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最具威脅性的海中武器

何以潛艦是目前最具威脅性的戰略與戰術武器?為什麼一艘長度300公尺以上的貨櫃船造價不到1億美元,而一艘不到70公尺的潛艦造價卻要5億美元以上?
 
 
 
當敵人跑到家門口拿著槍對準我們,我們卻還渾然不知時,是不是很危險?潛艦就是扮演這種角色,可以無聲無息地開到敵國港口外海,輕易擊沉進出的船舶,達到封鎖港口的目的。

潛艦的隱形功能

要能夠無聲無息跑到適當的攻擊位置而不被發現,就是潛艦最重要的學問。

對於偵測空中的任何目標物,大家都知道要用雷達,雷達靠的是電磁波。而偵測水中的目標物要靠什麼呢?在水中,無論是雷達波(電磁波)或光都很難傳遞超過50公尺,因為被水吸收了。目前,在水中傳遞訊號主要靠聲波,而接收與發送水中聲音訊號的稱為聲納,分為被動聲納與主動聲納,前者是以接收聲音訊號為主,後者能發出聲波以偵測目標物。

水中聲音的傳播主要靠水的可壓縮性,但水的壓縮性差,因此聲音傳遞速率比空氣中快很多,傳遞損失也小很多,可以傳遞幾百海里,對於低頻率大振幅的聲波甚至可以傳遞幾千海里遠。因此,無論是海底地形或資源的探測,主要靠聲波與聲納的應用。

由此可知,潛艦要具備隱形功能不被敵方的聲納發現,本身必須非常安靜,艦上任何地方都不能發出明顯的噪音。但這說易行難,因潛艦內有非常多且複雜的機械裝備及動力系統。

以傳統柴油潛艦的動力系統為例,整個系統包含柴油機、發電機、電池組、直流馬達、軸與螺槳。除電池組外,其他每個單元都是作動很大的機械。柴油機噪音是最大的,幸好它是當潛艦進行換氣航行時才啟動,也就是這時潛艦是浮在水面下很淺的地方,靠著呼吸管伸出水面吸空氣,啟動柴油機進行發電與充電,因此尚不會構成很大的威脅。

但當潛艦充完電下沉或遇敵方偵測作戰時,是靠電瓶供電給馬達帶動傳動軸,以轉動螺旋槳推動前進的,這時無論馬達、軸以及螺旋槳都是很大的傳動機械。例如馬達旋轉時一定會產生不平衡力而引起振動,因此馬達下方一定要設計減振基座把不平衡力吸收掉。

軸的製作與安裝若未做到完美也會發出振動。一般減振基座僅能對中高頻的振動發揮作用,而軸所發出的激振頻率非常低,波長很長,因此減振基座很難發揮功效。

軸也很難安裝完美,因為潛艦中空間非常小,安裝很不容易。且安裝是在船塢中進行的,安裝後與其他船段組裝起來,而在海上,若有一船段的浮力與其重力稍微不相等,則每個船段都會受力而產生船體微量變形,軸轉動時就會發出振動,經由軸承、基座再到船體最後傳至海中。這種振動必然存在,只是可以容許的大小,以及如何在振動傳遞的路徑上加以吸收。

螺槳是公認製造水下噪音最主要的裝備,因其產生的推力很大,且在水中只要產生噪音就會完整傳出,無法阻絕。潛艦螺槳噪音除了本身的製造精度外,主要來自兩個部分。第一是螺槳葉尖渦的噪音,螺槳產生推力主要是靠螺槳葉片表面上的高壓面與低壓面的壓力差,而這壓力差在葉尖處會使高壓面的流體迅速流往低壓面,而在葉片後方產生很強的漩渦,發出很大的噪音。因此,很多潛艦螺槳的設計者想盡辦法控制葉尖渦的強度,但不會大幅影響螺槳的效率。

螺槳噪音產生的第二個原因是螺槳前方的入流不均勻,造成螺槳運轉時產生推力振盪。進入螺槳的流場不均勻的來源主要是其前方的控制舵面,以及帆罩與潛艦艦體間交接處造成的接面渦漩。目前新型的潛艦都知道如何避免接面渦旋的產生。

實際上,潛艦有上百個系統,其中有很多泵、液壓控制系統與馬達,都是產生噪音的來源,如何控制這些噪音是很重要的。

潛艦隱形除了要降低本身的噪音避免被敵方偵測外,也要能避免敵方主動聲納的偵測。例如來自驅逐艦的偵測,或來自空中投放的無線電音響浮標,兩者都是在水中發出聲波,當聲波撞到潛艦艦體而反射,就能找到潛艦的位置。目前,先進國家發展出各種防制方式,最常見的是在潛艦的外殼貼上各種物質如特殊橡膠或瓷瓦,使其與潛艦外殼接合之後,在水中的聲音阻抗與水很接近,因水中聲波若在碰到與水聲音阻抗很接近的物質時並不會反射,因此能避開主動聲納的追蹤。

潛艦的結構

一般傳統潛艦潛航深度在200~300公尺之間,大約每增加10公尺水深就增加一大氣壓的壓力,因此潛艦至少要能忍受30個大氣壓的壓力。

潛艦的構造分為壓力殼,也稱為硬殼,以及外面的軟殼。壓力殼外形必須是軸對稱體,主要功能在抵抗海水壓力,因此壓力殼結構的製作容許偏離真正圓形的誤差非常小,即其真圓度必須很高,這樣壓力從四周壓進來才不會有應力集中的現象。壓力殼內部也是潛艦產生浮力的主要空間。而大家所看到潛艦外表非軸對稱體的部分是軟殼,具有維持較好流體動力性能的作用。軟殼內與外的壓力是平衡的,軟殼內與壓力殼間的空間,一部分也用作特種目的的儲存空間。

絕對平衡

潛艦在海中航行必須維持中性浮力,即重量與浮力必須相等。若重量大於浮力,艦艇會一直下沉,相反則無法下沉。因此,平時是保持中性平衡,要下沉或上浮是靠艦內水艙調整艦內重量。同時,重心與浮心也必須平衡,否則會影響潛艦的航行姿態。艦內的重量分布若有改變,如發射艦艏魚雷等,艦內的水艙重量調整系統會自動打水來平衡。

潛艦的裝備比水面艦艇複雜許多,在設計過程中若對所有裝備的重量、重心與體積不能準確掌握,則可能造成嚴重的後果。而重量也不只裝備本身,尚有許多電纜、管路,以及安裝時所需連結的重量,都要非常詳細地掌控。對於水面艦艇,重量差1%,船的吃水可能僅多2公分,但對潛艦而言,將變成無法解決的大問題。

另外,潛艦空間非常狹小,而要在這狹小空間內把各種不同功能的裝備安排好,不但要確保各系統間無論在建造過程中或未來操作時都不會有不良的影響,且要留適當的裝備維修空間,以及保持重心與浮心在相同的位置。

複雜的系統

一般商船不要看它排水量很大,像是8,000 TEU(20呎標準貨櫃)以上的貨櫃船,排水量超過10萬噸,船長超過330公尺,但功能其實很簡單,因為大部分空間都是貨艙,全船的各種功能系統不超過30個。中大型水面作戰艦,各種功能系統也僅80個左右。而一艘傳統潛艦長度大約65~70公尺,各種功能系統卻達120個左右。

這些系統大約可分為載台系統與非載台系統。載台系統分為載台輔助系統、艦艇結構系統與推進系統,前者除一般商船有的系統之外,尚有各式損害管制裝備、主水櫃排水排氣系統、各式補償平衡系統、逃生裝備、各式輔助動力供應系統、主電力分配系統、各式維生與監控系統、舵翼控制系統等。非載台系統則分為整合戰鬥系統、武器發射系統、航儀系統與艦內外通信系統。

由此可知潛艦確實須具備很多複雜的系統,但如何有效地自動監控管理這些系統的運作,就需要潛艦整合載台管理系統。藉由資訊與通訊的內部網路系統,把所有裝備系統的重要資訊與狀態傳至中央控制室,只要少數幾個人就可監控整艦。這管理系統可以隨時呈現各系統的狀態,如各個水艙的裝載狀況,它的泵是否尚在作動,各個閥門是處於開或關的狀態;在需作重量、重心調整時,這系統可以自動判別該作哪些動作等。

能量管理系統

傳統柴油潛艦潛航時能量主要靠電瓶供應,因此電瓶的容量以及各裝備的耗能是潛艦可以潛航多久的關鍵因素。以往電瓶主要使用鉛酸電瓶,現在由於鋰鐵電池的發展,容量可以增加3倍以上,但由於鋰鐵電池在安全上有諸多疑慮,目前還沒有定論。

也有不少柴油潛艦潛航時採用絕氣系統,這系統在產生功率時不需要或僅需很少的氧氣,最常見的是燃料電池或史特靈引擎。

如何降低潛艦內部裝備的耗能也是重點。潛艦內部幾乎都是用直流電,因為一方面供電電池本身是直流,另外直流系統也較節能,尤其對需有變頻控制的裝備。

維生系統

潛艦內是個密閉狹小的生活空間,人員在其中吃住活動,健康問題非常重要。最重要的是空氣品質,因為直接影響健康與生命。空氣品質監控並非只有二氧化碳,還包括各種有害的氣體,如一氧化碳、氫等。

戰鬥系統

潛艦的戰鬥系統有偵測、攻擊與防禦3種。偵測系統主要有各式聲納布於艦身周圍,有的是量測中高頻聲音的陣列,有的是可以量測低頻噪音的陣列。所謂陣列是由很多感音器構成,由於聲波傳遞到達不同感音器時的相差不同,由這些相差,陣列可以推算聲源的位置及移動速度。量測不同頻率的聲源就要用不同型式的陣列,例如要量測較低頻率(波長較長)的聲源,其陣列感音器間距就要大,因此潛艦有很多不同的陣列聲納。

攻擊武器主要是魚雷,現在魚雷都是具導引以及自身可以追蹤目標的智慧武器,因此只要目標被鎖定或發出噪音,就很難逃脫魚雷的攻擊。有的潛艦也有裝有飛彈。

防禦武器主要是誘標。當發現敵方魚雷來襲時,可以利用潛艦的陣列鎖定其移動位置,在魚雷靠近潛艦時打出誘標,這種誘標會發出很大的噪音,誘導魚雷攻擊誘標而把它摧毀。

潛艦是一件非常複雜的裝備與武器系統的整合,每個裝備都要求很高的性能與安全性,是目前最具威脅性的戰略與戰術武器。

名詞解釋

螺槳葉尖渦空泡:當螺槳葉尖渦達到某種強度時,因漩渦旋轉很快,導致漩渦中心壓力低於蒸氣壓(在常溫是大約1大氣壓的3%左右)時,水就會氣化而產生葉尖渦空泡。葉尖渦未空化時就會產生很大的噪音,空化後噪音更大,一般潛艦是不容許其螺槳產生葉尖渦空化的。
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