王志鵬／絕氣推進系統加持！新型柴電潛艦「靜悄悄」挑戰核動力潛艦？
現代新型的柴電潛艦爲何能夠挑戰核動力潛艦？原因就是拜「絕氣推進系統」（AIP，Air-Independent Propulsion）的高科技成功發展之賜，使得它相較於核動力潛艦越來越安靜！
不論是柴電潛艦或是核動力潛艦，潛艦隻要航行就會發出聲音，當水下物體振動時，它就會產生聲波，當聲波穿透海水時，它們會交替壓縮和解壓縮水分子，聲波就會像池塘表面的波紋一樣，不斷地向八方輻射出去，直到能量衰減完畢爲止。
潛艦產生噪音的緣由
潛艦於水下航行時，主要推進動力就是依賴大軸旋轉車業推進，隨着旋轉的速度快慢產生大小不同的噪音。
此稱爲「軸速」，如果潛艦推進裝備旋轉的軸速是3,600RPM，亦即每秒旋轉60次；即使是同型潛艦同樣的推進裝備，其結構機械中的任何一個零件都會產生微小不同的噪音，很多不同零件累積出來的噪音就會導致其發出的噪音略有變化。
以主要的推進車葉微例，假設奇美一片車葉在旋轉時抵達其產生噪音的臨界點時其音頻爲60Hz，那5葉片的車葉就會發出300Hz的噪音；同樣的在潛艦內部，大大小小的旋轉裝備，都會產生類似的噪音，如某電力馬達具有12個轉子繞組，則它將可能發出720Hz的噪音。
▲俄羅斯Mgk-400型聲納系統的操控臺顯示幕，其顯示個目標的噪音值和頻率。（圖／翻攝自Rosoboronexport）
如車葉轉速爲120RPM，則軸速將爲2.0Hz，如果是六片車葉，則每片車葉的速率噪音爲12Hz，由於12Hz是2Hz的諧波，因此葉片速率和六片車葉軸速噪音將會彼此共振增強，從而使葉片速率更強。
核動力潛艦不間斷產生的噪音源
美國海軍潛艦最驕傲自豪的就是「她的潛艦是全世界最安靜的，任何人都偵測不到她」！但依據美國《海軍郵報》（Naval Post）2021年3月14日瑞安・懷特（Ryan White）的專文分析指出，此態勢已經出現些微變化。
潛艦所產生的這種噪音波能夠在水輻射傳播很長的距離，特別是低頻噪音，當然水面作戰間或是商船所產生的噪音輻射傳播會比潛艦更遠。
這些噪音波在水中能量傳播的距離內，都可以被任何水中被動聲納聽音器所接收截獲，潛艦致勝的關鍵因素就是想盡辦法消除這些噪音的產生或是掩蓋、吸收這些噪音，讓潛艦保持高度的寂靜航行，而不被任何人發現。
而核動力潛艦內部有很多東西在發出聲音，主要來源有：「泵」（特別是大型的主冷卻水泵，Pumps）、「蒸氣渦輪機」（Turbines）、「減速齒輪」（Reduction gears）、「蒸汽流過管路」（Steam flowing through the pipes）、「交流電」（發電機和電氣負載運作時，Alternating current , generators and electrical loads）。
▲典型的壓水式核反應爐結構（Typical Pressurized-Water Reactor）。（圖／翻攝自U.S NRC）
核動力潛艦的反應爐一經啓用，不論能量運作高低電力輸出大小，都會持續產生噪音，主要是不斷使用的「冷卻水泵」和高速推進「渦輪機」及其相關連接的「減速齒輪」。
核潛艦上的反應爐包覆冷卻泵結構約有三層甲板高，全世界大多數海軍潛艦的反應爐都是「壓水式核反應爐」（Pressurized-Water Reactor），因爲在作戰時它操作最爲安全；在此核反應爐系統中，反應爐加熱其蒸汽產生器（類似於鍋爐概念）產生蒸汽，蒸汽促使渦輪機高速轉動（依據當時操作所需的速率），渦輪機推動大軸轉動，並連結帶動發電機（或交流發電機）轉動進行產電，這一連串運作，系統任何部位都會產生不同頻率的噪音。
蒸汽在系統中的管路和推動渦輪機高速流動產生的噪音，遠比柴電潛艦在水下采取純電池推進模式驅動主電力馬達要大得多。
因此，對於核潛艦而言，關鍵就是存在一堆泵、渦輪機和減速器；而電池模式推進的柴油船根本沒有這些泵，渦輪機和減速器。
此外，艦體在水中穿越時，也會艦體外表的突出或是不平滑的結構也會產生水流噪音，艦體越大航行速率愈高，所產生的水流噪音也就越大，因此核潛艦艦體的結構發展也就越來越平滑圓潤。
▲配備「燃料電池」系統的德國U212A型柴電潛艦。（圖／翻攝自Naval Post）
柴電潛艦會產生噪音的主要來源是啓動柴油主機帶動發電機產電之時（通常配備3部柴油主機），因此，過去舊型的柴電潛艦，在回到潛望鏡深度執行呼吸管航行時，啓動柴油主機進行充電之時，就是產生最大噪音之際，此時潛艦存在高度被發現的危險。
不過當潛艦科技，出現「絕氣推進系統」（AIP）時，柴電潛艦不需要再冒危險進行呼吸管航行充電後（如配備「史特林引擎」），缺點即消失優勢立見；「絕氣推進系統」的相關技術不斷地被研發，如目前最先進的「燃料電池」或是「鋰電池」系統，致使柴電潛艦越來越安靜，足以挑戰和潛艦的靜音能力。
美國海軍潛艦警覺「靜音挑戰」着手研發改進
多年前美國海軍經由租用瑞典「加特蘭級」柴電潛艦進行對抗所累積的經驗，瞭解這個問題的嚴峻，爲避免優勢逐漸喪失，美海軍開始致力於促使核動力潛艦更爲安靜，目前正進行相關的技術驗證，其中包括三艘實驗性潛艦：「圖爾利比號」（USS Tullibee）號、「利普斯科姆號」（USS Glenard P. Lipscomb）和「獨角鯨號」（USS Narwhal）。
「圖爾利比號」和「利普斯科姆號」是採用蒸汽輪機發電，但是沒有減速器，而「獨角鯨號」則採用的「循環反應爐」在正常操作下不需要主冷卻泵和一部低速直接聯結式的主機，在低速操作時「無噪音泵、無減速器」，如果技術驗證成功將先行運用在現役的「俄亥俄級」和「維吉尼亞級」核動力潛艦，而未來新型的「哥倫比亞級」核動力潛艦，也將採用此種渦輪電力驅動技術。
世界潛艦持續強化降噪力 臺灣呢？
同樣地，中國海軍也正在努力減少其核動力潛艦的噪音；俄羅斯海軍甫下水服役的最新型「亞森級」（Yasen-class）核潛艦，其採用的強化靜音方式，是再艦體表面上覆蓋了10,000個以上的「吸音橡膠元件」（rubber elements），使其能夠更安靜；而法國國防部則公開宣佈，其設計的第三代核潛艦將會非常安靜，其輻射噪聲可能小於海洋中的環境噪音值。
▲俄羅斯最新885M型核攻擊潛艦「北德文斯克號」（K-560 Severodvinsk）。（圖／翻攝自Naval Post）
然現今全世界的柴電潛艦，「絕氣推進系統」已成爲標準配備，因爲如果不裝配，潛艦可能難以在作戰時存活；而當今的各類型「絕氣推進系統」，更不斷地朝向「產電能力更強、輸出功率越大、操作更爲安靜」的方向研發；未來柴電潛艦與核動力潛艦的「靜寂能力較量」，如今纔剛剛開始而已！
潛艦「降噪」方式有很多種類型，如：「消音瓦」、「吸音塗料」、「橡膠敷皮」、「隔絕材料」核「減震機構」等，有獨門發揮至極致，或有交織綜合運用降噪；臺灣已使用超過30年的劍龍級潛艦，並沒有這些先進降噪技術，而現今如火如荼進行的首艘新型潛艦（SS-1068），不知道是否有認真考量研發或配備這些「降噪技術」和「絕氣推進系統」！還是又是「先求有、再求好」的思維和說詞嘛？！
（作者爲備役海軍上校，曾任潛艦兵器長、作戰長、輪機長與潛艦訓練中心教官、海軍總部計劃官、國防部戰略規劃司計劃督導官，現爲中華經略國防知識協會研究員。着有《解析臺灣發展潛艦的過去、現在和未來：（1960-2020年）》。）
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