超级军网建構潛艦概念設計階段分析模式之研究
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/27 17:02:46
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建構潛艦概念設計階段分析模式之研究
夏曉文 林良全 任展勇先生
提 要：
一、本文主要為探討潛艇在概念設計階段時，其建造規劃與成本分析相關之主要
議題，整體而言，此一設計階段的工作內涵除應考量船東需求與性能要求外，同
時對建造成本須控制在合理且可接受的範疇內。
二、有關建造規劃所含蓋的工作項目包括機械加工製造程序、主壓力殼段組裝順
序、內部安裝以及潛艇船塢組合等四個部分。
三、在建造成本估算模式中，是以美國海軍艦艇子系統的重量成本做為分析依據
，另並彙整瑞典斯德哥爾摩國際和平研究院所提出之潛艇造價與性能等報告資料
。
四、潛艇在設計過程中對於建造成本的影響因素甚多，其中包括可識別成本、建
造與組合成本、船廠設備與固定成本、品質標準與測試成本、創新設計與研發成
本及利潤裕度等。
五、潛艇在設計及建造時，對於其性能、成本和財力必須維持一準確的平衡點，
俾能確保潛艇建造工作可滿足造艦合約與成本控制的雙重要求。
壹、前言
潛艇在概念設計階段所需考量的工作項目中，建造規劃與成本分析二者從整體觀
之，至為重要，本文即以建構其分析模式為探討主題。潛艇的建造方式有別於水
面艦或商船，此乃由於潛艇在海中除須承受海水靜壓力外，亦須具備抵抗動態之
爆炸負荷，故建造時除了性能的考量外，更須注意壓力殼的耐壓能力。另者，潛
艇在設計建造時，必須能夠滿足船東或使用者所能接受的價位，並且在細部設計
及建造時能夠有相當的財力予以支持。雖然潛艇的建造是以性能需求為主要的考
量，然而，其所產生的直接和間接建造成本，亦要能夠被容許接受才是。因此，
潛艇在設計及建造時，對於其性能、成本和財力必須維持一準確的平衡點，俾能
確保潛艇建造工作可滿足造艦合約與成本控制的雙重要求。
貳、潛艇建造組裝製程
潛艇在組合建造開始之前，必須將所有基本的材料和設備購得，並按照個別型式
予以分類儲存。對於船體而言，所需組成結構體的鋼板計有不同的特性、公差與
厚度，故不是設計用於製造的肋骨，可以加入標準結構區塊加強。其次，管路和
電纜線也有許多尺寸、特性及材料，這些龐大的零件諸如管件、連接器、閥、電
路接合器與開關等。其它重要的項目計有葉軸與控制曲面料品等鍛件和鑄件。
有些船體設計也會要求特殊的鍛造外型用來建造艇殼。在設計與建造中，這些特
殊的鍛件和鑄件都是重要的料品，所以必須在設計過程中及早訂好，並能夠在建
造時，保證適時可提供使用。對於許多主要項目－如輪機、設備和電子儀控等，
需要較長的時間由製造廠商來供應，則有賴於建造程序的安排，且必須能及時提
供給船廠（建造者）在適當階段進行安裝。
建造者若為一主要公會團體，則在該組織內之部門可能生產上述項目，另者，如
果建造者僅為由次包商提供物料與組裝的角色，則其將必須調整建造計畫來配合
裝備的報價交貨日期。
材料與裝備的訂購為一主要的工作，在設計室與訂貨部門需要有實際單位從事之
，如此處理過程能有效地與準確地執行。當藉由電腦能提供需要的所有項目資料
時，採用電腦輔助設計及製造(CAD/CAM)系統，則相當地有助於此一階段的工作。
在下料開始組合與建造之前，建造船廠品管部門扮演角色為，對於所有的建造材
料必須符合軍用規格要求，並對於建造組織人員的施工品質應要能滿足造艦合約
與規範的要求。
一、機械加工製造程序
艇殼和內部結構的鋼板需要切削製作成許多不同的形狀，此可藉由電腦輔助設計
及製造(CAD/CAM)系統的數值控制切削程式予以製造，並且對於切削後的小塊鋼板
做最大的利用，以節省材料。許多潛艇內部結構元件可藉由焊接結合成箱型的結
構，但是許多壓力殼板型式必須藉由滾軋(Rolling)的方式，製造成所需要的殼板
曲率。因此，在設計中可從選擇鋼料的厚度和材料強度的不同，而決定鋼板成形
過程的難易度及施工機具的型式。此外，如果壓力殼為半球形(Dome)或球形過度
位置(Spherical Transitions)之設計，則其曲率(Curvature)必須取二倍，這與
圓筒形壓力殼(cylindrical)取單倍曲率有所不同。對於較大的半球形壓力殼，需
將鋼板模壓成形並將其焊接成所要的半球形體。對於小型的半球形殼部分，可以
使用單一薄板並藉由熱旋壓(Hot Spinning)和熱處理程序來完成半球形殼。
二、主壓力殼段組裝順序
環形壓力殼（Hoops）通常是將二至三塊經過成形的殼板結構焊接組合而成，有些
環狀殼像是筒狀形，部分像是小型圓錐形狀，有些則完全像是錐狀形(Conical)，
如圖一所示〔註一〕。
對於焊接時需要特別控制的焊接條件，尤其是高強度鋼板的焊接，其焊接方式須
使用大型的車床心軸旋轉鋼材，並在艇殼內外兩部分施以立焊(Down-Hand Weldi
ng)予以接合。潛艇主要結構的焊接有內部和外部兩種加強方式，其環狀肋骨一般
採用外部焊接的加強方式，焊接時必須小心，以避免產生幾何結構變形的發生，
如圖二與圖三所示〔註一〕。
在結合環形壓力殼時，將所要接合的壓力殼相鄰排列在一起，並使用車床及夾具
予以固定，以協助施工人員控制其圓度和尺寸的精確度。下個步驟是將許多主要
艇殼外部結構連接的環形圓柱的小組合予以接合，這通常為三至四個組合體如圖
四所示〔註一〕。此時內部箱槽結構焊接完成，並對於焊道實施非破壞性檢驗，
箱槽結構的壓力測試等，此時初步艇殼結構工程完成。
三、內部安裝
潛艇在小組合（Sub-Assemblies）階段的同時亦須安裝機械設備、管路系統、電
線電纜等內部裝置，此工作可以在工場進行結合和安裝，而不須在船台或船塢內
實施，但工場組合的壓力殼結構，必須考量乾塢吊車最大載重負荷及重型結構運
輸能量等因素，以便於船塢或船台實施大組合的工作。
早期潛艇在開始建造以前，會依照固定的比例(通常為1：1)建造模型，內部的結
構與裝備亦皆以木材或是塑膠建造模具(Mock-Up)來模擬建造的程序與安裝的步驟
。以減少安裝上的錯誤及重新翻工的機率。近年來，潛艇的設計已開發使用縮小
比例的模型樣品，並使用電腦技術模擬潛艇的建造程序，來取代實體模型以節省
時間與金錢〔註二〕。
四、潛艇船塢組合
船體建造最後的步驟是將四至五個大組合的艇殼殼段在船台或是船塢予以接
合（如圖四），而完成艇殼的最終結合。在此階段中，工作內容極為複雜，對於
潛艇下水前之所有的安裝與測試工作均必須在此階段完成。潛艇從船台或是船塢
完成下水約達成潛艇建造程序的90％，而在下水前須完成葉和一些外部設備的
安裝（如穩定翼、陣列聲納等），以及完成各項主輔系統裝備的安裝測試。在完
成下水後實施出海試航前，必須作好一連串的港灣下潛測試，以確定艇殼結構和
操作裝備的性能符合設計及使用需求。
參、潛艇建造成本估算模式
潛艇的建造成本在設計過程中可由多項的方式作估算，目前仍沒任何的方式最容
易滿足建造成本的標準。但是重要的是如何辨別成本和價格之間的差異，實際上
佔潛艇價格大部分的費用為建造人員或是承包商上的人事成本，而潛艇本身物料
成本僅佔有小部分的費用。對於潛艇價格的區間範圍則會因為政治的因素而有所
差異，甚至於牽涉更多層面的問題：像是計畫建造多少數量和分成幾批建造，建
造者的競爭對手的多寡程度，建造者的財力、設備和技術等因素。另一方面，為
了考量使用者的用途，而改變潛艇原有的設計，以滿足使用者的個別需求。由此
可知，潛艇的成本是藉由設計者在初步設計階段時對於各項系統的成本估算總合
的一個過程。
根據美國海軍新建艦艇之造價預估分析，在初步設計階段中，應取得D級造價預估
資料，以進行各子系統裝備預算之考量，有關各級造價預估之說明與功用分析如
表一〔註三〕。為蒐集世界各國在建造成本上之可參考相關資訊，特別以瑞典斯
德哥爾摩國際和平研究院(Stockholm International Pea-
ce Research Institute, SIPRI)每年所公佈之資料做為本研究之基準。經過彙整
與分析，將2001年世界九個國家及十種型式之潛艇造價與性能列於表二〔註四〕
。
一、各系統的重量成本
一般潛艇的成本預估是以各系統所需的重量考量之，而決定新船各主系統每
噸重量的平均成本可從早期概念設計的研究中粗估獲得。重量資料的正確與否取
決於對過去潛艇資訊蒐集的完整以及新設計改變的幅度大小，另外需注意的事項
諸如：已選取玻璃纖維強化塑膠（Glass Reinforced Plastic，GRP）最常為外殼
結構之用，但之前的設計都未使用過此類材料的問題。以重量為基準的成本計算
是一種便利的估算方式，並已為成本計算專家使用多年，尤有甚者，現存有關成
本的歷史資料僅以重量做為分類。然而，此一方法卻無法完全地反應出非常態幾
何形狀或使用特殊材料之潛艇功能。
美國海軍海上指揮部(NAVSEA)曾就戰艦各子系統費用佔全船建造成本之比例提出
報告，詳如表三〔註五〕。為能夠更具體地表示各子系統重量與成本之間的關聯
性，本文以長條圖針對該七項子系統加以分析，圖五為各子系統佔全船的重量百
分比，其中船體結構佔的比例最大，圖六為各子系統每噸相對成本的關係，其中
電力系統每噸的相對成本最高，而圖七則為各子系統佔全船相對成本的關係，其
中推進系統與電力系統佔全船成本的百分比相近且為最高。
二、成本函數
就理想而言，如果成本可以直接用函數關係表示之，則有助於設計目標的達成，
而此一結果的貢獻將使設計工程師可確認海軍對造價需求的考量。但是希望中的
成本函數實難以達成，因為不可能獲得單一的成本函數關係。舉例來說，隔艙壁
(Dulkhead)的成本應能易於評估，但是在潛艇中隔艙壁的功能如何以幾項函數與
成本關聯？而所熟知隔艙壁的功能為承受潛深壓力、分隔艙間、支撐甲板結構和
裝備，以及做為逃生艙等用途。上述功能如缺少其中一項，則潛艇設計的成本結
果將有所差異。過去經驗顯示，如所面臨的成本過高，則要決定放棄一項需求，
以確定此項主要的讓步奏效。在概念設計與可行性研究階段的原則中，設計作業
儘可能一次改變一項參數，並評估該項改變所產生的成本差異，然而，次系統的
非線性與內部關聯性在成本上會造成不規則的變化。參數變化的特殊組合比單一
函數變化可導致成本更為有利的改變，此舉可用配合加強的效應說明之。
肆、成本架構分析
在設計階段中，要辨識各項成本，建議採用一架構來進行探討，本文所列舉的部
分包括可識別成本、建造與組合成本、船廠設備與固定成本、品質標準與測試成
本、創新設計與研發成本以及利潤裕度等六項，分別討論如下。
一、可識別成本
潛艇因有較嚴謹的安全規範要求，無可避免的在設計上需要較高成本的材料以滿
足安全需求。對於壓力殼而言，如果在設計上為了體積控制的考量，而使用易於
建造且等級較低與便宜的鋼材是可以想像得到的。換句話說，設計人員在設計時
對於材料的選擇將直接影響材料的成本。設計者若使用符合工業標準規範的尺寸
、厚度和公差的材料，則其成本將相對的增加。另外對於潛艇內部安裝設備的性
能，亦影響成本的多寡，如設計人員使用非主流的裝備將可能降低其成本，若為
滿足客戶特別的功能需求，則該設計將增加其成本。然而，對於潛艇的主要戰鬥
武器以及聲納設備在成本上佔有重要的部分，咸信為大眾所公認，但卻不盡完全
地真實。
二、建造和組合成本
潛艇的建造和安裝過程在整體的成本上佔有很大的比例，設計人員選擇何種結構
的設計，對於建造成本有絕對的影響。設計人員所必須注意的是建造的可行性及
施工簡易性。如果在設計的許可下，壓力殼應保持固定的圓筒形狀，且採用較厚
的鋼板以及較少量的大型結構，以簡化組合的過程，並使用相同夾具且以滾壓完
成較長形的結構，如組合環形殼板等，以減少焊接的區域。
相對而言，對於許多直徑變化較多的圓錐狀艇殼的結構部分，為組合成環形結構
的需要，其建造成本將增加。而大型空間結構應降低切削數目與焊接時穿透結構
，施工時其過程儘可能簡易。壓力殼設計亦應避免不佳的幾何形狀，以減少焊接
和組合的難度，特別是幾何並列的結構應避免單一肋邊的焊接。
潛艇的系統設計為使其具有相同的建造條件，所以盡可能保持其簡單化。儘管如
此，對於系統結構需要成倍數的來進行安全和破壞模式的分析亦應盡可能避免，
因此方式不僅增加初始建造考量的因素，亦增加測試的品質和後續的保養維護等
。對於大量的管線及電纜，應盡可能避免端頭貫穿潛艇的連接。對於潛艇的動力
系統和其他系統所必須貫穿潛艇的設計，亦應被劃分在同一區域的位置。如此，
將增加預留測試使用的最大限度，以及預留主要艇殼結構內部組合安裝施工的便
利性。
潛艇設計的目標是使壓力殼的焊接連接部分減至最小，並且在艇殼的適當位置予
以焊接在一塊。在艇殼的最後組合階段時，適時的淨空工作區則有助於施工及焊
接的完成。潛艇從設計至組合建造完成，所需的時間甚長(達三至五年之久)，此
期間經由機械設備切削鍛造完成的大型環狀結構，以及因建造時所能承受的壓力
會隨著時間的增長而有所改變，此將造成建造過程的複雜化以及延誤建造的期程
，最後必然將增加建造的成本。
三、船廠設備和固定成本
在潛艇的設計階段對於船廠是否有能力建造新潛艇是值得關注的，在大多數的國
家對於潛艇的建造皆能夠在其工業技術範圍內實施。但若是設計和製造分別在不
同的國家時，則在設計過程中對於建造廠的能力應予以考量。如果潛艇的性能參
數是頂尖的，則必花費相當高的設備資本去建造。高降伏壓力的材料，特別是鋁
合金鋼在潛艇設計上是極為有利的，但是比起一般鋼材卻較難成形與控制其溫度
，且須經由熱處理，以及特殊的焊接技術才得以完成，故相對的需要增加設備技
術的成本。
在設計時如果沒有考量材料和設備以及資本等因素下，則將增加潛艇建造的成本
。對特殊材料而以大型的鍛造和鑄造來生產，必須有極大的財力予以支持，因為
在特殊成形以及在極限能力上完成的構件，可能將增加兩倍或更多的成本。如在
重要壓力殼的部分，使用特殊鑄造的青銅海水閥，因具有高品質的性能，相對的
會增加其建造成本。
四、品質標準和測試成本
潛艇耐衝擊、壓力殼真圓度的建造公差、以及潛艇在波浪起伏的水下操縱等，皆
需要高品質的測試與保證，而對於特殊材料要能夠符合品質保證的需求卻是極為
困難與深具挑戰性。關於建造和測試以及施工的品質，有許多相關的保證規範與
規定，而建造中卻難以達到品質保證的一致要求。但是這並不意味著逃避品質保
證的一個藉口，而是在合理的約束條件需求範圍內達成的一種較佳情況。
五、創新設計與研發成本
在設計中的任何進步，無庸置疑的是要藉重研發工作，以期能對所採用的新架構
和建造方式建立其測試和分析工具。因此，設計者扮演著一個雙重的角色，一個
是對於結構或設備的研究與創新，而能夠達到性能和成本的優勢。例如：在相同
的性能考量下，是選擇降低阻力50％或是增加推進效率50％兩者擇一，而設計者
將毫無疑問的提出不是改進其性能就是降低尺寸和成本。
設計者扮演的另一個相當艱難的角色，是採取一種較為固執的態度，因為他必須
在設計的領域範圍內持續嚐試著以研究和開發來顯示所能夠完成的可行性。例如
：完全改變潛艇流體動力學的結構，可以提供改進其性能，但是對於推進和操控
性能的表現卻是未能預知的，若潛艇在改變設計上能夠找出與安全相結合的特性
，則其所做的改變是值得肯定的。同樣的，壓力殼設計有偏離標準壓力殼結構的
情形，對於較佳的最初設計亦仍會引起在建造後期結構強度的難以辨別和建造的
困難。
潛艇壓力殼材料主要是採用高強度鋼，或使用新的材料像是鈦合金(Titanium)以
及玻璃纖維強化塑膠等，對於這些材料將在成形和連接時產生新的問題，並且在
長時間使用下將造成應力疲勞等問題。如果在設計中必須採用像鈦合金以及玻璃
纖維強化塑膠等特殊的材料，則在研究和開發的時間與成本上，必然將帶來一筆
可觀的費用。一般不得不承認在創新技術上所可能增加的風險，其不僅增加新技
術的研發時間，並且將改變全體建造人員的工作型態，因此，亦將要額外地施以
訓練方案以提升建造的技術。
六、利潤裕度
設計者對於上述建造潛艇的成本較不感興趣，而建造公司則對於潛艇建造結構的
要求並不關心，其所在意的是投資金額利潤報酬的多寡。利潤裕度有助於成本的
評估，如果利潤能夠被明確的分開，則其將超越許多成本之上，而導致實際成本
評估的困難。如果建造的利潤不高，建造時建造公司和需求兩者要達成協議實際
上是困難的。對於施工的考量上，將最初原始的設計在實質上或是表面上做一些
微的改變或偏離，建造者將會在適當的時機下要求增加額外的費用。
伍、結語
潛艇建造性能與成本控制的良窳主要關鍵繫於設計者的初步設計工程；換言之，
許多細部工程在初步設計時即已決定，並直接影響建造能力和成本。由於潛艇的
建造費用極為龐大，而其建造成本取決於尺寸大小與複雜性，且可藉由潛艇限制
尺寸的設計而控制其成本。惟在設計時如對潛艇限制尺寸大小，而並未減少操作
的性能需求時，將致使潛艇的建造更為複雜和擁擠，以及更加造成建造的困難性
。
設計人員在滿足客戶的條件下藉著限制尺寸來降低成本，對於潛艇的操作性能參
數，則多以最大速度的支配為考量，並藉由武器裝備的裝載和全體船員容納數量
的需求來達成。而最大速度的支配設計一般多用於傳統動力潛艇，相較於核動力
潛艇的範圍較少，主要原因為其安裝固定的反應爐裝置所致。
值此海軍第三代潛戰兵力籌建之際，如何建構乙套「潛艇概念設計階段之建造規
劃與成本分析」的整體客觀分析模式，以提供我海軍未來潛艇建造之參考，實為
本文的最大初衷。
註一：Burcher, R. K. and Rydill, L. J., Concepts in Submarine Design,
pp. 225-240,Cambridge University Press, 1994,
註二：潛行，「深海蛟龍—軍事潛艇的建造程序」，軍事家雜誌，第214期，200
2年6月。
註三：聯合船舶設計發展中心，「軍艦設計實務」，民國73年11月12日。
註四：Stockholm International Peace Research Institute, SIPRI Yearbook
2001Armaments, Disarmament and International Security, Appendix 5C, O
xford University Press, 2001.
註五：NAVSEA, Ship Design in NAVSEA, August 1982.
夏曉文 林良全 任展勇先生
提 要：
一、本文主要為探討潛艇在概念設計階段時，其建造規劃與成本分析相關之主要
議題，整體而言，此一設計階段的工作內涵除應考量船東需求與性能要求外，同
時對建造成本須控制在合理且可接受的範疇內。
二、有關建造規劃所含蓋的工作項目包括機械加工製造程序、主壓力殼段組裝順
序、內部安裝以及潛艇船塢組合等四個部分。
三、在建造成本估算模式中，是以美國海軍艦艇子系統的重量成本做為分析依據
，另並彙整瑞典斯德哥爾摩國際和平研究院所提出之潛艇造價與性能等報告資料
。
四、潛艇在設計過程中對於建造成本的影響因素甚多，其中包括可識別成本、建
造與組合成本、船廠設備與固定成本、品質標準與測試成本、創新設計與研發成
本及利潤裕度等。
五、潛艇在設計及建造時，對於其性能、成本和財力必須維持一準確的平衡點，
俾能確保潛艇建造工作可滿足造艦合約與成本控制的雙重要求。
壹、前言
潛艇在概念設計階段所需考量的工作項目中，建造規劃與成本分析二者從整體觀
之，至為重要，本文即以建構其分析模式為探討主題。潛艇的建造方式有別於水
面艦或商船，此乃由於潛艇在海中除須承受海水靜壓力外，亦須具備抵抗動態之
爆炸負荷，故建造時除了性能的考量外，更須注意壓力殼的耐壓能力。另者，潛
艇在設計建造時，必須能夠滿足船東或使用者所能接受的價位，並且在細部設計
及建造時能夠有相當的財力予以支持。雖然潛艇的建造是以性能需求為主要的考
量，然而，其所產生的直接和間接建造成本，亦要能夠被容許接受才是。因此，
潛艇在設計及建造時，對於其性能、成本和財力必須維持一準確的平衡點，俾能
確保潛艇建造工作可滿足造艦合約與成本控制的雙重要求。
貳、潛艇建造組裝製程
潛艇在組合建造開始之前，必須將所有基本的材料和設備購得，並按照個別型式
予以分類儲存。對於船體而言，所需組成結構體的鋼板計有不同的特性、公差與
厚度，故不是設計用於製造的肋骨，可以加入標準結構區塊加強。其次，管路和
電纜線也有許多尺寸、特性及材料，這些龐大的零件諸如管件、連接器、閥、電
路接合器與開關等。其它重要的項目計有葉軸與控制曲面料品等鍛件和鑄件。
有些船體設計也會要求特殊的鍛造外型用來建造艇殼。在設計與建造中，這些特
殊的鍛件和鑄件都是重要的料品，所以必須在設計過程中及早訂好，並能夠在建
造時，保證適時可提供使用。對於許多主要項目－如輪機、設備和電子儀控等，
需要較長的時間由製造廠商來供應，則有賴於建造程序的安排，且必須能及時提
供給船廠（建造者）在適當階段進行安裝。
建造者若為一主要公會團體，則在該組織內之部門可能生產上述項目，另者，如
果建造者僅為由次包商提供物料與組裝的角色，則其將必須調整建造計畫來配合
裝備的報價交貨日期。
材料與裝備的訂購為一主要的工作，在設計室與訂貨部門需要有實際單位從事之
，如此處理過程能有效地與準確地執行。當藉由電腦能提供需要的所有項目資料
時，採用電腦輔助設計及製造(CAD/CAM)系統，則相當地有助於此一階段的工作。
在下料開始組合與建造之前，建造船廠品管部門扮演角色為，對於所有的建造材
料必須符合軍用規格要求，並對於建造組織人員的施工品質應要能滿足造艦合約
與規範的要求。
一、機械加工製造程序
艇殼和內部結構的鋼板需要切削製作成許多不同的形狀，此可藉由電腦輔助設計
及製造(CAD/CAM)系統的數值控制切削程式予以製造，並且對於切削後的小塊鋼板
做最大的利用，以節省材料。許多潛艇內部結構元件可藉由焊接結合成箱型的結
構，但是許多壓力殼板型式必須藉由滾軋(Rolling)的方式，製造成所需要的殼板
曲率。因此，在設計中可從選擇鋼料的厚度和材料強度的不同，而決定鋼板成形
過程的難易度及施工機具的型式。此外，如果壓力殼為半球形(Dome)或球形過度
位置(Spherical Transitions)之設計，則其曲率(Curvature)必須取二倍，這與
圓筒形壓力殼(cylindrical)取單倍曲率有所不同。對於較大的半球形壓力殼，需
將鋼板模壓成形並將其焊接成所要的半球形體。對於小型的半球形殼部分，可以
使用單一薄板並藉由熱旋壓(Hot Spinning)和熱處理程序來完成半球形殼。
二、主壓力殼段組裝順序
環形壓力殼（Hoops）通常是將二至三塊經過成形的殼板結構焊接組合而成，有些
環狀殼像是筒狀形，部分像是小型圓錐形狀，有些則完全像是錐狀形(Conical)，
如圖一所示〔註一〕。
對於焊接時需要特別控制的焊接條件，尤其是高強度鋼板的焊接，其焊接方式須
使用大型的車床心軸旋轉鋼材，並在艇殼內外兩部分施以立焊(Down-Hand Weldi
ng)予以接合。潛艇主要結構的焊接有內部和外部兩種加強方式，其環狀肋骨一般
採用外部焊接的加強方式，焊接時必須小心，以避免產生幾何結構變形的發生，
如圖二與圖三所示〔註一〕。
在結合環形壓力殼時，將所要接合的壓力殼相鄰排列在一起，並使用車床及夾具
予以固定，以協助施工人員控制其圓度和尺寸的精確度。下個步驟是將許多主要
艇殼外部結構連接的環形圓柱的小組合予以接合，這通常為三至四個組合體如圖
四所示〔註一〕。此時內部箱槽結構焊接完成，並對於焊道實施非破壞性檢驗，
箱槽結構的壓力測試等，此時初步艇殼結構工程完成。
三、內部安裝
潛艇在小組合（Sub-Assemblies）階段的同時亦須安裝機械設備、管路系統、電
線電纜等內部裝置，此工作可以在工場進行結合和安裝，而不須在船台或船塢內
實施，但工場組合的壓力殼結構，必須考量乾塢吊車最大載重負荷及重型結構運
輸能量等因素，以便於船塢或船台實施大組合的工作。
早期潛艇在開始建造以前，會依照固定的比例(通常為1：1)建造模型，內部的結
構與裝備亦皆以木材或是塑膠建造模具(Mock-Up)來模擬建造的程序與安裝的步驟
。以減少安裝上的錯誤及重新翻工的機率。近年來，潛艇的設計已開發使用縮小
比例的模型樣品，並使用電腦技術模擬潛艇的建造程序，來取代實體模型以節省
時間與金錢〔註二〕。
四、潛艇船塢組合
船體建造最後的步驟是將四至五個大組合的艇殼殼段在船台或是船塢予以接
合（如圖四），而完成艇殼的最終結合。在此階段中，工作內容極為複雜，對於
潛艇下水前之所有的安裝與測試工作均必須在此階段完成。潛艇從船台或是船塢
完成下水約達成潛艇建造程序的90％，而在下水前須完成葉和一些外部設備的
安裝（如穩定翼、陣列聲納等），以及完成各項主輔系統裝備的安裝測試。在完
成下水後實施出海試航前，必須作好一連串的港灣下潛測試，以確定艇殼結構和
操作裝備的性能符合設計及使用需求。
參、潛艇建造成本估算模式
潛艇的建造成本在設計過程中可由多項的方式作估算，目前仍沒任何的方式最容
易滿足建造成本的標準。但是重要的是如何辨別成本和價格之間的差異，實際上
佔潛艇價格大部分的費用為建造人員或是承包商上的人事成本，而潛艇本身物料
成本僅佔有小部分的費用。對於潛艇價格的區間範圍則會因為政治的因素而有所
差異，甚至於牽涉更多層面的問題：像是計畫建造多少數量和分成幾批建造，建
造者的競爭對手的多寡程度，建造者的財力、設備和技術等因素。另一方面，為
了考量使用者的用途，而改變潛艇原有的設計，以滿足使用者的個別需求。由此
可知，潛艇的成本是藉由設計者在初步設計階段時對於各項系統的成本估算總合
的一個過程。
根據美國海軍新建艦艇之造價預估分析，在初步設計階段中，應取得D級造價預估
資料，以進行各子系統裝備預算之考量，有關各級造價預估之說明與功用分析如
表一〔註三〕。為蒐集世界各國在建造成本上之可參考相關資訊，特別以瑞典斯
德哥爾摩國際和平研究院(Stockholm International Pea-
ce Research Institute, SIPRI)每年所公佈之資料做為本研究之基準。經過彙整
與分析，將2001年世界九個國家及十種型式之潛艇造價與性能列於表二〔註四〕
。
一、各系統的重量成本
一般潛艇的成本預估是以各系統所需的重量考量之，而決定新船各主系統每
噸重量的平均成本可從早期概念設計的研究中粗估獲得。重量資料的正確與否取
決於對過去潛艇資訊蒐集的完整以及新設計改變的幅度大小，另外需注意的事項
諸如：已選取玻璃纖維強化塑膠（Glass Reinforced Plastic，GRP）最常為外殼
結構之用，但之前的設計都未使用過此類材料的問題。以重量為基準的成本計算
是一種便利的估算方式，並已為成本計算專家使用多年，尤有甚者，現存有關成
本的歷史資料僅以重量做為分類。然而，此一方法卻無法完全地反應出非常態幾
何形狀或使用特殊材料之潛艇功能。
美國海軍海上指揮部(NAVSEA)曾就戰艦各子系統費用佔全船建造成本之比例提出
報告，詳如表三〔註五〕。為能夠更具體地表示各子系統重量與成本之間的關聯
性，本文以長條圖針對該七項子系統加以分析，圖五為各子系統佔全船的重量百
分比，其中船體結構佔的比例最大，圖六為各子系統每噸相對成本的關係，其中
電力系統每噸的相對成本最高，而圖七則為各子系統佔全船相對成本的關係，其
中推進系統與電力系統佔全船成本的百分比相近且為最高。
二、成本函數
就理想而言，如果成本可以直接用函數關係表示之，則有助於設計目標的達成，
而此一結果的貢獻將使設計工程師可確認海軍對造價需求的考量。但是希望中的
成本函數實難以達成，因為不可能獲得單一的成本函數關係。舉例來說，隔艙壁
(Dulkhead)的成本應能易於評估，但是在潛艇中隔艙壁的功能如何以幾項函數與
成本關聯？而所熟知隔艙壁的功能為承受潛深壓力、分隔艙間、支撐甲板結構和
裝備，以及做為逃生艙等用途。上述功能如缺少其中一項，則潛艇設計的成本結
果將有所差異。過去經驗顯示，如所面臨的成本過高，則要決定放棄一項需求，
以確定此項主要的讓步奏效。在概念設計與可行性研究階段的原則中，設計作業
儘可能一次改變一項參數，並評估該項改變所產生的成本差異，然而，次系統的
非線性與內部關聯性在成本上會造成不規則的變化。參數變化的特殊組合比單一
函數變化可導致成本更為有利的改變，此舉可用配合加強的效應說明之。
肆、成本架構分析
在設計階段中，要辨識各項成本，建議採用一架構來進行探討，本文所列舉的部
分包括可識別成本、建造與組合成本、船廠設備與固定成本、品質標準與測試成
本、創新設計與研發成本以及利潤裕度等六項，分別討論如下。
一、可識別成本
潛艇因有較嚴謹的安全規範要求，無可避免的在設計上需要較高成本的材料以滿
足安全需求。對於壓力殼而言，如果在設計上為了體積控制的考量，而使用易於
建造且等級較低與便宜的鋼材是可以想像得到的。換句話說，設計人員在設計時
對於材料的選擇將直接影響材料的成本。設計者若使用符合工業標準規範的尺寸
、厚度和公差的材料，則其成本將相對的增加。另外對於潛艇內部安裝設備的性
能，亦影響成本的多寡，如設計人員使用非主流的裝備將可能降低其成本，若為
滿足客戶特別的功能需求，則該設計將增加其成本。然而，對於潛艇的主要戰鬥
武器以及聲納設備在成本上佔有重要的部分，咸信為大眾所公認，但卻不盡完全
地真實。
二、建造和組合成本
潛艇的建造和安裝過程在整體的成本上佔有很大的比例，設計人員選擇何種結構
的設計，對於建造成本有絕對的影響。設計人員所必須注意的是建造的可行性及
施工簡易性。如果在設計的許可下，壓力殼應保持固定的圓筒形狀，且採用較厚
的鋼板以及較少量的大型結構，以簡化組合的過程，並使用相同夾具且以滾壓完
成較長形的結構，如組合環形殼板等，以減少焊接的區域。
相對而言，對於許多直徑變化較多的圓錐狀艇殼的結構部分，為組合成環形結構
的需要，其建造成本將增加。而大型空間結構應降低切削數目與焊接時穿透結構
，施工時其過程儘可能簡易。壓力殼設計亦應避免不佳的幾何形狀，以減少焊接
和組合的難度，特別是幾何並列的結構應避免單一肋邊的焊接。
潛艇的系統設計為使其具有相同的建造條件，所以盡可能保持其簡單化。儘管如
此，對於系統結構需要成倍數的來進行安全和破壞模式的分析亦應盡可能避免，
因此方式不僅增加初始建造考量的因素，亦增加測試的品質和後續的保養維護等
。對於大量的管線及電纜，應盡可能避免端頭貫穿潛艇的連接。對於潛艇的動力
系統和其他系統所必須貫穿潛艇的設計，亦應被劃分在同一區域的位置。如此，
將增加預留測試使用的最大限度，以及預留主要艇殼結構內部組合安裝施工的便
利性。
潛艇設計的目標是使壓力殼的焊接連接部分減至最小，並且在艇殼的適當位置予
以焊接在一塊。在艇殼的最後組合階段時，適時的淨空工作區則有助於施工及焊
接的完成。潛艇從設計至組合建造完成，所需的時間甚長(達三至五年之久)，此
期間經由機械設備切削鍛造完成的大型環狀結構，以及因建造時所能承受的壓力
會隨著時間的增長而有所改變，此將造成建造過程的複雜化以及延誤建造的期程
，最後必然將增加建造的成本。
三、船廠設備和固定成本
在潛艇的設計階段對於船廠是否有能力建造新潛艇是值得關注的，在大多數的國
家對於潛艇的建造皆能夠在其工業技術範圍內實施。但若是設計和製造分別在不
同的國家時，則在設計過程中對於建造廠的能力應予以考量。如果潛艇的性能參
數是頂尖的，則必花費相當高的設備資本去建造。高降伏壓力的材料，特別是鋁
合金鋼在潛艇設計上是極為有利的，但是比起一般鋼材卻較難成形與控制其溫度
，且須經由熱處理，以及特殊的焊接技術才得以完成，故相對的需要增加設備技
術的成本。
在設計時如果沒有考量材料和設備以及資本等因素下，則將增加潛艇建造的成本
。對特殊材料而以大型的鍛造和鑄造來生產，必須有極大的財力予以支持，因為
在特殊成形以及在極限能力上完成的構件，可能將增加兩倍或更多的成本。如在
重要壓力殼的部分，使用特殊鑄造的青銅海水閥，因具有高品質的性能，相對的
會增加其建造成本。
四、品質標準和測試成本
潛艇耐衝擊、壓力殼真圓度的建造公差、以及潛艇在波浪起伏的水下操縱等，皆
需要高品質的測試與保證，而對於特殊材料要能夠符合品質保證的需求卻是極為
困難與深具挑戰性。關於建造和測試以及施工的品質，有許多相關的保證規範與
規定，而建造中卻難以達到品質保證的一致要求。但是這並不意味著逃避品質保
證的一個藉口，而是在合理的約束條件需求範圍內達成的一種較佳情況。
五、創新設計與研發成本
在設計中的任何進步，無庸置疑的是要藉重研發工作，以期能對所採用的新架構
和建造方式建立其測試和分析工具。因此，設計者扮演著一個雙重的角色，一個
是對於結構或設備的研究與創新，而能夠達到性能和成本的優勢。例如：在相同
的性能考量下，是選擇降低阻力50％或是增加推進效率50％兩者擇一，而設計者
將毫無疑問的提出不是改進其性能就是降低尺寸和成本。
設計者扮演的另一個相當艱難的角色，是採取一種較為固執的態度，因為他必須
在設計的領域範圍內持續嚐試著以研究和開發來顯示所能夠完成的可行性。例如
：完全改變潛艇流體動力學的結構，可以提供改進其性能，但是對於推進和操控
性能的表現卻是未能預知的，若潛艇在改變設計上能夠找出與安全相結合的特性
，則其所做的改變是值得肯定的。同樣的，壓力殼設計有偏離標準壓力殼結構的
情形，對於較佳的最初設計亦仍會引起在建造後期結構強度的難以辨別和建造的
困難。
潛艇壓力殼材料主要是採用高強度鋼，或使用新的材料像是鈦合金(Titanium)以
及玻璃纖維強化塑膠等，對於這些材料將在成形和連接時產生新的問題，並且在
長時間使用下將造成應力疲勞等問題。如果在設計中必須採用像鈦合金以及玻璃
纖維強化塑膠等特殊的材料，則在研究和開發的時間與成本上，必然將帶來一筆
可觀的費用。一般不得不承認在創新技術上所可能增加的風險，其不僅增加新技
術的研發時間，並且將改變全體建造人員的工作型態，因此，亦將要額外地施以
訓練方案以提升建造的技術。
六、利潤裕度
設計者對於上述建造潛艇的成本較不感興趣，而建造公司則對於潛艇建造結構的
要求並不關心，其所在意的是投資金額利潤報酬的多寡。利潤裕度有助於成本的
評估，如果利潤能夠被明確的分開，則其將超越許多成本之上，而導致實際成本
評估的困難。如果建造的利潤不高，建造時建造公司和需求兩者要達成協議實際
上是困難的。對於施工的考量上，將最初原始的設計在實質上或是表面上做一些
微的改變或偏離，建造者將會在適當的時機下要求增加額外的費用。
伍、結語
潛艇建造性能與成本控制的良窳主要關鍵繫於設計者的初步設計工程；換言之，
許多細部工程在初步設計時即已決定，並直接影響建造能力和成本。由於潛艇的
建造費用極為龐大，而其建造成本取決於尺寸大小與複雜性，且可藉由潛艇限制
尺寸的設計而控制其成本。惟在設計時如對潛艇限制尺寸大小，而並未減少操作
的性能需求時，將致使潛艇的建造更為複雜和擁擠，以及更加造成建造的困難性
。
設計人員在滿足客戶的條件下藉著限制尺寸來降低成本，對於潛艇的操作性能參
數，則多以最大速度的支配為考量，並藉由武器裝備的裝載和全體船員容納數量
的需求來達成。而最大速度的支配設計一般多用於傳統動力潛艇，相較於核動力
潛艇的範圍較少，主要原因為其安裝固定的反應爐裝置所致。
值此海軍第三代潛戰兵力籌建之際，如何建構乙套「潛艇概念設計階段之建造規
劃與成本分析」的整體客觀分析模式，以提供我海軍未來潛艇建造之參考，實為
本文的最大初衷。
註一：Burcher, R. K. and Rydill, L. J., Concepts in Submarine Design,
pp. 225-240,Cambridge University Press, 1994,
註二：潛行，「深海蛟龍—軍事潛艇的建造程序」，軍事家雜誌，第214期，200
2年6月。
註三：聯合船舶設計發展中心，「軍艦設計實務」，民國73年11月12日。
註四：Stockholm International Peace Research Institute, SIPRI Yearbook
2001Armaments, Disarmament and International Security, Appendix 5C, O
xford University Press, 2001.
註五：NAVSEA, Ship Design in NAVSEA, August 1982.
