艇锂离子电池的技术特点。

一方面根据德国、法国和日本研制潜艇用锂离子电池的一些技术数据,我们可以发现,锂离子电池相比铅酸电池确实优势很大。

据德国和法国此前评估的数据,如果用锂离子电池取代铅酸电池,法国“鲉鱼”级潜艇的水下续航力在低速时提高75%,高速时可提高约200%;而德国蒂森克虏伯宣传资料称,如果214型潜艇改用锂离子电池,其低速时续航力可提高150%,高速时可提高约400%。

而日本方面此前宣传其改用锂电池的“苍龙”级最后两艘的时候给出的数据称,续航力可以提高45%,同时同等体积的锂离子电池是铅酸电池的约1/5,这意味着潜艇上可以安装更多更重的设备。

正是因为锂离子电池相比铅酸电池的巨大优势,尽管其存在安全性隐患,仍然成为了世界各国研制下一代常规潜艇的共同选择。德国216型,法国“短鳍梭鱼”型,俄罗斯“卡琳娜”型等下一代潜艇设计方案都要求使用本国研制的新型锂离子电池。当然日本动作更快一些,已经在最后两艘“苍龙”级上验证了锂离子电池替代铅酸电池的可能性之后,又造出了“大鲸”级。

当然了,和汽车锂电池提高安全性思路差不多,反正锂离子电池轻,大家都是设法给锂离子电池增加更多的防护措施,以增强潜艇在水下冲击、爆炸情况下的安全性,减少电池起火的可能。

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潜艇用斯特林发动机

不过这里也得说明,AIP系统和锂电池并不是互相替代关系——从上面的分析我们也可以看到,如果仅仅是使用锂离子代替铅酸电池,潜艇动力系统仍然是柴电潜艇。那么在低速航行时,航程增加2-3倍,虽说确实是明显优势,但如果和中国039B型能够在水下利用斯特林机边低速航行边充电,完全不必使用柴油机进行充电相比的话,那优势反而就没有那么大了。

日本使用锂离子电池的一个最大考虑点是它在高速航行时的动力也可以达到铅酸电池2倍。

我们知道,核潜艇相比常规潜艇的最大优势,其实就是可以随时进行持续的高速航行——这里的高速不是指达到核潜艇理论最大航速的30节航行,而是指在15-20节,以较为安静的速度进行航行。

在水下潜艇对抗中,使用高航速有两个战术用途,一个是用于潜艇对潜艇交战时获取有利 的鱼雷发射阵位,使敌方更难以进行反击;另一个则是在对潜艇和对水面舰艇作战时,使用自导武器,比如发射自导鱼雷和导弹后,迅速离开发射位置,一般要求以15-20节速度航行10-20海里。

对于现有的常规潜艇,包括AIP潜艇来说,铅酸电池在充满电后只能维持数小时的高速航行的需求,而如果按照上面那种远距离上脱离阵位的使用方法,以高航速开一个多小时,那也要消耗掉很大一部分电池容量。

对于无法进行水下充电的AIP潜艇来说,这就意味着它只能非常小心自己的剩余电量,以免消耗完了电力不得不上浮充电。

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从二战到现在,潜艇的电池可能是技术角度而言潜艇上进步最小的部分

而如果使用锂离子电池,多了一倍的电量,不论如何是好多了。

另外,相比铅酸电池,锂离子电池的充电速度也要快得多,这对于缩短通气管状态下充电时间非常有利,按照法国的计算,使用锂离子电池可以降低潜艇充电次数25%左右,如果再算上每次充电时间从几个小时缩短到不到一小时,那么实际上对潜艇生存力的贡献就更大了。

当然,尽管有这样多的优势,锂离子电池的最大问题依然是安全性,尽管德国、法国、澳大利亚都宣称已经造出了符合潜艇安全要求的电池,但目前只有日本实际使用锂离子电池,也是和日本因为无核三原则,不能制造核潜艇,但实际上对于一种能和核潜艇“比量比量”的常规潜艇有强烈需求有关吧。

那日本为什么需要一种能和核潜艇比划比划的常规潜艇呢?还需要我说明白了么?

应该说,“大鲸”凭借全身的新技术,可以说是很强的一型常规潜艇了,但如果从对抗角度说,那么我们的039B型潜艇,即使不改别的,就换个锂离子电池,在战术灵活性上就能比它强一截——毕竟全程不需要浮出水面充电这个优势是它比不了的。

某种程度上也正是因为039B的安静性和水声探测能力的长足进步,当然还有“苍龙”级被摸透弱点,迫使日本研制“大鲸”级的。

但是现在,反潜作战的形态正在悄然发生变化。

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未来潜艇的生存环境将会空前恶化,尤其是近岸浅水海区

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如果无人机反潜网络发展成熟,远程火箭炮倒是一种快速投射反潜火力攻击近海潜艇的好平台

未来的反潜作战中,反潜一方将会凭借无人机、水面无人船和水中无人航行器,组成无人机群阵列,在广阔海域24小时不间断进行搜潜作业。而这套系统的信号处理将会广泛使用大数据、机器学习技术,使得以前依靠声呐兵经验的水声对抗进入一个全新的领域。

我们已经多次说过,中国的各大无人机厂商都在积极推出类似产品,这表明中国海军已经开始考虑这种技术。

而美国海军从至少2015年开始就已经明确表示将会使用大数据、机器学习技术和无人机、无人艇来进行反潜作战。

换句话来说,未来环境下,潜艇的生存环境会更加恶劣,即使是使用锂电池把伸出通气管充电的时间从几个小时缩短到10分钟,也足以引来对手无人机的注意。

所以在这种大环境下,未来常规潜艇,乃至是不能随时以“安静”的高航速摆脱对手跟踪的AIP潜艇,都将处于非常被动的地位。

过去传统上,浅水海区海底地形复杂,水面各种船只航行情况复杂,潜艇可以躲避的地方多,因此是常规动力潜艇活动的理想环境。

但是如果这种“无人系统反潜网”在未来的浅水海区大范围展开,那么对于潜艇来说,可能就只有水声环境更复杂的深海大洋才能藏身了。

到那时,现今流行的这些常规动力潜艇完全可能都面临过时危险。

这也是为什么中国海军也在积极研制095型潜艇——且据消息称,095的研制重点近期可能相比过去有了调整,对其技术要求更高了。

列车长个人猜测,095型攻击核潜艇可能会以美国“海狼”级为追赶目标,也就是在深海大洋单独活动,具备穿透敌方反潜系统,猎杀躲藏在敌纵深海域的导弹核潜艇的(这里重点不是说“俄亥俄”或者“哥伦比亚”级那样的战略导弹核潜艇,而是对我方威胁很大的“弗吉尼亚Block 5”这样的携带远程战役、战术导弹的潜艇)能力。

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“弗吉尼亚”级是中国未来的主要威胁之一

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就好像歼-20不会瞄准美国更“新潮”的F-35,而是要瞄准“冷战遗物”F-22去寻找克制方法一样,未来中国核潜艇很可能参考瞄准深海大洋作战的“海狼”,而不是主要考虑浅海作战的“弗吉尼亚”

在我国目前的客观条件之下,要实现这个目标其实还是很难的。不过也正是因为095目前可能不急着要开工,葫芦岛船厂正在进行进一步的扩建,最近美国海军学院网站刊登的根据商用卫星图片的报道称,葫芦岛船厂的核潜艇船坞和厂房正在扩建,可以同时开工的核潜艇数量进一步增加了。

换句话来说,095一旦开工建造,很可能就和我们现在造055这样,大批量同时开工,以下饺子般的气势,短时间内就改变太平洋上的军力平衡。

相比之下,日本这种一年一艘细水长流小步快跑的建造模式,可能就和我们不能比了——当然本来拿核潜艇和常规潜艇比也不公平。

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