◎魏光志
日本海上自衛隊「蒼龍」級潛艦「凰龍號」（SS-511）是全球第1艘配備鋰電池的傳統動力潛艦。「蒼龍」級是目前世界上最大的傳統動力潛艦，具有良好靜音降噪性能。「蒼龍」級也首次配備「絕氣推進」（AIP）主機。不需浮航充電，延長在水中巡航時間，大幅增加隱匿性。
「凰龍號」配備鋰電池由湯淺公司（GS Yuasa）開發，電力存儲容量是鉛酸電池的2倍以上。「蒼龍」級最後一艘同級潛艦「鬥龍號」完成後，海自將部署新的潛艦（3000噸級），動力將完全採用鋰電池技術。
斯特林AIP主機搭配液態氧罐
日本「技術研究本部」早在1950年代中期就發展「絕氣推進」（AIP）系統。第1階段是1954到1956年，與戰後重組的新三菱重工合作開發輕型緊湊型高壓燃燒鍋爐渦輪機（KRT）。這種技術，藉由液態氧和燃料通過小型鍋爐在高壓下燃燒以驅動蒸汽渦輪機。
同時，川崎重工也在研究使用液態氧的封閉循環柴油，但兩項研究都被取消，因為前者在氧氣處理和啟動時間上存在問題，後者則需要更多的預算和時間投入研究。此後，技術研究本部於1962年開始對燃料電池進行研究。起先考慮使用鈉汞合金燃料電池，但汞的含量過高，對艦員安全造成影響，遂從1967年轉換為氫氧型電池。1974年進行原型設計和測試，以開發具有多孔鎳─碳雙層電極，8單元配置，9 kW輸出功率，6伏電壓和1500安培容量的燃料電池。基於以上成果，海自還曾計畫於1976年在潛艦（51SS）上安裝燃料電池，由於無法消除艦員對液態氧處理的擔憂，因此放棄了該燃料電池的安裝上艦。
基於這些情況，技術研究本部確定以斯特林主機作為潛艦的AIP系統，它比燃料電池更可行，並於1986年開始進行基礎研究。早在1983年，瑞典Kockums公司採用了這種技術，用於原型主機測試。1988年，在「內肯」級潛艦安裝批量生產型的4V-275R Mk.I模型發電機組，並進行海上試航，1992年，裝配在量產的Mk.II型「哥特蘭」級潛艦上。
因此，在1991至1999年的研究項目中，技術研究本部進口與裝備此類主機相同的Mk.II發電機組模型，並將其與日本自製的原型液態氧儲存罐等相結合，安裝在部分測試艦體模組上，進行地面測試。從2000年開始，擴展部分原型主機，配備2組斯特林主機系統（每組都配備2具4V-275R Mk.II發電機組）和2具液態氧儲存罐，從2001到2002年，「朝潮」級潛艦進行改裝，以配備此一功能。新主機性能確認測試於2001年完成，從2002年開始進行全面測試航行。根據這一成果，從2004年計畫建造的潛艦上安裝斯特林AIP主機，然後逐漸成為新潛艦主機的固定模型。
發電設備不斷更新
直到第10艘「蒼龍」級潛艦，都配備使用斯特林主機的絕氣推進（AIP）系統。此模組中安裝的是4V-275R Mk.III發電機（連續額定輸出功率），它是安裝在「朝潮」級和瑞典海軍A-19型上的4V-275R Mk.II（連續額定輸出功率65 kW）的進階版本，輸出功率達到75 kW，在第4隔艙部上層的兩側配置有2具發電機，在下層的兩側配置有液態氧儲存罐。4V-275R Mk.III發電機由川崎重工獲得授權和製造。
由於斯特林AIP是低速主機，輸出功率低（約4至5節），傳統柴電動力系統適用於高速功率。因此，從「春潮」級（61SS）開始，安裝以川崎重工12V25 / 25S為範本研改的12V25 / 25SB發電機，它是V12型高速4行程主機。
與AIP同步在此模組中引入的創新技術之一是「永磁同步發電機」，當前世界各國柴電潛艦已使用此設備，並採直流發電。另一方面，在一般工業中，隨著半導體元件技術和控制技術的發展，已經開發一種系統，大型AC發電機通過半導體功率轉換器，已可變速運轉。該系統具有許多優點，例如不需要速度切換單元操作，不需要換向器、電刷、激磁電路、滑動環套，並且易於維護。它是少數已獲得開發和安裝的水下交流發電機設備。
鋰電池成為潛艦電力新寵
海自最初計畫從第5艘「蒼龍」級「瑞龍號」（SS-505）開始，安裝鋰電池作為主電池，以提高該艦的巡航速度並增加高速巡航的時間。與傳統的鉛酸電池相比，鋰電池沒有產生氫氣的風險，單位重量和體積的能量密度是其2倍以上，並且重複充電和放電的次數是其1.5倍以上。具有優異的特性，例如能夠抑制電容量的降低。特別是在充電時間方面，即使發電機輸出功率含有餘量，鉛酸電池也必須以較小的電流充電，並且在接近滿充電時只能一點一點地充電。這在戰時幾乎是不可能的，而鋰電池則不受這些限制，可快速充電。
與之前的柴電潛艦相比，通過安裝新型鋰電池，顯著提高水下可持續性和速度性能。由於日本財政因素，實際安裝鋰電池的時間才延後到第11艘（SS-511凰龍號）之後。在技術方面，研究僅用鋰電池替換鉛酸電池的方法，以及斯特林AIP系統和鋰電池並用，以取代鉛酸電池。後者比前者更昂貴，但具有更高的輸出功率，因此，海自有望以比傳統柴電潛艦和AIP潛艦更高的速度進行連續水下航行。未來，也有可能取消斯特林AIP和鉛電池，以提高水中航行的可持續性。
供電穩定持久 未來裝備首選
軍用鋰電池也可概分成兩大類：即不可充電的及可充電的，前者稱為「一次性電池」，它只能將化學能一次性地轉化為電能，不能將電能還原回化學能；而可充電電池稱為「二次性電池」，能將電能轉變成化學能儲存起來，在使用時再將化學能轉換成電能，是可逆的，軍用船艦、航太衛星多半使用後者。為考量鋰電池工作的可靠性和安全性，因此在正負極材料的選擇上考慮材料的安全性為首選，軍用鋰電池在具備高能量的同時，使用過程中的安全性係數也非常重要。軍用鋰電池不僅體積小、輕薄化，而且要求能在低於攝氏0度和高於50度的嚴苛環境下使用，並且盡可能以後勤供應簡易化。其他特點如：
一、極佳的環境適應性：能確保在不同氣候條件、高強度電磁環境、高低氣壓環境、高放射性輻射環境、高鹽分環境下均能正常使用。
二、高度穩定與堪用性：能確保證電池可在使用時有效堪用穩定。
三、高度安全與抗污性：能確保遭高強度衝擊時，電池保證安全，不會傷及人員與環境安全。
鋰電池不僅能為戰場上的便攜電子設備提供持久穩定電源，還可大幅減輕單兵負重，增強作戰的靈活性和機動性，成為未來智慧化裝備的首選電源。日本防衛省在新造潛艦的電力能源上改用了鋰電池，不但充分發揮軍工技術優勢，也同步創新了原本的AIP推進技術，對增強其國防科技工業自主創新能力，促進軍民通用高技術產業發展存有重要意義。 （作者為前空軍官校教官）
