2017-09-02

夏肇毅觀點:潛艦國造啟動自主深海探索元年



不知道那裡面住著什麼樣的巨型怪物,人類老早就嚮往到深不見底的海底世界探險。十九世紀小說「海底兩萬浬」在1954年被迪士尼旗下公司拍成電影。描述著一個生物學家皮耶出海尋找傳說中的海底怪物,途中乘船因撞向怪物而沉沒。皮耶被這隻海中冒出來的神秘金屬怪物俘虜到裡面,才知道原來這是艘名為鸚鵡螺號的潛艇。然後他被潛艇主人尼莫船長帶著,一同前往海底世界探險。尼莫船長因嚮往海洋的獨立自由,沒有獨裁者,所以就建了這艘鸚鵡螺號自我放逐。之後他們遍覽珊瑚礁,與鯊魚躲迷藏,穿越海底融岩火山,駛過傳說中的亞特蘭提斯城,並破冰航向南極。最後遭遇到大烏賊群的攻擊,皮耶也因而得以逃脫。1955年,美國首艘核子動力潛艇即以鸚鵡螺號命名。

(from GrabCAD, 小說電影中鸚鵡螺號模型Nemo by john    圖片製作:夏肇毅)

這被拿來命名的鸚鵡螺,其實在地球上已有數億年的歷史。它的殼裡面被橫板隔成了三十多個獨立隔室空間,裡面充滿著氣體,由細管貫穿其間。藉著抽入及排出海水,來調整殼內海水與氣體所佔空間的比例,讓身體浮沉移動。殼內氣體所佔的隔室越多,浮力就越大,身體就能上升。反之,海水所佔隔室空間越大,浮力就減少,身體就下沉。人類藉由學會這個原理來建造潛艇,也因此鸚鵡螺常被各國拿來為潛艇命名。現在一般的潛艇是由內外兩層殼體構成,外面是壓力殼,兩層中間的空間,就裝著幾個沉浮箱來控制潛艇沉浮。將沉浮箱注入海水則潛艇下沉,要上升時再用高壓氣體將箱內的海水排出以增加浮力。

Nautilus Palau.JPG
(from wiki, 鸚鵡螺與其殼室by Manuae,Chris73)

台灣四面環海,但卻也很少做深海探索活動。要應付深海的巨大壓力,潛艇需要極多的技術與工藝。台灣民間造了不少船,但從沒能力建造潛艇。雖然民國90年美國同意出售8艘柴油潛艇給中華民國,然而始終無法實現。台船也在民國91年試造了潛艇的兩截壓力殼,以証明具備潛艇建造能力。十年等待之後發現還是無法實現,於是就開始推動潛艦國造的分階段步驟:

民國101年開始,國防部運用「國防工業發展基金會」的經費,執行一個「潛艦國造關鍵技術」整合型研究計畫。
民國102年11月底,海軍司令陳永康親自主持潛艦國造學術研討會。
民國103年,「財團法人國防工業發展基金會」撥款1200萬,成立「潛艦國造關鍵技術」委託研究計畫,由台船公司和船舶暨海洋產業研發中心執行。
民國103年4月底,公告「潛艦國造第一階段合約設計」的邀商。
民國103年11月底,海軍舉行第2場潛艦國造管理研討會。
民國104年2月底,海軍主辦潛艦國造系列研討會,進行最終的潛艦系統整合與動力等關鍵性技術研討。
民國105年11月底,「潛艦國造委託規畫設計案」資格審查,船舶暨海洋產業研發中心意外因未附實作證明文件而喪失投標資格。
民國105年12月底,國防部宣布「潛艦國造委託規畫設計案」由台船取得優先議價權。
民國106年1月底,國防部宣布服役71年的海軍茄比級海獅號,將進行深度大修工程。
民國106年3月21日,潛艦國造案正式啟動。
經過了五年的努力,今年終於踏出了潛艦國造的第一步。

報載中科院提到,船殼打造,台灣的技術不是問題,現在整合是個高風險。怎麼確認潛艇在下水前,系統安全可靠、下得去上得來,才是整合系統的核心技術。因為潛艇很大一塊沒有做過的是水下動態系統的性能。

研究之後就是實測,要驗證潛艇能否應付海底下的複雜動態。海裡因鹽度與溫度分佈不均,海水密度各處不同,因此聲波折射方向也會改變,同時浮力不同,也會有因密度不同的所造成的液體懸崖產生。再加上海水流動所產生的海洋內波,歷年來也發生數起潛艇意外,就如飛機遇到風切容易發生空難一般。一重重的關卡與挑戰都必須要謹慎嚴肅以對。

目前台灣的潛艇製造經驗是零,從零出發,第一步可能就是複製山寨版了。中科院表示:「基本上的目標是劍龍潛艦(海龍、海虎)雷同的性能,不會去超越它」。先拿手邊有的範例照樣做一個,學點經驗,成功了,再繼續改進。就像最早的雄風飛彈,是由仿製以色列加百列飛彈而來。先由know how再到know why。有了起步,建立了開發與製造能量後,然後再對主流先進技術加以研究。

安靜是潛艇存活的關鍵,比速度還重要。為了追求更低的噪音,像是單軸七葉螺旋槳,泵噴推進器,噴水推進器,超導磁流體等,也陸續被開發出來。七葉螺旋槳是不對稱的,不容易產生共振。而且因為葉數多,所以用比較低的轉速就可以產生相同的推力,噪音較小。原本蘇聯潛艇的噪音極大,200浬外即可偵測到。在1981年蘇聯偷偷地由日本東芝機械公司進口4台大型電腦控制的9軸螺旋槳推進器工作母機,用以製造七葉螺旋槳。再加上其他設計,使得蘇聯的潛艇噪音在十年內降低30分貝,變成了海底黑洞。也因此之後這單軸七葉螺旋槳慢慢地被廣泛採用。

(from GrabCAD Submarine Propeller模型 by M.B.I. 圖片製作:夏肇毅)

要再進一步的話,就是泵噴推進器了。它使用一個轉子加一個定子螺旋槳,外面再像飛機引擎一樣包覆起來,以減低噪音,並集中水流推力。這種設計較常規潛艇噪音減少了20分貝,現在最新出廠的先進潛艇多採這種設計。

還有噴水推進器完全不用螺旋槳,直接用水柱力量推動。而最先進的超導磁流體,則是用強大的磁力將海水推出艇外產生動力。在降低震動方面,也有減震浮筏技術可用。就如同大樓的制震方法一樣,將發動機架在有彈性的液壓或氣壓阻尼浮動體上,以減少震動傳向外殼。有了前人的成功經驗,證明了這條路可行,跟著走可以減少許多無謂的投資。
(from GrabCAD 美國Minnesota潛艇模型 by Asm Imam 圖片製作:夏肇毅)

有時候落後反而容易產生跳躍式進化。像電話百年來從轉盤式,按鍵式到行動電話慢慢進化。但是以往沒電話的國家,開始發展電訊建設時就都跳過這些按部就班的步驟,直接往行動電話建設。同樣的例子也在發生在金融科技中。在先進國家廣泛使用信用卡,因而行動支付進展緩慢。然而在信用卡不普及的地方,反而容易一下子造成行動支付的跳躍式成展。

一旦民間企業有了製造中型軍用潛艇的基礎後,在小型科學探測用,工程用或是導覽用的潛艇開發方面更是指日可待。克服了壓力的問題,對四面環海的我們,會有更深一層的誘因讓我們往海底世界探索。人類汙染了海洋,以後可以每天到海底巡視一番,清理一下廢物汙染,觀察一下海底生態變化或是地形變動,數不清的新事物可以想像規劃。對於潛艦國造,不要因想太多而躊躇不前,堅定地邁開第一步就對了。

作者簡介:夏肇毅,提供雲端理財機與教學服務之CubicPower.idv.tw創辦人。曾服務於緯創軟體、英商路透社等金融與科技單位從事金融軟體開發專案工作。

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