王志鹏／绝气推进系统加持！新型柴电潜舰「静悄悄」挑战核动力潜舰？
现代新型的柴电潜舰为何能够挑战核动力潜舰？原因就是拜「绝气推进系统」（AIP，Air-Independent Propulsion）的高科技成功发展之赐，使得它相较于核动力潜舰越来越安静！
不论是柴电潜舰或是核动力潜舰，潜舰只要航行就会发出声音，当水下物体振动时，它就会产生声波，当声波穿透海水时，它们会交替压缩和解压缩水分子，声波就会像池塘表面的波纹一样，不断地向八方辐射出去，直到能量衰减完毕为止。
潜舰产生噪音的缘由
潜舰于水下航行时，主要推进动力就是依赖大轴旋转车业推进，随着旋转的速度快慢产生大小不同的噪音。
此称为「轴速」，如果潜舰推进装备旋转的轴速是3,600RPM，亦即每秒旋转60次；即使是同型潜舰同样的推进装备，其结构机械中的任何一个零件都会产生微小不同的噪音，很多不同零件累积出来的噪音就会导致其发出的噪音略有变化。
以主要的推进车叶微例，假设奇美一片车叶在旋转时抵达其产生噪音的临界点时其音频为60Hz，那5叶片的车叶就会发出300Hz的噪音；同样的在潜舰内部，大大小小的旋转装备，都会产生类似的噪音，如某电力马达具有12个转子绕组，则它将可能发出720Hz的噪音。
▲俄罗斯Mgk-400型声纳系统的操控台显示幕，其显示个目标的噪音值和频率。（图／翻摄自Rosoboronexport）
如车叶转速为120RPM，则轴速将为2.0Hz，如果是六片车叶，则每片车叶的速率噪音为12Hz，由于12Hz是2Hz的谐波，因此叶片速率和六片车叶轴速噪音将会彼此共振增强，从而使叶片速率更强。
核动力潜舰不间断产生的噪音源
美国海军潜舰最骄傲自豪的就是「她的潜舰是全世界最安静的，任何人都侦测不到她」！但依据美国《海军邮报》（Naval Post）2021年3月14日瑞安・怀特（Ryan White）的专文分析指出，此态势已经出现些微变化。
潜舰所产生的这种噪音波能够在水辐射传播很长的距离，特别是低频噪音，当然水面作战间或是商船所产生的噪音辐射传播会比潜舰更远。
这些噪音波在水中能量传播的距离内，都可以被任何水中被动声纳听音器所接收截获，潜舰致胜的关键因素就是想尽办法消除这些噪音的产生或是掩盖、吸收这些噪音，让潜舰保持高度的寂静航行，而不被任何人发现。
而核动力潜舰内部有很多东西在发出声音，主要来源有：「泵」（特别是大型的主冷却水泵，Pumps）、「蒸气涡轮机」（Turbines）、「减速齿轮」（Reduction gears）、「蒸汽流过管路」（Steam flowing through the pipes）、「交流电」（发电机和电气负载运作时，Alternating current , generators and electrical loads）。
▲典型的压水式核反应炉结构（Typical Pressurized-Water Reactor）。（图／翻摄自U.S NRC）
核动力潜舰的反应炉一经启用，不论能量运作高低电力输出大小，都会持续产生噪音，主要是不断使用的「冷却水泵」和高速推进「涡轮机」及其相关连接的「减速齿轮」。
核潜舰上的反应炉包覆冷却泵结构约有三层甲板高，全世界大多数海军潜舰的反应炉都是「压水式核反应炉」（Pressurized-Water Reactor），因为在作战时它操作最为安全；在此核反应炉系统中，反应炉加热其蒸汽产生器（类似于锅炉概念）产生蒸汽，蒸汽促使涡轮机高速转动（依据当时操作所需的速率），涡轮机推动大轴转动，并连结带动发电机（或交流发电机）转动进行产电，这一连串运作，系统任何部位都会产生不同频率的噪音。
蒸汽在系统中的管路和推动涡轮机高速流动产生的噪音，远比柴电潜舰在水下采取纯电池推进模式驱动主电力马达要大得多。
因此，对于核潜舰而言，关键就是存在一堆泵、涡轮机和减速器；而电池模式推进的柴油船根本没有这些泵，涡轮机和减速器。
此外，舰体在水中穿越时，也会舰体外表的突出或是不平滑的结构也会产生水流噪音，舰体越大航行速率愈高，所产生的水流噪音也就越大，因此核潜舰舰体的结构发展也就越来越平滑圆润。
▲配备「燃料电池」系统的德国U212A型柴电潜舰。（图／翻摄自Naval Post）
柴电潜舰会产生噪音的主要来源是启动柴油主机带动发电机产电之时（通常配备3部柴油主机），因此，过去旧型的柴电潜舰，在回到潜望镜深度执行呼吸管航行时，启动柴油主机进行充电之时，就是产生最大噪音之际，此时潜舰存在高度被发现的危险。
不过当潜舰科技，出现「绝气推进系统」（AIP）时，柴电潜舰不需要再冒危险进行呼吸管航行充电后（如配备「史特林引擎」），缺点即消失优势立见；「绝气推进系统」的相关技术不断地被研发，如目前最先进的「燃料电池」或是「锂电池」系统，致使柴电潜舰越来越安静，足以挑战和潜舰的静音能力。
美国海军潜舰警觉「静音挑战」着手研发改进
多年前美国海军经由租用瑞典「加特兰级」柴电潜舰进行对抗所累积的经验，了解这个问题的严峻，为避免优势逐渐丧失，美海军开始致力于促使核动力潜舰更为安静，目前正进行相关的技术验证，其中包括三艘实验性潜舰：「图尔利比号」（USS Tullibee）号、「利普斯科姆号」（USS Glenard P. Lipscomb）和「独角鲸号」（USS Narwhal）。
「图尔利比号」和「利普斯科姆号」是采用蒸汽轮机发电，但是没有减速器，而「独角鲸号」则采用的「循环反应炉」在正常操作下不需要主冷却泵和一部低速直接联结式的主机，在低速操作时「无噪音泵、无减速器」，如果技术验证成功将先行运用在现役的「俄亥俄级」和「维吉尼亚级」核动力潜舰，而未来新型的「哥伦比亚级」核动力潜舰，也将采用此种涡轮电力驱动技术。
世界潜舰持续强化降噪力 台湾呢？
同样地，中国海军也正在努力减少其核动力潜舰的噪音；俄罗斯海军甫下水服役的最新型「亚森级」（Yasen-class）核潜舰，其采用的强化静音方式，是再舰体表面上覆盖了10,000个以上的「吸音橡胶元件」（rubber elements），使其能够更安静；而法国国防部则公开宣布，其设计的第三代核潜舰将会非常安静，其辐射噪声可能小于海洋中的环境噪音值。
▲俄罗斯最新885M型核攻击潜舰「北德文斯克号」（K-560 Severodvinsk）。（图／翻摄自Naval Post）
然现今全世界的柴电潜舰，「绝气推进系统」已成为标准配备，因为如果不装配，潜舰可能难以在作战时存活；而当今的各类型「绝气推进系统」，更不断地朝向「产电能力更强、输出功率越大、操作更为安静」的方向研发；未来柴电潜舰与核动力潜舰的「静寂能力较量」，如今才刚刚开始而已！
潜舰「降噪」方式有很多种类型，如：「消音瓦」、「吸音涂料」、「橡胶敷皮」、「隔绝材料」核「减震机构」等，有独门发挥至极致，或有交织综合运用降噪；台湾已使用超过30年的剑龙级潜舰，并没有这些先进降噪技术，而现今如火如荼进行的首艘新型潜舰（SS-1068），不知道是否有认真考量研发或配备这些「降噪技术」和「绝气推进系统」！还是又是「先求有、再求好」的思维和说词嘛？！
（作者为备役海军上校，曾任潜舰兵器长、作战长、轮机长与潜舰训练中心教官、海军总部计划官、国防部战略规划司计划督导官，现为中华经略国防知识协会研究员。着有《解析台湾发展潜舰的过去、现在和未来：（1960-2020年）》。）
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