台湾水下兵器研发秘辛

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/30 05:16:21
全球防卫杂志第二三三期2004年元月出版
The Secret Story of Underwater Weapons in Taiwan
作者:狮友
8月中科院爆发泄密案,可能遭泄密的各项极机密数据中,最引人注意的,也是外界所知最少的就是「亢龙计划」。虽然媒体报导这是中科院自行研究的鱼雷计划,但相关细节并未有太多着墨,甚至还有很多错误报导,如指称这项鱼雷研发计划根本未开始或已停止。其实不能怪媒体未尽查证之责,因为水下兵器研发一直是中科院最神秘的一环,外界所知有限。本文将以有限的资料,为读者揭开台湾水下兵器研发重镇中科院「万象馆」的神秘面纱。
1960年代后期,中科院电子研究所(现改称信息通信研究所,又简称为三所)为研发海军水中兵器并进行测试,在海军左营军港桃子园基地海边,筹建一座实验厂房,定名为「万象馆」。1976年中科院电子所成立水下科技组,即所谓「三所十六组」负责水下兵器研发,其研发重要基地就是万象馆,也是中科院唯一的水下科技研究专业单位,目前其研发设施及仪具已具备国际一流水准。
万象水雷
中科院「万象馆」首项研发的水下武器系统就是磁感应水雷,也就是「万象系列水雷(WSM)」。为了有效测试研发成果,中科院兴建了国内第一座磁模拟室,以校正磁感应器。万象水雷从1984年开始生产部署成军以来,共有三代,型式包括可空投和在水面布放的柱型雷、水面舰布放的锥型雷、使用于反登陆作战滩头浅水海域布放的浅水雷、适用于飞机、潜艇与水面舰船布放的沈底雷。
万象一型舰布用椎型雷(WSM210)属系留触发水雷,型状为锥型,总重1,400磅,装药重650磅高爆炸药,引爆方式为磁性引爆,并具延时备炸及自毁功能。万象一型空投用柱型雷(WSM110)属系留触发水雷,型状为柱型,总重1,400磅,装药重650磅高爆炸药,引爆方式为磁性引爆,并具延时备炸及自毁功能。万象二型水雷则是较先进的复合感应水雷,也有浅水雷、沉底雷、系留雷等型式。
2001年中科院曾主动对外表示,万象三型火箭推动上升机动水雷已完成研发测评工作。这是中科院罕见的主动公布水下武器系统的研发情形,也显示中科院在水雷武器系统研发上已获一定的成就。
由于水雷一般使用目的,在于封锁航道、海港出入口以及保护锚地等,但由于传统水雷并无敌我识别能力,为使水雷能具备选择性攻击能力,只攻击敌方舰艇,并保证本国和友好国家舰艇的通航安全,因此可由岸上控制使水雷进入待发状态和引爆,又可自动运作的新一代智能型水雷,如遥控或线控式水雷阵,就成为中科院的研发重点。
线控式水雷是在布雷后,利用长缆线连接水雷与控制中心,如此一来控制中心就可以透过缆线控制多枚水雷,形成一线控水雷阵。当控制缆线脱落或被割断后,水雷又可以自动运作,由水雷本身的传感器感应舰船物理磁场而引爆。
由于传统使用铜电缆作为控制缆线,虽然线控距离可达12公里,但由于频宽限制,控制装置和各枚水雷间,只能按一定时间间隔和顺序进行讯号传输,无法达到同时和多枚水雷进行讯号传输和控制的目的。目前中科院正研发以光纤缆线取代铜电缆线,因为光缆具有宽频特性,可利用分时多任务技术(TDM)同时线控多枚水雷,且在水雷阵的分布架构设计上也有较多样化的选择。
一波三折的龙睛计划
龙睛计划简单的说,就是在苏澳附近海底布设水下监听系统。水下监听系统(Sound Surveillance Underwater System, SOSUS),最早由美国海军所研发部署,为美国海军在冷战时期对抗前苏联海军庞大潜艇部队的利器。当时美国为监视苏联海军大量潜艇进入大西洋及太平洋,故依其作战构想而建立全球水下监听系统,作为反潜作战的早期预警侦搜系统。
整个水下监听系统是由被动水中听音器数组组成水下监听网络,整个系统系以缆线将水中听音器加以连结,各条缆线以8至24公里的间隔部署,进而构成一个联机缆路,并与岸上站台相连,以更能整合所有水中听音器截收到的水下讯息。水下监听系统具备全天候作业能力和低作战成本,可以长时期执行远距离、广大海域的监侦,对海军而言,可说是「水下的强网系统」。
海军想要部署水下监听系统,主要是因台湾外围海域辽阔,海军现有反潜舰艇、反潜机受限于海象、任务区、任务类型、妥善率、装备能力及自然环境因素影响,而使得侦获率不如理想,同时因缺乏远程水下监控系统,使海军难以建立整体性、全面性、实时性的反潜预警能力。除了舰载的点侦测装备外,实在找不出可24小时、大面积、全作战海域侦测潜艇的系统。一旦建立水下监听系统将可使前述问题迎刃而解,除可有效节约反潜兵力,并有利于海军兵力部署与运用。
海军分析台湾海峡外围海域部署水下监听系统的优点有:可获得外围海域水下目标的音响特性数据、越境路线数据和早期侦获及预警,上述的情资可用于从事敌情报研究、分析及我方兵力部署、整建。另外,还可获得外围海域海洋生物的音响特性数据,和外围海域海底火山及地震等地质音响特性数据。
简言之,水下监听系统可有效搜集水中音响情报并建立敌我载台音纹数据库,以有效支持反潜兵力(含潜艇)所需各项反潜作战音纹资料。且水下监听系统涵盖范围达100-200浬,因具反潜早期预警能力,所以可节约与减少海军主战兵力的使用耗损。
优先在苏澳部署水下监听系统的考量为,台湾东岸的太平洋为深水海域,极适合潜艇作战,且东部水域离岸80至100浬处均为东南亚至东北亚及通往日本与北美洲的主要国际航线区,故战时不仅为敌潜艇必至之要地与所欲封锁的海域,平时也是美、日、中共、南北韩、印度等多国潜艇越境所必经之地。
龙睛计划共分两阶段进行,第一阶段进行时间从1988年起到1991年止,包括︰水文调查、水下系统布放、舰船加改装、电缆制造、岸基设施工程、环境噪音及音传实验等;第二阶段自1995年起至2001年,在经过前述各项测试评估后,接着进行系统最佳布放位置的择定,以验证水下监听系统功能。
由于龙睛计划为台湾初次建立水下监听系统,计划执行前无论在相关学理与技术经验上均属陌生,因此当初决策时希望向美国「取经」,以补强这方面经验和技术之不足,遂与美方签订合约,由海军总部督导中科院「配合」美国方面执行龙睛计划,即由美方转移技术给中科院,做实验性质的铺设,由苏澳沿海床向外铺设10公里左右,但后来发现美军国防战略主要采取「攻势」作为,美方使用的水下监听系统的侦测对象、布放区域等考量,与台湾所研建的属防御性质的单一港口水下监听系统差异甚大,美方根本没有建立此类系统的经验。
从郝柏村指示研究龙睛计划至1985年核定建案期间,海军总部、中科院并未对美国或其它国家执行水下监听系统的方式与成效加以深入研究,审慎评估风险、成本效益等因素,使得龙睛计划第一阶段在美方主导下,根本不符合台湾战略需求,也因此埋下国防部、海总和中科院日后遭监察院纠正的伏笔。
龙睛计划第一阶段的系统验证及参与演习实证工作于1994年6月前均已完成,测试后发现美方提供的系统参数并未修正、美方提供的串集式听音器水下位置计算方法不正确、系统频宽与美军教学磁带数据显示不符等缺失,但中科院在「龙睛计划第一阶段全案结案报告」中,对上述缺失却只字未提,因此后来被监察院认为有重大缺失。
另外,审计部在查核「86年度国军重大列管计划与预算执行情形」时,发现海总以国防预算紧缩为由,暂缓龙睛计划第二阶段,但却未列入项目列管,使得第一阶段获得的专业技术及人才因此流失外,第一阶段采购的设备也因长久闲置而必须重新「检整」,浪费国家资源。
中科院对于龙睛计划第二阶段规划的建议为「实在无法满足未来台海防卫作战需求及反潜作战效益」,使龙睛计划正式告一段落。不过也因海总、国防部和中科院在建案前未妥善规划,导致计划成效不彰,以致浪费公帑,因而在 2001年遭监察院纠正。
由于海军执行龙睛计划因是实验性质,失败的可能性本来就存在,后来海军也决定不再和美军合作,并暂缓执行龙睛计划第二阶段。事后检讨失败原因,除了系统与美军所用者不同外,龙睛计划的实验区域为渔船作业海域,加上海域深度仅40公尺左右,电缆经常遭渔船作业扯断,维修经费庞大,且附近作业船只的噪音也影响监听效果,使整个系统功能受到影响。
龙睛计划的计算机设备目前都已经过于老旧,而当初布放的水中听音器后来也由中科院收回进行研究。虽然龙睛计划没有成功,不过当时所搜集到的相关水下资料还是弥足珍贵,对海军水下作战还是有很大助益。而且中科院也从与美方合作的过程获得水下监听系统的相关技术,其中值得注意的是水中电声换能器设计制造,其功能在将电能转换成声波在水中传播出去,或将声波转换成电讯号而加以分析应用,也就是水下监听系统的主要侦测器「水中听音器」。
虽然龙睛计划已告一段落,不过最近又有重新启动的传闻。首先91年度国防报告书中提到,「电子侦测网」的目标:整合强网、大成等电讯情资,并结合无人遥控载具与水下监侦系统,藉联合监侦、识别、频谱管理机制,掌握敌我电磁频谱,支持全般作战。这是台湾官方文件中首度提到「水下监侦系统」,一般认为就是指水下监听系统。
其实2000年年底,美方来台进行战力评估的海军评估小组就曾建议,台湾应在东北角朝钓鱼台列屿方向及在南部鹅銮鼻向巴士海峡方向,建构两套水下监听系统,分别针对中共东海舰队与南海舰队的活动做严密的监控。这是仿照冷战时期,美国为了监控前苏联北方舰队及太平洋舰队进出大西洋和太平洋,分别在冰岛和日本北海道各布设一套水下监听系统,以对前苏联海军舰艇,尤其潜艇做严密的监控。
不过美评估小组建议设置的水下监听系统并非原来龙睛计划拟布设的港口防御型水下监听系统,而是战略层次的大洋水下监听系统,这种水下监听系统复杂度远较龙睛计划为高,布放、维修都需庞大经费,而且截收到的情资还要设立「水下音响分析中心」进行分析研判,相关人员设备都是相当大的投资,不是台湾海军可以独立承担,所以目前海军并未把布设水下监听系统列为优先计划,但考虑到这两条水下监听系统是由美台合作布设,且情资共享,可使台美军事合作更密切,且更名符其实,因此从政治面考量,政府高层颇有意愿。
虽然龙睛计划未能成功,而台美合作布设水下监听系统仍未定,不过中科院万象馆近几年来对水下监听系统的研究仍不余遗力,对水中听音器、声学侦测信号处理等相关技术多所掌握,尤其是攸关水下监听系统成效的水中听音器海缆布放工程技术,更因龙睛计划经验而奠基。
胎死腹中的亢龙计划
海军在1980年购得荷兰制剑龙级潜艇后,曾于1984至1987年间透过印度尼西亚购入一批德制SUT重型鱼雷(即2003年9月初在三军联合攻击演练和10月补测都出状况的猎鲸战雷),但因数量有限,加上性能在对抗中共新购入的俄制基罗级潜艇已显不足,因此海军持续向美方要求提供新式的MK-48重型鱼雷,不过因美方迟迟未应允,1995年时军方决定自行研发重型鱼雷,于是中科院万象馆成立「亢龙计画室」负责研发先进鱼雷。目前亢龙计画室研发的先进鱼雷实体已完成,并已完成数次海中实体测试。
由于鱼雷是远较飞弹更为精密的武器系统,世界上能制造鱼雷的国家远较飞弹来得少,因此研发鱼雷对「亢龙计画室」而言是一大挑战。研发鱼雷的几个关键问题第一是鱼雷的外型设计必须使雷头流场很顺畅,而不致产生噪音干扰雷头的声纳。而雷体外型必须使其流场产生较低的阻力,以便以较小的马达达到较高航速。
第二是雷头声纳是否受到自身流场或螺旋浆噪音干扰而无法分辨侦测讯号。第三是推进马达所产生扭力经过轴系的损耗是否能克服螺旋浆所需的扭力,使螺旋浆能达额定转速,而产生足够推力。第四为控制翼功能是否能使鱼雷运动自如,其造成干扰的流场是否对螺旋浆会产生严重影响。最后是螺旋浆与鱼雷及控制翼交互作用之后,其产生的推力是否足以克服雷体阻力,而其产生的噪音量是否影响自身声纳功能,或容易被敌舰所侦测。
以上五个问题均是相互影响,构成一复杂系统而无法单独考虑。例如,若雷体的外型设计不良,则其不仅影响雷头声纳功能,亦将使航速下降,而航速下降的结果将使海水进入螺旋浆的情形亦产生改变,而影响螺旋浆产生的推力与噪音特性。同样,若螺旋浆设计不良,将影响推进效率与噪音特性,推进效率下降将影响推进马达的设计与航速,而噪音特性将影响声纳等。亦即任何一个因素未能配合其它因素而有完善考虑,将对其它因素造成明显困扰。因此,如何能有效地让此五个环环相扣的因素同时满足设计要求,即是鱼雷研发系统工程所要克服的课题。
其中如何抑制鱼雷本身噪音则是关键。因为无论何种水下武器,主要是以声音来进行主动与被动侦测,因此要提高侦测能力,武器的讯号背景噪音比必须要提高。对于鱼雷而言,侦测讯号主要是自己主动声纳发出的声波,而反射回来者;而背景噪音来源很多,若鱼雷动力很大航速很高,背景噪音主要还是来自本身,尤其是鱼雷螺旋浆若产生空泡,则其宽频的噪音将使目标讯号无法分辨,而失去寻找目标的功能。另外,鱼雷产生过高的噪音也很容易被敌舰发现而予以摧毁。所以如何降低鱼雷螺旋浆噪音,更是鱼雷设计上的一大挑战。
为了减低鱼雷螺旋浆产生的噪音,「亢龙计画室」在1999年时,在鱼雷的对转螺旋浆上采用新翼形设计,无论螺旋桨升力线与升力面模式都考虑自由涡面变形的影响,并利用台湾海洋大学中型空蚀水槽建立对转螺旋桨的单独性能测试能力,藉此观测叶尖涡空泡的起始发生状况,新设计的对转螺旋桨,经「亢龙计画室」于海大大型空蚀水槽和海中进行鱼雷实体测试证实其噪音比原型螺旋桨大幅下降,甚至远比德制SUT重型鱼雷要小。
由于研发鱼雷所需人力物力庞大,远非万象馆能独力负担,因此研发过程中往往必须借助学界的协助。台湾海洋大学「水下噪音暨流体动力研究中心」,在中科院研发鱼雷过程中扮演着重要角色,尤其是在测试设备的提供上,像水下噪音暨流体动力研究中心的大型和中型空蚀水槽就是鱼雷测试上不可或缺的设备;如潜体流场及相关噪音量测仅能于低背景噪音的大型空蚀水槽中进行,之前全世界仅有美德两国有此设备,分别为美军的(David Taylor Research Center, DTRC)所属之(large cavitation channel, LCC)与德国汉堡船模试验室(HSVA)所属之(Hydrodynamic and Kavitation Tunnel, HYKAT)。海洋大学于2002年完成的全世界第三个低背景噪音的大型空蚀水槽,是性能极佳并符合军事用途的世界级实验室。
这座大型空蚀水槽主要功能包括可进行全尺寸鱼雷实体测试,并包含鱼雷水下噪音的控制及侦测。目前已初步完成全尺寸鱼雷的流体动力性能、螺旋浆空化观测与噪音量测,并成功协助中科院完成第一阶段的实体鱼雷相关测试。这些测试因可弥补海下实测无法克服之不足,所以海大的大型空蚀水槽己是台湾水下兵器研发的重要设备。而海大的中型空蚀水槽因配有平轴动力计,使该水槽可以量测复杂的多推进器推进系统,如鱼雷常用的对转螺旋桨,以及导流翼与螺旋桨的组合。
中科院在2002年已进行鱼雷水下噪音于大型空蚀水槽量测研究,2003年则进行全尺寸鱼雷于大型空蚀水槽的水动力与减噪试验的研究。不过因美国于2001年同意出售8艘柴油动力潜艇和MK-48鱼雷,参谋总长李杰于是下令暂停中科院先进鱼雷研发计划,整个计划将在2003年底全部结束。「亢龙计画室」的研发能量,将转至研发其它的水下兵器。
不过中科院「亢龙计划」喊停,据了解除了美国要出售MK-48鱼雷外,根据海军的说法,另一个主要原因是中科院研发的鱼雷速度一直无法突破海军要求的40节的技术瓶颈。曾有媒体报导,无法突破技术瓶颈的原因是因为鱼雷内部电池电力输出,因涉及电池蓄电量与电力输出能量,而无法持续加强,导致鱼雷无法加速到40节以上。
对于鱼雷速度无法达到海军要求,真正原因并非如媒体所载,而在于鱼雷永磁马达推力不够。因为当初「亢龙计画室」开始研发鱼雷时,国外商用永磁马达还达不到军规要求,只好委由国内知名电动马达厂商自行研发,但受限技术能力,虽然鱼雷螺旋浆设计可达40节,但经水下实测,鱼雷仍无法达到海军40节的速度要求。其实近几年来,国外商用永磁马达技术发展迅速,已可外购到可满足海军需求的永磁马达,只不过因计划即将结束,中科院已没有将鱼雷永磁马达再精进的经费。
虽然「亢龙计画室」研发的鱼雷速度,达不到海军40节的要求,但已比德制SUT重型鱼雷要快。当初海军提出鱼雷速度必须达40节的理由是,中共现代级驱逐舰速度已可达30余节,由于鱼雷只要速度超过水面舰5节,就绝对可命中。理论虽然没错,但实战时并非如此,因为现代级舰不可能一出海就全速前进直到回航,而且全速航行时,推进器产生的噪音相当大,也会使舰上声纳无法操作,而影响反潜作战效能。因此「亢龙计画室」人员私下认为,海军是找理由嫌弃中科院的研发成果,做为不愿继续投资研发的说词。
由于「亢龙计画室」曾将所研发的鱼雷对转螺旋浆装到德制SUT鱼雷上进行实验室测试和水中实测,发现可大幅降低SUT鱼雷噪音。尤其在SUT鱼雷在二次演习中连出状况,其性能是否因弹龄老旧而受影响也引起海军疑虑,因此中科院也有意争取将以自力研发新式的鱼雷对转螺旋浆,换装德制SUT鱼雷的旧式螺旋浆,以发挥研发投资效益。
虽然中科院「亢龙计画室」先进鱼雷研发计划即将结束,不过相关水下武器系统的研究并未中止,对一些先进水下兵器科技也已陆续展开奠基研究。中科院最近就与海大「水下噪音暨流体动力研究中心」合作完成「超空化潜体之阻力试验」,成功模拟研发超高速鱼雷的关键技术「超空化现象」,可说是台湾水下兵器研发的重大突破,意谓台湾已具有发展这种超级水下兵器的潜力。
由于水的表面摩擦阻力很大,因此传统水下高速潜体如鱼雷、潜艇等的速度很难突破60节(约110公里),不过近年来「超空化理论」兴起,提供了一个大幅减低阻力的方法。所谓「超空化现象」就是使潜体产生一大型气泡,包覆原本与水接触的部分,使潜体接触的介质由水转换成空气,由于空气密度为水密度的1/800,如此就可大幅减少阻力,使潜体水下速度大幅增加。
这种超空化技术主要应用在水下兵器,尤其是鱼雷。美国直到1990年代才开始进行相关研究,美国海军水下武器中心也曾进行相关实验,了解人工喷气产生的超空化物理现象及空泡不稳定因素,确认空泡稳定及空泡长度与超空化潜体的速度有很大关系。目前美国已与德国合作研发利用「超空化技术」的超高速鱼雷。
这次试验是台湾首次进行的「超空化现象」实验,所使用的测试潜体、圆盘超空泡激化器都是海大师生自行设计,试验是在海大的中型空蚀水槽高速测试段中进行。试验时,潜体阻力随着水流速度变快而增加,不过喷气后激发「超空化现象」便产生一稳定的气泡包覆整个潜体,这个气泡长度约为潜体的1.67倍,此时潜体阻力急剧下降,只有原来的28%,剩下的阻力多是位于潜体前端超空泡激化器造成的。试验也发现,若潜体越长所降低的阻力越多。另外,将超空泡激化器换成锥型头也可再降低阻力。试验模拟的环境若转化成现实环境,潜体速度在10公尺水深可达时速115公里,20公尺水深时速更高达约160多公里。
「超空化潜体之阻力试验」虽然只是研究「超空化现象」的第一步,不过已搜集到很多宝贵数据,接下来中科院还将与海大合作针对潜体在「超空化现象」的浮力等方面进行试验,还将测试圆锥状的空泡激化器,这些试验结果将来都可应用于超高速鱼雷的研发。
超高速鱼雷的关键技术除了了解「超空化现象」的物理特性外,还有如何产生气体以制造超空泡、姿态控制、动力来源和主动声纳等。以现今的科技而言,这些技术门坎并不高,如:可在潜体前端放置小型固体燃料,加以燃烧就可产生大量气体形成超空泡;姿态控制方面,俄罗斯疾风超高速鱼雷利用四片翼翅穿透气泡切入水中做为方向控制是不错的设计,可做为研发的参考。至于动力来源,仍以火箭的推力较强,本文前面提及中科院万象馆曾研发由火箭推送上升的万象三型机动水雷,显示中科院已有水下火箭的研发经验。
中科院「亢龙计画室」研发重型鱼雷计划虽将告一段落,不过中科院已从研发过程中获取有关鱼雷导控、主动声纳研发等经验,所以只要能投入足够经费,并配合学界的经验和设备,国产的超高速鱼雷指日可待。
由于91年国防报告书中,兵力整建目标首度提到,筹(整)建潜舰、潜射武器,充实空中反潜及扫布雷兵力,增强三度空间反潜与扫布雷作战能力。因中科院「亢龙计画室」重型鱼雷研发即将结束,所以国防报告书中提到的「潜射武器」被外界认为是指「潜射飞弹」,由于海军并未向美方要求提供潜射鱼叉飞弹,且美方连较先进型式的MK-48 重型鱼雷也未同意出售,所以即使海军提出购买潜射鱼叉飞弹请求,美方也不见得同意。因此军方所谓筹(整)建潜射武器,是否意谓着中科院在重型鱼雷研发结束后,欲将研发能量转至研发以雄风二型反舰飞弹为基础的潜射飞弹,值得密切注意。全球防卫杂志第二三三期2004年元月出版
The Secret Story of Underwater Weapons in Taiwan
作者:狮友
8月中科院爆发泄密案,可能遭泄密的各项极机密数据中,最引人注意的,也是外界所知最少的就是「亢龙计划」。虽然媒体报导这是中科院自行研究的鱼雷计划,但相关细节并未有太多着墨,甚至还有很多错误报导,如指称这项鱼雷研发计划根本未开始或已停止。其实不能怪媒体未尽查证之责,因为水下兵器研发一直是中科院最神秘的一环,外界所知有限。本文将以有限的资料,为读者揭开台湾水下兵器研发重镇中科院「万象馆」的神秘面纱。
1960年代后期,中科院电子研究所(现改称信息通信研究所,又简称为三所)为研发海军水中兵器并进行测试,在海军左营军港桃子园基地海边,筹建一座实验厂房,定名为「万象馆」。1976年中科院电子所成立水下科技组,即所谓「三所十六组」负责水下兵器研发,其研发重要基地就是万象馆,也是中科院唯一的水下科技研究专业单位,目前其研发设施及仪具已具备国际一流水准。
万象水雷
中科院「万象馆」首项研发的水下武器系统就是磁感应水雷,也就是「万象系列水雷(WSM)」。为了有效测试研发成果,中科院兴建了国内第一座磁模拟室,以校正磁感应器。万象水雷从1984年开始生产部署成军以来,共有三代,型式包括可空投和在水面布放的柱型雷、水面舰布放的锥型雷、使用于反登陆作战滩头浅水海域布放的浅水雷、适用于飞机、潜艇与水面舰船布放的沈底雷。
万象一型舰布用椎型雷(WSM210)属系留触发水雷,型状为锥型,总重1,400磅,装药重650磅高爆炸药,引爆方式为磁性引爆,并具延时备炸及自毁功能。万象一型空投用柱型雷(WSM110)属系留触发水雷,型状为柱型,总重1,400磅,装药重650磅高爆炸药,引爆方式为磁性引爆,并具延时备炸及自毁功能。万象二型水雷则是较先进的复合感应水雷,也有浅水雷、沉底雷、系留雷等型式。
2001年中科院曾主动对外表示,万象三型火箭推动上升机动水雷已完成研发测评工作。这是中科院罕见的主动公布水下武器系统的研发情形,也显示中科院在水雷武器系统研发上已获一定的成就。
由于水雷一般使用目的,在于封锁航道、海港出入口以及保护锚地等,但由于传统水雷并无敌我识别能力,为使水雷能具备选择性攻击能力,只攻击敌方舰艇,并保证本国和友好国家舰艇的通航安全,因此可由岸上控制使水雷进入待发状态和引爆,又可自动运作的新一代智能型水雷,如遥控或线控式水雷阵,就成为中科院的研发重点。
线控式水雷是在布雷后,利用长缆线连接水雷与控制中心,如此一来控制中心就可以透过缆线控制多枚水雷,形成一线控水雷阵。当控制缆线脱落或被割断后,水雷又可以自动运作,由水雷本身的传感器感应舰船物理磁场而引爆。
由于传统使用铜电缆作为控制缆线,虽然线控距离可达12公里,但由于频宽限制,控制装置和各枚水雷间,只能按一定时间间隔和顺序进行讯号传输,无法达到同时和多枚水雷进行讯号传输和控制的目的。目前中科院正研发以光纤缆线取代铜电缆线,因为光缆具有宽频特性,可利用分时多任务技术(TDM)同时线控多枚水雷,且在水雷阵的分布架构设计上也有较多样化的选择。
一波三折的龙睛计划
龙睛计划简单的说,就是在苏澳附近海底布设水下监听系统。水下监听系统(Sound Surveillance Underwater System, SOSUS),最早由美国海军所研发部署,为美国海军在冷战时期对抗前苏联海军庞大潜艇部队的利器。当时美国为监视苏联海军大量潜艇进入大西洋及太平洋,故依其作战构想而建立全球水下监听系统,作为反潜作战的早期预警侦搜系统。
整个水下监听系统是由被动水中听音器数组组成水下监听网络,整个系统系以缆线将水中听音器加以连结,各条缆线以8至24公里的间隔部署,进而构成一个联机缆路,并与岸上站台相连,以更能整合所有水中听音器截收到的水下讯息。水下监听系统具备全天候作业能力和低作战成本,可以长时期执行远距离、广大海域的监侦,对海军而言,可说是「水下的强网系统」。
海军想要部署水下监听系统,主要是因台湾外围海域辽阔,海军现有反潜舰艇、反潜机受限于海象、任务区、任务类型、妥善率、装备能力及自然环境因素影响,而使得侦获率不如理想,同时因缺乏远程水下监控系统,使海军难以建立整体性、全面性、实时性的反潜预警能力。除了舰载的点侦测装备外,实在找不出可24小时、大面积、全作战海域侦测潜艇的系统。一旦建立水下监听系统将可使前述问题迎刃而解,除可有效节约反潜兵力,并有利于海军兵力部署与运用。
海军分析台湾海峡外围海域部署水下监听系统的优点有:可获得外围海域水下目标的音响特性数据、越境路线数据和早期侦获及预警,上述的情资可用于从事敌情报研究、分析及我方兵力部署、整建。另外,还可获得外围海域海洋生物的音响特性数据,和外围海域海底火山及地震等地质音响特性数据。
简言之,水下监听系统可有效搜集水中音响情报并建立敌我载台音纹数据库,以有效支持反潜兵力(含潜艇)所需各项反潜作战音纹资料。且水下监听系统涵盖范围达100-200浬,因具反潜早期预警能力,所以可节约与减少海军主战兵力的使用耗损。
优先在苏澳部署水下监听系统的考量为,台湾东岸的太平洋为深水海域,极适合潜艇作战,且东部水域离岸80至100浬处均为东南亚至东北亚及通往日本与北美洲的主要国际航线区,故战时不仅为敌潜艇必至之要地与所欲封锁的海域,平时也是美、日、中共、南北韩、印度等多国潜艇越境所必经之地。
龙睛计划共分两阶段进行,第一阶段进行时间从1988年起到1991年止,包括︰水文调查、水下系统布放、舰船加改装、电缆制造、岸基设施工程、环境噪音及音传实验等;第二阶段自1995年起至2001年,在经过前述各项测试评估后,接着进行系统最佳布放位置的择定,以验证水下监听系统功能。
由于龙睛计划为台湾初次建立水下监听系统,计划执行前无论在相关学理与技术经验上均属陌生,因此当初决策时希望向美国「取经」,以补强这方面经验和技术之不足,遂与美方签订合约,由海军总部督导中科院「配合」美国方面执行龙睛计划,即由美方转移技术给中科院,做实验性质的铺设,由苏澳沿海床向外铺设10公里左右,但后来发现美军国防战略主要采取「攻势」作为,美方使用的水下监听系统的侦测对象、布放区域等考量,与台湾所研建的属防御性质的单一港口水下监听系统差异甚大,美方根本没有建立此类系统的经验。
从郝柏村指示研究龙睛计划至1985年核定建案期间,海军总部、中科院并未对美国或其它国家执行水下监听系统的方式与成效加以深入研究,审慎评估风险、成本效益等因素,使得龙睛计划第一阶段在美方主导下,根本不符合台湾战略需求,也因此埋下国防部、海总和中科院日后遭监察院纠正的伏笔。
龙睛计划第一阶段的系统验证及参与演习实证工作于1994年6月前均已完成,测试后发现美方提供的系统参数并未修正、美方提供的串集式听音器水下位置计算方法不正确、系统频宽与美军教学磁带数据显示不符等缺失,但中科院在「龙睛计划第一阶段全案结案报告」中,对上述缺失却只字未提,因此后来被监察院认为有重大缺失。
另外,审计部在查核「86年度国军重大列管计划与预算执行情形」时,发现海总以国防预算紧缩为由,暂缓龙睛计划第二阶段,但却未列入项目列管,使得第一阶段获得的专业技术及人才因此流失外,第一阶段采购的设备也因长久闲置而必须重新「检整」,浪费国家资源。
中科院对于龙睛计划第二阶段规划的建议为「实在无法满足未来台海防卫作战需求及反潜作战效益」,使龙睛计划正式告一段落。不过也因海总、国防部和中科院在建案前未妥善规划,导致计划成效不彰,以致浪费公帑,因而在 2001年遭监察院纠正。
由于海军执行龙睛计划因是实验性质,失败的可能性本来就存在,后来海军也决定不再和美军合作,并暂缓执行龙睛计划第二阶段。事后检讨失败原因,除了系统与美军所用者不同外,龙睛计划的实验区域为渔船作业海域,加上海域深度仅40公尺左右,电缆经常遭渔船作业扯断,维修经费庞大,且附近作业船只的噪音也影响监听效果,使整个系统功能受到影响。
龙睛计划的计算机设备目前都已经过于老旧,而当初布放的水中听音器后来也由中科院收回进行研究。虽然龙睛计划没有成功,不过当时所搜集到的相关水下资料还是弥足珍贵,对海军水下作战还是有很大助益。而且中科院也从与美方合作的过程获得水下监听系统的相关技术,其中值得注意的是水中电声换能器设计制造,其功能在将电能转换成声波在水中传播出去,或将声波转换成电讯号而加以分析应用,也就是水下监听系统的主要侦测器「水中听音器」。
虽然龙睛计划已告一段落,不过最近又有重新启动的传闻。首先91年度国防报告书中提到,「电子侦测网」的目标:整合强网、大成等电讯情资,并结合无人遥控载具与水下监侦系统,藉联合监侦、识别、频谱管理机制,掌握敌我电磁频谱,支持全般作战。这是台湾官方文件中首度提到「水下监侦系统」,一般认为就是指水下监听系统。
其实2000年年底,美方来台进行战力评估的海军评估小组就曾建议,台湾应在东北角朝钓鱼台列屿方向及在南部鹅銮鼻向巴士海峡方向,建构两套水下监听系统,分别针对中共东海舰队与南海舰队的活动做严密的监控。这是仿照冷战时期,美国为了监控前苏联北方舰队及太平洋舰队进出大西洋和太平洋,分别在冰岛和日本北海道各布设一套水下监听系统,以对前苏联海军舰艇,尤其潜艇做严密的监控。
不过美评估小组建议设置的水下监听系统并非原来龙睛计划拟布设的港口防御型水下监听系统,而是战略层次的大洋水下监听系统,这种水下监听系统复杂度远较龙睛计划为高,布放、维修都需庞大经费,而且截收到的情资还要设立「水下音响分析中心」进行分析研判,相关人员设备都是相当大的投资,不是台湾海军可以独立承担,所以目前海军并未把布设水下监听系统列为优先计划,但考虑到这两条水下监听系统是由美台合作布设,且情资共享,可使台美军事合作更密切,且更名符其实,因此从政治面考量,政府高层颇有意愿。
虽然龙睛计划未能成功,而台美合作布设水下监听系统仍未定,不过中科院万象馆近几年来对水下监听系统的研究仍不余遗力,对水中听音器、声学侦测信号处理等相关技术多所掌握,尤其是攸关水下监听系统成效的水中听音器海缆布放工程技术,更因龙睛计划经验而奠基。
胎死腹中的亢龙计划
海军在1980年购得荷兰制剑龙级潜艇后,曾于1984至1987年间透过印度尼西亚购入一批德制SUT重型鱼雷(即2003年9月初在三军联合攻击演练和10月补测都出状况的猎鲸战雷),但因数量有限,加上性能在对抗中共新购入的俄制基罗级潜艇已显不足,因此海军持续向美方要求提供新式的MK-48重型鱼雷,不过因美方迟迟未应允,1995年时军方决定自行研发重型鱼雷,于是中科院万象馆成立「亢龙计画室」负责研发先进鱼雷。目前亢龙计画室研发的先进鱼雷实体已完成,并已完成数次海中实体测试。
由于鱼雷是远较飞弹更为精密的武器系统,世界上能制造鱼雷的国家远较飞弹来得少,因此研发鱼雷对「亢龙计画室」而言是一大挑战。研发鱼雷的几个关键问题第一是鱼雷的外型设计必须使雷头流场很顺畅,而不致产生噪音干扰雷头的声纳。而雷体外型必须使其流场产生较低的阻力,以便以较小的马达达到较高航速。
第二是雷头声纳是否受到自身流场或螺旋浆噪音干扰而无法分辨侦测讯号。第三是推进马达所产生扭力经过轴系的损耗是否能克服螺旋浆所需的扭力,使螺旋浆能达额定转速,而产生足够推力。第四为控制翼功能是否能使鱼雷运动自如,其造成干扰的流场是否对螺旋浆会产生严重影响。最后是螺旋浆与鱼雷及控制翼交互作用之后,其产生的推力是否足以克服雷体阻力,而其产生的噪音量是否影响自身声纳功能,或容易被敌舰所侦测。
以上五个问题均是相互影响,构成一复杂系统而无法单独考虑。例如,若雷体的外型设计不良,则其不仅影响雷头声纳功能,亦将使航速下降,而航速下降的结果将使海水进入螺旋浆的情形亦产生改变,而影响螺旋浆产生的推力与噪音特性。同样,若螺旋浆设计不良,将影响推进效率与噪音特性,推进效率下降将影响推进马达的设计与航速,而噪音特性将影响声纳等。亦即任何一个因素未能配合其它因素而有完善考虑,将对其它因素造成明显困扰。因此,如何能有效地让此五个环环相扣的因素同时满足设计要求,即是鱼雷研发系统工程所要克服的课题。
其中如何抑制鱼雷本身噪音则是关键。因为无论何种水下武器,主要是以声音来进行主动与被动侦测,因此要提高侦测能力,武器的讯号背景噪音比必须要提高。对于鱼雷而言,侦测讯号主要是自己主动声纳发出的声波,而反射回来者;而背景噪音来源很多,若鱼雷动力很大航速很高,背景噪音主要还是来自本身,尤其是鱼雷螺旋浆若产生空泡,则其宽频的噪音将使目标讯号无法分辨,而失去寻找目标的功能。另外,鱼雷产生过高的噪音也很容易被敌舰发现而予以摧毁。所以如何降低鱼雷螺旋浆噪音,更是鱼雷设计上的一大挑战。
为了减低鱼雷螺旋浆产生的噪音,「亢龙计画室」在1999年时,在鱼雷的对转螺旋浆上采用新翼形设计,无论螺旋桨升力线与升力面模式都考虑自由涡面变形的影响,并利用台湾海洋大学中型空蚀水槽建立对转螺旋桨的单独性能测试能力,藉此观测叶尖涡空泡的起始发生状况,新设计的对转螺旋桨,经「亢龙计画室」于海大大型空蚀水槽和海中进行鱼雷实体测试证实其噪音比原型螺旋桨大幅下降,甚至远比德制SUT重型鱼雷要小。
由于研发鱼雷所需人力物力庞大,远非万象馆能独力负担,因此研发过程中往往必须借助学界的协助。台湾海洋大学「水下噪音暨流体动力研究中心」,在中科院研发鱼雷过程中扮演着重要角色,尤其是在测试设备的提供上,像水下噪音暨流体动力研究中心的大型和中型空蚀水槽就是鱼雷测试上不可或缺的设备;如潜体流场及相关噪音量测仅能于低背景噪音的大型空蚀水槽中进行,之前全世界仅有美德两国有此设备,分别为美军的(David Taylor Research Center, DTRC)所属之(large cavitation channel, LCC)与德国汉堡船模试验室(HSVA)所属之(Hydrodynamic and Kavitation Tunnel, HYKAT)。海洋大学于2002年完成的全世界第三个低背景噪音的大型空蚀水槽,是性能极佳并符合军事用途的世界级实验室。
这座大型空蚀水槽主要功能包括可进行全尺寸鱼雷实体测试,并包含鱼雷水下噪音的控制及侦测。目前已初步完成全尺寸鱼雷的流体动力性能、螺旋浆空化观测与噪音量测,并成功协助中科院完成第一阶段的实体鱼雷相关测试。这些测试因可弥补海下实测无法克服之不足,所以海大的大型空蚀水槽己是台湾水下兵器研发的重要设备。而海大的中型空蚀水槽因配有平轴动力计,使该水槽可以量测复杂的多推进器推进系统,如鱼雷常用的对转螺旋桨,以及导流翼与螺旋桨的组合。
中科院在2002年已进行鱼雷水下噪音于大型空蚀水槽量测研究,2003年则进行全尺寸鱼雷于大型空蚀水槽的水动力与减噪试验的研究。不过因美国于2001年同意出售8艘柴油动力潜艇和MK-48鱼雷,参谋总长李杰于是下令暂停中科院先进鱼雷研发计划,整个计划将在2003年底全部结束。「亢龙计画室」的研发能量,将转至研发其它的水下兵器。
不过中科院「亢龙计划」喊停,据了解除了美国要出售MK-48鱼雷外,根据海军的说法,另一个主要原因是中科院研发的鱼雷速度一直无法突破海军要求的40节的技术瓶颈。曾有媒体报导,无法突破技术瓶颈的原因是因为鱼雷内部电池电力输出,因涉及电池蓄电量与电力输出能量,而无法持续加强,导致鱼雷无法加速到40节以上。
对于鱼雷速度无法达到海军要求,真正原因并非如媒体所载,而在于鱼雷永磁马达推力不够。因为当初「亢龙计画室」开始研发鱼雷时,国外商用永磁马达还达不到军规要求,只好委由国内知名电动马达厂商自行研发,但受限技术能力,虽然鱼雷螺旋浆设计可达40节,但经水下实测,鱼雷仍无法达到海军40节的速度要求。其实近几年来,国外商用永磁马达技术发展迅速,已可外购到可满足海军需求的永磁马达,只不过因计划即将结束,中科院已没有将鱼雷永磁马达再精进的经费。
虽然「亢龙计画室」研发的鱼雷速度,达不到海军40节的要求,但已比德制SUT重型鱼雷要快。当初海军提出鱼雷速度必须达40节的理由是,中共现代级驱逐舰速度已可达30余节,由于鱼雷只要速度超过水面舰5节,就绝对可命中。理论虽然没错,但实战时并非如此,因为现代级舰不可能一出海就全速前进直到回航,而且全速航行时,推进器产生的噪音相当大,也会使舰上声纳无法操作,而影响反潜作战效能。因此「亢龙计画室」人员私下认为,海军是找理由嫌弃中科院的研发成果,做为不愿继续投资研发的说词。
由于「亢龙计画室」曾将所研发的鱼雷对转螺旋浆装到德制SUT鱼雷上进行实验室测试和水中实测,发现可大幅降低SUT鱼雷噪音。尤其在SUT鱼雷在二次演习中连出状况,其性能是否因弹龄老旧而受影响也引起海军疑虑,因此中科院也有意争取将以自力研发新式的鱼雷对转螺旋浆,换装德制SUT鱼雷的旧式螺旋浆,以发挥研发投资效益。
虽然中科院「亢龙计画室」先进鱼雷研发计划即将结束,不过相关水下武器系统的研究并未中止,对一些先进水下兵器科技也已陆续展开奠基研究。中科院最近就与海大「水下噪音暨流体动力研究中心」合作完成「超空化潜体之阻力试验」,成功模拟研发超高速鱼雷的关键技术「超空化现象」,可说是台湾水下兵器研发的重大突破,意谓台湾已具有发展这种超级水下兵器的潜力。
由于水的表面摩擦阻力很大,因此传统水下高速潜体如鱼雷、潜艇等的速度很难突破60节(约110公里),不过近年来「超空化理论」兴起,提供了一个大幅减低阻力的方法。所谓「超空化现象」就是使潜体产生一大型气泡,包覆原本与水接触的部分,使潜体接触的介质由水转换成空气,由于空气密度为水密度的1/800,如此就可大幅减少阻力,使潜体水下速度大幅增加。
这种超空化技术主要应用在水下兵器,尤其是鱼雷。美国直到1990年代才开始进行相关研究,美国海军水下武器中心也曾进行相关实验,了解人工喷气产生的超空化物理现象及空泡不稳定因素,确认空泡稳定及空泡长度与超空化潜体的速度有很大关系。目前美国已与德国合作研发利用「超空化技术」的超高速鱼雷。
这次试验是台湾首次进行的「超空化现象」实验,所使用的测试潜体、圆盘超空泡激化器都是海大师生自行设计,试验是在海大的中型空蚀水槽高速测试段中进行。试验时,潜体阻力随着水流速度变快而增加,不过喷气后激发「超空化现象」便产生一稳定的气泡包覆整个潜体,这个气泡长度约为潜体的1.67倍,此时潜体阻力急剧下降,只有原来的28%,剩下的阻力多是位于潜体前端超空泡激化器造成的。试验也发现,若潜体越长所降低的阻力越多。另外,将超空泡激化器换成锥型头也可再降低阻力。试验模拟的环境若转化成现实环境,潜体速度在10公尺水深可达时速115公里,20公尺水深时速更高达约160多公里。
「超空化潜体之阻力试验」虽然只是研究「超空化现象」的第一步,不过已搜集到很多宝贵数据,接下来中科院还将与海大合作针对潜体在「超空化现象」的浮力等方面进行试验,还将测试圆锥状的空泡激化器,这些试验结果将来都可应用于超高速鱼雷的研发。
超高速鱼雷的关键技术除了了解「超空化现象」的物理特性外,还有如何产生气体以制造超空泡、姿态控制、动力来源和主动声纳等。以现今的科技而言,这些技术门坎并不高,如:可在潜体前端放置小型固体燃料,加以燃烧就可产生大量气体形成超空泡;姿态控制方面,俄罗斯疾风超高速鱼雷利用四片翼翅穿透气泡切入水中做为方向控制是不错的设计,可做为研发的参考。至于动力来源,仍以火箭的推力较强,本文前面提及中科院万象馆曾研发由火箭推送上升的万象三型机动水雷,显示中科院已有水下火箭的研发经验。
中科院「亢龙计画室」研发重型鱼雷计划虽将告一段落,不过中科院已从研发过程中获取有关鱼雷导控、主动声纳研发等经验,所以只要能投入足够经费,并配合学界的经验和设备,国产的超高速鱼雷指日可待。
由于91年国防报告书中,兵力整建目标首度提到,筹(整)建潜舰、潜射武器,充实空中反潜及扫布雷兵力,增强三度空间反潜与扫布雷作战能力。因中科院「亢龙计画室」重型鱼雷研发即将结束,所以国防报告书中提到的「潜射武器」被外界认为是指「潜射飞弹」,由于海军并未向美方要求提供潜射鱼叉飞弹,且美方连较先进型式的MK-48 重型鱼雷也未同意出售,所以即使海军提出购买潜射鱼叉飞弹请求,美方也不见得同意。因此军方所谓筹(整)建潜射武器,是否意谓着中科院在重型鱼雷研发结束后,欲将研发能量转至研发以雄风二型反舰飞弹为基础的潜射飞弹,值得密切注意。
看的头快晕了