潛艇「絕氣推進」系統認知及台灣應效法大陸科研精神

 

一、台灣應效法大陸科研精神自製潛艇

    台灣無重工業想自製潛艇困難度甚大，潛艇船體、推進動力系統及武器配備三大主要部分應分頭進行，國防部應委託大專院校成立相關專案研究，應先著重仿製，「絕氣推進」系統（AIP(Air-Independent Propulsion)是一種不倚賴空氣推進的情況下，能夠長時間地驅動潛艇的技術。他可讓潛艇不使用電池鎮轉電動馬達及其他電力設備。AIP可減少潛艇浮出水面充電的時間，一般柴電動力潛艦將電池充滿，在水下潛航時即使以慢速行駛，最多也只能撐三、四天，就必須上浮換氣。但如果裝置了AIP推進系統後，在低速環境下，甚至可以持續潛航將近一個月之久，愈來愈不易被敵人獵殺。不過各種AIP系統都必須攜帶液態氧為助燃劑，燃料電池還需多帶液態氫，二者都必須在低溫高壓下儲存，因此會提高操作的危險性。而AIP系統能提供的馬力，往往只有原本柴油主機的十分之一，因此潛艦平時仍然使用原先的柴油主機替電瓶充電，只有到必要時，才利用AIP作為「保命」系統。AIP通常被描述為不依賴空氣推進，這已不再適用，現代AIP提供電動馬達的電力，而不是直接驅動螺旋槳。。

     中國大陸《解放軍報》6月15日發布首位中國AIP專業技師肖海生的報導，從報導中得知，中國首艘裝備有AIP的潛艇從10多年前就開始服役。AIP系統構造複雜，全世界能設計建造的國家屈指可數。沒有標準教材，沒有實操經驗，課堂教學時，教員和學員經常會為某一個專業問題激烈討論。無論專家授課還是后來到廠家學習，肖海生不放過任何有用的信息，筆記本記了一本又一本，圖紙上的線路和節點標注得密密麻麻。憑着這股不服輸的勁頭，肖海生理論和實操的各項考試成績全優，被任命為首艘AIP潛艇系統技師。鑽進潛艇，AIP艙室鐵罐和管道密密匝匝，僅有兩條寬度不足0.3米的通道，肖海生和戰友們一待就是10多年。AIP系統決定潛艇水下續航力，運轉情況影響戰鬥勝負甚至決定生死。海軍是高技術軍種，裝備發展體現出國家的科技創新能力，而裝備的維護、保養和使用，直接檢驗着基層官兵的素質。中國的許多高科技武器也是靠自己摸索得來，所以台灣想要自製潛艇，應先效法大陸科研精神。

 

二、AIP歷史

第二次世界大戰前荷蘭研發了一種通氣管裝置，後經德國進一步改良而應用在潛艇上。 基本構造是以可伸長的通氣管將外界的空氣引導至柴油機，保證柴油機正常工作，柴油機工作中產生的廢氣也由通氣管排出。 之前，潛艇換氣和充電作業必須浮出水面，由於目標過大容易暴露，這類作業只能在夜間進行。 採用通氣管之後，潛艇只需將通氣管伸出海面就可進行充電，不僅降低了潛艇被發現的概率，也擴展了潛艇可以充電的時機。 減少了暴露率，提高了隱蔽性。

第二次世界大戰後，隨著電子設備的不斷更新，許多國家開始研究其他可能的替代動力來源，以延長潛艇在水面下持續作業時間。上世紀50年代開始，國際上就致力於常規潛艇新型動力裝置的研究工作，重點集中在兩個方面，一是如何能使柴油機在水下缺氧的情況下連續不斷地長時間工作，推動潛艇進行水下機動。 一般的柴電潛艇，如果在水下進行攻擊或規避時用20節高航速進行機動，不到一、兩個小時蓄電池就沒有電了，潛艇不得不浮出水面充電。 就是用低速航行，每天也要浮出水面一、兩次，啟動柴油機和發動機，給蓄電池進行充電。 二是如何能使蓄電池的工作效率提高，放電時間延長，保證潛艇能在水下長時間航行。

經過幾十年的研究，不依賴空氣的動力裝置已進入實用階段，AIP技術包括：閉式循環柴油機系統，“斯特林”發動機、新型蓄電池和採用新型油料推進的裝置等。

 

三、目前的AIP系統

(一) 斯特林（Stirling）引擎

斯特林引擎是一種「外燃機」，靠著汽缸內氣體（通常使用不易產生化學反應的惰性氣體）的冷縮熱漲，讓活塞來回運動產生機械能。瑞典的哥特蘭級就使用斯特林引擎，也輸出AIP技術給日本、新加坡 。最初的斯特林發動機是在1816由英國工程師羅伯特•斯特林取得專利，作為蒸汽機競爭對手。儘管它的成功，但在20世紀初被電動馬達大量取代，幾乎被人遺忘。直到瑞典人尋找推動潛艇的聰明方法時才想到。發動機產生的熱量在燃燒室產生的，但它與實際發動機分離。熱量被傳遞到發動機的工作氣體（如氧氣），在一個完全封閉的系統中操作。工作氣體迫使活塞在發動機移動，從而產生機械能。

優點：是簡單且經測試良好

缺點：是比較笨重，移動機件產生的噪音較大，在使用時限制了潛艇的工作深度為200m左右。

(二)燃料電池

燃料電池使用電化學反應，不同於內燃機，其燃料不燃燒，燃料電池是將氫與氧化合，而在過程中產生水與電能，等於是將電解水的過程顛倒過來。燃料電池技術在1950年代出現，1960年代美國開始在太空船上使用。相對於斯特林引擎或蒸汽渦輪機，燃料電池不產生「明火」，而且過程中沒有任何機械運動，因此具備最佳的靜音效果。目前俄羅斯與德國是燃料電池AIP系統的輸出國。德國214型潛艦也使用燃料電池AIP系統。燃料電池AIP是在20世紀80年代開發了德國海軍。 目前使用的主要系統是德國設計SEIMENS PEM（聚合物電解質模塊），但印度和美國公司也提供他們AIP潛艇。

優點：燃料電池具有高功率密度，一般提供較長的續航能力。他們都非常安靜，

技術有進一步的潛力發展。

缺點：它們是昂貴和複雜的。

(三)MESMA（Module d'Energie Sous-Marine Autonome)

封閉循環蒸汽渦輪機是目前是法國海軍造艦局（DCN）的獨門技術，利用酒精與液態氧在高溫高壓下混合燃燒，將水加熱為蒸汽後推動渦輪。運作原理類似核子潛艦的動力系統，只有「燒開水」的方式，由鈾燃料改為酒精。系統是基於核推進原理但具有備選熱源。只有巴基斯坦目前字段這種類型的AIP的。

優點：具有高功率輸出，可有水下潛在高航速。

缺點：相對耗燃料，嘈雜並有複雜的管路。

 

四、各國潛艇比較

(一) 瑞典哥特蘭級

是第一種AIP設計的主要潛艇，在借給美國海軍二年使用中有很好的聲譽。 如同瑞典的其他潛艇一樣，哥特蘭級船小適於用在波羅的海。與眾不同的是它裝備有533毫米（21“）重型魚雷和較小的400毫米（15.75”）反潛魚雷，從專用管發射反潛魚雷。

(二)瑞典 Södermanland級

建造時違常規柴電潛艇，該級的所有四艘已改為AIP。兩個留在瑞典和兩個被轉移到新加坡，他們被稱為弓箭手級。

(三) U212級，德國/意大利

此212型（又名U-212）是用於德國及意大利潛艇以分別替換206和Sauro級艇。它是由德國HDW造船廠與意大利Fincantieri SpA公司所設計在2002年第一次交貨，該設計的雙殼結構船尾部分，可掛載燃料電池的氫氣和氧氣瓶。上殼體和帆完全整流式，上部整個船體由非金屬材料構成。令這兩個國家的海軍感到驕傲的是，此類型的設計是非常適合特種作戰，包括在極淺的水域。

(四)U214級（出口希臘，土耳其，葡萄牙和韓國）

部分基於較小的類型-212設計的出口船，214型（又稱U-214）設計有很多相同的特點。但其單殼結構相對於胖型-212是明顯的。潛水面向前移動，船尾設有常規“+”字型的配置，而不是“X”型。 AIP的壓縮氣體必須存於耐壓殼體內。

葡萄牙艇被指定的Type-209PN，並從'全'214型適合略有不同。

(五)海豚II型，以色列

基於類似設計的海豚級潛艇已經在以色列海軍服役，海豚-II被拉長船體，以便容納燃料電池的AIP。這些船都是能力很強配備了一系列的以色列系統。盛傳這些潛艇攜帶有核巡航導彈是以色列的第二次打擊能力的一部分。

(六)蒼龍級，日本

有人臆測最新的蒼龍級潛艇以鋰離子電池更換斯特林AIP。鋰離子電池用在密封潛水器(SDV)級潛水推進器(DPV)，這是首次用在大潛艇中。雖然與AIP通常用語不同，這些新的電池技術將會對水下續航力產生影響，並提供更大的深度和便利的操作。

(七)哈立德級，巴基斯坦

巴基斯坦訂購的三艘阿戈斯塔-90B本來是常規柴電潛艇，第三艘交船時裝有法國MESMA AIP系統，隨後另外兩艘也改裝，使得該區域出現第一艘AIP潛艇。

(八)039A/B元級，中國

受到俄羅斯基洛級潛艇的影響，中國的039A元級採用了常規的尾部，良好水平面和斯特林AIP型，此型是目前世界上最多的AIP潛艇。大陸多型AIP潛艇近年來陸續服役，性能據稱已達到世界領先水準，大陸船舶重工集團公司第711研究所日前首次公開提到，「新型發動機」的功率比引進的國外同類產品提高117%，其熱氣機事業部特種發動機團隊是常規潛艇動力系統的主要研究機構，曾研製多種潛艇的動力系統，其中技術水準最高的是運用在039B型潛艇上的AIP動力系統。根據《環球新軍事》的報導，711研究所熱氣機事業部特種發動機團隊歷時近10年，研製成功擁有完全自主智慧財產權的新型發動機，與國外最先進的同類產品相比，功率提高了117%，屬世界首創，現已列入國家下一代艦船的應用計畫。報導指出，大陸711研究所研製的新型發動機優點是可使用天然氣、柴油、太陽能，又可用固體燃料作動力進行發電，而排放的汙染氣體比市面上的其它發動機小，達到歐洲排放標準。

 

五、未來AIP種類

西班牙根據法國鲉魚設計的S-80級潛艇採用更具西班牙特色設計並與DCNS分道揚鑣，不採用法國MESMA系統而使用由一家美國公司的部分提供一個生物乙醇燃料電池系統。印度向法國購買的9艘鮋魚級潛艇，只有最後兩艘具有AIP。 但不採用法國MESMA系統，這些AIP艇將使用由印度國防研究與發展組織的海軍材料研究實驗室設計的磷酸燃料電池。法國DCNS造船公司基於梭子魚級核潛艇設計但以AIP更換核反應堆設計了SMX Ocean新潛艇。