梅復興/潛艦國造設計的真相--可以深潛到300米深?

▲▼劍龍級潛艦。(圖/翻攝自荷蘭軍事迷網頁Dutchsubmaarines.com)

▲旗魚/劍龍級潛艦壓力殼的實際形狀與我們平時看到的不同。(圖/翻攝自荷蘭軍事迷網頁Dutchsubmaarines.com)

●梅復興/台海安全研析中心主任,長期鑽研國防,嫻熟美台安全關係,曾創辦並主編《臺海軍情》電子期刊。

日前潛艦國造(IDS)原型艦(編/代號「1168」?)的模型引起不少關注,大陸方面甚至還大加臆測,針對模型外觀推測可能的技術來源。但事實的真相往往遠不如揣摩猜測的精彩刺激....。

首先,要明白我們一般所能看見的潛艦外型,大部分都是艦體的外殼,或稱「軟殼」(light hull或casing),並不是壓力殼 (pressure hull) 本身。而潛艦設計的學問主要在壓力殼,不在軟殼。即使單殼艦體的潛艦(像劍龍級或其前身荷蘭的「旗魚級」及美國的「白魚級」),也都是在壓力殼外覆有一層軟殼。 這點從公開的圖紙均可佐證了然。換句話說,我們不能單憑外(軟) 殼的形狀就斷論1168的設計是仿效國外哪型潛艦,更遑藉此推判技術是來自哪個國家!

眾所周知,潛艦國造原型艦係「深度參考」劍龍級的設計。在發展設計的過程中,設計團隊嘗試考慮過各種不同方案,但差異都主要在外觀與一些裝備的佈置,基本設計並未改變。其主要原因在於因為我們雖擁有荷蘭當年提供(供我國執行保修用的)修建圖紙,但因為技術包件並未包含原始的概念設計。沒有概念設計的完整資料,就無法確定當初設計的一些假設與計算,更動壓力殼的尺寸,容積與重量就會非常困難,複雜度與風險也因而大增。

▲▼劍龍級潛艦。(圖/翻攝自荷蘭軍事迷網頁Dutchsubmaarines.com)

▲美國白魚級的設計示意圖。可以明顯看出,雖為劍龍/旗魚級的前身,但其壓力殼與外(軟)殼形狀頗有不同。(圖/翻攝自U.S. Submarines Since 1945)

劍龍級係衍生自荷蘭的旗魚級,後者又是以美國「白魚級」(Barbel-class) 的概念設計為基礎。但據瞭解,事實上連荷蘭也都沒有「白魚級」的完整概念設計資料,而就算荷蘭有也不能在沒有獲得美國的同意下提供給台灣。這點在過去幾年海軍踏遍全球搜尋潛艦設計技術時已獲得確認無誤。

而由於潛艦乃是「容積臨界」(volume-critical)的船舶系統,在設計時(壓力殼内的)容量乃是最主要的限制因素。也就是,萬事莫如所有裝備能夠塞入壓力殼急!因此,IDS設計團隊對於會需要重做船舶工程計算的重大設計變更都須避免,以降低設計風險。固然因為建造劍龍距今相隔近40年,原設計圖紙上的許多裝備已經無法取得了,必須改採用現今市場上可以獲得者替代。而這些裝備 (如柴油機等) 的「足印」(尺寸大小,重量,耗電,散熱,隔音防震,維修所需空間等規格條件) 很可能與劍龍級上的有所出入,從而需要做小幅的調整。

是以,據了解,IDS原型艦壓力殼的構型以及(占容量與重量比率最大的)電瓶配置仍遵循了劍龍級的設計,以降低風險。在無法獲得原始概念設計的情況下,盡量不做出會涉及牽一髮而動全身的船舶工程計算的設計更動乃是合理,睿智之舉。事實上,以IDS案設計發展期程之短迫,設計經費之相對貧瘠,自身經驗能量之闕如,外國技術協助之高度侷限,除了這麼做外似亦難有其他辦法。而這也就是海軍所公佈的IDS原型艦諸元(長,寬,噸位等)均與「劍龍級」非常相近的根本原因。

▲▼劍龍級潛艦。(圖/翻攝自荷蘭軍事迷網頁Dutchsubmaarines.com)

▲旗魚/劍龍級潛艦壓力殼的實際形狀與我們平時看到的不同。(圖/翻攝自荷蘭軍事迷網頁Dutchsubmaarines.com)

即便如此,在這(不涉及壓力殼與電瓶佈置設計)的前提下,還是有一些改進可以做的。首先,根據歷來軍方正式的公開説明,IDS的設計在航程與靜音性能等方面均會與劍龍級有所不同。且因爲IDS會採用HSLA-80高張力低合金鋼板(550 MPa張力),而這較劍龍級所用的FE-510鋼材(350MPa張力)張力要高出甚多,故理論上IDS原型艦的最大潛深也應該要比劍龍(一般公開資料聲稱潛深達200公尺以上)要深出至少一半。

另外一些顯著設計變更就是艉舵從十字型改爲X構型,推進車葉從5葉改爲7葉,以及帆罩外型。

艉舵改爲X型大家都知道是爲了改進淺水作業自由度以及在海床坐底時的安全。此外,由於X型舵無論潛艦是做俯仰還是轉彎動作都是四個控制翼面同時制動(不像十字型上下和左右各只由兩個翼面制動),故每個舵面單位面積所能提供的控制力較大,對潛艦的運動操控性能有所助益。而由於X型舵的每個舵翼所需之面積較小(因爲原來兩個翼面所需負擔的受力現在由四個翼面分攤了),這也意味著使用X型舵會有艦艉阻力較小,流體噪音也較低的優點。最後,X型舵的佈置通常都會與車葉(螺旋槳)協調,藉製造流體預旋(preswirl)以優化尾流場來增進車葉之效率並降低噪音。

當然,X型舵的設計,構造與操作都要比十字舵來得複雜。因爲需要同時精密控制四個舵面以發揮X型舵之最大效能並確保操縱安全,現在都仰賴電腦控制舵翼。這在設計時必須經大量模擬驗證。同時,系統失效時的備份控制也是高難度的挑戰。

這次的模型亦顯示,IDS將採7葉彎刀型設計,這與傳統5葉式的設計相比,因能以較低轉速提供同樣的推進力,故在相同航速時噪音較低。從另一個角度看,由於推進車葉空蝕效應(propeller cavitation)是被動聲納較易在遠距離偵測的主要噪音源,而7葉螺旋槳產生空蝕的轉速一般要比5葉構型為高,那也就意味著7車葉潛艦可以較高的所謂「安靜速率」(沒有空蝕)航行。一般傳統艦船車葉的空蝕現象都始於航速10-12節左右,而先進設計能將空蝕發生的速度推遲到什麽程度,那就得看工程技術的本事了。

至於大家所經常注目的艦艏外形是否像哪種外國先進潛艦,於1168的主聲納仍將採用傳統柱狀構型 (判斷應為中頻) ,沒有改用球形聲納或甚至適形陣列,所以艦艏形狀無須大幅改變。當然,究竟是因為這樣所以沒大修改艦艏?還是礙於前述因素所以決定少動為妙而(至少在原型艦上) 保留了傳統聲納佈局? 哪個是雞哪個是蛋,目前尚難確知。

▲日前有港媒猜測IDS是新加坡提供技術協助。(圖/記者林銘翰攝)

但若我們仔細比對日前曝光的IDS模型與劍龍級公開的照片及模型,就不難發現,雖然1168的艦艏沒有像日本蒼龍級那樣顯著向下傾斜,但還是跟劍龍級略有出入。這有可能是因為裝備的大小或佈置有所差異所致,但也更可能是設計團隊順道故意創造出一些外形(軟殼)上與劍龍不同的設計特點,做為對美方質疑我潛艦國造案有否侵犯荷蘭智慧財產權的答辯與反證。

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梅復興專欄 梅復興

台北出生,旅居美國。長期鑽研國防,嫻熟美臺安全關..

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