深潛救生艇用電池應用現狀與發展趨勢

何巍巍 ,張 偉 ,謝 飛 ,馬 嶺 ,程 斐

(1.中國船舶科學研究中心,江蘇 無錫,214082;2.深海載人裝備國家重點實驗室,江蘇 無錫,214082;3.深海技術科學太湖實驗室,江蘇 無錫,214082)

0 引言

潛艇具備隱蔽性好、續航力強和突襲威力大等特點,可執行反艦、布雷、偵查和特種作戰等任務,是各國海軍重點發展的作戰裝備[1]。隨著潛艇數量的不斷增加以及作戰海域的擴大,加之潛艇本身的技術風險較大,潛艇失事的危險也在不斷增加。2000 年8 月,俄羅斯海軍“庫爾斯克”號核潛艇在演習中失事沉沒[2],更是引起了各國對援潛救生技術的高度關注。如潛艇發生事故下沉,但未下沉到會導致殼體破損的深度,即可采用援潛救生技術對艇員進行救援,避免艇員的傷亡[3]。失事潛艇幸存艇員的脫險方式主要分為自救逃生和外界救援2 種[4],自救逃生是指依靠潛艇自身攜帶的脫險裝備組織艇員離艇脫險,此種方式只能在淺深度實施,具有一定的局限性;外界救援是指依靠深潛救生艇(deep submergence rescue vehicles,DSRV)、救生鐘等外界援潛救生裝備實施的救援,可在較大深度開展艇員救援,是各國海軍重點發展的救援手段。其中,DSRV 是一種以電池為動力的載人潛水器,可在大深度與失事潛艇對接并轉移艇員,相較于救生鐘等帶纜救援裝備,DSRV不依賴母船進行供能,具有機動靈活、航程大且救援人數多等特點。也正因為電池是DSRV 在水下的唯一能量來源,其性能決定了DSRV 的航程、航速和水下救援時間等關鍵指標,是DSRV 安全性和可靠性的重要影響因素。各國海軍開始研制DSRV 的時間不一,技術路線多樣,因此,使用的電池技術與方案也各不相同。目前,還未有相關文獻對全球各型DSRV 用電池技術進行專項研究。

1 全球DSRV 用電池概況

自20 世紀60 年代開始研發DSRV 以來,全球擁有DSRV 的國家日益增多[5],隨著電池技術的發展,DSRV 用電池技術也在不斷進步。全球DSRV服役時間線與電池類型如圖1 所示。

圖1 全球DSRV 服役時間線與電池類型Fig.1 Service timeline and battery type of global DSRV

全球DSRV 型號、救援深度、電池類型、電量及續航力概況如表1 所示。

表1 全球DSRV 用電池概況Table 1 Overview of battery for global DSRV

1.1 美國

1970 年6 月,洛克希德公司為美國海軍建造的第1 艘“神秘”號(Mystic)DSRV 下水,第2 艘“阿維隆”號(Avalon)于1971 年5 月下水[6]。該型DSRV 由3 個串聯的球形耐壓艙組成,3 艙之間互相連通,艏部艙為駕駛艙,可容納2 名駕駛員;舯部艙為救生艙,下方連接有對接裙;艉部艙為設備艙。該型DSRV 最大下潛深度達到1 000 m,一次最多可救援24 名失事艇員。美國DSRV 外形如圖2 所示。

圖2 美國DSRV Fig.2 US DSRV

美國DSRV 使用2 組鋅銀電池組作為動力源,采用充油補償模式,安裝在3 個串聯耐壓艙的上方。該鋅銀電池組所選用的單體電池規格為1.5 V 700 Ah,每組電池組的成組方式為76 串1 并,單組鋅銀電池組的總電量為79 kWh,全艇總電量達到了158 kWh[7]。充油補償鋅銀電池方案在一些大深度水下航行器中得到應用,我國的7 000 m 級“蛟龍”號水下航行器和日本的“深海6500”號水下航行器就采用了該類型的電池[8]。鋅銀電池具有安全性高、放電能力強且能量密度高等優點,但其成本高、壽命短等劣勢限制了其應用前景,隨著鋰離子電池技術的快速發展,使用鋅銀電池作為能源的一些早期水下航行器也逐漸開始使用鋰離子電池進行換裝升級。

1.2 英國

英國從20 世紀70 年代開始研制深潛救生艇,是全球較早開發深潛救生艇技術的國家之一,具有較強的研制能力,研制了多型DSRV,并取得了較好的出口成績,多國海軍裝備有英國研制的多型DSRV。目前,英國DSRV 的主要研制公司是Perry Slingsby Systems 公司和詹姆斯·費舍爾防務公司（JFD)。

1.2.1 NSRS 深潛救生艇

北約潛艇救援系統(NATO submarine rescue system,NSRS)由英國Perry Slingsby Systems 公司作為主承包商,英國、挪威、法國聯合研制,包含一套水下遙控航行器(remotely operated vehicle,ROV)、1 艘DSRV 和布放回收系統,NSRS DSRV 外形如圖3 所示。NSRS DSRV 采用了ZEBRA(zero emission batteries research activities)電池,該電池由南非斑馬Power System 公司于1978 年發明,NSRS DSRV 使用的ZEBRA 電池,其單體電池由瑞士MES-DEA S.A.公司生產,并由英國Rolls-Royce 公司進行系統集成。ZEBRA 電池為鈉-氯化鎳電池,是一種熱電池,其反應溫度在260～360 ℃之間。ZEBRA 電池反應原理為下: 充電過程中,氯化鈉和鎳反應生成鈉和氯化鈉;放電過程中,鈉和氯化鎳反應生成氯化鈉和鎳,其比能量可達120 Wh/kg,約為鉛酸電池的3 倍以上,大大提升了DSRV 的性能[9-10]。

NSRS DSRV 的ZEBRA 電池系統分為左右舷2個電池艙對稱布置,每個電池艙配備有4 個ZEBRA電池模塊,每個電池模塊標稱電壓為258 VDC,電量為17 kWh。全艇共8 個ZEBRA 電池模塊,其中,6 個電池模塊用于動力電供電,總動力電池電量為102 kWh;每舷電池艙中各有1 個電池模塊用于儀表電池供電,儀表電池總電量為34 kWh。由于儀表電池電壓為24 VDC,因此,還需要使用DC-DC將電池模塊的258 VDC 轉換為24 VDC[11]。動力電池和儀表電池使用相同規格的ZEBRA 電池模塊,其優勢在于減少研發工作量和提高備件通用性。

ZEBRA 電池性能相較于鉛酸電池有較大提升,但其化學反應原理決定了其在使用維護過程中的不足：由于ZEBRA 電池需要運行在300 ℃左右,在開始工作前需要使用加熱器持續加熱以使電解質達到理想的電導率,下潛準備時間過長,不利于突發情況的快速部署;其次,在下潛救援過程中,仍需靠自身的電量進行加熱以維持反應溫度,導致可用電量不足,影響救援效率。

1.2.2 LR 系列DSRV

LR 系列DSRV 由英國Perry Slingsby Systems公司設計建造,是各型DSRV 中較為經典的一個系列,先后出口至韓國、中國、澳大利亞和越南等國。LR 系列載人水下航行器以船舶建造大師Leonard Redshaw 名字的首字母命名,其研制之初的用途是對海上天然氣和石油工程進行巡檢和維護作業,因需要攜帶潛水員完成作業任務,該載人水下航行器帶有飽和潛水加壓艙,潛水員通過加壓艙進出,操縱人員位于常壓指揮艙內。英國海軍基于LR5 載人水下航行器這一成熟的平臺,將其改裝升級為專用的DSRV[12],采用鉛酸蓄電池作為能源,可以2 kn 航速航行8 h[13]。經過不斷改進升級,目前已發展至最新型號LR11,該艇于2022年6 月完成海試并交付越南海軍。LR11 型DSRV使用鋰離子電池作為能源,分別安裝在左右電池耐壓艙內,其容量可供該艇以1.5 kn 速度巡航8 h[14]。各國LR 系列DSRV 如圖4 所示。

圖4 LR 系列DSRVFig.4 DSRVs in LR series

1.2.3 DSAR 系列DSRV

DSAR 系列DSRV 由英國詹姆斯·費舍爾防務公司設計建造,最大工作深度為500 m,單次救援人數為16 人,可完成60°對接救援,是目前國際上技術較為先進、裝備數量較多的DSRV。2009 年,JFD 向韓國交付1 艘DSAR-5 型DSRV,如圖5(a)所示;2010 年,JFD 向新加坡交付1 艘DSAR-6 型DSRV,如 圖5(b)所 示;2018 年,JFD 向印度交付2 艘DSAR-650L 型DSRV,如圖5(c)所示。2021年,JFD 又向韓國交付了1 艘DSAR-500L 型DSRV,部署在新型潛艇救援艦ASR-II 上,通過月池對DSRV 進行布放和回收。DSAR 系列采用了聚合物鋰離子電池作為能源,其能源系統包括120 V 的動力電池系統、24 V 的儀表電池系統以及24 V 的應急電池,可支持DSAR 型DSRV 下潛作業12 h[15]。在JFD 與韓國的DSAR-5 型DSRV 項目合作中,韓國海軍指定使用韓國Kokam 公司研制的鋰離子電池系統作為DSRV 的能源。以此作為合作開端,在JFD 后續的各型DSAR 系列DSRV 中,廣泛使用了Kokam 公司的鋰離子電池。

圖5 DSAR 系列DSRVFig.5 DSRVs in DSAR series

1.3 蘇聯/俄羅斯

蘇聯/俄羅斯海軍裝備有大量常規潛艇和核潛艇。不幸的是,蘇聯/俄羅斯海軍在歷史上發生了多起嚴重的潛艇失事事件,因此,蘇聯/俄羅斯海軍非常重視DSRV的發展。從20 世紀60 年代開始,蘇聯海軍便開始設計建造DSRV,俄羅斯海軍在其基礎上進行了繼承和發展。1967 年,天青石設計局完成了1837 型DSRV 的技術設計;1970 年,1837型DSRV“AC-1”號順利通過海試并交付海軍。1837 型DSRV 可由專業援潛救生船或者救生潛艇搭載,最大下潛深度500 m,其外形如圖6(a)所示。1837 型DSRV使用鉛酸蓄電池作為能源,動力電池組電壓220 V,電量127 kWh;儀表電池組電壓為27 V,電量為21.5 kWh[16]。此后,天青石設計局又發展了1837K型、1855 型和18270 型等多種型號的DSRV。其中,18270 型DSRV 的能源系統與1837 型相同,但其蓄電池艙設置于舷外,便于拆卸,可在2～3 h 內完成更換,提高了可維修性。2017 年,18270 型的最新改進型——18271 型“AC-40”號DSRV 前來中國參加了中俄“海上聯合-2017”演習,其外形如圖6(b)所示。演習中,俄海軍“AC-40”號DSRV 與我國海軍裝備的LR7 型DSRV先后與俄海軍一艘模擬失事的潛艇進行了水下對接。

圖6 蘇聯/俄羅斯DSRVFig.6 Soviet Union/Russia DSRVs

1.4 日本

日本分別于1985 年和2000 年由川崎重工神戶工廠建成2 艘JMSDF 型DSRV,最大下潛深度700 m,其耐壓殼體由艏部駕駛艙、舯部救生艙和艉部設備艙組成的3 個串聯球艙組成,能源由安裝在救生艙頂部的2 組鋅銀蓄電池提供[17],該艇的總體方案與美國DSRV 基本一致。2017 年,川崎重工向日本海上自衛隊交付了第3 艘JMSDF 型DSRV,這是自2000 年交付第2 艘DSRV 以來,時隔18 年再次進行DSRV 的建造和交付,日本海上自衛隊第3 艘DSRV 如圖7 所示。第3 艘DSRV的能源系統采用了日本東芝公司的SCiBTM電池系統,東芝SCiBTM鋰離子電池使用了鈦酸鋰(LTO)作為負極材料,具有安全性高、壽命長以及輸入輸出功率高等特點[18]。

圖7 日本第3 艘JMSDF 型DSRVFig.7 The third JMSDF type DSRV of Japan

1.5 意大利

意大利海軍裝備了由DRASS 公司研制的SRV 300 型DSRV,最大工作深度為300 m,其外形如圖8 所示。SRV 300 型DSRV 配備有動力電池、儀表電池和應急電池,動力電池電壓為120 V,容量為1 180 Ah;儀表電池電壓為24 V,容量為840 Ah;應急電池為24 V,容量為110 Ah。充電時間8～10 h,可支撐救援作業時間14 h 或搜索作業時間10 h[19]。

圖8 意大利SRV 300 型DSRVFig.8 Italy SRV 300 type DSRV

1.6 瑞典

瑞典URF 型DSRV 由法國COMEX 公司和瑞典Kockums 船廠合作,1977 年下水,1978 年交付。該DSRV 使用3 艙結構,最大下潛深度為460 m,使用了鉛酸電池作為其能源,航速3 kn,航行40 h[20],瑞典URF 型DSRV 外形如圖9 所示。

圖9 瑞典URF 型DSRVFig.9 URF DSRV of Sweden

1.7 德國

德國MERMAID 系列DSRV 由Bruker Physik AG 公司設計建造,包括MERMAID-III 型和MER MAID-IV 型 DSRV。MERMAID-III 型 DSRV 于1975 年開始設計建造,耐壓深度200 m,采用鉛酸蓄電池作為能源,安裝在左右舷2 個耐壓電池艙內,總電量36 kWh[21],MERMAID-III 型DSRV 如圖10(a)所示。1978 年,德國開始設計建造MER MAID-IV 型DSRV,其耐壓殼體由3 個串聯球艙和2 個圓柱型電池艙組成,前艙為指揮艙,中艙為救援艙,后艙為設備艙。MERMAID-IV 型DSRV繼續采用鉛酸蓄電池作為能源,由60 塊420 Ah 的鉛酸電池組成,可續航10～12 h[22],MERMAID-IV型DSRV 如圖10(b)所示。

圖10 德國MERMAID 系列DSRVFig.10 MERMAID series DSRV of Germany

1.8 中國

1.8.1 7103 型DSRV

7103 型DSRV 于1971 年開始研制,1976 年在武昌造船廠開工建造,1980 年完成總裝[23],后續完成了多次海上試驗的考核,于1986 年研制成功。7103 型DSRV 的成功研制,填補了我國深潛救生技術的空白,從而使我國在研制DSRV 的許多關鍵技術領域跨入了世界先進行列。7103 型DSRV的能源系統采用了充油補償式的鋅銀電池[24],可支撐7103 型DSRV 以2 kn 航速航行20 h,7103型DSRV 如圖11 所示。

圖11 7103 型DSRVFig.11 7103 type DSRV

1.8.2 LR7 型DSRV

2008 年,我國從英國引進一艘由Perry Slingsby Systems 公司研制的LR7 型DSRV[25],該艇為LR5型DSRV 的升級改進型,在總體結構上基本一致,增加了救生艙體積,將單次救生人數由15 人增加至18 人,其外形如圖12 所示。

圖12 中國LR7 型DSRVFig.12 LR7 type DSRV of China

引進的LR7 型DSRV 也使用與NSRS SRV 相同的ZEBRA 電池,但在其基礎上降低了電量。LR7 型DSRV 也采用兩舷對稱的電池艙布置,單個ZEBRA 電池模塊的規格同樣為258 VDC、17 kWh,與NSRS SRV 單舷電池艙內安裝有4 個電池模塊不同的是,LR7 型DSRV的單舷電池艙內只有3 個電池模塊,全艇只有6 個ZEBRA 電池模塊。其中,4 個電池模塊用于動力電供電,總的動力電池電量為68 kWh;每舷電池艙中各有1 個電池模塊用于儀表電池供電,總的儀表電池電量為34 kWh,與NSRS SRV 的儀表電池電量一致,同樣,LR7 型DSRV 的儀表電池也需要進行DC-DC 電壓轉換。

在LR7 型DSRV 引進若干年后,由于ZEBRA電池使用維護困難、壽命到期以及售后不便等問題,該艇的電池系統更新迫在眉睫。與此同時,我國的鋰離子電池技術進步顯著。因此,LR7 型DSRV在近些年的大修升級中使用了國產鋰離子電池進行換裝,性能和使用便捷性大大提升,安全性也得到了充分驗證。

2 應用現狀及關鍵技術

DSRV 的使用工況決定了其電池需要具有高能量密度、高安全性和優異的充放電性能等特點。目前,各國海軍DSRV 應用的電池類型主要有鉛酸電池、鋅銀電池、ZEBRA 電池和鋰離子電池等,其能量密度、安全性、循環壽命以及充放電性能等指標各有高低,具體如表2 所示。

表2 電池性能對比與分析Table 2 Comparison and analysis of battery performance

DSRV 的使命是救援失事潛艇中的幸存艇員,因此其續航力、機動性能、救援人數、再次出動效率以及快速空運部署能力等總體性能都將影響到DSRV 的救援效率。而電池作為其唯一的能量來源,其性能也極大影響著DSRV 的總體性能。目前,DSRV 用電池需要突破的主要關鍵技術包括高能量密度高安全性鋰離子電池技術、快充及熱管理技術、抗空運沖擊的系統集成技術以及高可靠性智能化電池管理系統技術等。

當前,國外DSRV 的主要研發單位為英國詹姆斯·費舍爾防務公司和Perry Slingsby Systems 公司,最新型號的DSAR 系列和LR 系列都已使用鋰離子電池,總體性能和使用便捷性都大大提高。在國內,中國船舶第702 所作為深海載人潛水器的研發單位,具有豐富的水下裝備用電池研發能力,負責了LR7 型DSRV 換裝國產鋰離子電池的工作,解決了DSRV 用鋰離子電池的安全性和可靠性等方面的關鍵技術。

而在后續的研究中,解決電池的高能量密度與高安全性這2 個矛盾點,始終是DSRV 電池技術發展的主要方向。同時,將快充、熱管理等最新的新能源技術應用于DSRV 中,也將是今后的研究重點。

3 發展趨勢

隨著電池技術的飛速發展,目前各國海軍DSRV所裝備的電池逐漸從鉛酸電池、鋅銀電池和鈉-氯化鎳電池等,轉向能量密度更高、使用維護更為便捷的鋰離子電池,以增加DSRV 的續航和救援時間,同時降低能源系統維護保障難度。在未來,DSRV 能源系統的發展趨勢除了高安全性這一永恒不變的要求以外,仍然主要圍繞提升能量密度和縮短補能時間這2 個方向,固態電池、氫燃料電池以及換電技術都有望在DSRV 上得到應用。

3.1 固態電池

固態電池是采用固態電解質取代液態有機電解質和隔膜的一種新型電池,是目前電池的前沿熱點領域。固態電池具有安全性高、能量密度高、循環壽命長等優點,特別適合應用在DSRV 這類對安全性和能量密度要求較高的深海裝備上。盡管目前固態電池技術還存在界面阻抗大等難題亟需攻克,但隨著研究的不斷深入和技術的不斷進步,未來應用潛力巨大。

3.2 氫燃料電池

氫燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置,具有能量密度高、燃料補充速度快等優點。缺點是功率密度偏低、功率變化響應慢,現階段還需要鋰離子電池進行輔助供電。目前,已有多型大型UUV 和不依賴空氣動力裝置（air independent propulsion，AIP）潛艇應用燃料電池作為動力能源。在未來,進一步提升功率密度、加強小型化設計以及提高儲氫裝置安全性后,有望在DSRV中裝備使用。

3.3 換電技術

換電技術是目前電池技術未有重大突破的情況下,解決續航力和充電速度短板的有效手段之一,可大大提升DSRV 救援效率,縮短下潛維護準備時間。在DSRV 上應用換電技術,需要突破高可靠性濕插拔水密連接器技術及大型電池艙快速換電機構設計技術等。

4 結束語

當前,在DSRV 上應用較多的電池類型是鋰離子電池,其性能可滿足現階段DSRV 的總體指標要求。而隨著潛艇巡航和作戰海區范圍的擴大以及潛深的增加,對擔負潛艇救援使命的DSRV的續航力和作業能力提出了更高要求。隨著新能源技術的不斷發展,更多新型電池和相關技術將會逐步應用在DSRV 上。在未來,DSRV 的電池系統也將更安全、更持久、更可靠以助力援潛救生事業的不斷進步。