何巍巍 ,張 偉 ,謝 飛 ,馬 嶺 ,程 斐

(1.中國船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無錫,214082;2.深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇 無錫,214082;3.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗室,江蘇 無錫,214082)

0 引言

潛艇具備隱蔽性好、續(xù)航力強(qiáng)和突襲威力大等特點(diǎn),可執(zhí)行反艦、布雷、偵查和特種作戰(zhàn)等任務(wù),是各國海軍重點(diǎn)發(fā)展的作戰(zhàn)裝備[1]。隨著潛艇數(shù)量的不斷增加以及作戰(zhàn)海域的擴(kuò)大,加之潛艇本身的技術(shù)風(fēng)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(xí)中失事沉沒[2],更是引起了各國對援潛救生技術(shù)的高度關(guān)注。如潛艇發(fā)生事故下沉,但未下沉到會導(dǎo)致殼體破損的深度,即可采用援潛救生技術(shù)對艇員進(jìn)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(shí)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(shí)施的救援,可在較大深度開展艇員救援,是各國海軍重點(diǎn)發(fā)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(zhuǎn)移艇員,相較于救生鐘等帶纜救援裝備,DSRV不依賴母船進(jìn)行供能,具有機(jī)動靈活、航程大且救援人數(shù)多等特點(diǎn)。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(guān)鍵指標(biāo),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(shù)路線多樣,因此,使用的電池技術(shù)與方案也各不相同。目前,還未有相關(guān)文獻(xiàn)對全球各型DSRV 用電池技術(shù)進(jìn)行專項研究。

1 全球DSRV 用電池概況

自20 世紀(jì)60 年代開始研發(fā)DSRV 以來,全球擁有DSRV 的國家日益增多[5],隨著電池技術(shù)的發(fā)展,DSRV 用電池技術(shù)也在不斷進(jìn)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(xù)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(lián)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(shè)備艙。該型DSRV 最大下潛深度達(dá)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(bǔ)償模式,安裝在3 個串聯(lián)耐壓艙的上方。該鋅銀電池組所選用的單體電池規(guī)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(dá)到了158 kWh[7]。充油補(bǔ)償鋅銀電池方案在一些大深度水下航行器中得到應(yīng)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(qiáng)且能量密度高等優(yōu)點(diǎn),但其成本高、壽命短等劣勢限制了其應(yīng)用前景,隨著鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)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(jìn)行換裝升級。

1.2 英國

英國從20 世紀(jì)70 年代開始研制深潛救生艇,是全球較早開發(fā)深潛救生艇技術(shù)的國家之一,具有較強(qiáng)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(fèi)舍爾防務(wù)公司（JFD)。

1.2.1 NSRS 深潛救生艇

北約潛艇救援系統(tǒng)(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(lián)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(tǒng),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(fā)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(chǎn),并由英國Rolls-Royce 公司進(jìn)行系統(tǒng)集成。ZEBRA 電池為鈉-氯化鎳電池,是一種熱電池,其反應(yīng)溫度在260～360 ℃之間。ZEBRA 電池反應(yīng)原理為下: 充電過程中,氯化鈉和鎳反應(yīng)生成鈉和氯化鈉;放電過程中,鈉和氯化鎳反應(yīng)生成氯化鈉和鎳,其比能量可達(dá)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(tǒng)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(biāo)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(zhuǎn)換為24 VDC[11]。動力電池和儀表電池使用相同規(guī)格的ZEBRA 電池模塊,其優(yōu)勢在于減少研發(fā)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(xué)反應(yīng)原理決定了其在使用維護(hù)過程中的不足：由于ZEBRA 電池需要運(yùn)行在300 ℃左右,在開始工作前需要使用加熱器持續(xù)加熱以使電解質(zhì)達(dá)到理想的電導(dǎo)率,下潛準(zhǔn)備時間過長,不利于突發(fā)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(jìn)行加熱以維持反應(yīng)溫度,導(dǎo)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(shè)計建造,是各型DSRV 中較為經(jīng)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(jìn)行巡檢和維護(hù)作業(yè),因需要攜帶潛水員完成作業(yè)任務(wù),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(jìn)出,操縱人員位于常壓指揮艙內(nèi)。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(jīng)過不斷改進(jìn)升級,目前已發(fā)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(nèi),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(fèi)舍爾防務(wù)公司設(shè)計建造,最大工作深度為500 m,單次救援人數(shù)為16 人,可完成60°對接救援,是目前國際上技術(shù)較為先進(jìn)、裝備數(shù)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(jìn)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(tǒng)包括120 V 的動力電池系統(tǒng)、24 V 的儀表電池系統(tǒng)以及24 V 的應(yīng)急電池,可支持DSAR 型DSRV 下潛作業(yè)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(tǒng)作為DSRV 的能源。以此作為合作開端,在JFD 后續(xù)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(lián)/俄羅斯

蘇聯(lián)/俄羅斯海軍裝備有大量常規(guī)潛艇和核潛艇。不幸的是,蘇聯(lián)/俄羅斯海軍在歷史上發(fā)生了多起嚴(yán)重的潛艇失事事件,因此,蘇聯(lián)/俄羅斯海軍非常重視DSRV的發(fā)展。從20 世紀(jì)60 年代開始,蘇聯(lián)海軍便開始設(shè)計建造DSRV,俄羅斯海軍在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了繼承和發(fā)展。1967 年,天青石設(shè)計局完成了1837 型DSRV 的技術(shù)設(shè)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(yè)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(shè)計局又發(fā)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(tǒng)與1837 型相同,但其蓄電池艙設(shè)置于舷外,便于拆卸,可在2～3 h 內(nèi)完成更換,提高了可維修性。2017 年,18270 型的最新改進(jìn)型——18271 型“AC-40”號DSRV 前來中國參加了中俄“海上聯(lián)合-2017”演習(xí),其外形如圖6(b)所示。演習(xí)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(jìn)行了水下對接。

圖6 蘇聯(lián)/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(shè)備艙組成的3 個串聯(lián)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(wèi)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(jìn)行DSRV 的建造和交付,日本海上自衛(wèi)隊第3 艘DSRV 如圖7 所示。第3 艘DSRV的能源系統(tǒng)采用了日本東芝公司的SCiBTM電池系統(tǒng),東芝SCiBTM鋰離子電池使用了鈦酸鋰(LTO)作為負(fù)極材料,具有安全性高、壽命長以及輸入輸出功率高等特點(diǎn)[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(yīng)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(yīng)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(yè)時間14 h 或搜索作業(yè)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(jié)構(gòu),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(shè)計建造,包括MERMAID-III 型和MER MAID-IV 型 DSRV。MERMAID-III 型 DSRV 于1975 年開始設(shè)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(nèi),總電量36 kWh[21],MERMAID-III 型DSRV 如圖10(a)所示。1978 年,德國開始設(shè)計建造MER MAID-IV 型DSRV,其耐壓殼體由3 個串聯(lián)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(shè)備艙。MERMAID-IV 型DSRV繼續(xù)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(xù)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(xù)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(bǔ)了我國深潛救生技術(shù)的空白,從而使我國在研制DSRV 的許多關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域跨入了世界先進(jìn)行列。7103 型DSRV的能源系統(tǒng)采用了充油補(bǔ)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(jìn)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(jìn)型,在總體結(jié)構(gòu)上基本一致,增加了救生艙體積,將單次救生人數(shù)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(jìn)的LR7 型DSRV 也使用與NSRS SRV 相同的ZEBRA 電池,但在其基礎(chǔ)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(guī)格同樣為258 VDC、17 kWh,與NSRS SRV 單舷電池艙內(nèi)安裝有4 個電池模塊不同的是,LR7 型DSRV的單舷電池艙內(nèi)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(jìn)行DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換。

在LR7 型DSRV 引進(jìn)若干年后,由于ZEBRA電池使用維護(hù)困難、壽命到期以及售后不便等問題,該艇的電池系統(tǒng)更新迫在眉睫。與此同時,我國的鋰離子電池技術(shù)進(jìn)步顯著。因此,LR7 型DSRV在近些年的大修升級中使用了國產(chǎn)鋰離子電池進(jìn)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(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

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(yōu)異的充放電性能等特點(diǎn)。目前,各國海軍DSRV 應(yīng)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(huán)壽命以及充放電性能等指標(biāo)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(xù)航力、機(jī)動性能、救援人數(shù)、再次出動效率以及快速空運(yùn)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(guān)鍵技術(shù)包括高能量密度高安全性鋰離子電池技術(shù)、快充及熱管理技術(shù)、抗空運(yùn)沖擊的系統(tǒng)集成技術(shù)以及高可靠性智能化電池管理系統(tǒng)技術(shù)等。

當(dāng)前,國外DSRV 的主要研發(fā)單位為英國詹姆斯·費(fèi)舍爾防務(wù)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(nèi),中國船舶第702 所作為深海載人潛水器的研發(fā)單位,具有豐富的水下裝備用電池研發(fā)能力,負(fù)責(zé)了LR7 型DSRV 換裝國產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)。

而在后續(xù)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(diǎn),始終是DSRV 電池技術(shù)發(fā)展的主要方向。同時,將快充、熱管理等最新的新能源技術(shù)應(yīng)用于DSRV 中,也將是今后的研究重點(diǎn)。

3 發(fā)展趨勢

隨著電池技術(shù)的飛速發(fā)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(zhuǎn)向能量密度更高、使用維護(hù)更為便捷的鋰離子電池,以增加DSRV 的續(xù)航和救援時間,同時降低能源系統(tǒng)維護(hù)保障難度。在未來,DSRV 能源系統(tǒng)的發(fā)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(bǔ)能時間這2 個方向,固態(tài)電池、氫燃料電池以及換電技術(shù)都有望在DSRV 上得到應(yīng)用。

3.1 固態(tài)電池

固態(tài)電池是采用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)和隔膜的一種新型電池,是目前電池的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。固態(tài)電池具有安全性高、能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn),特別適合應(yīng)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(tài)電池技術(shù)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(shù)的不斷進(jìn)步,未來應(yīng)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,具有能量密度高、燃料補(bǔ)充速度快等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是功率密度偏低、功率變化響應(yīng)慢,現(xiàn)階段還需要鋰離子電池進(jìn)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(yīng)用燃料電池作為動力能源。在未來,進(jìn)一步提升功率密度、加強(qiáng)小型化設(shè)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(shù)

換電技術(shù)是目前電池技術(shù)未有重大突破的情況下,解決續(xù)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(hù)準(zhǔn)備時間。在DSRV 上應(yīng)用換電技術(shù),需要突破高可靠性濕插拔水密連接器技術(shù)及大型電池艙快速換電機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)等。

4 結(jié)束語

當(dāng)前,在DSRV 上應(yīng)用較多的電池類型是鋰離子電池,其性能可滿足現(xiàn)階段DSRV 的總體指標(biāo)要求。而隨著潛艇巡航和作戰(zhàn)海區(qū)范圍的擴(kuò)大以及潛深的增加,對擔(dān)負(fù)潛艇救援使命的DSRV的續(xù)航力和作業(yè)能力提出了更高要求。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展,更多新型電池和相關(guān)技術(shù)將會逐步應(yīng)用在DSRV 上。在未來,DSRV 的電池系統(tǒng)也將更安全、更持久、更可靠以助力援潛救生事業(yè)的不斷進(jìn)步。