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淺析潛艦AIP系統 文 胡志泓 實際上，即使配備了絕氣推進系統，柴電動力潛艦亦無法擁有核子動力潛艦的無限制潛 航能力，但是她卻具有某些核子動力潛艦所沒有的優勢，例如目標強度低、電場磁場效應 小與潛航時噪音質較低等，這些優異的作戰性能與較佳的成本效益，使得各國海軍無不積 極發展一支符合其國防需求的傳統潛艦部隊 前言 就在目前核四存廢議題引起社會巨大爭辯時，以核能作為未來能源發展的方向與否，已是 大多數人關心的焦點，如果我們把能源問題思考的層面從民生用途轉移到軍事用途時，全 世界正面臨著相同的問題。以俄羅斯核子動力潛艦庫斯克號遇難事件為例，俄羅斯海軍在 冷戰結束後因經濟因素無力維持其原有龐大之海軍艦隊，使得目前共有140艘退役的核動 力潛艦堆置於碼頭邊等待拆解，其衍生的核廢料處理問題也無力解決 1。近來英國海軍也 傳出一艘其服役中之「特拉法加」級核能潛艦核反應爐冷卻器洩漏之意外，並立即將其所 屬12艘核子動力攻擊潛艦（SSN）召回檢查，並計畫予以停役2，在可預見之未來，類似此 類事件所產生的問題將不斷的上演；然而，吾人將會思索一個問題！核子動力潛艦所帶來 的作戰效益是不是完全無法取代呢？答案是否定的，絕氣推進系統（Air Independent Propulsion）概念所發展的潛艦動力系統可能為核子潛艦目前所遭遇到窘境找尋到另一條 出路，而另一個原因對核子動力潛艦而言就是價格及維持過於昂貴的問題，因此， AIP系 統的潛艦對於那些經濟能力有限的大多數國家而言，將是其有效提昇潛艦戰力最好的選擇 。 AIP發展現況與前瞻 潛艦絕氣推進的研發起步甚早，1930年代當時的前蘇聯即著手進行「閉式循環柴油引擎」 （ Close-Cycle Diesel Engine, CCD）的研究，其後德國、英國與數個歐洲國家皆曾對 此系統進行深入研究，除了「閉式循環柴油引擎」外，研發成功的絕氣推進系統尚有「華 爾特渦輪機」（ Walter Turbine）、「史特靈引擎」（Stirling Engine）、「閉式循環 蒸汽渦輪機」（Close-Cycle Gas Turbine）、「自主式艦用動力系統」（Autonomous Marine Power Source, AMPS）與「燃料電池」（Fuel Cell）等，而截至目前為止，發 展的較為成熟的系統，已經或不久的未來將服役、建造與計畫生產的絕氣推進系統潛艦計 有：（一）採用史特靈引擎的瑞典哥特蘭級潛艦與澳大利亞的柯林斯級潛艦；（二）採用 燃料電池的的德國與義大利 U212型潛艦與俄羅斯的基洛級與阿穆爾級（Amur）潛艦；（ 三）使用閉式循環蒸汽渦輪機的法國奧古斯塔 90B型潛艦等3。以下便針對上述三種系統 作一簡略的介紹： -------------------------------------------------------------------------------- 圖 瑞典所製造的哥特蘭級（Gotland）潛艦 圖澳大利亞的柯林斯級（Collins）潛艦 圖 法國Agoata 90B級潛艦 -------------------------------------------------------------------------------- 圖 由Kockums公司製造，使用在Gotland的史特林AIP系統 (圖片來源尖端科技雜誌第199期 2001年三月) 表一：世界各國主要AIP潛艦性能比較表(資料來源：Will Young， 「淺談國內外AIP技術發展近況」，http://www.plamilitary.com/) 史特靈引擎 史特靈引擎是1816年由羅勃特.史特靈（ Robert Stirling）所發明的，是一種由外部供 應能源作動的活塞引擎，因此可以說是一種外燃機而與一般柴油引擎所謂的內燃機不同， 其工作的原理是將柴油與液態氧以約 1：4混合後在燃燒室內燃燒，產生的熱能在熱交換 器中將工作介質氦氣加熱，氦氣進入活塞室內膨脹後推動活塞產生機械能，再藉曲拐軸帶 動發電機發電，產生的電力則用以驅動馬達然後轉動車葉使得潛艦運動，至於水下續航力 的長短則決定於所攜帶液態氧之多寡4，其最大之特點是在燃燒室內不產生爆震，因此噪 音很小，但燃燒溫度是所有AIP系統中最高的，最高高達攝氏750度，因此對材料的要求特 別高，目前瑞典在史特靈的研發與製造上已有很好的成效，瑞典所製造的哥特蘭級（ Gotland）潛艦即使用史特靈系統，可將潛航時間由原先的 2天增長到14天，大幅提升了 傳統動力潛艦的作戰能力。而哥特蘭級潛艦已於 1996年7月成軍服役，成為世界上第一艘 通過嚴 -------------------------------------------------------------------------------- 圖 自上而下為中共宋級(Song-class 320)、明級(Ming-class 357)及R級(Romeo-class 213)潛艦 表二： AIP系統指標係數比較表(資料來源：Will Young， 「淺談國內外AIP技術發展近況」，http://www.plamilitary.com/) 格測試加入戰鬥序列的AIP潛艦，這套獨特的推進系統使潛艦本身在水下可以獲得 20節 以上的高速，同時也可以以2-3節的低速長時期水下潛航；目前除瑞典外，澳大利亞的柯 林斯級（ Collins）也自瑞典引進史特靈引擎，日本、泰國、新加坡及馬來西亞甚至中共 都相當有興趣引進此一系統，由於史特靈引擎係絕氣推進系統中最早實用化的裝置，使得 它具有國際市場上最佳的競爭力5 。 -------------------------------------------------------------------------------- 圖 中共漢級(Han-class 404)潛艦 燃料電池 燃料電池是將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的電化學裝置，此系統的燃料為氫氣 ，主要來源為液態氫、金屬儲氫和甲醇重整等；氧化劑則為儲存於低溫容器中的液態氧， 其原理恰與水的電解作用相反，亦即將氫氣與氧氣冷燃燒（Cold Combustion）後產生電 流。 燃料電池的研發早在1950年代末期即已開始，但僅將成果初步運用於小型非軍事潛水載具 ，一直到 1980年代各國開始投入大量人力及物力進行軍事上的研發，其最主要的原因在 於此系統產生的電流是直流電，因此系統本身不再需要配備交/直流轉換器，有效的降低 了系統支援設施的需求，此外，由於燃料電池所產生電能的部分不會產生任何的噪音，大 大的提高潛艦在水中的隱密性 6。 前蘇聯是最早研發燃料電池的國家，1981 年蘇聯成功的研製出燃料電池，並以改裝的威 士忌級（Whiskey ）潛艦進行海上測試，在1987年時已達到實用的階段，但一直到 90年 代才正式展開第二代大型氫氧燃料電池的研製工作，其成果將使用於準備出口至印度的阿 穆爾級（ Amur）潛艦又稱1650型，此型潛艦是由俄羅斯著名的「紅寶石」設計局設計， 是 K級的替代產品，但體型更小且安靜；其水下潛航的最大速率為 20節，使用慢速經濟 速率航行時可連續航行6000浬，水下持續力可達 20天，比傳統的潛艦提升了5倍之多，中 共可能在K級之後繼續引進該型潛艦已進行分解及研究 7。另外在1993年德國西門子公司 也和加拿大合作開發出新一代的燃料電池，並將裝置在其新一代的U212級潛艦，以作為此 型潛艦長期潛航時的動力來源。 閉式循環蒸汽渦輪機 1982年法國貝爾汀（Bertin）公司提出「模組化船用動力系統」（ Module d’Energie Sous-Marin Autonome, MESMA）的概念，這種系統是一種閉式循環雙迴路推進系統，其工 作原理與核子動力潛艦推進系統的「非核部分」相似，稱為蒸汽渦輪式交流發電機（ Steam Turbo-Alternator）。在主迴路的燃燒室中，乙醇（C2H5 OH）與氧氣混合燃燒後 產生高溫高壓的氣體，並送至蒸汽產生器將次迴路的冷卻水加熱為蒸汽，在由其驅動發電 機發電提供潛艦前進的動力，做功後的蒸汽進入冷凝器凝結為水，再次進入蒸汽產生器開 始另一次循環。此型絕氣推進系統將安裝於奧斯古塔90B（Augusta 90B）級潛艦上，配備 了MESMA後預估以水下4節的速率可延長潛航時間5倍之久。1994年法國售予巴基斯坦此級 潛艦三艘，其中的第三艘將裝配此型推進系統，使巴基斯坦成為亞 -------------------------------------------------------------------------------- 洲地區少數擁有AIP系統的國家。 中共未來發展方向及影響 中共究竟會選擇那一種系統作為其發展AIP 系統的方向呢？根據近來大陸網站上所透漏的 資料可以研判出「燃料電池」是比較有可能的選擇8，資料中分析「燃料電池」超越群雄 ，能量的轉換率高達 50﹪~70﹪，幾乎是採用其他方式AIP的兩倍有餘；從燃燒溫度的角 度來看，燃料電池卻只有其他類型的一半，熱損耗低工作環境也相對安全，耗氧量及噪音 值也相對較低（如表二）。另一點原因是以中共目前和俄羅斯關係之密切「燃料電池」的 研發已經成功了一半。資料中另外也透露，中共「中科院」及「中國科學院」評選出的 1999年十大科技發展中有一項就是在液態氧及液態氫儲存的研究獲得重大之發展，目前 已經可以做到在「室溫」狀態下的儲存，初步已經可以將之使用在燃料電池的汽車上。另 外中共專研潛艦動力的「中船總公司」七一二所向媒體披露，該所在「九五計畫」中負責 製造的446型「動力電池」已經在 1998年底完成設計任務，現正交付廠方進行生產中。 究竟中共會將AIP裝在現有傳統動力潛艦的宋級（ 039型）、明級（035型或稱改良R型） 或老舊的R級（033型）中呢？情資顯示，具有 AIP系統的中共自製傳統動力潛艦已經服役 並編入戰鬥序列當中，所採用的艦身很可能是明級（035型）的最新改良型，此型艦於 1971年下水但是於 1983年才正式服役，直到1998年止尚在量產當中，據估計目前至少已 有 15艘服役中，其中有13艘配置在北海艦隊，1995年後生產之改良型則部署在南海艦隊 ，因為宋級（039型）潛艦目前在量產上的所遇到的問題重重，因此在新型傳統動力潛艦 技術未獲突破前035型預計將繼續製造，且均將部署在南海艦隊以取代十分老舊的 033型 ，而近年的產量可能已經超過了原先的估計值，這樣的做法類似中共空軍在近年青黃不接 之際大量生產和部署「殲 -7」型機是相同的。另外特別值得注意的是，今年2月16日中共 解放軍報登載了南海艦隊某潛艦支隊在之前締造了「中國海軍」某型常規潛艦「一次航行 （水下）時間最長航程最遠」等多項紀錄一文，從其「幾十天」的水下航程時間來看，不 超過其編號403號「漢」級核子動力潛艦所創下的90天水下潛航紀錄，但又不像一般傳統 動力潛艦之能力所及，最有可能的就是這種035配備燃料電池AIP的改良型了，採用了燃料 電池的 035改良型在靜音效果和增加速率上都將有顯著的提升，尤其是水下續航力將由原 先的 3~5天提升至「數星期」，最大的影響是中共可能將其「常規潛艦」戰法中「陣地伏 擊」及「區域游獵」的方式提升到更新的層次，這對於已經習慣預想在固定空間及時間實 施反潛作戰的我海軍而言，將是一個新的挑戰。另外報導也顯示該型艦具備以往 035型不 具備的「潛對潛」攻擊及深水佈雷的能力，可能035 最新改良型已經採用了原先039上所 具備的新技術和新成果。 中共海軍選擇將裝有AIP系統的傳統動力潛艦部署於南海艦隊，研判可能與南海艦隊經常 要執行運補南沙的遠航任務有關；同時選擇035型艦作為AIP的載台不選擇039 型艦，可能 039是尚在發展中的新艦，本身仍有許多技術上的缺陷及瓶頸待突破，選擇一個技術上較 為成熟穩定的載台風險會比較低，等到未來 AIP的技術更成熟時仍然可以再加裝到新一批 039型艦上。另外中共海軍從俄羅斯所引進的 4艘K級潛艦的動力系統都曾出現不同程度的 故障，甚至有些在交艦不久後就又需返廠大修，據傳最主要的問題就是蓄電池的問題，因 此中共預計下一批的K級已轉向要求俄方需加裝AIP 系統（中共預計引進22艘此型艦9）。 中共海軍目前除積極自俄羅斯引進K級潛艦及自製 039或加裝AIP的035型艦外，並積極研 製093型（SSN）及094 型（SSNB）核子動力潛艦已取代舊有的091型（漢級）及092 型（ 夏級）艦10，未來並仍將部署於 -------------------------------------------------------------------------------- 北海艦隊，與目前已經部署於東海艦隊的 K級及部署於南海艦隊的明級改良型艦11將構 成 21世紀中共海軍三大艦隊潛艦戰力之核心，事實上從各艦隊所擔負的任務可以看出其 中之端倪，北海艦隊因直接面對美國及日本的勢力因此部署最先進的核子動力彈道飛彈潛 艦以對付美國及其盟邦在亞太地區的戰略嚇阻，東海艦隊直接面對台灣，因此部署最新引 進的K級潛艦已作為對台軍事上的壓迫，而南海艦隊面對最詭譎的南海局勢及南沙及西沙 群島的運補，部署具有長期潛航能力之AIP系統的明級（035）改良型以為因應，這些從其 兵力部署所衍生其可能之意圖都是未來我們必須觀察之方向。 結論 核子動力潛艦的研製受到政治意圖、經濟實力、海軍戰略與工藝技術等條件制約，不是所 有國家皆可以擁有的海軍資產。截至目前為止，全世界僅有英、美、俄、法、中共與印度 六個國家具備運用及操作核子動力潛艦的經驗，其餘國家操作的潛艦則全部都是傳統動力 潛艦。後冷戰期間，由於戰略環境與海軍任務的轉變，核子動力潛艦的重要性不如往昔， 這可以從最近英國藉一艘核潛艦反應爐冷卻器外洩，卻一口氣將其 12艘核子攻擊潛艦一 起除役的事件，其中一項因素是因為英國評估認為剩下的四艘核子彈道潛艦已可應付目前 的國際局勢，而最近甚至連「潛艦全核化」的美國海軍亦重行評估柴電潛艦的價值，重開 柴電潛艦生產線的提議此起彼落。 近年來，海軍工藝的突破性進展，如艦體設計的創新、絕氣推進系統的研發以及高強度鋼 板與吸音磁質片的運用，使得柴電潛艦擁有更佳的隱匿性、攻擊力及存活率，柴電潛艦被 視為「準戰略性」（ Quasi Strategic）武器亦恰如其分。實際上，即使配備了絕氣推進 系統，柴電動力潛艦亦無法擁有核子動力潛艦的無限制潛航能力，但是她卻具有某些核子 動力潛艦所沒有的優勢，例如目標強度低、電場磁場效應小與潛航時噪音質較低等，這些 優異的作戰性能與較佳的成本效益，使得各國海軍無不積極發展一支符合其國防需求的傳 統潛艦部隊，當然中共也不例外，因此傳統動力潛艦的未來特別是具備AIP系統的傳統潛 艦的未來是極具前景的。 附註 1.舒孝煌，庫斯克沉沒戳破俄羅斯大海軍夢，軍事家網站。 2.反應器安全有慮英召回核子獵殺潛艦，中時電子報， 89,10,21 3.陸士強、翟文中，「潛艦絕氣推進系統發展的回顧與前瞻」，海軍學術月刊第 34卷第7 期，頁51-67 4.于青雲，「認識來自水下的威脅」，尖端科技， 85年11月，頁81-88 5.陸士強、翟文中，「潛艦絕氣推進系統發展的回顧與前瞻」，海軍學術月刊第 34卷第7 期，頁51-67 6.馬基左，「傳統潛艦的新生命-AIP系統」，全球防衛雜誌 90期，81年2月，頁37-47 7. Will Young，「淺談國內外AIP技術發展近況」，http://www.plamilitary.com/ 8.Will Young，「淺談國內外AIP技術發展近況」，http://www.plamilitary.com/ 9.林長盛，「解放軍的基諾級潛艇」，解放軍紀要網站，http://www.plapage.com/ 10.林長盛，「解放軍核潛艦軍力的發展與軍力」，解放軍紀要網站， http://www.plapage.com/ 11.「中國海軍潛艇部署表」，Chinese Military Chronicles網站 http://www.plamilitary.com/ 海軍少校胡志泓 海軍官校七十九年班 現就讀於國防大學海軍學部九十年班。 http://www.mnd.gov.tw/division/~defense/mil/mnd/mhtb/%E6%B5%B7%E8%BB%8D%E8%BB%8D%E5%AE%98%E5%AD%A3%E5%88%8A/%E6%B5%B7%E8%BB%8D%E5%AE%98%E6%A0%A1%E5%AD%A3%E5%88%8A20%E5%8D%B72%E6%9C%9F/%E6%B7%BA%E6%9E%90%E6%BD%9B%E8%89%A6AIP%E7%B3%BB%E7%B5%B1.htm