潛艦  

【原載1020422,聯合報『新聞中的科學』專欄,此為灌水版】

 

日前中共宣布將向俄羅斯採購四艘阿穆爾(Amur,黑龍江的俄文名)級柴電潛艦,最大特色是裝有「絕氣推進」(AIP,Air-IndependentPropulsion)系統,將使其水下戰力明顯進步。

什麼是絕氣推進?又有什麼優點?

 

絕氣推進

19世紀後半潛艇發明以來,面臨最大技術瓶頸就是:船上的柴油主機,運轉時必須吸入空氣,一旦潛到水下,引擎就無法使用。因此只能在船上裝置大量電池,在浮航時先充飽電,潛航時就靠電池蓄積的能量。

因此早年潛艇大多數時間仍在水面活動,只有必要時才潛入水下。每一位艦長也必須儘量將電池保持在充飽的狀態,才可在發現目標或遭到敵人攻擊時,能夠潛得儘量久。而反潛作戰的原理就類似獵鯨魚:一旦發現敵人蹤跡,就要全力把對方困住,等到潛艇電瓶耗盡必須上浮,就是死路一條。

電瓶  
我國海軍劍龍級潛艦使用的電瓶:由於不斷充電放電,會使蓄電能力逐漸減弱,因此每幾年必須更換一次。

二次大戰中,德國海軍潛艇攻擊大西洋中的運輸船隊,一度造成盟國極大威脅。但隨著英美大量生產反潛巡邏機,德國潛艇愈來愈容易在浮航時被發現。為增強在水下航行的時間,德軍引進「呼吸管」(snorkel),就是在潛艇指揮塔上伸出一根吸╱排氣管,船身不露出水面,只將呼吸管尖端伸出換氣,如此一來便可以「浮潛」,在水下開啟柴油引擎,持續替電瓶充電。

潛艇裝置呼吸管之後,隱匿性頓時大增。大戰結束後,各國立刻也替自己的潛艦裝上呼吸管,從此變成柴電潛艦的標準配備。但隨著反潛技術愈來愈進步,即使只露出呼吸管頭,仍可能被對方偵測到。因此標榜完全不靠外界提供氧氣的絕氣推進系統,也就應運而生。

 

潛望鏡  
只露出潛望鏡、天線與呼吸管的潛艦。

 

絕氣推進的方式

德國在二次大戰後期,除了引進呼吸管之外,也生產過使用特殊引擎的潛艇。這種潛艇攜帶過氧化氫,經過加熱與催化劑作用,將其分解成水與氧氣,以解決水下運轉的問題。不過過氧化氫十分不穩定,因此危險性太高。

蘇聯在1950年代興建的Q級潛艦,也使用以液態氧為助燃劑的柴油主機,但是同樣面臨嚴重的安全問題,服役表現也不理想。

直到1990年代,由於技術進步,在柴電潛艦上裝置絕氣推進系統才逐漸落實。1996年瑞典的哥特蘭(Gotland)級潛艦首先服役,成為第一種實用的AIP潛艦。


歌德蘭  
哥特蘭級潛艦。

目前市場上發展成功的AIP技術,包含下列三種:

一、斯特林(Stirling)引擎:斯特林引擎是一種「外燃機」,靠著汽缸內氣體(通常使用不易產生化學反應的惰性氣體)的冷縮熱漲,讓活塞來回運動產生機械能。瑞典的哥特蘭級就使用斯特林引擎,也輸出AIP技術給日本、新加坡。

二、封閉循環蒸汽渦輪機:目前是法國海軍造艦局(DCN)的獨門技術,利用酒精與液態氧在高溫高壓下混合燃燒,將水加熱為蒸汽後推動渦輪。運作原理類似核子潛艦的動力系統,只有「燒開水」的方式,由鈾燃料改為酒精。

三、燃料電池:燃料電池是將氫與氧化合,而在過程中產生水與電能,等於是將電解水的過程顛倒過來。燃料電池技術在1950年代出現,1960年代美國開始在太空船上使用。相對於斯特林引擎或蒸汽渦輪機,燃料電池不產生「明火」,而且過程中沒有任何機械運動,因此具備最佳的靜音效果。目前俄羅斯與德國是燃料電池AIP系統的輸出國。

 

214  
德國214型潛艦,使用燃料電池AIP系統。
 

AIP系統的價值

一般柴電動力潛艦將電池充滿,在水下潛航時即使以慢速行駛,最多也只能撐三、四天,就必須上浮換氣。但如果裝置了AIP推進系統後,在低速環境下,甚至可以持續潛航將近一個月之久,愈來愈不易被敵人獵殺。

不過各種AIP系統都必須攜帶液態氧為助燃劑,燃料電池還需多帶液態氫,二者都必須在低溫高壓下儲存,因此會提高操作的危險性。而AIP系統能提供的馬力,往往只有原本柴油主機的十分之一,因此潛艦平時仍然使用原先的柴油主機替電瓶充電,只有到必要時,才利用AIP作為「保命」系統。

以往傳言中共曾經在「元」級潛艦上,安裝自製的AIP系統;但從這次向俄羅斯採購具有AIP的潛艦,可以判斷共軍自製AIP系統仍不成熟,因此仍須從國外引進。未來除了向俄國續購之外,以中共的習慣,也可能自行仿製生產。

 

核子動力潛艦

鸚鵡螺號  

鸚鵡螺號潛艦(USS SSN571)。

1954年,美國海軍的「鸚鵡螺」號潛艦服役,開創核動力海軍時代。由於柴電潛艦始終為換氣問題所苦,因此潛艦改用核子動力,其性能進步的幅度,就比一般水面艦艇更大得多。1990年,美軍最後一艘柴電潛艦退役,從此水下艦隊清一色是核子潛艦。

相對於柴電潛艦的艦長永遠必須盯緊電池剩餘電量,核子潛艦則有用不完的動力,終於不必再考慮上浮換氣的問題。對柴電潛艦來說,所謂「極速」往往代表一小時內就會把電池耗盡,但核子潛艦卻可持續以極速在水下衝刺。因此在戰術上,柴電潛艦往往只能「守株待兔」,在預先設計的埋伏點上等待敵人;核子潛艦則能快速移防,甚至可以持續追蹤敵目標。

另一方面在同樣體積下,核子反應器能夠輸出的馬力,遠大於柴電潛艦的「柴油機+發電機+電動機+油槽+電池」模組。因此普遍而言,核子動力潛艦的「馬力╱排水量」比值,遠高於柴電潛艦。由於核子潛艦的動力不虞匱乏,因此不僅速度更快,也能安裝更多消音設施,官兵的居住空間也能改善,而不至於重到跑不動。

藍背鲑  
藍背鮭號(USS SS581)是美軍最後一艘退役的柴電潛艦。

至於在潛艦生死攸關的噪音問題上,理論上而言,柴電潛艦如果只使用電池帶動電動機航行,發出的機械噪音極小;但如果處於開啟柴油主機的階段(浮航或呼吸管潛航),噪音就比核子潛艦的蒸汽渦輪主機更大。

不過核子動力潛艦究竟價格遠高於柴電潛艦,而且核能科技事涉敏感,幾乎沒有國家願意出口核潛艦給其他國家(唯一例外是印度向俄羅斯租借核潛艦),因此大多數國家對核子潛艦屬於「想都不用想」。而近年來絕氣推進技術出現,也使得柴電潛艦必須定期換氣的弱點,獲得一定程度的解決。

目前世界各國當中,擁有核潛艦的國家包括美、英、法、俄、中共、印度。除了美國與英國之外,其他國家都繼續擁有柴電動力潛艦。

海狼級  
美軍海狼級潛艦靜音性號稱冠於全球,但高達9000噸的排水量,使其不適合在淺水區活動。

反潛作戰:「黑屋裡捉黑貓」

水下作戰的特色,在於光線與無線電波在水中都很難傳播,根本無法透過肉眼或雷達「看」到敵人,而完全要靠「聽」。因此潛艦的第一要務,就是絕對避免洩漏行藏,不要被人聽到自己的聲音。

聲納是水下作戰最重要的偵測工具,運作方式包括被動聲納與主動聲納。其中被動聲納就是「聽」,不管是水底的潛艦,或水面上的反潛艦艇,「聽」都是最重要的索敵途徑。但是水中有大量的背景雜音,如何從一片雜訊中聽出敵人之所在,除了硬體設備之外,還需要熟練的操作人員,另外也需對敵人船艦建立聲紋資料檔案,才能夠在聽到聲音時辨認敵我。

船艦本身的機械噪音,以及水流通過的噪音,也會影響被動聲納的「聽力」,因此不管是潛艦或水面艦,如果要以被動聲納搜索敵蹤,速度就要盡量放低。現代軍艦更進一步發展出「拖曳聲納」,以鋼纜將聲納拖曳在船艉後方一段距離,以求不被自身的噪音干擾,發揮更好的聽音效果。

淚滴型艦身  
現代潛艦採取淚滴型船身設計,在水下的阻力反而低於浮航。因此這種在水面上狂奔的畫面,通常只會在試航時出現。

儘管如此,如果要進一步確認目標,從被動聲納得到的資訊,往往不夠精確,這時就必須運用主動聲納探查。主動聲納的運作原理與雷達相似,只是將電波改為聲波。主動聲納對目標可能方向發出聲波,並且接收反彈回來的聲波,以判斷對方的確實位置。

主動聲納獲得的目標資訊,精確度當然高於被動聲納,但是在一切「摸黑」的水下戰爭中,主動發出聲音,立刻也會暴露自己的位置。因此對潛艦而言,不到最後確認要出手攻擊,通常不會輕易使用主動聲納。

另外,隨著深度轉變,海水的密度與鹽分也會有變化,這使得不同深度的海水,傳導聲波時的折射率出現很大差異。因此在水面下幾十公尺處(各地不同)會有所謂「變溫層」,由於溫度驟變,使得變溫層上下的海水,折射率出現很大差異,如果入射角度較大的聲波,往往會被變溫層「彈開」,無法穿透。因此潛艦如果躲在變溫層下方,敵人的被動聲納甚至主動聲納,都不一定能夠偵測得到。但是同樣地,躲在變溫層下方的潛艦,也往往聽不到海面上目標船艦的聲音。

因此對於水面軍艦而言,要想找到一艘安靜躲藏在水下的潛艦,其實的確有如「黑屋中找黑貓」一樣困難。但對於潛艦而言,雖然不容易被對方發現,但如果想要駛離現場、或對敵方發動攻勢,也勢必要發出聲響,因而暴露自己的蹤跡。

總之,水下作戰就如同京劇「三叉口」當中,雙方在漆黑一片的室內相鬥,幾乎只能仰賴聽覺。彼此都要儘量去聽出對方的動態,還要儘量減少自己被對方聽到的可能。除了硬體裝備之外,雙方指揮官的耐心與判斷力,更往往是決定勝敗的關鍵。


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