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第2章 各型「絕氣推進系統」的優缺點
儘管全世界各國先進潛艦製造商採用與發展 AIP 的方向有所不同,但是就潛艦戰術和作戰需求的目標,卻是有共同的特徵:
一、提升潛艦水下潛航的持續能力;
二、能夠滿足潛艦在必要時,短時間執行最大航速的需求電力;
三、降低在受命巡邏區內的曝露率。
現今先進潛艦的基本配備標準,是能夠提供潛艦水下使用AIP 寂靜潛航至少15至20 天的時間。
不同的 AIP 系統所需求潛艦設計的空間和重量容許度相當不同,「密閉式循環系統」(CCD)和「史特林引擎」(SE),就所需的空間與重量的比值相差不大;然而在相同噸位的潛艦同樣排水量的情況下衡量,「史特林引擎」所佔的空間和工作時間的綜合評估,卻是「燃料電池」的1.8 倍。
因此在潛艦考量設計裝置 AIP 時,就必須針對「寂靜、效率、體積、空間」整體進行考量,並在最後針對戰術需求進行一個「均衡的最終決策」。
當 AIP 裝置容量為300 至400KW/小時、工作時間為300 至400 小時,史特林引擎裝置量為200 至300 噸;在相同的條件下,燃料電池裝置的重量要比史特林引擎大的多,而傳統的鉛酸電池組的重量則更為巨大。
近十年來,國際潛艦的專家和學者針對潛艦的 AIP 系統,提出了一個標準,也就是「平衡速率」的概念;所謂「平衡速率」,係指潛艦僅依賴AIP 系統提供動力,直到抵達作戰海域所採取過渡航速的均值標準;而它高標期望值的設計則是能達到12 節,若依據此國際認同的標準,一艘原為2,200 噸級的潛艦,加裝AIP「密閉式循環系統」之後,必須增至3,600 噸左右(約增加63%),若是採用「燃料電池」系統,則必須增加至3,000 噸左右(約增加36%),當然隨著科技進步速度,這個空間和重量的所需比例會逐漸縮小(可能縮小至20 至25%,特別是鋰電池在未來可能的發展)。
此外,潛艦在考量設計裝置 AIP 時,不僅僅針對作戰需求和支援潛航動力輸出的考量,同時也必須針對潛艦整體全般考量,如艦體噸位、外型和大小的改變、潛航
速率、下潛深度、推進效率等等,特別是艇員生活空間的排擠;依據國外目前的分析,以2,000 噸級柴電潛艦為基準,人員生活負載設施約為100KW,一般1,500 至2,000噸的柴電潛艦,於水下以2 至4 節航行時,推進所需動力約數十千瓦,而艇內生活負載則約50 至150KW;因此,在安裝AIP 統的同時,就必須考量低速與高速全般情況,全艦用電量的取捨,一般考量均以200KW 為基準考量;以瑞典「加特蘭級」潛艦為例,裝配2 部75KW 功率的V4-275R 型史特林引擎,總功率可達150KW,算是勉強能夠支應;德國第一批212A 型潛艦,則是安裝了9 組34KW 的「燃料電池」模組,總功率可達306KW,當算是能夠游刃有餘。
若潛艦以相同的排水量來評估律定,對於減少呼吸管航行的使用量,所可以採取的措施有:安裝AIP 裝置;增大潛艦海軍部署的係數;降低潛艦航速;提高柴油發電機組的輸出功率和減少艇上的生活負載。
安裝 AIP 的出發點和目的,在於提高潛艦水下航速和增大二次呼吸管航行之間的間隔時間;然而為降低潛艦暴露率而降低航速,則可能會得到相反的效果。
不少人誤以為小型潛艦無法裝配 AIP 系統,其實不然,是真懂還是不懂潛艦,是專家、學者、還是名嘴,這些人都存在主觀的認知上偏見。就以向來建造大傢伙的前蘇聯,現今的俄羅斯聖彼得堡孔雀石海洋機械製造局所設計的瀕海型潛艦,就裝設AIP 作為標準配備,其排水量650 噸、長516 公尺、寬6.4 公尺、高6.3 公尺,水下最大航速20 節,最大航程2,000 海浬,以經濟航速水下續航力約200 海浬,可持續20 天,下潛深度300 公尺,裝配4 具魚雷發射管,艇員僅需9 人。
當生產規模為 1,000 台的史特林引擎時(小批量生產),平均一台史特林引擎造價要比單台低30 倍左右;以現行的生產量來估算,功率10KW 的史特林引擎造價在15,000 美元左右,100KW 功率的史特林引擎造價在90,000 美元左右;由此可見,即使在小批量生產的情狀下,史特林引擎的造價都不高,並且與傳統的內燃機相比較,史特林引擎造價生產提供的周期都很短。
1994 年巴基斯坦向法國訂購3 艘「奧古斯塔90B 級」潛艦,此型潛艦係法國潛艦製造商DCNS 公司依據核動力潛艦的技術設計改良轉換而來,其艦體長67.6 公尺、寬6.8 公尺、吃水5.4 公尺、水下排水量1,760 噸,推進動力採用2 部SENT-皮爾斯蒂克16PA4V185VG 型柴油引擎(持續輸出功率可達3,600HP),水面最大速率12 節、水下最大速率20 節,潛航使用呼吸管航行以9 節之續航力為8,500 海浬,若採用電瓶潛航以3.5 節速率續航力僅350 海浬;巴基斯坦所購買的第1 艘和第2 艘並未裝設法國的AIP 系統,第3 艘「哈姆札號」才加裝了法國的AIP「MESMA」系統(該系統採用乙醇和氧的混和氣體燃燒產生熱動能在轉換成電能,輸出功率為200KW),艦長增加至76 公尺(多了8.4 公尺的船段),排水量則增加200 噸(增加11.3%),惟具體作戰效益是水下續航力增加4 倍以上,2007 年初巴基斯坦遂向法國再訂購2 套「MESMA」系統裝設在第1 艘和第2 艘潛艦上。
而法國的「鮋魚級」潛艦,則是法國DCNS 公司與西班牙伊薩爾公司共同研發設計出的一款柴電潛艦,其為滿足不同國家的作戰需求,計設計三型分別為:基本型CM-2000、配備AIP 的AM-2000 型和緊湊型三種。基本型CM-2000 長66.4 公尺、寬6.2 公尺、吃水5.8 公尺,水下排水量1,700 噸,推進動力採用4 部MTU16V-396SE84 型柴油機(持續輸出功率2,231KW)及一部輸出2,840KW 的發電機,水面最大速率12 節、水下最大速率20 節,水下潛航續航力為4 天,潛航使用呼吸管航行以8 節之續航力為6,500 海浬,若採用電瓶潛航以4 節速率續航力僅400 海浬;而配備AIP 的AM-2000 型,艦長增加至76.2 公尺(多了9.8 公尺的船段),排水量則增加300 噸(增加17.6%),配備AIP 後水下續航力增至17 天,以4 節速率潛航可達1,600海浬。
法國建造的「奧古斯塔 90B 級」潛艦在沒有安裝AIP 前,其作戰能力全面輸給了俄羅斯出口的基洛級877 型,甚至其綜合的作戰效應還略遜於噸位較小的德國212型潛艦,不過加裝AIP 之後,綜合作戰效應評估明顯大幅提高。現今的「燃料電池」技術雖然已經算是成熟,不僅在潛艦也開始落實到更廣泛的應用上(如汽車),但就其技術和產業仍有很多地方必須再進化:
一、「適應性」:
必須提高燃料電池面對環境嚴峻的變化和使用的需求,如不同緯度的氣候環境
(高溫和低溫、高海拔和低海拔、高沙塵或高懸浮微粒),在不同的操作使用狀態
(頻繁的變動輸出電量和啟停的次數)。
二、可靠性和耐久性:
目前燃料電池的使用壽命約僅2,000 小時,北京實驗運行的汽車平均妥善率約
92%,而傳統柴油引擎汽車卻達99.16%,因此必須嚴格降低故障率提高妥善率。
三、總能量效率:
提供工作溫度,相對就能提高燃料電池的電能轉換效率,2006 年實驗數據證
明若燃料電池工作溫度提高至90 至95℃,其可耐120℃的高溫工作膜,一旦
研發成功就將有驚人的突破;而製氫的程序和儲氫的設備,同樣也一併配套
快速發展。
四、成本需求:
2006 年日本豐田公司所研發新型的質子膜燃料電池組,目標價格約每平方公
尺10 美元,若能夠研發相關技術再降低,未來取代傳統石油能源的優勢會更
大。
五、基礎供應的設施:
即使當技術層面成熟、價格也能平民化,但對於建立相關社會所能提供支援
的基礎設施,這還必須花上數年才能夠建立。
以上內容節錄自《21世紀柴電潛艦戰術與科技新知II》王志鵬◎著.白象文化出版 |