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2024/02/29 

軍事論壇

【軍武特輯】靜默殺手 潛艦動力大剖析
【軍武特輯】靜默殺手 潛艦動力大剖析1
【軍武特輯】靜默殺手 潛艦動力大剖析2
【軍武特輯】靜默殺手 潛艦動力大剖析3
【軍武特輯】靜默殺手 潛艦動力大剖析4

文:金太亨

 行蹤難以捉摸、神出鬼沒的潛艦,為了能在海面下航行,採用與傳統水面艦艇不同而特別的動力系統。回顧從潛水艇到潛艦的發展歷程,除了最早期的人力方式之外,由於必須盡可能保持靜默、隱匿的特性,採用電力推進一直是潛艦最主要的航行方式,直到核子動力系統發明,柴電、核子動力就成為現代潛艦的兩大推進系統。

需要「呼吸」的柴電動力

 在19世紀潛水艇萌芽階段,除在水下以蓄電池、電動馬達推進之外,還發展出在浮上海面航行時,另外由蒸汽機或汽油、煤油引擎驅動電動馬達推進的方式,但是始終無法產生高速航行所需的動力,直到採用柴油主機後,不只燃油的效率較高,也解決了輸出動力不足的問題。

 雖然電力推進的潛航靜音效果良好,不過由於蓄電池的電力無法持續很久,限制了潛艦在海面下潛航的時間,因此潛艦必須時常上浮、停留海面,讓柴油主機引進空氣運轉,並為蓄電池充電。但隨著反潛作戰技術的進步,潛艦浮航時承受的風險就愈來愈高。

 二次大戰期間,德國海軍的U艇,成功將採用伸縮設計的呼吸管(Snorkel)與柴油主機整合,潛艦只需要在海面下較淺的深度潛航,將呼吸管伸到海面上引進空氣,就可讓柴油主機維持運轉,持續航行或將蓄電池充飽電,同時降低了被敵方偵獲到的機率。

 由蓄電池供電或是由柴油主機驅動電動馬達推進,並利用柴油主機、呼吸管充電的柴電動力系統設計,具備發出噪音較低、安靜的特性,至今仍是現代潛艦的主要推進方式之一。例如我國海軍現役的海龍、海虎號,便屬於柴電動力攻擊潛艦,艦上配備3部柴油主機、1部電動馬達及2組蓄電池。

長航程核子動力成功研製

   隨著原子彈的發明,人類開始研發運用在船艦上的核子動力系統。美國海軍在「核子海軍之父」李高佛(Hyman Rickover)的領導下,成功研製潛艦熱反應器(STR)。而艦上裝有改良型核子反應器、1954年9月成軍的美軍鸚鵡螺號(Nautilus, SSN 571)潛艦,成為全世界第一艘核子動力潛艦。

 核子動力系統是利用裝填少量核子燃料(高濃縮鈾)的壓水式反應器(利用加壓水來冷卻),產生高熱高壓蒸汽驅動蒸汽渦輪機,進而轉動俥葉推進。由於核子反應器不需要引進空氣,加上核子燃料裝填後可以長期使用,同時間隔很長的時間才需要進塢維修,所以能夠在海面下潛航很遠的距離,以及長期出海執行任務。此外,核子反應器的輸出動力強大,也有效提高了航行的速度。

 相較於柴電動力潛艦,雖然現代核子動力潛艦的建造、維修成本昂貴,外加會有核子輻射汙染的風險,但由於不需要定期上浮、引進空氣,能夠長時間在海面下潛航,且航行速度快,可說是難以被偵測的深海殺手,更是世界軍事強國的水下戰力象徵。例如美國海軍現役的海狼級(Seawolf)潛艦,便屬於核子動力攻擊潛艦,艦上配備1部壓水式核子反應器、2部蒸汽渦輪機。

不需「呼吸」的絕氣推進

 為了改善必須引進空氣充電而定時浮航或將呼吸管伸出海面的弱點,以便獲得類似核子動力潛艦的隱密性、長時間潛航能力,柴電動力系統進一步改良發展出了絕氣推進系統(AIP),目前主要設計包括史特林主機(Stirling Engine)、燃料電池(Fuel cell)兩種。

 由瑞典Kockums公司研發的史特林主機,是在汽缸的外部燃燒液態氧、柴油,以及注入海水,不斷分別加熱、冷卻2個汽缸中的氣體,使氣體遇熱膨脹、遇冷壓縮以推動各自的活塞,進而驅動發電機、產生推進的電力。由於史特林主機運轉時,是利用艦體內儲放的液態氧,因此並不需要由潛艦外部引進空氣。例如日本海上自衛隊現役的蒼龍級(Soryu)潛艦,便屬於採用史特林主機的絕氣推進系統潛艦。

燃料電池化學反應產生電能

  至於由德國西門子(Siemens)公司研發的燃料電池,則是透過持續供應氫氣、氧氣當作燃料,進行化學反應以產生電能(電解水的逆反應),作為潛艦的推進動力。由於氫氣、氧氣都是由燃料電池本身供應,因此同樣不需要潛艦外部的空氣,也就不必時常上浮、伸出呼吸管。例如德國海軍現役的212A型潛艦,便屬於採用燃料電池的絕氣推進系統潛艦。

 因此,結合絕氣推進系統的柴電潛艦,建造成本較核子動力潛艦便宜,且不需要設法取得核燃料,但能夠避免定時上浮充電的弱點,使潛艦在海面下潛航的時間明顯延長,未來或許將可成為傳統動力潛艦的主要設計選擇。

 另外,目前最受矚目的鋰系電池,技術已有長足進展,包括日本海上自衛隊最後2艘蒼龍級和最新大鯨級,均採用鋰系電池,顯見全電動力概念與新能源的整合利用,將是未來潛艦開發的主要趨勢。

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