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摘要：本文全面分析了目前潜艇和鱼雷动力电池的现状及其应用，介绍了几型高比能量、高比功率的潜艇和鱼雷动力电池。列举了不同系列电池的性能，并对其在武器装备中的应用情况做了介绍。而且提出了潜艇和鱼雷动力电池的发展方向。
关键词：潜艇电池；鱼雷电池；发展
1.概述
随着科学技术的发展和现代战争的需要，促进了各种武器装备技术的迅速进步。作为海军武器的动力源，无论是潜艇动力电池还是鱼雷动力电池，均取得了惊人的进步，本文就电池在这两个特殊应用场合的现状和发展趋势作以综述。
2.潜艇动力电池
2.1 潜艇动力电池现状
2.1.1 概况描述
铅酸蓄电池于1888年作为一种优良而可靠的直流电源，第一次应用于潜艇动力推进。至今仍是世界上常规潜艇动力电池和核潜艇的应急电源。由于战术的需要，对于潜艇动力电池的要求主要是大容量，高速率放电和低速率放电均应具有高体积比能，寿命长及安全可靠等。当前较为突出的要求是具有高贮能、高体积比能和快速充电的特性。
潜艇动力电池的发展大致经历了如下过程：1940～1945年的45型电池，1950～1955年的55型电池，1960～1965年的65型电池，1972～1980年的75型电池和1983年至今的85型电池。各型电池的结构特征见表1。
表1 潜艇动力电池的结构特征
铅酸蓄电池作为潜艇动力推进系统的重要部分，近年来得到了不断完善和发展。目前，其单体结构已改进为双层结构，重量比能量和体积比能量均具有较大提高，其中体积比能量较二次世界大战时期提高近80％，大电流下提高达125％～185％，使得目前常规潜艇的水下航速由二战时的13节提高了20节以上。
2.1.2 先进电池介绍
（1）85型电池是德国著名的瓦尔塔（Varta）电池公司在突破常规结构基础上的改进型产品，内阻显著减小，双层极群结构并联装在一个电解液槽里，采用穿孔的铜片作负极导电材料，比能量提高很多。
（2）209型潜艇动力电池是德国哈根公司生产的另一型具有较高水平的动力电池。首先采用镀铅的铜材作负极板栅，并通过调整活性物质量和导电材料的大小获得与双层结构一样的改进效果，与70年代老产品相比1.25小时率提高了50％。
（3）BLC电池是为A17维斯特格兰级潜艇设计的一种类似双层结构的动力电池，采用Pb管状正极板结构，结构对称，单体内装有四个极群。而且增加了活性物质量，提高了利用率。较同时期的其它动力电池重量比能量有所提高。
2.2 潜艇动力电池的发展
由于潜艇的工作能力主要取决于动力电池的性能，一直以来，各国潜艇动力电池生产厂家除了努力改进现有的铅酸蓄电池的性能外，都在千方百计探索比铅酸蓄电池更好的各种新电池系列。各国海军也委托有关科研部门或生产厂为潜艇动力电池进行过多系列的探索，从目前的水平看，潜艇动力电池的主要发展方向见表2[1]。
表2
（1）铅酸蓄电池。在今后的5～10年内铅酸蓄电池仍然是潜艇动力系统的廉价而可靠的动力源。通过改进活性物质量、导电元件及电池结构，可以使电池的贮能有效利用。
（2）镉/镍蓄电池。美国能源研究公司研制出了一种塑料粘结式镉/镍蓄电池，其比能量为100Wh/l和43Wh/kg，具有750次循环寿命，大大提高了潜艇的技术性能，可续航时间延长50％～100％。
（3）燃料电池。70年代燃料电池作为潜艇动力源的研究热潮风靡全球，其具有安静、不污染环境以及突出的高效率等优点，使它在所有能量转换方式中受到全世界的关注。近年来，燃料电池在潜艇上的应用取得了重要突破，德国西门子公司于1987年试验成功了由16个7千瓦、63升、85公斤的氢/氧燃料电池单元组成的潜艇动力系统。目前，德国最新型的212A型和214型潜艇均已装备了燃料电池动力系统[2]。
(4)ZEBRA电池[3]。ZEBRA（Na/NiCl2）电池是80年代中期开发的一种新型高能蓄电池。具有较高的比能量、比功率，理论比能量290 Wh/kg，实际比能量100 Wh/kg，德国已将该系列电池装备在电动汽车上，如Mercedes-Benz公司的A－Class汽车、BMW公司的EI汽车等，ZEBRA电池与铅酸蓄电池相比具有明显的优势，例如，一个130L、195kg的ZEBRA电池模块在任何放电率下均胜过一个190L、525kg的铅酸蓄电池。前者在一个小时内提供的能量是铅酸电池的2倍，可以明显提高潜艇的续航时间。
（5）正在研究的几种潜艇动力电池
a.锌/银蓄电池，具有大容量、高速率放电等优点，目前已用于美国试验潜艇和深潜救生艇。
b.钠硫蓄电池，具有比能量高的优点，可使潜艇的续航能力增大2.5～4.5倍，缺点工作温度高，难以实用。
c.锂/亚硫酰氯电池，比能量为铅酸电池的6倍，成本为43％。缺点是每航行一次需更换一次电池，瑞典海军拟将其作为铅酸电池的补偿电池。
d.高比能铝/空气电池，比能量为铅酸电池的20倍，可用于多领域，尤其是无人潜艇。采用铝合金作负极，聚四氟乙烯和炭为基体的多孔电极为正极，氢氧化钾为电解液。目前已克服了产生淤积物和氢气的缺点，制出了8A、1.2V的电池。
3 鱼雷动力电池
3.1 魚雷动力电池现状
鱼雷是一种能在水中自航，自控和自导，以水中爆炸毁伤目标的水中武器。现代鱼雷具有速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高和破坏威力大等特点。从动力源来分，鱼雷的动力源有热动力源和电动力源两种[4]。
热动力源是将贮存的燃料和氧化剂在热机中燃烧或在与气体涡轮机相联接的锅炉中燃烧以产生机械能，从而推动鱼雷前进。它的优点是比功率和比能量较大。但是随着新一代噪声小、潜海深、航速高的核潜艇列装服役，热动力系统产生的噪声使鱼雷制导作用距离减小，对发现和命中率有明显不利的影响，而且鱼雷下潜深度的增加使背压增大，动力系统的有用功率降低，热效率减少。 热动力鱼雷又可分为闭式循环、半闭式和开式循环。开式循环由于要向海水排出废气，造成航迹及静差问题（由于海水的背压，废气排出需要承受很大的负压，造成了水深不同航速不同的结果），目前慢慢被闭式和半闭式取代。半闭式循环将一部分不溶于水的气体排出雷外，然后将溶于水的气体储存起来；闭式循环完全不向雷外排出气体，不过这和热动力燃料有很大的关系。第一代热动力鱼雷采用压缩空气，由于压缩空气比能量低，鱼雷不能打的远，也不能打的快；第二代热动力鱼雷采用了酒精或煤油和鱼雷本身压缩空气混合以后通过燃烧室，才是真正意义上的热动力鱼雷。第三代热动力鱼雷采用夹层燃烧室，燃烧室夹层为淡水，淡水用雷外海水冷却，淡水喷入燃烧室后加热为水蒸气共同进入发动机，由于加入淡水量很大，所以有蒸汽瓦斯鱼雷之名。第四代热动力鱼雷采用奥托OTTO和HAP[5]（高氯酸阱胺）燃料，具有航迹小、价格便宜、无腐蚀等特点。奥托其实是一种硝酸脂混合物，其分子式中含氧比率低，所以需要HAP助燃提高燃烧效率。由于采用此种高能量比的（170瓦时/KG）的燃料，第四代鱼雷的航速都在50节以上，航程40KM以上，美国海军已有应用在MK50、MK48 ADCAP上[6]。第五代热动力鱼雷有采用改进的奥托2燃料或锂燃料，另外在此几种以外还有采用过氧化氢燃料的，此种燃料燃烧生成物是水，所以其航迹很小，在日本及瑞典的鱼雷上有应用。由于热动力鱼雷的航速高、航程远，所以尽管由于价格昂贵（几乎是电动鱼雷的三倍），各大海军强国还是努力发展。目前国际上现役热动力鱼雷最先进的是“旗鱼”热动力鱼雷（spearfish）和“暴风雪”热动力鱼雷（shkval），最高航速达到了200节。[7-8]
冷战结束后，海上战争由原来两大阵营的远洋作战转变为以地区冲突为主的近岸滨海作战。故电动鱼雷以其噪声小，深水性能和隐蔽性好等优点，逐渐受到各国海军的重视。鱼雷动力电池是电动鱼雷的心脏，直接为其提供电能，重量和体积几乎占鱼雷总重量与体积的1/3～1/2，它的性能优劣直接影响鱼雷的主要战术性能。
鱼雷电池大概经历了以下两个阶段的发展：1939年～1960年铅酸电池；1960年至今普遍应用锌银电池和镁/银电池作为电动鱼雷的动力电池，其比能量约为50～80Wh/kg，表3[9]中列举了各国海军鱼雷动力电池概况。
表3 各国电动力鱼雷概况
电动鱼雷战雷使用一次激活动力电池，操雷使用二次锌银动力电池，主要性能指标分别见表4[9]和表5[9]。
表4 一次激活动力电池指标
表5 二次锌/银动力电池指标
目前鱼雷动力电池现状是：
（1）铅酸电池基本退役。1939年德国首次制造出使用铅酸电池作动力源的G7e电动鱼雷，其航速为30节，航程为5000m，这是世界上第一支电动力鱼雷。使用的是YL210型短时放电的铅酸蓄电池组，其容量为105Ah，电流800A，电压90V[10][11]。性能很难满足现代电动鱼雷的需要，于70年代相继退役，但由于价格低廉，有的国家仍然用它作操雷的动力电池。
（2）锌/银电池有所突破[14-17]。由表3、表4可以看出，锌/銀电池是应用最多、性能较好的鱼雷动力电池，其中以法国的F17－2型鱼雷动力电池性能最优。该电池采用堆式结构，利用鱼雷壳体作为电池的外壳，提高了电池比能量，使F17－2鱼雷航速达到40节。表6列举了几种鱼雷动力的技术对比情况[12]。
表6 几型鱼雷动力电池技术对比
美国是应用锌银电池作为鱼雷动力电池最早的国家，自60年代就制定了相应的军用标准。德国的锌/银鱼雷动力电池的研究工作也很有特色，尤其是瓦尔塔电池公司为德国海军研制的DM2和DM2A1鱼雷用一次激活锌/银电池由4个电池组构成（每个电池组有19个单体电池），用塑料壳装在一起，并用热塑合成树脂胶合，装在一个薄钢板箱内。电池组形状不是常规的长方形，四组电池组截面构成一个近似圆形，充分利用鱼雷壳体内的空间。电池外形及基本信息见图1。
图1 DM2A1电池基本信息[13]
（3）镁/银海水电池有所进步[18-20]。镁银海水电池，已在鱼雷动力系统中应用多年，是目前鱼雷动力电池中性能最高的一种。自60年代中期开始应用于美国MK44和MK45型鱼雷以来，经过多年改进，性能已有了很大的提高。英国的“鯆鱼”（sting－ray）小型鱼雷上装备的镁银海水电池采用了高活性的镁合金和海水再循环装置，放电电压平稳，输出功率79千瓦，适用盐度（0.5％～3.5％）和温度（0～23℃）范围广，电池组由226个单体组成，比能量达130Wh/kg ，鱼雷航速达45节。
镁/银海水电池作为一次激活贮备电池，采用双极性堆式结构。电池的负极为含少量Al、Zn、Pb等元素的合金，合金比纯Mg电池比能量提高20%。AgCl电极采用熔化、铸锭再滚压成薄片的方法成形。负极表面规则地粘有小胶粒，作为正负极间的隔离物。正极上则对应有规则的小孔，利于电液输送并增加真实反应面积。单体之间以12～25μm厚的银箔为连接片。这些措施使得电池内阻大大下降。同时，放电时温度上升，流动电液还可以减小电极的浓差极化。
3.2 鱼雷动力电池的发展
随着潜艇战术性能的不断发展，现代鱼雷的战术思想也发生了较大变化。近年来，世界各国普遍认为，攻击潜艇主要是破坏其自导装置，鱼雷的装药不宜过多（50公斤），在水下航行时间不宜过长，否则容易被追击目标发现遗失战机。这就促进了小型鱼雷的研究和发展，而鱼雷动力电池的发展更应注重适应小型鱼雷的要求[21]。
（1）双极性一次锌/银电池[22-25]。锌/银电池放电电压平稳，受环境影响小等优点已广泛应用于鱼雷动力。虽然近年来高性能的电动鱼雷已选择其它系列电池，但由于其性能优良，尚有一定潜力可挖（理论比能量490Wh/kg，实际只达到50～100Wh/kg），所以各国仍一直围绕着提高其性能不断努力着。目前双极性结构（也叫堆式结构）设计是较为突出的共识，它可以有效减轻电池组的重量和体积，提高电池组的比功率和比能量。法国的新型F17-2型鱼雷上使用的动力电池即是这种结构，比F17型动力的体积减小了很多，占用电池舱的长度减少了700mm，大大提升了电池组的比能量，希腊sunlight公司生产的DM2A4型动力电池也采用了该结构[13]。可见双极性锌/银电池的前景良好。双极性结构示意图见图2[21]。 图2 双极性（堆式）结构示意图[23]
（2）不断发展的镁/银海水电池。镁/银海水电池存在用银量大、系统复杂等缺点，但由于其性能高、工艺成熟，各国海军仍在进行不断改进和发展。如寻找电位更高的镁合金阳极材料，设计效率更高的电解液控制装置等，美国为ALWT小型鱼雷[26]研制的110千瓦镁/银海水电池就采用了AP-65型镁合金阳极，电池电压提高了20％；英国“鯆鱼”动力电池采用了海水自动调节装置，比能量达到130Wh/kg。镁/银海水电池在鱼雷动力电池应用领域仍将不断扩大。
（3）铝/银海水电池。铝/银海水电池于70年代后期最先由美国为其MK50鱼雷动力系统研制，最终由法国的SAFT公司于1988年研制成功，该系统比能量高，理论比能量达1090Wh/kg，实际比能量达100～180Wh/kg[27-28]。法国“海鳝”鱼雷和意大利A290鱼雷均装备了铝/银海水电池，其中“海鳝”用铝/银海水电池功率在100千瓦以上，比能量达160Wh/kg，电池组采用了双极性结构和600cm2的大面积电极，放电电流密度达1000mA/cm2，以固态氢氧化钠粉料形式携带电解质，由海水经阀门引入将其溶解成电解质的同时激活电池组。辅助系统采用了具有现代技术水平的循环泵，除气器和调节器等，可以保证电解液在电池里和鱼雷壳体间循环。使得“海鳝”鱼雷具有较高的性能，最高航速达53节，航程9～11公里[30-32]。铝银海水电池原理示意图见图3[28]。
图3 Al/AgO电池组
1.壳体； 2.热交换器及温控阀； 3.电动机； 4.循环泵；
5.热电池； 6.模式阀； 7.海水入口及阀门； 8.电堆
美国、法国、意大利等国家在该领域的研究处于领先地位，其中由法意联合研制的MU90鱼雷于1996年研制成功，电动力为无级变速，使用单转永磁无刷电动机，推进系统采用铝/银海水电池，其动力性能超越了MK46鱼雷的OTTO动力系统，接近于MK50鱼雷的Li/SF6闭式循环动力（后两者皆为热动力推进）。该电池的高性能依赖于其复杂的电解液系统，图4是MU90动力电池的电解液系统[29]。
图4 MU90动力电池电解液系统
（4）正在探索的其它系列电池[33-41]
a.锂/亚硫酰氯电池。该系列是目前所有正在研究探索的电池中，比能量最高的，理论比能量达1474Wh/kg，实际比能量≥250Wh/kg。其原材料便宜丰富，单体电池电压高（2.5V～3.2V），该系列高的放电速率可使鱼雷航速达到60节。美国古尔德公司于1980年就已制成锂电池，比能量达573Wh/kg，美国曾计划用它改装MK48大型鱼雷和英国“鯆鱼”小型鱼雷。法国也曾研制過用于重型鱼雷的锂电池，功率达600千瓦，比能量200～250Wh/kg、工作时间12min，长度2m，但因为热失控产生的爆炸问题未得以应用。
b.其它锂电池。锂电池的种类很多，主要是按照阴极材料来划分，目前主要能够应用于动力电池领域的主要有锂/亚硫酰氯（Li/SOCl2）、锂/二氧化硫（Li/SO2）、锂氧化银（Li/AgO）、锂/二氧化锰（Li/MnO2）等。Li/AgO电池是当前主要为小型鱼雷研制一种海水激活电池，原理与铝/银海水电池相似，具有较好的高速放电性能，比能量与锂/亚硫酰氯电池相当（200～250Wh/kg），但反应放出的氢气比铝/银电池多8倍，放出的热量也较高。近来美国和日本都在积极的对该系列进行研制，但由于其在发射过程中存在安全隐患且辅助系统较为复杂，短时间内难以实用。
Li/SO2和Li/MnO2电池相对较为成熟，安全性相对较高，表7中对三种成熟的锂电池的性能进行了比较[33]。
从上述的表格和图标可以看出，锂电池具有比能量高、电压高、工作温度范围广等优点，但由于其不能在大电流密度下工作，所以限制了其在大功率鱼雷动力电池中的广泛应用，目前鲜有应用于高速率鱼雷动力系统的报道，但一些国家已经在水雷和低速率的小型鱼雷中得到了应用。
c.钙/亚硫酰氯电池。这种电池的重量比锂电池稍低，体积比能量相似，对于大容量放电，该系列更加稳定和安全，如今美国和以色列等国家正在进行研究，有望可以取代锂电池。
d.热电池。随着电池材料技术的飞跃，热电池正朝着大容量、大功率、高速率的方向发展，而且在某些领域已逐渐取代锌/银电池成为军事领域首先的电源产品，它以低廉的价格、长贮存寿命和较高的温度适应性深受各国青睐，而且法国SAFT已有取代锌/银电池成为鱼雷动力电池的报道，但由于其固有的电压精度低的缺陷至今没有实用。
4.结束语
综上所述，近年来随着现代科学技术的突飞猛进，潜艇和鱼雷动力电池取得了惊人的进步。近年来在化学电源领域，美国、法国、德国、日本等国家相继研制出比能量更高、体积更小的电源产品。可以预见，随着电源技术的不断发展，燃料电池必将取代铅酸蓄电池成为潜艇未来的理想动力电池；铝/银海水电池及锂电池也必将取代锌/银电池和镁/银电池成为鱼雷动力最佳的动力电池。电池这个涉及众多科学技术领域的电化学产品，随着结构设计的进步以及材料、工程技术的发展，更多的新型高性能电源会在潜艇和鱼雷推进动力领域中得到应用。
参考文献
[1] 连鲁军 常规动力潜艇的最新力作[J].国防科技，2006第6期，6～10.
[2] Michael R. Scherr. Torpedo Propulsion Overview[J].Naval Forces.1996.3.
关键词：潜艇电池；鱼雷电池；发展
1.概述
随着科学技术的发展和现代战争的需要，促进了各种武器装备技术的迅速进步。作为海军武器的动力源，无论是潜艇动力电池还是鱼雷动力电池，均取得了惊人的进步，本文就电池在这两个特殊应用场合的现状和发展趋势作以综述。
2.潜艇动力电池
2.1 潜艇动力电池现状
2.1.1 概况描述
铅酸蓄电池于1888年作为一种优良而可靠的直流电源，第一次应用于潜艇动力推进。至今仍是世界上常规潜艇动力电池和核潜艇的应急电源。由于战术的需要，对于潜艇动力电池的要求主要是大容量，高速率放电和低速率放电均应具有高体积比能，寿命长及安全可靠等。当前较为突出的要求是具有高贮能、高体积比能和快速充电的特性。
潜艇动力电池的发展大致经历了如下过程：1940～1945年的45型电池，1950～1955年的55型电池，1960～1965年的65型电池，1972～1980年的75型电池和1983年至今的85型电池。各型电池的结构特征见表1。
表1 潜艇动力电池的结构特征
铅酸蓄电池作为潜艇动力推进系统的重要部分，近年来得到了不断完善和发展。目前，其单体结构已改进为双层结构，重量比能量和体积比能量均具有较大提高，其中体积比能量较二次世界大战时期提高近80％，大电流下提高达125％～185％，使得目前常规潜艇的水下航速由二战时的13节提高了20节以上。
2.1.2 先进电池介绍
（1）85型电池是德国著名的瓦尔塔（Varta）电池公司在突破常规结构基础上的改进型产品，内阻显著减小，双层极群结构并联装在一个电解液槽里，采用穿孔的铜片作负极导电材料，比能量提高很多。
（2）209型潜艇动力电池是德国哈根公司生产的另一型具有较高水平的动力电池。首先采用镀铅的铜材作负极板栅，并通过调整活性物质量和导电材料的大小获得与双层结构一样的改进效果，与70年代老产品相比1.25小时率提高了50％。
（3）BLC电池是为A17维斯特格兰级潜艇设计的一种类似双层结构的动力电池，采用Pb管状正极板结构，结构对称，单体内装有四个极群。而且增加了活性物质量，提高了利用率。较同时期的其它动力电池重量比能量有所提高。
2.2 潜艇动力电池的发展
由于潜艇的工作能力主要取决于动力电池的性能，一直以来，各国潜艇动力电池生产厂家除了努力改进现有的铅酸蓄电池的性能外，都在千方百计探索比铅酸蓄电池更好的各种新电池系列。各国海军也委托有关科研部门或生产厂为潜艇动力电池进行过多系列的探索，从目前的水平看，潜艇动力电池的主要发展方向见表2[1]。
表2
（1）铅酸蓄电池。在今后的5～10年内铅酸蓄电池仍然是潜艇动力系统的廉价而可靠的动力源。通过改进活性物质量、导电元件及电池结构，可以使电池的贮能有效利用。
（2）镉/镍蓄电池。美国能源研究公司研制出了一种塑料粘结式镉/镍蓄电池，其比能量为100Wh/l和43Wh/kg，具有750次循环寿命，大大提高了潜艇的技术性能，可续航时间延长50％～100％。
（3）燃料电池。70年代燃料电池作为潜艇动力源的研究热潮风靡全球，其具有安静、不污染环境以及突出的高效率等优点，使它在所有能量转换方式中受到全世界的关注。近年来，燃料电池在潜艇上的应用取得了重要突破，德国西门子公司于1987年试验成功了由16个7千瓦、63升、85公斤的氢/氧燃料电池单元组成的潜艇动力系统。目前，德国最新型的212A型和214型潜艇均已装备了燃料电池动力系统[2]。
(4)ZEBRA电池[3]。ZEBRA（Na/NiCl2）电池是80年代中期开发的一种新型高能蓄电池。具有较高的比能量、比功率，理论比能量290 Wh/kg，实际比能量100 Wh/kg，德国已将该系列电池装备在电动汽车上，如Mercedes-Benz公司的A－Class汽车、BMW公司的EI汽车等，ZEBRA电池与铅酸蓄电池相比具有明显的优势，例如，一个130L、195kg的ZEBRA电池模块在任何放电率下均胜过一个190L、525kg的铅酸蓄电池。前者在一个小时内提供的能量是铅酸电池的2倍，可以明显提高潜艇的续航时间。
（5）正在研究的几种潜艇动力电池
a.锌/银蓄电池，具有大容量、高速率放电等优点，目前已用于美国试验潜艇和深潜救生艇。
b.钠硫蓄电池，具有比能量高的优点，可使潜艇的续航能力增大2.5～4.5倍，缺点工作温度高，难以实用。
c.锂/亚硫酰氯电池，比能量为铅酸电池的6倍，成本为43％。缺点是每航行一次需更换一次电池，瑞典海军拟将其作为铅酸电池的补偿电池。
d.高比能铝/空气电池，比能量为铅酸电池的20倍，可用于多领域，尤其是无人潜艇。采用铝合金作负极，聚四氟乙烯和炭为基体的多孔电极为正极，氢氧化钾为电解液。目前已克服了产生淤积物和氢气的缺点，制出了8A、1.2V的电池。
3 鱼雷动力电池
3.1 魚雷动力电池现状
鱼雷是一种能在水中自航，自控和自导，以水中爆炸毁伤目标的水中武器。现代鱼雷具有速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高和破坏威力大等特点。从动力源来分，鱼雷的动力源有热动力源和电动力源两种[4]。
热动力源是将贮存的燃料和氧化剂在热机中燃烧或在与气体涡轮机相联接的锅炉中燃烧以产生机械能，从而推动鱼雷前进。它的优点是比功率和比能量较大。但是随着新一代噪声小、潜海深、航速高的核潜艇列装服役，热动力系统产生的噪声使鱼雷制导作用距离减小，对发现和命中率有明显不利的影响，而且鱼雷下潜深度的增加使背压增大，动力系统的有用功率降低，热效率减少。 热动力鱼雷又可分为闭式循环、半闭式和开式循环。开式循环由于要向海水排出废气，造成航迹及静差问题（由于海水的背压，废气排出需要承受很大的负压，造成了水深不同航速不同的结果），目前慢慢被闭式和半闭式取代。半闭式循环将一部分不溶于水的气体排出雷外，然后将溶于水的气体储存起来；闭式循环完全不向雷外排出气体，不过这和热动力燃料有很大的关系。第一代热动力鱼雷采用压缩空气，由于压缩空气比能量低，鱼雷不能打的远，也不能打的快；第二代热动力鱼雷采用了酒精或煤油和鱼雷本身压缩空气混合以后通过燃烧室，才是真正意义上的热动力鱼雷。第三代热动力鱼雷采用夹层燃烧室，燃烧室夹层为淡水，淡水用雷外海水冷却，淡水喷入燃烧室后加热为水蒸气共同进入发动机，由于加入淡水量很大，所以有蒸汽瓦斯鱼雷之名。第四代热动力鱼雷采用奥托OTTO和HAP[5]（高氯酸阱胺）燃料，具有航迹小、价格便宜、无腐蚀等特点。奥托其实是一种硝酸脂混合物，其分子式中含氧比率低，所以需要HAP助燃提高燃烧效率。由于采用此种高能量比的（170瓦时/KG）的燃料，第四代鱼雷的航速都在50节以上，航程40KM以上，美国海军已有应用在MK50、MK48 ADCAP上[6]。第五代热动力鱼雷有采用改进的奥托2燃料或锂燃料，另外在此几种以外还有采用过氧化氢燃料的，此种燃料燃烧生成物是水，所以其航迹很小，在日本及瑞典的鱼雷上有应用。由于热动力鱼雷的航速高、航程远，所以尽管由于价格昂贵（几乎是电动鱼雷的三倍），各大海军强国还是努力发展。目前国际上现役热动力鱼雷最先进的是“旗鱼”热动力鱼雷（spearfish）和“暴风雪”热动力鱼雷（shkval），最高航速达到了200节。[7-8]
冷战结束后，海上战争由原来两大阵营的远洋作战转变为以地区冲突为主的近岸滨海作战。故电动鱼雷以其噪声小，深水性能和隐蔽性好等优点，逐渐受到各国海军的重视。鱼雷动力电池是电动鱼雷的心脏，直接为其提供电能，重量和体积几乎占鱼雷总重量与体积的1/3～1/2，它的性能优劣直接影响鱼雷的主要战术性能。
鱼雷电池大概经历了以下两个阶段的发展：1939年～1960年铅酸电池；1960年至今普遍应用锌银电池和镁/银电池作为电动鱼雷的动力电池，其比能量约为50～80Wh/kg，表3[9]中列举了各国海军鱼雷动力电池概况。
表3 各国电动力鱼雷概况
电动鱼雷战雷使用一次激活动力电池，操雷使用二次锌银动力电池，主要性能指标分别见表4[9]和表5[9]。
表4 一次激活动力电池指标
表5 二次锌/银动力电池指标
目前鱼雷动力电池现状是：
（1）铅酸电池基本退役。1939年德国首次制造出使用铅酸电池作动力源的G7e电动鱼雷，其航速为30节，航程为5000m，这是世界上第一支电动力鱼雷。使用的是YL210型短时放电的铅酸蓄电池组，其容量为105Ah，电流800A，电压90V[10][11]。性能很难满足现代电动鱼雷的需要，于70年代相继退役，但由于价格低廉，有的国家仍然用它作操雷的动力电池。
（2）锌/银电池有所突破[14-17]。由表3、表4可以看出，锌/銀电池是应用最多、性能较好的鱼雷动力电池，其中以法国的F17－2型鱼雷动力电池性能最优。该电池采用堆式结构，利用鱼雷壳体作为电池的外壳，提高了电池比能量，使F17－2鱼雷航速达到40节。表6列举了几种鱼雷动力的技术对比情况[12]。
表6 几型鱼雷动力电池技术对比
美国是应用锌银电池作为鱼雷动力电池最早的国家，自60年代就制定了相应的军用标准。德国的锌/银鱼雷动力电池的研究工作也很有特色，尤其是瓦尔塔电池公司为德国海军研制的DM2和DM2A1鱼雷用一次激活锌/银电池由4个电池组构成（每个电池组有19个单体电池），用塑料壳装在一起，并用热塑合成树脂胶合，装在一个薄钢板箱内。电池组形状不是常规的长方形，四组电池组截面构成一个近似圆形，充分利用鱼雷壳体内的空间。电池外形及基本信息见图1。
图1 DM2A1电池基本信息[13]
（3）镁/银海水电池有所进步[18-20]。镁银海水电池，已在鱼雷动力系统中应用多年，是目前鱼雷动力电池中性能最高的一种。自60年代中期开始应用于美国MK44和MK45型鱼雷以来，经过多年改进，性能已有了很大的提高。英国的“鯆鱼”（sting－ray）小型鱼雷上装备的镁银海水电池采用了高活性的镁合金和海水再循环装置，放电电压平稳，输出功率79千瓦，适用盐度（0.5％～3.5％）和温度（0～23℃）范围广，电池组由226个单体组成，比能量达130Wh/kg ，鱼雷航速达45节。
镁/银海水电池作为一次激活贮备电池，采用双极性堆式结构。电池的负极为含少量Al、Zn、Pb等元素的合金，合金比纯Mg电池比能量提高20%。AgCl电极采用熔化、铸锭再滚压成薄片的方法成形。负极表面规则地粘有小胶粒，作为正负极间的隔离物。正极上则对应有规则的小孔，利于电液输送并增加真实反应面积。单体之间以12～25μm厚的银箔为连接片。这些措施使得电池内阻大大下降。同时，放电时温度上升，流动电液还可以减小电极的浓差极化。
3.2 鱼雷动力电池的发展
随着潜艇战术性能的不断发展，现代鱼雷的战术思想也发生了较大变化。近年来，世界各国普遍认为，攻击潜艇主要是破坏其自导装置，鱼雷的装药不宜过多（50公斤），在水下航行时间不宜过长，否则容易被追击目标发现遗失战机。这就促进了小型鱼雷的研究和发展，而鱼雷动力电池的发展更应注重适应小型鱼雷的要求[21]。
（1）双极性一次锌/银电池[22-25]。锌/银电池放电电压平稳，受环境影响小等优点已广泛应用于鱼雷动力。虽然近年来高性能的电动鱼雷已选择其它系列电池，但由于其性能优良，尚有一定潜力可挖（理论比能量490Wh/kg，实际只达到50～100Wh/kg），所以各国仍一直围绕着提高其性能不断努力着。目前双极性结构（也叫堆式结构）设计是较为突出的共识，它可以有效减轻电池组的重量和体积，提高电池组的比功率和比能量。法国的新型F17-2型鱼雷上使用的动力电池即是这种结构，比F17型动力的体积减小了很多，占用电池舱的长度减少了700mm，大大提升了电池组的比能量，希腊sunlight公司生产的DM2A4型动力电池也采用了该结构[13]。可见双极性锌/银电池的前景良好。双极性结构示意图见图2[21]。 图2 双极性（堆式）结构示意图[23]
（2）不断发展的镁/银海水电池。镁/银海水电池存在用银量大、系统复杂等缺点，但由于其性能高、工艺成熟，各国海军仍在进行不断改进和发展。如寻找电位更高的镁合金阳极材料，设计效率更高的电解液控制装置等，美国为ALWT小型鱼雷[26]研制的110千瓦镁/银海水电池就采用了AP-65型镁合金阳极，电池电压提高了20％；英国“鯆鱼”动力电池采用了海水自动调节装置，比能量达到130Wh/kg。镁/银海水电池在鱼雷动力电池应用领域仍将不断扩大。
（3）铝/银海水电池。铝/银海水电池于70年代后期最先由美国为其MK50鱼雷动力系统研制，最终由法国的SAFT公司于1988年研制成功，该系统比能量高，理论比能量达1090Wh/kg，实际比能量达100～180Wh/kg[27-28]。法国“海鳝”鱼雷和意大利A290鱼雷均装备了铝/银海水电池，其中“海鳝”用铝/银海水电池功率在100千瓦以上，比能量达160Wh/kg，电池组采用了双极性结构和600cm2的大面积电极，放电电流密度达1000mA/cm2，以固态氢氧化钠粉料形式携带电解质，由海水经阀门引入将其溶解成电解质的同时激活电池组。辅助系统采用了具有现代技术水平的循环泵，除气器和调节器等，可以保证电解液在电池里和鱼雷壳体间循环。使得“海鳝”鱼雷具有较高的性能，最高航速达53节，航程9～11公里[30-32]。铝银海水电池原理示意图见图3[28]。
图3 Al/AgO电池组
1.壳体； 2.热交换器及温控阀； 3.电动机； 4.循环泵；
5.热电池； 6.模式阀； 7.海水入口及阀门； 8.电堆
美国、法国、意大利等国家在该领域的研究处于领先地位，其中由法意联合研制的MU90鱼雷于1996年研制成功，电动力为无级变速，使用单转永磁无刷电动机，推进系统采用铝/银海水电池，其动力性能超越了MK46鱼雷的OTTO动力系统，接近于MK50鱼雷的Li/SF6闭式循环动力（后两者皆为热动力推进）。该电池的高性能依赖于其复杂的电解液系统，图4是MU90动力电池的电解液系统[29]。
图4 MU90动力电池电解液系统
（4）正在探索的其它系列电池[33-41]
a.锂/亚硫酰氯电池。该系列是目前所有正在研究探索的电池中，比能量最高的，理论比能量达1474Wh/kg，实际比能量≥250Wh/kg。其原材料便宜丰富，单体电池电压高（2.5V～3.2V），该系列高的放电速率可使鱼雷航速达到60节。美国古尔德公司于1980年就已制成锂电池，比能量达573Wh/kg，美国曾计划用它改装MK48大型鱼雷和英国“鯆鱼”小型鱼雷。法国也曾研制過用于重型鱼雷的锂电池，功率达600千瓦，比能量200～250Wh/kg、工作时间12min，长度2m，但因为热失控产生的爆炸问题未得以应用。
b.其它锂电池。锂电池的种类很多，主要是按照阴极材料来划分，目前主要能够应用于动力电池领域的主要有锂/亚硫酰氯（Li/SOCl2）、锂/二氧化硫（Li/SO2）、锂氧化银（Li/AgO）、锂/二氧化锰（Li/MnO2）等。Li/AgO电池是当前主要为小型鱼雷研制一种海水激活电池，原理与铝/银海水电池相似，具有较好的高速放电性能，比能量与锂/亚硫酰氯电池相当（200～250Wh/kg），但反应放出的氢气比铝/银电池多8倍，放出的热量也较高。近来美国和日本都在积极的对该系列进行研制，但由于其在发射过程中存在安全隐患且辅助系统较为复杂，短时间内难以实用。
Li/SO2和Li/MnO2电池相对较为成熟，安全性相对较高，表7中对三种成熟的锂电池的性能进行了比较[33]。
从上述的表格和图标可以看出，锂电池具有比能量高、电压高、工作温度范围广等优点，但由于其不能在大电流密度下工作，所以限制了其在大功率鱼雷动力电池中的广泛应用，目前鲜有应用于高速率鱼雷动力系统的报道，但一些国家已经在水雷和低速率的小型鱼雷中得到了应用。
c.钙/亚硫酰氯电池。这种电池的重量比锂电池稍低，体积比能量相似，对于大容量放电，该系列更加稳定和安全，如今美国和以色列等国家正在进行研究，有望可以取代锂电池。
d.热电池。随着电池材料技术的飞跃，热电池正朝着大容量、大功率、高速率的方向发展，而且在某些领域已逐渐取代锌/银电池成为军事领域首先的电源产品，它以低廉的价格、长贮存寿命和较高的温度适应性深受各国青睐，而且法国SAFT已有取代锌/银电池成为鱼雷动力电池的报道，但由于其固有的电压精度低的缺陷至今没有实用。
4.结束语
综上所述，近年来随着现代科学技术的突飞猛进，潜艇和鱼雷动力电池取得了惊人的进步。近年来在化学电源领域，美国、法国、德国、日本等国家相继研制出比能量更高、体积更小的电源产品。可以预见，随着电源技术的不断发展，燃料电池必将取代铅酸蓄电池成为潜艇未来的理想动力电池；铝/银海水电池及锂电池也必将取代锌/银电池和镁/银电池成为鱼雷动力最佳的动力电池。电池这个涉及众多科学技术领域的电化学产品，随着结构设计的进步以及材料、工程技术的发展，更多的新型高性能电源会在潜艇和鱼雷推进动力领域中得到应用。
参考文献
[1] 连鲁军 常规动力潜艇的最新力作[J].国防科技，2006第6期，6～10.
[2] Michael R. Scherr. Torpedo Propulsion Overview[J].Naval Forces.1996.3.