非傳統船體構型軍用艦艇

2021-06-17|雲陽

非傳統船體構型軍用艦艇

撰稿/雲陽
圖片來源/軍聞社、美國海軍、美國國防部、印度海軍、維基百科、謝仲平


反艦飛彈改變海戰型態

反艦飛彈的出現改變了海戰的型態,配備飛彈的小型快艇從此具備擊殺大型船艦的能力,而且有效攻擊距離大幅延伸,不像過往的魚雷快艇,幾乎可說是得冒著生命危險,在敵艦砲火威脅下發射魚雷進行攻擊。而且隨著科技的進步,反艦飛彈的性能持續增強,不僅射程越來越遠,攻擊模式也更為「智慧化」,包括可預設多個轉向點,飛越後折返重新攻擊,終端航程隨機變換路徑等增加被攻擊者反制難度的措施都逐一運用實現,使得反艦飛彈問世即使已逾40年(以1960年代的冥河飛彈出現為起點計算),至今仍為船艦的最威脅之一。

過去多數的反艦飛彈設計以射程為優先考量,因此以採取次音速飛行為主,然而次音速飛彈使被攻擊者有較多時間進行迴避或反制,再者一般反艦飛彈因尺寸偏小而造成破壞力偏弱,較難發揮一擊致命的效果,因此出現使用重型高速飛彈的概念,其主張為高速飛彈(指二倍音速以上)的反制時間不僅較短,甚至即使其彈頭遭擊毀而失效,僅依靠飛彈本身重大質量的慣性撞擊,仍足以對目標造成嚴重的破壞。此種重型高速飛彈的發展,基於對大型船艦的有效破壞力,而盛行於強調反制航艦作戰的前蘇聯海軍。演變至今,舉凡要對付大型船艦,重型高速飛彈成為優先考量選擇使用的反制武器系統。

非傳統外型船體成為設計主流

以飛彈為主要火力的中小型艦艇特別注重擁有大型軍艦較難達到的高航速性能,以確實發揮奇襲優勢,一般大型軍艦的最高航速大抵略高於30節,而中小型艦艇則多能超越35節,甚至能達40節以上。因此高速飛彈船體設計亦不同於大型船艦,就傳統排水量型船體設計,滑航式(Hydroplane)是可達到高速的選項,此種快艇在進入高速航行時,艇艏會略為抬升,僅有艇底部份貼水滑行,阻力大減,因此能以高速航行,經常被用於魚雷快艇、緝私艇(走私艇更愛用)、突擊艇和巡邏艇等範圍,不過這種滑航現象僅發生在高速航行,所以滑航快艇在低速時與傳統排水型船艦無異,再者昇舉艇艏的效力有限,因此船隻噸位過大時會失效受限,所以滑航設計大多限於小型快艇使用隨著,最後是滑航快艇的「海豚躍水」必然現象難以克服,嚴重時甚至可能造成裝備損毀與人員受傷,因此上述缺點均限制了滑航設計在軍用艦艇上更進一步的擴大應用。

曾經風華絕代的水翼船(Hydrofoil)設計

就像所謂的「水能載舟,亦能覆舟」,船隻雖是藉由水的浮力運作,但船隻速度的最大限制也來自水的阻力,因此若能讓船隻在航行時,儘可能離開水面,顯然對於速度的提升會有很大的助益。水翼船的設計即善用此一理念,並有效融合也應用在飛行器的白努利定律,將具備浮力效應的翼面配置於船底,在行駛時產生浮力將船體抬離水面,僅保留推進系統於水中,所以可輕易達到高航速的要求。

過去水翼船曾經引領風騷,例如前蘇聯在1970至80年代末期曾先後建造及部署Turya級(魚雷)、Matka級(飛彈)和Muravey級(飛彈)等四種水翼快艇,這些水翼快艇的排水量大致都在200噸以上,最高航速都可超過40節。而追求大艦主義的美國海軍也曾跟隨流行,在1970年代開發出飛馬級(Pegasus)水翼飛彈快艇,排水量241噸,最高航速48節,總共建造6艘並投入服役,直到1993年才悉數除役。義大利海軍也曾在1973年至1982年間建造7艘排水量僅60噸的劍魚(Sparviero)級水翼飛彈快艇,最高航速則可達50節。另外日本則是採用義大利的設計,於1990年代初期建造3艘一號型飛彈快艇,在2008至2010年間逐艘除役。

然而水翼船雖然擁有高速的優點,但浸在水中的水翼同樣成為另一種障礙,半浸式水翼雖然結構較簡單,但僅適用設定的特有環境,而全浸式水翼必須有制動翼面以隨時調整船隻姿態,是故有機械構造複雜之虞,而且維護保養也較困難,加上為撐起船體,水翼結構強度必須格外注重,結果也形成限制,故僅較利於應用在小型艦艇,因此逐漸在軍用船艦市場失去吸引力,現今則多運用在商務載客市場。然而近來環保意識興起,水翼可能傷及海中生物的可能性一直遭到批評,所以其前景逐漸不被看好。

騰空而起的氣墊船(Hovercraft)

氣墊船也是另一種高速水面載具的主流,主要分為而且相較於水翼船,其遠離水面更甚,藉由往下高壓氣墊的支撐,幾乎可說是完全不與水面接觸,受到的阻力也極小,因此也可達到相當高的航速,目前已知最高速記錄是74節,而許多設計也都能達到50節。再者只要提供充分的氣墊支撐力,也能擁有足夠的載重能力,另外氣墊的形成靠自身動力提供,與船速無關,所以不像水翼船在慢速時性能會受影響,氣墊船甚至在停止時仍是維持騰空的,必要時還可在較平坦地面行駛。

不過為維持氣墊效能,必須隨時保持動力運轉,也造成氣墊船的耗油量相當驚人,明顯較不適合長時持續操作,而且機動性與靈活度較差,所以大多運用在軍事搶灘登陸或岸對岸的客貨渡輪場合。而且此項缺點在碰到石油危機時尤其顯著,許多商務用氣墊船都在遇到石油危機時因成本考量而不得不停止營業,軍事用途較不考慮油費高低問題,所以目前現存的氣墊船以軍用型較多。

現今最著名的軍用氣墊船設計,就是美國海軍的登陸氣墊艇(Landing Craft Air Cushion, LCAC)和俄羅斯的野牛級(Zubr)氣墊登陸艇。美國的LCAC為求能由其兩棲登陸船艦搭載,所以體型稍有限制,總重185噸,載重力60噸,滿載時最高速度40節以上,非滿載則可達到70節;俄羅斯的野牛級則是可算是岸對岸的登陸艇,所以體型不受限,滿載總重達555噸,載重能力為56噸,還配備有快砲、火箭、水雷和人員攜帶型防空飛彈等武器系統,充分展現其必須獨立作戰的需求和概念,與美國的LCAC純運輸功能截然不同。

氣墊船的另一種變化是將原本船底用來圍住氣墊的彈性側裙,改用兩側固定剛性側裙,變成類似雙體船的構型,但前後仍使用彈性側裙,中間則同樣以下吹風扇產生氣墊,此種設計亦可算是表面效應船的一種。由於剛性側裙圍住氣墊效能較佳,所以適合建造較大的船體,不過因為有少部船體結構在水中,所以也喪失兩棲登陸的能力,但仍保有淺吃水的特點。此種設計最著名的就是挪威皇家海軍的盾牌級(Skjold)巡邏艦,美國海軍和海岸防衛隊亦對這種設計相當感興趣,曾在2001至2002年間,向挪威租用第一艘盾牌級巡邏艦(P960)在美國沿岸進行測試。另外美國海軍的濱海戰鬥艦在發展初期的設計案競標階段,雷神公司也曾使用類似的設計參與,但並未入選。無獨有偶,日本在討論其濱海戰鬥艦的設計時,也曾出現同種構型的提議。

雙體船(Catamaran)成為新興主流

在休閒用或競賽用的船型設計領域,雙船體風帆船本來是相當常見的型式,而且其實此種設計已擁有相當悠久的歷史。據瞭解,散居太平洋島嶼群的航海民族玻里尼西亞人早已使用雙體風帆船達數個世紀之久。

藉由數根橫衍或甲板將兩個船身結合的雙船體設計,不像單體船必須依賴船底龍骨壓艙來仰制橫搖,雙體船受益於較寬的船舷寬,不易產生大幅度的橫擺,同時也有較佳的裝載效率,而且由於省略龍骨壓艙結構,使得吃水得以減少,適合在淺水區域航行。

擁有上述多項優點的雙體船過去原本主要偏重應用在以風力為動力的帆船領域,但近來逐漸受到動力船舶領域的重視,尤其在噴射泵這種新式動力系統(高速運轉下效率較佳)的加持下,成為船舶運輸的新寵。再者船體外型也有所演進改良以順應更大的體型和更高的航速,例如船艏水中結構採用狹長刃式造型以達到所謂穿浪效果,從而進一步提高船速;另外雙船體之間懸空的船艏結構,在平常航行時不會接觸到水面,所以不至於增加阻力,但是遇到海象不佳需頂浪前進時,中央船艏結構的浮力就能扺銷船隻嚴重縱搖效應,避免雙體船常發生的「埋艏翻覆」現象。

就航行性能而言,雙體船的另一項特性是橫向穩定性較高,主要因其橫幅較寬所致,在一般海象時也會較比傳統單體船穩定。然而這項特性卻也是缺點,因為當海象逐漸惡劣時,由於較佳的橫向穩定力矩形成船舶橫搖的周期偏短,也就是橫搖的頻率偏高,結果反而造成乘員不適容易暈船,甚至對系統設備也可能有不良影響。

其次雙體船受到載重的限制也高於單體船,船舶的載重能力主要來自船隻在水中的體積,也就是一般所指排水量的定義:排開水的重量。而雙體船為著重狹小船體減少阻力的特性,對於載重量的增加就相形敏感,基於排水船體較小的事實,少量的載重都會引起吃水大幅增加,從而影響船速,更甚者一旦造成中央懸空船身接觸水面時,性能更急劇惡化到不如單體船。在此還要澄清一項觀念,在裝載能力方面,雙體船優於單體船的主要是空間效率的表現,特別是水線以上甲板空間的利用,所以適合裝載體積大但重量不會過高的貨物,不像單體船在水線以上增加載重就很容易造成所謂定傾中心的上移,使得船隻容易翻覆,為此就得增加龍骨配重加以抵銷,結果又形成船隻總重的增加。因此若是對重量噸位和容積噸位的認識不夠明確,就很容易產生「同噸位設計可有兩倍裝載量」的誤解,而構思出以小於老陽驅逐艦噸位的船體,卻要容納超過勃克級驅逐艦武器數量的不合理設計。

雙體船的另一項缺點是在橫搖時兩船體受力並不平均,因而連接兩個船體的中央結構必須有足夠的剛性與強度以承受扭曲,於是中央結構必須建造得格外堅固,而且還要訴求輕量化,所以大多會採用較高級的材料如碳纖維或特殊鋁合金建造,結果也無可避免造成建造成本的增加。

另外值得注意的是,雙體船因為主要浮力來自較狹小的船體,因此對於水下損害的容忍度較低,其次為減輕船體重量而大量採用鋁合金或碳纖維等材料,對於爆炸的承受力亦較差,因此在作戰時需特別注意戰損對船隻性能的影響,不過基於船身本來就較小的特性,其實也是比較不易攻擊的目標,所以多少也彌補了這方面的缺失。

澳洲在穿浪型雙體船方面的設計領先各國,其Incat和Austal兩家造船廠建造的多艘穿浪型雙體船不僅獲得許多客貨商船青睞,包括澳國皇家海軍和美國軍方也都有採購或以租賃方式操作並進行評估。另外澳洲在此領域的技術也有授權輸出,台海兩岸在近幾年均出現這種構型的軍用艦艇應可為佐證。

美國海軍也在2003年建造的海鬥士號(Sea Fighter, FSF-1)實驗艦於2005年開始服役,排水量1600噸的海鬥士號主要用來進行關於濱海戰鬥艦的各種系統與技術驗證,雖有資料認為其構型屬於及SWATH(見後述),但觀察艦艉可看出偏向雙體船的設計。海鬥士號也被用在開發未來驅逐艦的可能構型,因為其最高55節的船速已足以匹敵或迴避當代的多種現役魚雷。

基於長年操作和測試雙體船的經驗累積,美國軍方終於確定穿浪型雙體船的發展,由海軍主導「聯合高速載具計畫」(Joint High Speed Vessel, JHSV)自2010年開始建總數10艘的「矛頭」級(Spearhead class)聯合高速載具,用以支援美國海軍和陸軍的快速反應部隊運補任務,前四艘目前均在2012至2014年間交付並成軍服役,美國海軍最終則希望在30年內能達到籌獲30艘的目標。

國軍的雙體船

我國海軍開始使用雙體船的時間相當早,可追溯到1986年之前就已開始服役的兩艘SV1級海測船,排水量僅47噸,主要從事沿岸的海測任務,並非強調高速性能的設計,也沒有穿浪式船艏和中央懸空船身的設計,目前此兩艘海測船均已除役。而現今以「迅海計畫」建造的沱江軍艦則是海軍最新一代的雙體船。

沱江艦已與2014年12月23日完工交艦,依現今公開資料顯示,全長60.4公尺、寬14公尺、最高速率38節、滿載排水量約502噸、輕載排水量約449噸、續航力2000海浬、搭載41員,耐波力達七級風浪,就海軍在跨年元旦實施曙光操演時所觀察到沱江艦影片,可發現在大風浪環境下,穿浪型艦艏仍產生效用讓船艦能維持高速航行,而中央船艏結構也適時產生功用頂起船身,不致造成「埋艏」。不過遇大風浪時仍不免有嚴重縱搖的情況發生,這是基於船隻噸位較小的原因,而其較單體船更狹窄的船體結構也無法加裝水下主動穩定鰭,自是難以克服這項中小型船舶原本就會有較大搖晃的傾向。

以目前所公開的沱江艦性能諸元,與錦江級(兩者艦級和任務屬性類似)比較,可發現沱江艦排水量與錦江級(也是500噸左右)接近,但吃水卻只有一半(錦江級吃水5.1公尺),而舷寬也多了近一半(錦江級全寬9.5公尺),而最驚人的是配備的飛彈數量足足多了一倍,而且還多了方陣快砲和飛行甲板,由此可見雙體船設計的優越之處。

與雙體船有異曲同工之妙的小水線面積雙體船

小水線面積雙體船(Small Waterplane Area Twin Hall, SWATH)基本上可視為雙體船的另一種衍生變化型,是追求縮小水下截面積以降低阻力的極致表現。水線的船身由水線下的魚雷結構物提供,兩者之間的結構僅為支撐之用,而沒有浮力效應,形成興波阻力也小,耐波性能也較佳。工作原理其實又和全浸式水翼有些類似,只不過SWATH水下魚雷結構本身就具備浮力,不像水翼必須靠前進行駛產生浮力。但是SWATH因為魚雷船體全在水中,船身姿態發生變化時缺乏修正浮力,所以必須在水下魚雷體結構安裝穩定鰭,隨時調整船身姿態,所以也相形造成操縱系統的複雜化,連帶產生造價提高和維護不易的問題。

SWATH也和雙體船類似都對排水量的增加極為敏感,而且SWATH的表現更為明顯,因為其水下魚雷結構體已經亳無預浮力可言,所以運用上必須要精準控制載重,否則若是水面上船體接觸水面或水下結構露出水面,都會影響船隻航行的穩定。

已除役的海影號(Sea Shadow)實驗艦是相當著名的SWATH軍用艦艇代表,建造於1984年,主要是美國海軍為進行匿蹤技術測試目的之用,排水量僅572噸,於1993年首度對外公開時曾引起極大關注與極多猜測,一度被認為會是美國海軍未來船艦的構型,不過日後則證實其僅純屬實驗艦性質,而且在極為先進的匿蹤外觀之下,內裝卻相當簡陋,除了基本的航海設備外,還有一些炊食用具而已,甚至未裝有任何一種任務系統。不過其航行性能仍相當優秀,據記錄顯示在六級海象下仍能平穩行駛。該艦已在2006年9月除役,原本美國海軍還想競標售出,讓有興趣的買家購入改裝成博物館,但卻缺乏有意者,因此最後裁定予以拆解,因此也算是傳奇名艦的海影號終於在2012年1月步入淪落為廢鐵的命運。

與雙體船設計目標一致的多體船

包括以三船身或五船身組合成的多體船雖可視為雙體船的衍生型,但理念則不稍有不同。不像雙體船是以左右對稱相同大小船身組合而成並分攤浮力,多體船的設計多以中間的細長船體為主,兩舷再配置兩個以上(以偶數為基準)的輔助小船身而成三體船或甚至五體船,浮力來源主要根基於中間的主要船身,兩側輔助船身雖也可提供浮力助益,但功能著重於提高橫向穩定度及耐波性,在適當的設計下還能有減少興波阻力的功效。不過藉由多個船身的聯結也可增加甲板面積,提高裝載效率的功能與目的而言,多體船和雙體船所採取解決途徑是類似的,結果也造就類似的缺點:亦即結構的複雜和建造難度高,連接各船身的橫向結構必須特別堅固,才足以抗拒橫搖時不同船身之間產生的不均勻受力,而且因為結構較複雜,建造材料必須選用較輕的鋁合金或複合材料,於是不僅造價偏高,損壞承受力也較低。

海神號(RV Triton)是三體船被實際運用於軍事用途的先驅,於2000年下水的海神號總噸位2236噸,是英國皇家海軍為進行新式船艦構型開發及港埠操作驗證而建造的實驗船,在「未來水面戰鬥平台計畫」(Future Surface Combatant project)研究執行結束後,英國皇家海軍認為已無保留海神號的需要,因此在2005年將她轉售給Gardline海上科學公司。Gardline公司將海神號改裝成多用途海洋測量船,配合政府和學術界執行海測任務。2006年12月,Gardline公司又與澳洲海關邊境局簽約,將海神號租賃給澳洲,在加裝兩挺50機槍,配賦28名武裝人員後,專責北澳沿海的巡邏工作。

另一艘著名的軍用三體船是美國海軍的獨立號(USS Independence, LCS 2)濱海戰鬥艦,構型是相當典型的三船身設計,中間為細長船身和船艏,配合船舯以後的兩個輔助船身,三者再連接構成艦艉寬闊的甲板,可謂設計充分運用三船身設計的優點,同時為彌補浮力分佈偏後的特性,獨立號在中間船身的艦艏加裝有穩定翼,以避免埋艏現象發生。

曾經曇花一現的裏海怪物

冷戰時期前蘇聯開發的「裏海怪物」翼地效應船曾經震驚西方世界,以為海戰型態將從此改觀,任由蘇聯人主宰,因為翼地效應船所具備的高速是任一種水面船艦都望塵莫及的,而且從已曝光的資料顯示,蘇聯人在該領域的技術已達成熟階段,更令美國人緊張。

基本上,翼地效應船可視為是以低空貼地飛行的飛行器,因為距離水面極低,不僅有最佳升力效果,還可充分運用機翼與水面壓縮空氣而成的氣墊效應,所以載重能力高於同尺寸飛行器甚多,燃料消耗也較節約。可惜後來蘇聯的國防政策改弦易轍,其武裝型翼地效應船的發展全部中止,在蘇聯解體後不只發展經費沒有著落,連基本的維護保養都無以為繼,僅建造一艘的MD-160存放在碼頭逐漸鏽蝕毀壞。高速雖然是翼地效應船的優點,但因為飛行時貼地過近,若無良好規劃,在沿海區域很容易撞到小型船隻,所以實際上並未成為交通工具的主流,目前包括俄羅斯、德國和其他國家都只有小型的實驗計畫,未見到有積極朝大型化的發展。

傳統排水型船舶仍居主流

從上述介紹的各種非傳統船型設計都可看出,其最重要的目的就是希望克服水的阻力達到具備高速航行的性能。而且因為水的阻力正是限制速度的最大因素,所以不論任何一種設計,明顯都是以儘可能減少接觸水面為前提。但是這種解決手段卻也等於放棄船舶漂浮的最大憑藉——水的浮力,所以非傳統船型設計都難以達到傳統排水型船舶的載運能力。因此,在船舶的世界除非對於速度的追求明顯遠超過對載運效率的需要,否則傳統排水型船舶設計仍是較佳的解決方案。所以亳無疑問,在可見的未來,傳統排水型船舶仍會是人類渡海越洋的主要工具。

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