新聞中的科學~潛水艇如何在水下躲更久

中國大陸日前宣布將向俄羅斯採購4艘阿穆爾（Amur，黑龍江的俄文名）級柴電潛艦，最大特色是裝有「絕氣推進」（AIP，Air-Independent Propulsion）動力系統，將使其水下戰力明顯進步。但絕氣推進到底有何高人之處?

從19世紀後半潛艇發明以來，最大的技術瓶頸，就是船上的柴油主機，運轉時必須吸入空氣，一旦潛到水下，引擎就無法使用。因此只能在船上裝置大量電池，在浮航時先充飽電，一旦下潛就靠電池蓄積的能量來航行。

因此早年的潛艇多數時間在水面活動，有必要時才潛入水下。

也因為相同原因，反潛作戰的道理類似獵鯨魚：一旦發現敵人潛蹤跡，就要全力把對方困住，等到潛艇電瓶耗盡必須上浮，就是死路一條。

躲避反潛偵測

二次大戰中，德國潛艇攻擊大西洋中的運輸船隊，為增強在水下航行的時間，德軍引進「呼吸管」，就是在潛艇指揮塔上伸出一根吸╱排氣管，船身不露出水面，只將呼吸管尖端伸出換氣，如此便可在水下開啟柴油引擎，持續替電瓶充電。

潛艇裝置呼吸管之後，隱匿性頓時大增，大戰結束後各國紛紛仿效。但隨著反潛技術愈來愈進步，即使只露出呼吸管頭，仍可能被對方偵測到。

因此標榜完全不靠外界提供氧氣的「絕氣推進」系統，也就應運而生。

但其實直到1990年代，因技術進步，絕氣推進系統才逐漸落實。1996年瑞典的哥特蘭（Gotland）級潛艦首先服役，成為第一種實用的AIP潛艦。

發展絕氣技術

目前市場上發展成功的AIP技術，包含下列三種：

一、斯特林（Stirling）引擎：這是一種「外燃機」，靠著汽缸內氣體（通常使用惰性氣體）的冷縮熱漲，讓活塞運動產生機械能。

二、封閉循環蒸汽渦輪機：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，除了將「燒開水」的方式，由鈾燃料改為酒精。

三、燃料電池：將氫與氧化合，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年代末美國的阿波羅計畫中，開始在太空船上使用燃料電池。

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，具備最佳的靜音效果。

一般柴電動力潛艦即使將電池充滿，在水下潛航時即使只以慢速行駛，最多也只能撐三、四天，就必須上浮換氣。但如果裝置AIP推進系統，在低速環境下，甚至可以持續潛航將近一個月之久。

全球防衛雜誌採訪主任施孝瑋指出，以往柴電潛艦嚴重受制於電池的蓄電量，因此在作戰時，必須定期上浮到呼吸管深度換氣，如此一來就容易被偵測到；但使用絕氣推進系統之後，可以在水下多撐許多天，就使得反潛作戰愈來愈困難。

關鍵時能保命

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，液態氧與液態氫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，往往也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。

施孝瑋也指出，以往傳言中共曾經在「元」級潛艦上，安裝自製的AIP系統；但從這次向俄羅斯採購具有AIP的潛艦，可以判斷共軍自製AIP系統仍不成熟，因此仍須從國外引進。

未來除了向俄國續購之外，以中共的習慣，也可能自行仿製生產。