212A型傳統動力攻擊潛艦

 

(上與下)德國海軍212A型潛艦的U-33號(S-183)。212A擁有擁有優美光滑的輪廓。

一艘即將下水的212A型潛艦

一艘準備從浮塢中沈降入水的212A型潛艦,可清處觀察艦首的聲納、魚雷發射口、艦體兩側下部的線性

側面被動陣列聽音聲納等。

 由後方看212A型。此為德國海軍U-34(S-184)。

(上與下)架在HDW基爾(Kiel)造船廠船台上的212A型。

兩艘架在HDW基爾廠區船台上維修的212型。

 由上方俯瞰212A

(上與下)U-34(S-184)帆罩特寫。

下水前的第二批212型潛艦二號艦U36,攝於2013年5月中旬命名儀式上。

第二批212型潛艦的艦體略為增加,裝備也有諸多改良。

U36艦尾特寫,注意大曲度七葉片螺旋槳,中間的槳轂裝有槳轂整流鰭(propeller boss cap fin, PBCF),

降低螺旋槳運轉時在槳轂形成的渦流,減少槳轂渦流造成的能量損耗。

正在TKMS基爾廠區水域進行靜態測試的212型潛艦。後方碼頭停靠的是另一艘212型,這兩艘應是最新完成的U-35/36。

船台上的是TKMS為以色列建造的超級海豚型潛艦。

一艘212型的控制室。注意兩座潛望鏡。

(上與下二張)212型的U34號(S-184)在2016年中旬(6至8月)於波羅的海進行操演時,控制室中的畫面。

一艘德國212型潛艦正在裝填IDAS潛射防空飛彈,此飛彈系統衍生自德國 空軍IRIS-T紅外線導引短程空對空飛彈。

IDAS潛射防空飛彈 的儲存容器,可裝入533mm魚雷發射管中,一具容器可容納四枚IDAS。

義大利海軍首艘212A型潛艦Salvatore Todaro(S-526)。

義大利第三艘212型潛艦Pietro Venuti(S-528)在2014年10月9日下水的畫面。

(上與下)義大利212A潛艦作戰艙室的畫面。

 

 

──by captain Picard

艦名/使用國 212A型傳統動力攻擊潛艦/德國、義大利、挪威

(Type-212A)

承造國/承造廠 德國/

U-31、33、35:由Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH(HDW)承造

U-32、34:由Thyssen Nordseewerke GmbH(TNSW)承造

義大利/

Fincantieri造船廠獲得德國授權建造兩艘

尺寸(公尺) U-31~34:長55.9 寬7 浮航吃水6

U-35、36:長約57.1 寬7 浮航吃水6

排水量(ton) U-31~34:浮航1450 潛航1830

U-35、36:浮航約1500

動力系統/軸馬力 傳統柴電推進+絕氣推進系統(AIP)

MTU 16V 396 SE84柴油機*1/2883

西門子Type FR6439-3900永磁電動機*1/3821

第一代PEM燃料電池模組*9/306kw(410馬力)(U-31)

第二代PEM燃料電池模組*2/240kw(321馬力)(U-32~34)

單軸七葉片螺旋槳

航速(節) 水面12

水下20

續航力(海浬) 水面:8000/8節

水下:420/8節

安全潛深 超過200(最大700)
水面偵測/反制系統 Kelvin Hughes Type-1007平面搜索雷達*1

Zeiss Optronik SERO-14光電搜索潛望鏡*1(包含紅外線熱影像儀、光學測距瞄準儀、GPS全球定位系統)

Zeiss SERO-15光電攻擊潛望鏡*1(包含光學瞄準儀、雷射測距儀)

FL-1800U電子支援系統

水下偵測/反制系統 德國:STN Atlas Elektronik DBQS-40整合式聲納系統(整合有Ferranti FMS-52艦首主動聲納、環形中頻被動陣列聲納、FAS-3側面中/低頻被動陣列聲納、TAS-3低頻拖曳陣列聲納、被動測距聲納、STN Atlas Elektronik MOA-3070高頻主動水雷探測聲納、環形聲納訊號接收警告器等)

義大利:STN Atlas Elektronik CSU-90整合式聲納系統(整合有艦首高頻主動聲納、中頻環形被動陣列聲納、中/低頻側面被動陣列聲納、被動測距聲納、低頻拖曳陣列聲納、聲納訊號警告器等)

TAU-2000魚雷反制系統(包含四具誘餌發射器)

作戰系統 德國:MSI-90U整合指揮與武器控制系統

義大利:ISUS-90-20整合指揮與武器控制系統

乘員 27
艦載武裝

533mm魚雷發射器*6(魚雷裝載量24枚,使用STN Atlas Elektronik DM-2A4魚雷)

可加掛Abeking & Rasmussen外掛式水雷佈放箱

IDAS潛射防空飛彈系統(未來可能裝備)

Muraena自動火砲系統(未來可能裝備)

數量

德國: 第一批四艘,第二批二艘,第三批二艘

艦名 安放龍骨 下水時間 服役時間
S-181 U-31 1998/7/1 2002/3/20 2005/10/19
S-182 U-32 2000/7/11 2003/12/4 2005/10/19
S-183 U-33 2001/4/30 2004/9 2006/6/13
S-184 U-34 2001/12 2006/7 2007/5/3
S-185 U-35 2007/8/21 2011/11/15 2015/3/23
S-186 U-36 2008/8/19 2013/2/6 2016/10/10
S-187 U-37
S-188 U-38

義大利:第一批二艘,第二批二艘 ,第三批四艘

艦名 下水時間 服役時間
S-526 Salvatore Todaro 1999/7/3 2003/11/9 2006/3/29
S-527 Scire 2000/5/27 2004/12/18 2007/2/19
S-528 Pietro Venuti 2009/12/9 2014/10/9 2016/7/6
S-529 Romeo Romei 2012 2015/7/4 2017/5/11

 


 

起源

受限於二次大戰之後的條約,西德在戰後建造的205與206型潛艇都在450ton以下,艦上除了發射管內的魚雷外並無任何備射魚雷,也沒有辦法攜帶太多油料以及偵測裝備,戰力受到頗大的限制。

從1970年代起,西德豪瓦德(Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH,HDW)、呂北克工程事務所(Ingenieurkontor Lubeck,IKL)與佛斯塔爾(Ferrostaal)公司組成的德國潛艦聯盟(German Submarine Consortium,GSC)的209型柴電潛艦系列 (潛航排水量介於1100至1400噸級)在往後的20年間在西方傳統潛艦市場上稱霸,不過德國海軍本身都沒有採用 。

原本西德用來取代205/206型的新一代柴電潛艦計畫是211型潛艦計畫(這個序號接在出售挪威的210型/TR-1000之後),不過由於1980年代燃料電池研發成功,遂將之取消重新設計,納入燃料電池作為動力系統,並改稱為212型 。由於條約限制的效力告終,212型得以放大至正常潛艦的噸位。212型全面發展合約在1994年簽訂,HDW為主承包商,德國另一家著名潛艦製造商泰森北海(Thyssen Nordseewerke,TNSW)的恩登廠則為次承包商。

除了212A型之外,HDW還以部分212A型的技術(包括燃料電池絕氣推進系統)以及209型的構型,在1997年推出214型潛艦,取代209型成為德國潛艦工業在國際市場上的新主力。

建造與服役

即將下水的首艘德國海軍212A型潛艦──U-31(S-181),注意艦艏與艦體兩側的聲納系統。

德國授權義大利建造的首艘212A型潛艦Salvatore Todaro號 (S-526)正舉行下水典禮。

最初德國海軍打算採購12艘左右的212型,並於1995年開始建造第一批四艘;但是1990年代歐洲各國競相大幅刪減國防預算,德國也不例外,導致212型潛艦的建造大幅延後,甚至一度瀕臨取消 ,不過最後212型仍然存活下來。德國政府在1994年決定採購第一批四艘 ,而義大利海軍也稍早放棄了本身的S-90柴電攻擊潛艦計畫,在1995年加入了德國212型潛艦計畫,雙邊的合作關係於1996年正式展開;由於將義大利的需求納入212的共通設計中,因此德國隨即將這種稍事修改的決定版212型稱為212A(不過雙方的212A並非完全相同)。德國海軍的212A首艦U-31(舷號S-181)在1998年7月 在HDW廠開工建造,2002年3月20日下水,隨後展開廠試,2003年4月在波羅底海進行淺水域測試,同年7月在挪威海進行深洋測試,並在2004年8月 交艦,2005年10月19日成軍;二號艦U-32(舷號S-182)在2003年12月4日下水,2005年5月 交艦,同年10月19日服役;三號艦U-33(舷號S-183)於2004年9月下水,2006年6月13日服役;而四號艦U-34(舷號S-184)則在2006年7月下水,2007年5月3日服役 ;第一批四艘212A型中,HDW負責建造第一、第三艘(U-31、33),TNSW則建造212A型的第二與第四艘(U-32、34)。在2006年9月22日,德國政府與GSC簽約,採購第二批二艘 改良型212A型(U-35、36),分別由HDW與TNSW各造一艘,兩艦原訂分別於2012與2013年成軍 ,不過實際上分別在2015年與2017年才成軍。

義大利版的212A則由德國轉移技術至義大利Fincantieri造船廠進行建造(該廠亦負責潛艦服役生涯的所有維修保障與升級工作),第一批共建造兩艘,首艦Salvatore Todaro號(S-526)於1999年7月3日安放龍骨,2003年11月6日下水,並於2005年 交付義大利海軍,2006年3月29日成軍;二號艦Scrie號(S-527)則於2000年5月27日安放龍骨,2004年12月18日下水,2007年2月19日服役。 隨後義大利又訂購第二批兩艘212A型,仍由Fincantieri廠建造,首艦於2009年12月9日開工,兩艦計畫於2015與2016年交付 (實際上分別在2016與2017年成軍)。與德國版212A相較,義大利版212A型又經過進一步的修改,擁有更大的潛航深度,並增加若干支援特種作戰的設施。

在2013年3月下旬,德國報紙宣稱,212A型潛艦U32號在2006年航行至西班牙時,就曾締造柴電潛艦持續在水下潛航的紀錄;而在2013年上旬,U32號前往美國東岸參與軍事演習時,途中 以AIP連續潛航18天共8519公里,再度刷新非核能潛艦的多項持續潛航紀錄。

在2015年9月中旬,德國與義大利海軍都有意進一步擴充潛艦部隊規模,以因應近來歐洲周邊局勢的不穩定,包括烏克蘭危機以及俄羅斯與西方的關係緊張、地中海方面販毒以及人口走私猖獗等。 因此,德國海軍又打算增購地三批二艘212A型潛艦;隨著挪威在2017年2月初確定向德國購買四艘Type 212 NG型潛艦(見下文),德國海軍本身增購的兩艘就跟著挪威一同訂購的兩艘一同生產,較大的生產批量使得單位成本下降,雙方都能蒙受其利。

在2017年5月下旬,義大利國防部證實將增購四艘212A型潛艦來取代現役四艘皮洛西級/龍戈巴度級(Salvatore Pelosi class/Primo Longobardo class)柴電潛艦,德國國防部潛艦計畫的一位上校Maurizio Cannarozzo在柏林的水下防禦科技(Undersea Defence Technology,UDT)會議中提到,希望能在2018年簽署合約,而增購的四艘會是現有212A型的改進型。在2018年,義大利正式編列訂購第三批次前兩艘212A型的經費(10億歐元),項目名稱為「近海未來潛艇」,包括設計、研發與建造,同時建立配合的後勤物流系統,首艘預計在2024年交付。

 

艦體基本設計

212A型是德國優良造艦工藝以及最尖端科技的結晶,也是全世界第一種採用燃料電池的AIP潛艦。在德國造艦工業精心設計下,212A型的艦體擁有最佳的長寬比,艦體線條比德國先前設計的所有潛艦更加流線,艦尾呈尖錐狀,帆罩也有極佳的流線造型且前方有傾斜設計,可有效降低航行時的阻力。212A型潛艦的艦首上部造型刻意向下彎曲,讓艦首被動陣列聲納擁有最佳的涵蓋面。212A型的艦體以高強度低磁不鏽鋼製造,全艦分隔為四個艙區;由於優異的焊接技術、結構設計以及材料技術,使本級艦的艦體擁有極佳的耐壓能力以及耐衝擊力,能增加潛航深度以及抵抗反潛武器的爆震。此外,212A型艦體極低的航行阻力以及盡量減少的艦體表面開口(包括出入口以及水櫃開口等),都有助於降低航行時艦體排開海水時產生的噪音,降低被敵方被動聲納察覺的機率。212A型與德國在1980年代為挪威建造的210型烏拉級(Ula class)柴電潛艦有些血緣關係,例如使用同系列的柴油主機、戰鬥系統以及相同的X型尾翼。據說212A潛艦在試航時,曾締造下潛700公尺的紀錄。

212A型潛艦採用葉捲型船型,艦體構造融合單殼與雙殼設計,前部船體採用單殼結構,後段則為了容納燃料電池儲氫容器而使用雙殼結構(見下文) ,此外耐壓殼上部還有一層非水密的上部構造,由艦首一路延伸至艦尾 ;相較於一般純單殼設計,複合型以管狀的單一耐壓殼為主體,在其外附加部分外殼(通常位於潛艦艦體上部或下部),與內部耐壓殼之間形成非水密的自由流水空間(稱為舷間空間),能將一些 不需要特別保護、能直接與海水接觸的設備(例如壓載水艙、燃油艙、浮力調整艙甚至相關機械設施等等)設置在這些地方,而不去佔用耐壓殼內部 的寶貴空間。傳統雙殼潛艦係由一層完整外殼將內部耐壓殼整個包住,在相同內部容積需求的情況下需要最大的整體體積,結構也最為複雜;而單殼潛艦除了帆罩之外幾無非水密區域,然而水密區域的單位成本較高,為了騰出足夠容積 來容納所有設備,就需要增加耐壓殼的直徑;因此在相同的需求容積下,單/雙殼複合型潛艦將一些不需要嚴密保護的裝置設施移到耐壓殼體外、再以一層外殼包住,經濟性自然優於純單殼與純雙殼潛艦,適合體積有限、往往需考量成本的柴電潛艦; 雖然單/雙殼複合結構通常較為粗大,航行阻力勢必高於單殼淚滴型潛艦,不過由於柴電潛艦大多數時間(尤其是接戰時)都以低航速運轉,對高速性能的要求都在其次 。綜合以上,大多數現代柴電潛艦都揚棄了純單殼或純雙殼設計,而採用結合單殼主體與部分雙殼的設計。212型使用德國獨門的無磁耐壓鋼板製造,此種高機密的鋼板不會用在德國專門用來出口的潛艦(如214型)上。

操控方面,212A型採用X型尾 舵面,能在翼展不超過艦體中段輪廓的情況下獲得最大的操控面積,使潛艦坐底或與臨船並排停泊時不容易讓尾翼碰撞外物而損傷。一反過去德國潛艦的慣例,212A型的水平控制翼從艦首移至帆罩上。212A型的戰鬥系統以及艦上各裝備自動化程度甚高,全艦僅需編制27人。

 

推進系統

誠如前述,212A型是全世界第一種採用燃料電池-柴電動力系統的潛艦。眾所周知,傳統柴電潛艦雖然擁有潛航時極端安靜(因為電池產生電力不牽涉機械動作,只有推進器的噪音,而核子動力潛艦除了推進器外還有反應爐、蒸汽渦輪與齒輪箱的噪音)的優點,但也有著蓄電池容量不足、潛航時間有限的致命傷;因此雖然敵方反潛兵力一時間不能直接捕獲安靜的柴電潛艦,但隨著電瓶耗盡,柴電潛艦如果無法擺脫敵方反潛兵力,就只有被迫在敵方勢力範圍中上浮的下場,成為活靶;此外,雖然現代潛艦都有呼吸管,不用完全浮出水面就能開啟柴油機充電,不過現代反潛航空器的雷達都能輕易捕捉伸出水面的潛望鏡或呼吸管,況且柴油機運作時會產生較大的噪音,所以問題依舊存在。因此,如果能延長傳統柴電潛艦電池充電後在水下作業的時間,不僅存活率大為增加,潛艦的作戰效益也由於潛航距離增加、上浮充電次數減少而倍增。因此,能延長傳統潛艦水下航行時間的絕氣推進系統(Air Independent Propulsion,AIP)成為近年歐洲、俄羅斯努力發展的對象,目前幾種主流的AIP包括瑞典的史特靈推進系統(SEAIP)、法國MESMA封閉循環蒸氣推進系統(CCSTAIP)、荷蘭封閉循環柴油機(CCDAIP)以及俄羅斯、德國大力研發的燃料電池系統 (FCAIP)。這類AIP主機使傳統動力潛艦的潛航時間較原來只靠傳統鉛酸電池高出好幾倍,約為二至三週(使用傳統電池的柴電潛艦最多僅有四到五天的潛航時間);未來的AIP能耐將更為驚人,使潛艦能持續潛航一個月以上。不過目前的AIP技術並非無可挑替:首先, 到2010年代左右,各種實用化的AIP的輸出功率都不是很大,最多只有300至400kW上下,只能支持潛艦在水下以4、5節左右的低速度航行 ,這只能產生起碼讓潛艦保持可控的舵效應,所以AIP只能作為潛艦進行潛伏部署的緩速推進系統,使潛艦的水下潛伏時間變長, 現階段仍不能取代傳統的柴電推進,當然也依舊不具備核能潛艦在水下任意加速、主動佔位的能力;不過這個問題將隨著科技進步而有所改善。第二個問題就偏向於先天性質,除了燃料電池僅排出常溫的水之外,史特靈、MESMA以及CCD都會產生高溫廢氣而得設法排出艦體,勢必得經由幫浦加壓才有辦法從高水壓的深海中排除;而高溫廢氣如果不先冷卻,就會產生過多熱訊號而增加被紅外線偵測系統察覺的機會。因此潛艦在這方面必須詳加規劃設計,將跡訊降至最低。

212型潛艦採用高曲度七葉片螺旋槳推進,槳轂裝有槳轂整流鰭(propeller boss cap fin, PBCF)。水流通過螺旋槳時,水流速度加快以及因旋轉而彎曲,每個槳葉邊緣流過的旋轉水流匯集在槳轂匯集成強大渦流流過,稱為槳轂渦流,這會降低螺旋槳運作時的效率。而在槳轂加裝PBCF裝置後,就可以對通過槳轂的渦流進行整流,減少其強度,就能降低槳轂渦流帶來的能量損失,改善螺旋槳推進效率。

在2002年,德國首度在206A型潛艦U-19號上測試一種完全由碳纖維複合材料製造的車葉,不僅重量更輕、運轉更安靜,而且不會導電與腐蝕,可避免螺旋槳與艦體之間因電位不同而產生的感應電流效應,免除了不必要的損耗;在2005年5月,進一步改良的碳纖螺旋槳安裝在206A型潛艦U-26號上進行測試,獲得了極佳的降噪效果,隨後德國便繼續開發為212A使用的碳纖螺旋槳。

燃料電池

燃料電池是以氫氣、氧氣進行電化學反應(又稱冷燃燒,Cold Combustion),由陽極(Anode)、陰極(Cathode)、電極外的觸媒層、電解質(Electrolyte)、分配燃料的流場板(Gas distributor)以及電流收集器(Current Collector)組成。運作時,燃料電池系統向 陰極供應燃料(氫),向陽極供應氧化劑(氧氣);在陰極上,氫分解成氫離子和電子,氫離子進入電解液中,而電子則沿外部電路移向陽極;在陽極上,氧與電解液中的氫離子以及抵達 陽極的電子結合,這正是水的電解反應的逆過程。電化反應進行時,陰極移往陽極的電子提供船艦所需的電能,產生的水或其他氣體產物則予以排出。顧名思義,燃料電池 如熱機一般,只要補充燃料(提供氫)與氧化劑就能不斷地運作,而傳統蓄電池耗盡後則需進行逆反應(充電)。相較於傳統硫酸電池,燃料電池在電池耗盡前電位差都不會改變;反觀傳統硫酸鉛蓄電池運作時因為電解質濃度不斷下降,提供的電壓遂不斷降低 。

燃料電池的燃料──氫的來源可為 直接儲存(包含液態儲存或金屬儲氫)、來自其他化學物質(如甲醇、乙醇溶液)經由重整來取得氫等等 ;有一種獲得氫氣的選擇是透過重整柴油,理論上能讓艦上燃料單純化(與柴油主機共用燃料),不過實際上一般柴油的純度無法滿足重整獲得足夠氫氣的需求,仍需要特製的高品質柴油。德國最早開發的潛艦燃料電池系統選擇直接儲存氫的方式 (偶後則開發使用甲醇燃料的燃料電池),而加拿大貝拉德動力系統公司(Ballard Power System,BPS)為加國海軍購自英國的維多利亞級柴電潛艦開發的燃料電池則以柴油進行甲醇重整來獲得氫氣。依照電解質種類,現階段燃料電池可分為可分為質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell,AFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)等低溫燃料電池,操作溫度介於攝氏80至200度;此外,還有能用空氣當作氧化劑、用天然氣或甲烷當作燃料的熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)與固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC),這屬於高溫燃料電池,工作溫度在攝氏500至1000度,固態氧化物燃料電池不需要觸媒。

其中,質子交換膜燃料電池在陰、陽極之間使用一種質子傳導膜當作電解質,負責傳導陰陽兩極之間的帶電離子,並隔離兩極的反應物;因此,質子交換膜不僅負責傳輸氫離子,還必須降低其他中性氣體的滲透率,阻止陰陽兩極產生的氣體交流反應,進而危害整個電池系統。質子交換膜由多孔性的固態高分子所構成,其本身並不導電,不過必須是離子的良導體,必須同時具有高的離子導電性、良好的尺寸安定性、高耐熱性、長期電化反應下的穩定性、低電滲透牽引力(ElectricosmosisDrag),並能與觸媒使用的結合劑相容。質子交換膜燃料電池具有體積小、重量較輕、運作時溫度與腐蝕性低(易於選擇製作材料)、能在室溫下工作、壽命長、啟動迅速、功率易於調整等特性,成為燃料電池發展的主流;而鹼性燃料電池對氫與氧的純度要求最高,不利於實用化。

與史特靈、MESMA或CCD等AIP系統相較,燃料電池的最大優勢是透過幾乎不發出噪音的電化反應直接產生直流電,而史特靈、MESMA等都是以燃燒反應產生的熱能將流體加熱使其體積膨脹,再經由熱機循環式的交/直流轉換裝置產生電力,過程中牽涉到不少機械動作,所以燃料電池便在匿蹤性 (包括肅靜性與低熱訊號)、能量轉換效率(因為牽扯的機械裝置最少)與降低機械複雜度等諸多方面取得優勢,具體數據如下:燃料電池可將燃料化學能中的50~70轉換成可用電能 (其他AIP只有30%左右),燃燒溫度約只有其他AIP的一半,耗氧量為其他AIP的1/2至1/3,噪音值也是各系統中最低的; 此外,許多燃料電池工作溫度較低,鹼性燃料電池約攝氏50~90度,質子交換膜燃料電池約攝氏80度,較低的工作溫度意味著熱訊號降低,人員工作環境也更加安全。燃料電池在反應後 通常僅產生 極少量的氫以及比常溫稍高且無毒性的水,可作為其他用途而不必排出艦體(甲醇重整燃料電池從柴油中取得氫的過程中, 同樣會產生高溫廢氣 ,而甲醇燃料電池則會產生二氧化碳);反觀史特靈主機或封閉循環柴油機都會持續地產生高溫廢氣,必須在水下加壓排除,除了牽涉到不少高難度科技工藝之外,也必須付出額外的功率消耗 ,更會限制潛艦的潛航深度(超過一定潛航深度就無法順利排氣,例如史特靈發動機通常只能在200m的深度內操作)。 另外,燃料電池輸出的是電能,因此可以靠串聯更多單元來提高輸出,而史特靈柴油機等熱機就必須造得更大來提高輸出功率,然而先天上史特靈發動機就很難大型化。

不過燃料電池也不是毫無弱點 :以低溫燃料電池為例,由於不靠激烈的氧化反應(燃燒),因此高度仰賴電極的觸媒來增加效率。然而觸媒的活性高,很容易被其他物質與氣體(如一氧化碳等)污染並毒害整個系統,因此其要求的氫氣與氧氣的純度 非常高,此一缺點必須從改良觸媒使之較不易受雜質毒害來著手;其次,電極需使用白金等貴金屬材料,且必須設法讓分屬三相的反應物與催化劑有效接觸。通常燃料電池的陰陽兩極都由多孔並導電的碳粉構成,在單位體積內提供最大的反應表面積;碳粉上有催化反應的觸媒,由鉑、釕等稀有貴金屬製造。燃料電池的技術難度與成本都很高,但是功率密度低;一般而言,燃料電池的體積重量比相同輸出功率的柴油機大,價格則是柴油發電機組的六倍 。燃料電池的電化反應都與化學平衡有關,然而平衡的狀態會受到周遭環境溫度、壓力強度等因素的影響,因此燃料電池AIP系統經常會發生潛艦環境內溫度、氣壓與原始設計和岸上測試條件不同,導致裝艦後實際功率和續航力不如預期的情況;而歐洲國家基於本國較為寒冷環境所設計的燃料電池AIP系統,裝備於出口到亞洲熱帶地區的潛艦上,就經常發生類似的情況。

燃料電池 另一大問題在於需要儲存氫氣,前述包括瑞典史特靈發動機、法國MESMA等AIP以安定易處理的油料(柴油、煤油等)做為燃料,僅需儲存液態氧作為氧化劑;而 燃料電池除了以氧作為氧化劑之外,燃料則來自於氫,而氫是一種化學活性、危險性都遠高於氧的麻煩物體,不僅擁有劇毒,在空氣含量中超過4%就有爆炸的危險。甲醇重整燃料電池是從柴油中提取氫,如果要直接儲存純粹的氫,就必須 面臨眾多難題:傳統液態方式儲存氫氣雖然相對比較便宜,但在技術上有許多顧慮,首先氫的液化與儲存均比液態氧困難(氫的沸點為攝氏-252.8度,低於氧氣的-183度, 工業界常用的液態氮沸點也只到攝氏-196度),在震動衝擊下的安全顧慮很大,極容易產生爆炸,根本不適合實戰環境。在平時,這些低溫高壓液體 也會逐漸腐蝕儲存槽的金屬材質。此外,當燃料電池不工作時,仍必須向系統供應氮氣,使其處於不起化學反應的狀態,如此艦上又需要儲存氮。 除了艦內儲存的相關問題外,氫氣在日常後勤補給也會帶來更大的不便。史特靈發動機與CCD柴油機的燃料與氧化劑分別是常見的燃油與氧, MESMA除了氧之外,改用乙醇(酒精)當作燃料,這些全都是工業上相當簡便普及的東西,絕大多數國家的工業都能供應液態氧或乙醇;世界上八成以上的 國際商港都能提供液態氧,而能提供乙醇的國際商港也不在少數,因此採用上述AIP系統的潛艦都能毫無困難地在廣泛的地區進行部署操作。然而,儲存氫氣的 技術門檻與成本卻高得多,各廠商常有自己的獨門技術,氫氣補充設施也不是各港口普遍可見的東西(德國HDW的燃料電池系統還需要供應氮氣來維持貯氫的安全性),這將大幅提高潛艦的日常維護操作與跨區域部署的難度。 由以上可以歸納,純就工作面上,燃料電池似乎是AIP中最具效率也最先進的一種,然而在實用性與後勤方面,卻由於需要氫氣衍生的問題而使其總分大打折扣。

在冷戰時代,美國、蘇聯、法國、瑞典等均曾進行燃料電池AIP的相關研究,不過 由於氫氣極容易爆炸的問題,早年氫氣儲存與運用的技術並不成熟,導致燃料電池發展不順遂,例如瑞典在1960年代研究燃料電池時遭遇易發生火災的問題, 後來遂轉而發展史特靈絕氣推進系統;蘇聯在1960年代的燃料電池相關研究也不順遂,亦曾發生多次意外。全力發展核能推進的美國, 雖然在1960年代率先將燃料電池應用在阿波羅登月太空船上,不過海軍只有兩艘DSRV深海救難潛艇使用燃料電池。西德亦曾在1960年代研發燃料電池, 但也因為技術難題而暫時擱置;到了1981年,西德重新展開燃料電池的研發工作,由IKL設計局、HDW船廠、Ferrostahl進行研究,西門子負責製造, 首先製造一個模擬燃料電池實際運轉的陸基平台,在1980至1986年進行了陸上運作測試,成功地完成100小時與300小時持續運轉測試,在1988至1989年將其 安裝於德國二戰後建造的第一艘潛艦──已除役的U-1(205型)上進行測試(U-1在1993年又被用來測試德國TNSW與荷蘭RDM合作開發的CCD封閉循環柴油機 ,是該艇測試的第二種AIP)。

德國潛艦用燃料電池發展

U-1艇上的AIP是鹼性燃料電池 ,由16個6kW鹼性燃料電池單元構成,總功率96kW,潛航的航程約220海里,並採用貯氫合金的方式儲存氫氣。 貯氫合金是德國燃料電池業界的一大革命性突破,也是德國能率先將燃料電池AIP實用化的關鍵。 貯氫合金技術最先由戴姆勒.朋馳(Daimler Benz)開發出來,隨後被西門子、HDW應用於燃料電池系統。戴姆勒.朋馳的貯氫合金技術以鐵鈦合金(TiFe)為主,將鐵、鈦金屬按一定比例組成,在真空中熔化成合金形式, 讓金屬間的晶格間產生自由空間,可在其間自由可逆地吸收、釋放氫原子。鐵鈦合金在吸氫過程(即氫化,hydrogenation)中放出熱量,釋放氫時 (即去氫化,dehydrogenation)吸收熱; 容器平時在低溫低壓之下貯存氫,此時氫原子被約束在貯氫合金合的晶格自由空間內,十分安定且安全,釋放時則透過可控的熱量供給來使氫受控地被釋出。 在HDW燃料電池中,每個氫儲存容器單元為一圓桶狀容器,容器外殼耐壓鋼製造,內盒是一個鋁製卡匣;用來儲存氫的鐵鈦合金被製成一個個圓餅狀的單元,中心留有圓孔,堆疊在鋁製卡匣之中; 而鐵鈦合金圓餅中間的圓孔則用於容納一根吸收、釋放氫的集氣過濾管。AIP在潛航運作時,燃料電池工作釋放的熱能被引導到貯氫容器,促進去氫化來釋放氫氣;而在基地設施補給時,則連結岸上的 氫氣補給設施讓貯氫容器進行吸氫反應,將氫離子儲存到貯氫金屬的晶格中。在運轉時, 貯氫合金供應氫氣的量受到加熱系統的精確控制,不會在系統中產生自由流動的氫氣而造成危險;從貯氫合金釋放的氫氣經由管路送到壓力殼裡的燃料電池進行電化反應,在壓力殼內的管道採用雙層設計,兩層之間填入氮氣來確保操作的安全性。 貯氫合金能在低壓和常溫下長期貯存大量氫氣,安全性比液態儲存的氫與氧都高得多,被認為是迄今最安全可靠的氫氣儲存方法;然而相形之下, 貯氫合金的儲存氫氣效率也不如液態方式,在一般情況下只能達到合金重量的2%。

U-1的貯氫合金儲存槽為圓柱型,長6m、厚度85cm,平均每100kg的鐵鈦合金儲存物質可儲存2kg的氫。 U-1的測試充分顯示了燃料電池的種種優點,只需5秒就能從停機狀態啟動,啟動5分內鐘就能達到全功率輸出,在運作期間都能維持在最大效率(最大電壓)之下工作, 即便過度操作時也不會造成損害(使用4小時的放電率達到額定輸出的120%),此外能任意選擇串、併聯的電池單元數,以適應高速或低速狀況, 或者在部分電池單元失效時予以切換。由於早期技術的限制,U-1的AIP無論在尺寸、功率密度、可靠性等方面 都還無法令人滿意。就在改裝後的U1潛艦試航期間,西門子公司又成功研發出PEM燃料電池,成為日後212與214型潛艦的技術基礎。

212A型首艦U-31號的燃料電池為西門子的第一代實用化PEM燃料電池,由9組PEM燃料電池單元、兩個14ton的液態氧儲存槽以及氫儲存容器組成 , 每組PEM單元可輸出30~40KW(一般而言約34KW),九組PEM加起來的總功率達306kW,使U-31能以5節以下的低速在水下連續潛航二至三週。金屬氫化物氫氣儲存槽能在10小時內完成80%的裝填,25小時內完成100%的裝填。 液態氧由低磁性鋼材製造的儲存槽來容納,安裝於燃料電池之上、氫氣儲存槽之下,採用彈性基座裝設以抵銷震動的影響,液態氧儲存槽周圍設置泡棉以形成中性浮力,操作期間不會改變重量;至於氮氣則以高壓氣體的方式貯存於瓶中。液態氧儲存槽不僅用來供應燃料電池,也用來提供潛艦在持續數星期的潛航所需的氧氣。 後續三艘212A(U-32~34)以及外銷用的214型潛艦則換裝更先進的第二代PME燃料電池系統,由兩個功率各120kW的燃料電池模組構成,不僅結構較為簡化,水下續航能力也提升了三倍左右;每個第二代PEM電池模組重約900kg,體積為176cm X 53cm X 50cm,輸出電流560安培,電壓215伏,工作溫度為80℃,全負載工作時的能量轉換率為58%。

為了減少佔用壓力殼內的可用空間,212A與214型都將氫氣與氧氣儲存設施設置於耐壓殼體之外,並且都經過嚴格的抗爆震設計與測試。 212A的前半段艦體為單殼結構,帆罩部位以後則為了容納氫儲存容器而成為雙殼;後段耐壓殼體直徑由前段的6.3m縮小到5.8m,騰出的外部空間 用來容納38個貯氫合金儲存單元,以環繞方式布置在後段耐壓殼體外部兩側,每個單元長5.2m、直徑50cm、重4.2噸,各自能儲存84kg的氫。 而212型的兩個液態氧儲存槽則設置在艦體上部耐壓殼體外部與外部船殼之間的空間中。

除了212A/214之外,HDW也為209系列提供了 燃料電池AIP改裝方案,除了新造艦能直接加裝外,現役艦也能以加裝模組艙段 的方式進行升級。為209型設計的AIP艙段中可加裝六個PME燃料電池模組,並儲存有14ton液態氧與1.7ton噸氫,以AIP供應的最大潛航速度為6.5節,以4.5節 的速度能持續潛航1250海里,持續潛航能力比先前提高了4.4倍。過去傳聞希臘有意採用此一改良方案,為本身的209 TR-1200進行升級,不過後來隨著希臘財政惡化,此案並沒有下文。

HDW的燃料電池系統包含氧氣系統、氫氣系統、燃料電池控制系統、燃料電池輔助裝備。其中,氧氣系統包含液態氧儲存槽、汽化系統以及安全裝備,氫氣系統以貯氫合金儲存槽為主;燃料電池控制系統有兩套面板,其中一套涵蓋各種電子裝備模組,另一套控制整個發電以及安全設施,平時只需由潛艦控制中心來監控燃料電池系統運作(無須人員在艙間值班),緊急時則可由燃料電池系統本身的控制系統直接控制。燃料電池輔助裝備包括熱交換系統、氮氣系統、反應水槽等,其中熱交換系統負責提供釋放氫氣以及液態氧汽化供應裝置所需的熱能;氮氣系統是在燃料電池停機期間提供氮氣注入整個燃料電池,並且在燃料電池運作時在雙層的氫氣供應管的中間層注入氮氣來保障安全;而反應水槽系統則暫時儲存燃料電池反應後產生的水,能與艦上水櫃一同調節潛艦配重平衡,或者供艦上人員使用。

 

抬出水面維修的U-31號,艦體後段的板蓋被拆開 ,裡面的圓柱狀物就是鐵鈦合金製造的貯氫容器。

抬出水面維修的U-32號, 注意艦體上部的大型圓柱狀物就是液態氧儲存槽,而艦體兩側板蓋內的

佈滿了安裝貯氫容器的環形固定座(此時圓餅狀的貯氫容器都已經取下)。

 

其他

除了AIP之外,212A型潛艦仍設一般的柴油電力推進機組,主機為一具用於水面高速航行或為燃料電池充電的MTU 16 V 396 SE84柴油機,功率2150KW(2883馬力),水下航行的動力來源則為一具西門子(Siemens)的Type FR6439-3900永磁電動機 (Permanent Magnets Motor,PMM),輸出功率2850KW(3821軸馬力) 。212A型的鉛酸蓄電池安裝於艦體前段的甲板,用於提供潛航所需的動力;這些鉛酸電池由Piller公司的發電機負責充電,充電速度極快;發電機安裝在雙層彈性懸吊基座上,以減低運作時產生的噪音與震動。由於新一代柴油機的功率與運作效率增加,加上新型電池的蓄電量改善,使212A只需要裝置一具柴油機就能有效滿足充電需求,不若之前的209型需要多達四具柴油機,故可以省下更多空間來利用。

電動機方面,傳統的大功率電動機是勵磁型電機,平時電動機電樞(轉子)沒有磁性,通電後產生感應電流以及磁性,透過與電磁兩極(固定)戶斥而轉動,進而帶動輸出軸來帶動推進器。由於電樞需要通電才能產生磁場,因此勵磁型電機工作時需要消耗額外電能,且由於電樞有阻抗所以必定生熱,需要使用冷卻系統(水冷或氣冷)來冷卻,防止起火,而設置冷卻系統就意味更複雜的機械、更高的噪音以及更多額外的功率消耗。此外,旋轉的電樞無法直接通電,須透過電刷傳遞能量,電刷長時間與高速旋轉的電樞接觸摩擦會耗損,壽命有限,而且摩擦必產生額外噪音並打出電弧(火花),對潛艦的靜音性與安全性都造成妨礙。而如果電樞轉子以自帶磁性的材料製造,就是永磁電機(PMM);這類電機以強永磁體作為電樞,不需要通電就能帶有磁性,因此可以省略勵磁電樞所需要的勵磁電源、冷卻裝置與電刷,免除了種種勵磁損耗,具有功率密度提高、噪音減少、總體效率以及功率密度提高、系統結構較為簡單、維修較為容易、電機的尺寸和構型更有彈性等。此外,永磁轉子可以安裝很多磁極,大幅增加電機的扭矩,甚至可以省去傳動齒輪箱,進一步降低整個推進系統的複雜度、體積重量以及運轉噪音。當然,永磁電機也有缺點,電樞製成之後不好會退磁,較為不穩定,而且運轉生熱的情況下永磁電樞難免會逐漸退磁。對於空間有限且非常需要降低噪音的潛艦而言,永磁電機體積重量較低、功率密度較高、運轉較為安靜,因此十分具有意義。

實際上,人類最早的電動馬達就使用天然磁石製作電樞,然而天然永磁體的磁通密度不足,因此之後實用化的高功率電機就使用外部通電勵磁的電樞。然而,隨著稀土材料進步(如釤 、釹鐵化錋合金等),能以人工方式合成製造出高密度永磁體,自然就能研製出高功率密度的永磁電動機。世界上第一部實用化的艦用永磁電機,就是由德國西門子公司在1986年推出。根據1991年水下防衛技術會議的資料,柴油主機重量135kg,可產生1000kW電能,效率22%;傳統勵磁電動機重量160kw,能產生680kW的電能;而永磁電動機重量僅38kg,可輸出940kW的功率,功率密度高,效率高達93%。

212型潛艦所有的輪機都採用電腦控制,並與艦上的控制中樞連結。212A級的螺旋槳為高曲度七葉片式,靜音能力極佳,此外艦上的柴油機 、發電機等輪機裝備都位於雙層彈性懸吊基座上,能降低震動與噪音;此外,艦上還有自動消磁系統,降低被敵方磁異偵測器(MAD)察覺的機率 。212A還擁有自噪偵測系統,布置在艦內各處的感測器會持續監視各部位的噪音與振動,一有異常便通知艦上人員來做檢修,維持全艦的肅靜性。212A型以柴油機驅動的浮航最大速度為12節, 以鉛酸電池提供動力時可獲得20節的最大潛航速度,以PEM燃料電池驅動時則有5節的持續潛航速度。

感測系統

212的水聲感測系統是STN Atlas Elektronik DBQS-40主/被動聲納系統,整合有Ferranti FMS-52艦首主動聲納、艦首環形中頻被動陣列聲納(CHA)、DBQS-90 FTC被動拖曳陣列聲納(低頻拖曳陣列型號為TAS-3,陣列長度達40m,由又下方的尾舵頂端施放,最大 偵測距離在100km以上)、FAS-3側面中/低頻被動陣列聲納、DBQS-21DG被動測距聲納 (PRS)、主要用於迴避水雷的STN Atlas Elektronik MOA-3070高頻主動聲納(MAS)、環形聲納訊號接收警告器(CIA)等,後端具有窄頻低頻譜(LOFAR)分析功能來處理側面陣列以及拖曳陣列聲納的低頻信號,功能完備而且涵蓋面佳;至於義大利的212A型潛艦則配備STN Atlas Elektronik的CSU-90整合水下聲納系統(Integrated Sensor Underwater System),是DBQS-40的輸出型號。

水面 偵測部分,212A型帆罩內的伸縮桅杆群包括一具Kelvin Hughes Type-1007平面搜索雷達、一具蔡斯(Zeiss)的新型SERO-14光電偵蒐潛望鏡、一具蔡斯SERO-15光電攻擊潛望鏡,以及一具由歐洲航太防衛集團系統與電子部門(EADS Systems & Defence Electronics)與特拉斯防衛公司(Thales Defence Ltd)研發的FL-1800U電子戰系統(水面艦使用的FL-1800 S-II的潛艦版本)。SERO-14光電搜索潛望鏡整合有紅外線熱影像儀、光學測距瞄準儀、GPS全球定位系統等,而SERO-15則整合有光學瞄準儀與雷射測距儀;此外,艦上的導航定位裝備還包括衛星導航定位系統、無線電綜合導航系統、電羅經、水下計程儀以及測深測冰儀等等

作戰系統方面,本級艦的戰鬥系統發展自擁有高性能資料匯流排、分散式架構的挪威康斯堡航太防衛公司(Konsberg Defence & Aerospace,KDA)的MSI-90U基本武器指揮控制系統(Basic Command & Weapons Control System,Basic CWCS),此系統採用全分散架構,與各作戰裝備高度整合, 利用高性能資料匯流排將艦上的武器系統、聲納以及導航等連結在一起運作;而義大利的212A型則配備名為整合感測水下系統(Integrated Sensor Underwater System,ISUS)的ISUS-90-20戰鬥系統,亦為MSI-90U的輸出版本。

武器系統

德國212型的魚雷室。

武裝方面,212A型艦首下方有六具533mm魚雷管, 除了魚雷管內預先裝填的6件武器之外,艦上還儲存有12件備射武器,並能快速進行再裝填。這些魚雷管配備具低音設計的水壓彈射系統,不僅能使用魚雷,也可以發射水雷與飛彈。212A型使用德國STN Atlas Elektronik的新型DM2A4海鱈(Sea Hake)四型重型線導魚雷,此外也能在艇身外加裝Abeking & Rasmussen的外掛式水雷佈放箱。為了反制來襲的魚雷,212A型配備STN Atlas Elektronik與Allied Signal ELAC合作研發的TAU-2000魚雷反制系統,由艦上的戰鬥系統自動控制。TAU-2000包括四具投射系統,每具最多能安裝10個發射管,使用的彈藥包括反魚雷誘餌、噪音干擾器等等,能發射多個誘餌來反制使用反覆攻擊模式(re-attack mode)的魚雷。

未來212A型應該也會納入各種智慧型自航無人載具(AUV)的操作能力,可大幅增加水下偵測、戰區水文地形探測與水雷偵測的能力 。

德國:DM2A4海鱈魚雷

(上與下)212型使用的DM2A4魚雷,注意魚雷前部的適型聲納尋標器。

德國 212A型潛艦的主要武器──DM2A4海鱈(Sea Hake)重型魚雷是D2電力推進魚雷(1976年開始服役)的第四代型號 ,研發作業始於1996年,首批於2008年12月3日交付德國海軍並裝備212型潛艦。DM2A4魚雷長6.62m(標準構型),PBX戰鬥部重260kg(仍與DM2A3相同),引信包含近發(磁感應)以及接觸模式,通電後10秒鐘即可從發射管射出 ,能自行從魚雷管游出或由氣壓彈射。DM2A4最初預定使用Atlas製造的150V鋅-氧化銀電池組(ZnAgO) (標準構型裝置四個電池模組),不過量產型據說換成銀-鋅電池;電池驅動一具高頻永磁交流馬達,電機由鈷釤永磁合金材料製造,可維持33%的運轉效率,持續產生300KW(400馬力)的功率來帶動推進器 (另一說是275KW、368馬力) ,並透過脈衝轉換來進行連續無級變速系統。永磁電機與低噪聲減速器被設計成一個整體機構,減速器為7相定子帶星形齒輪。為了降低震動與噪音,DM2A4的電機附帶減震設備,並在推進軸上設置減震部件。DM2A4的推進器唯一組同軸反轉螺旋槳,兩組螺旋槳葉片分別是5片與9片。

DM2A4採用模組化的設計,例如能依照目標的威脅等級調整配置的電池數量,成為長度、射程與速率不等的多種構型。在標準構型下,DM2A4配備四個電池模組,長度6.62m,最大航速50節;在中型構型下,DM2A4配備三個電池模組,長度縮為5.4m(攜帶導線圈5.78m),最大速率45節,最大有效射程40km;在短構型之下,配備二個電池模組,最大速率42節,最大有效射程28km;在超短構型下,只攜帶一個電池模組,長度縮減為4.55m(攜帶導線圈4.92m),最大速率35節,最大射程17.5km;廉價構型下,只攜帶一個電池模組,性能與超短構型類似,但進一步省略金屬導線,完全依靠魚雷尋標器自導,此種構型主要用於攻擊航線固定、速率較慢的商船。此外,DM2A4也能更換不同的導引段、把戰鬥部換成任務籌載,成為水下自航載具(UUV)。 隨後STN Atlas Elektronik又開發出延長射程的DM2A4ER構型,配備六個電池模組,雷體長度增為8m,在2012年3月的測試中達成140km的航行距離。

依照早期的資料,DM2A4的標準構型極速超過50節(航速52節時續航力48km),最大航程90km,對付一般中/高速機動目標則有50km的射程;相較於上一代 的DM2A3魚雷(使用銀-鋅電池、直流推進馬達),其航速增加了50%,推進能量增加四倍,但噪音也增加了50%。不過,以上數據應該是以原訂使用的鋅-氧化銀電池 組為準,日後量產型DM2A4改用銀-鋅電池,推進的性能數據可能會縮水。

一般魚雷尋標器多半使用平面聲納陣列技術,波束移動範圍約為水平120度、垂直70度,視角較為集中,在終端導引階段具有較佳的準確度 ;但是較窄的搜索範圍使這種魚雷在搜索目標階段必須以蛇行方式接近目標,在轉彎運動時會產生嚴重的空蝕效應(Cavitation effect),增加了噪音,萬一搜索不到原先預定的目標,還必須以五角形航線進行大範圍搜索,此種航路可能會讓魚雷導線纏死。而DM2A4魚雷則改用適形陣列(Conformal Array)尋標器,聲納陣列換能器沿著魚雷鼻端排列,具有高達220度的水平向掃瞄範圍(左右各110度)。由於此種尋標器的縱向掃瞄範圍只有48度(正負各24度),因此DM2A4前進行不斷進行自旋運動,使其寬廣的橫向掃瞄範圍能涵蓋所有方位,如此DM2A4就能直接朝目標前進而不需要蛇行,而且自旋運動產生的空蝕效應非常輕微。除了一般的主/被動模式外,DM2A4的導引系統還具有尾流歸向模式,能辨識船隻通過時產生的尾流並朝其方向追上去;俄製魚雷已經廣泛使用尾流歸向技術,而DM2A4則是少數開始採用此類技術的西方魚雷 。相較於前一代的DM2A3,DM2A4的導引系統組件實現了全數位化。DM2A4是全世界第一種採用光纖作為訊號纜線的線導魚雷,其光纖直徑300微米,資料傳輸頻寬大於以往魚雷的銅製導線,重量與體積也遠低於後者,而且不受電磁脈衝干擾。 由於導引與尋標系統的精進,DM2A4的淺海環境操作能力比DM2A3大幅增加。

義大利:黑鯊魚雷

(上與下)WASS在國際展場上展出的黑鯊反潛魚雷

義大利212型潛艦正在裝填黑鯊魚雷。

義大利Finmeccanica旗下的WASS(Whitehead Alenia Sistemi Subaquei)在2000年代開發了黑鯊(Black Shark)533mm重型魚雷,取代義大利海軍原本制式的WASS A-184重型魚雷,從2004年起 服役,裝備於義大利海軍的212型潛艦上;除了義大利自身採用之外,黑鯊魚雷也外銷至智利、厄瓜多、馬來西亞、葡萄牙、新家坡等國。在2014年1月,黑鯊魚雷在義大利212A潛艦Scire號上成功測試了彈出(push-out)發射模式。在2008年,法國與義大利WASS簽署合約,以黑鯊魚雷為基礎發展供法國使用的F-21重型魚雷,但後來雙方合作計畫破局,法國改與德國ATLAS Elektronik公司合作開發FT-21。

黑鯊魚雷長6.3m,使用 各項嶄新的技術;透過緊致的魚雷介面(compact Torpedo Board Interface,TBI)方案,黑鯊魚雷能輕易整合到各型潛艦上,並與艦上的感測器、射控運算單元整合。黑鯊魚雷的主/被動聲納尋標系統採用先進聲納發射與接收架構(Advanced Sonar Transmitting and Receiving Architecture,ASTRA),整合全數位波束成形以及資料處理,具備多目標追蹤、探測與識別能力,並以光纖導線與潛艦連結(據說光纖導線全長60km,其中50km收容在魚雷中,潛艦上另收容10km);其聲納尋標器能識別無都卜勒頻移(non-doppler shifted)的低速/靜止目標(例如中懸、坐底或極慢速率航行的潛艦),多波束操作下具備先進空間(spatial)與角度(angular)分析能力,被動探測距離比過去A-184增加3倍,主動探測距離則增加2倍,具備良好的抗干擾與誘餌辨識能力。黑鯊魚雷採用電力推進,以一具無刷、軸通量、慢速旋轉式永磁電動機直接驅動一具同軸反轉螺旋槳推進器(中間省略了減速齒輪,故噪音低於以往的電力推進魚雷)。黑鯊魚雷最初以一次性的鋁-氧化銀電池(aluminum-silver oxide Al-AgO) 供應電力(可安全地儲存12年),爾後改成可反覆充電的鋰聚合物電池(Lythium-Polymer,Li-Po),配備電池管理系統(Battery Management System),平均輸出功率大於55KW,最大功率大於300KW,電池可反覆使用、充電100次以上。某些使用熱力發動機 的魚雷(如美國MK-48、英國劍魚等)必須對抗水壓向水中排氣、操作深度,因此不必犧牲潛航攻擊深度。黑鯊魚雷配備一個符合STANAG 4439與MURAT-2鈍感彈藥規範的高爆戰鬥部。早期資料指出黑鯊魚雷最大航速達50節(約是A-184的1.5倍),最大射程 在50km以上(約是A-184的兩倍),但這應該是最初使用鋁-氧化銀海水電池的數據;之用改用的鋰聚合物電池能量密度較低,性能數據應該有所降低。不過,鋁-氧化銀 電池屬於一次性珠被,每次航行工作後就必須整組更換,導致魚雷平時訓練與測試試射的成本高昂;而改用反覆充電的鋰聚合物電池則可降低成本,利於進行更多航行測試,更充分地驗證魚雷性能並磨練潛艦部隊的戰術戰技。

在2010年代,依照義大利政府規劃的A/R SMD 1/2010計畫,WASS又研製先進型黑鯊魚(Black Shark Advanced,BSA,義大利文為Nuovo Siluro Pesante,NSP)魚雷,研發預算8750萬歐元(在2020年之前編列),分別在2014年2月12日與6月19日由義大利海軍的212型潛艦Scire(S-527)進行頭兩次發射測試,義大利海軍打算訂購80枚來裝備本國的212型潛艦部隊。 在2016年中旬,義大利也公開宣布將黑鯊魚雷配置在水面艦的概念,例如將兩個發射管設置在艦尾;由於黑鯊魚雷的最大射程達50公里,因此能以較低的成本取代艦載的米拉斯(Millas)反潛飛彈,甚至具備反艦攻擊的可能性。
 

 第二批212A型

德國海軍在2006年9月22日與HDW簽約,訂購第二批212A型潛艦(U-35∼36)的基本設計與前四艘相同,主要改進在於網路通信、水下感測系統以及多任務彈性(包括特戰)。通信方面,第二批212A型變更帆罩內部結構,增加一支配備極高頻衛星通信天線的伸縮桅杆(SHF SATCOM)以及Link 11/16資料鏈 ,將兩支潛望鏡桅杆中的一支更換成新型非穿透性光電桅杆,並加裝具有拖拉式天線軸承浮標的升降式通信桅杆,能在水下施放極低頻通信陣列;此外,加裝GABLER公司生產的先進CALLISTO B整合通信系統,包含極高頻衛星通信(UHF SACTOM)、高頻/超高頻/極高頻(HF/VHF/UFH)接收系統、衛星定位系統(GPS)、敵我識別系統(IFF)、LOS模式的極高頻通信系統(UHF for LOS-mode)以及早期預警接收器等。水下作戰方面,第二批212型換裝更新型的側舷大型被動陣列聲納,以及新一代網路化的整合戰鬥管理/射控系統。為了適應熱帶海域,第二批212A將配備更強大的空調系統。而為了強化特戰能力,加快特種部隊人員進出潛艦的速度,第二批212A配備大型的特戰人員加/減壓艙,一次能讓四名全副裝備的特戰人員進行加/減壓作業,比起傳統潛艦每次僅能讓兩人使用的加/減壓逃生艙更有效率;此外,艦上還能加掛用來存放放特戰裝備的大型外部式水密櫃。由於增加許多新裝備與特戰任務,第二批212A的艦體長度比第一批增加1.2m左右。212A型第二批首艦U-35在2011年11月15日舉行了命名儀式,二號艦U-36在2013年5月15日舉行命名儀式。

 

Type 212 NG(德國、挪威):

在1990年代前半,向來與德國海軍有深厚合作關係的挪威海軍曾考慮購買四艘212型潛艦,希望在2000年起取代該國現役六艘斯科本級(Skolpen class,Type 207)潛艦(1964~1967年間TNSW為挪威建造的207型潛艦,是205型的改良版),不過挪威隨後便結束了這項合作,稍後改與瑞典、芬蘭合作的維京(Viking)柴電潛艦合作計畫,三國總共預計建造10艘;但由於經費缺乏,挪威在2002年底退出了這個計畫。到2000年代後期,挪威又展開新一輪籌獲柴電潛艦的努力,打算取代六艘烏拉級(Ula class,Type 210)潛艦,經過多年的作業,最後在2017年2月初正式宣布選擇德國TKMS集團,打算購置四艘Type 212NG(稱為挪威/德國構型或新世代,Norway-Germany/Next Generation)型潛艦;由於另有專文介紹,在此不予贅述。

 

義大利第三批Type 212A

如同前述,義大利也在2017年5月下旬確認要增購第三批212A改進型潛艦,從2018年起編列預算,項目名稱為「近海未來潛艦」(NFS)。

義大利第三批212A的艦體設計比照德國Type 212A第二批,艦體長度增加1.2m,提高燃油攜帶量。其他引進的新技術包括新的操舵系統、新的電動桅杆系統(帆罩內容納最多8根桅杆);艦體使用非磁性amanox高張力不鏽鋼製造,表面使用包含氟聚合物的污垢釋放塗層材料,可降低艦體表面附著的髒污,可減少航行阻力與油耗;此外,會換裝功率更強大的柴油發電機組。第三批212A會配備更新型的戰鬥管理和通信系統、整合聲納系統、最新型反潛魚雷與反艦飛彈等。 

 

IADS潛射防空飛彈/Muraena自動火砲系統。

在2000年代,德國發展幾種嶄新的潛艦用武器,作為212A型的裝備,包括名為交互式防空系統(Interactive Defence and Attack System,IDAS)的潛射防空飛彈以及Muraena自動火砲系統。

IDAS由HDW(後來併入TKMS集團的Marine Systems)、DBD(Diehl BGT Defence)以及挪威的挪威康斯堡航太(KDA)等三家廠商共同研發,其中HDW負責系統與潛艦的整合,DBD提供飛彈與光纖線導系統,KDA負責射控作戰系統的整合 ,爾後TKMS與DBD又合資成立IDAS聯盟(IDAS Consortium);而德國海軍與德國國防採購辦公室(BWB)也與IDAS聯盟簽約,共同開發此一系統。IDAS能整合於現役潛艦的 武器系統中,最初發展的發射系統是配合潛艦的533mm魚雷管,之後的發展方向是整合入Gabler Maschinenbau的TRIPLE-M伸縮桅杆系統(即Muraena自動火砲使用的伸縮桅杆,見下文)。

(上與下)IDAS潛射防空飛彈模型。

吊裝中的IDAS潛射防空飛彈,彈翼呈展開狀態。

IDAS基本上是由德國空軍IRIS-T紅外線導引短程空對空飛彈(由DBD主導研製)衍生而來, 儲存收容在一個潛射容器中,此容器能裝入533mm魚雷發射管,長度7m,每個容器能容納四枚飛彈;其中,每枚飛彈重120kg,容器本身重量1400kg,飛彈係從容器內發射出去,而容器本身亦可由魚雷管發射出去。原本IRIS-T使用先進的紅外線凝視成像尋標器,具備全向攻擊能力以及目標輪廓識別能力,而IDAS則進一步在飛彈尾部增設與潛艦作戰系統連結的光纖電纜(光纖本身的直徑僅0.25mm);IDAS發射前,艦上的導航系統先對飛彈上的慣性導航系統進行數據更新,隨後飛彈從魚雷管射出,在水下展開彈翼和方向舵,接近水面時啟動發動機,在數秒鐘內衝出水面,爬升至預先設定的高度,讓飛彈導航與尋標系統開始工作,並轉入受控飛行階段。飛彈紅外線尋標器的影像透過光纖回傳至潛艦操控台的顯示器上,操控人員能藉此識別並控制飛彈鎖定特定目標;此外,飛彈本身也具備自主攻擊能力,即便發射階段光纖意外失效或斷裂,飛彈本身的導引系統也能自動搜尋目標並進行攻擊,完全射後不理(然而此時將面臨較大的誤擊風險)。相較於傳統同軸電纜,光纖具有直徑細(相同體積內可容納更大的長度)、重量輕、不受電磁干擾、資料傳輸頻寬極大等優點。然而,光纖能容忍的拉伸強度也低於同軸電纜,由於飛彈速度相當快,加上海流與風的拉扯,構成很高的技術挑戰;為了盡量降低光纖所承受的張力,IDAS的光纖係由飛彈尾部與發射容器的兩個絞車同步施放,盡量降低相對速度。IRIS-T為超音速飛行,射程在20km以上。

IDAS主要用於攻擊在附近上空盤旋、使用吊放聲納的敵方反潛直昇機(此階段直昇機不能任意閃躲,非常脆弱),或者近距離慢速低飛通過的反潛機;此外,IDAS也能攻擊水面目標或沿岸的陸地目標,艦上的控制台能同時控制兩枚IDAS準確地攻擊不同的目標,並根據紅外線影像選擇命中的部位。早期若干由肩射防空飛彈改裝而來的潛艦用防空飛彈需要在上浮後才能發射,反觀IDAS能在潛航時發射,潛艦在導控期間仍有一定的運動能力,這才是意義上真正實用的潛射防空飛彈。IDAS這類能在水下發射的防空武器對潛艦而言是一項重大突破,使潛艦對於來自空中的威脅不再處於完全挨打的狀態,而原本毫無顧忌的空中反潛載台面臨更大的風險,此舉將顯著地改變反潛戰的面貌。

在2006年10月,IDAS在德國北部的WTD-71測試中心完成第一次試射,一個月後又成功進行了第二次試射,此次並有13個國家的海軍代表觀摩。 在2008年5月29日,德國海軍的212A型潛艦三號艦U-33號成功在水下試射了一枚IDAS;在此次試射中,U-33艦的人員透過光纖全程控制飛彈的飛行,而飛彈的紅外線尋標器獲取的影像也透過光纖傳回潛艦。 這次試射證明現階段IDAS已經能在潛艦於潛航狀態有效使用,飛彈發射器的機械開口以及透過光纖傳送控制訊號/回傳影像等關鍵項目都運作正常。 此次成功使得IDAS計畫達成一個重要里程碑,比原本合約規定的時程提前九個月。在2016年5月底,挪威烏拉級潛艦HNoMS Uredd(S305)成功試射了一枚IDAS飛彈,測試的目標圓滿達成,這是IDAS第一次由德國以外的海軍進行發射,爾後在2017年春又會在挪威潛艦上進行一次作戰測試。依照原訂計畫,IDAS會在2012年進入德國海軍服役,但由於經費等因素導致時程放緩,爾後延至2014年開始交付德國海軍服役。在2013年5月,土耳其Roketsan公司與IDAS聯盟簽約,引進IDAS防空飛彈系統,準備用於德國技術轉移在土耳其生產的214型潛艦上。

整合於潛艦伸縮桅杆的Muraena自動火砲系統,搭配一座毛瑟RMK-30轉膛式無殼機砲

毛瑟RMK-30轉膛式無殼機砲採用類似無後座力砲的設計,裝藥引爆後產生的燃氣

由砲尾直接射出,避免將反作用力直接施加在火砲上。此設計可大幅降低火砲後座力與震動

(不過能量對砲彈做功的效率降低),無殼砲彈的設計也省略了拋殼等機械動作,

進一步降低了震動。

至於Muraena自動火砲系統則是一種安裝在潛艦伸縮桅杆上的折疊式自動機砲,使用時能像潛望鏡一般伸出,並攻擊近距離水面或陸地目標。Muraena系統主要是在潛艦於洋面執行某些特殊任務(例如對付海盜、恐怖份子,或者攻擊穿越封鎖線的不明船舶,或為登陸的特種部隊提供某種火力支援等等)或面臨突發狀況(敵軍或恐怖份子駕駛快艇意圖以武器或自殺戰術攻擊浮航的潛艦)時,讓浮航的潛艦有某種程度的近距離壓制火力。Murena系統由HDW、Gabler Maschinenbau與毛瑟(Mauser)三家廠商合作開發,其中HDS負責系統與潛艦的整合,Gabler Maschinenbau負責設計研製伸縮桅杆 系統(稱為TRIPLE-M),而毛瑟則提供該廠得意的RMK-30型30mm機砲。此砲具有特殊的減震、減後座力設計 ,專門針對直昇機、輕型車輛等對於後座力與震動容忍度較低的平台,讓這些平台也能擁有越級的火力。RMK-30 30mm機砲 本來是毛瑟廠為德法合作的虎式攻擊直昇機研發的機砲,然而最後德國陸軍並未將機砲列為自用虎式的裝備。RMK-30是種外動力轉膛式機砲,擁有獨立的電動伺服機構來控制 進彈。為了減低震動,RMK-30將射速降至300發/分(因為精確度大幅提高,就不用發射太多子彈,使砲座承受的應力大幅降低),並 採用類似無後座力砲的設計,砲尾是敞開式(形狀類似喇叭口),砲彈發射時裝藥引爆的燃氣由砲尾排放到空氣中,而不是施加於火砲本身,使得火砲後座力大幅減低,故擁有極佳的穩定性與精確度 。當然,由於採用開放式的砲尾,使得裝藥作用在彈頭的效率大幅降低,射程不如同口徑的常規火砲;因此RMK-30的砲彈使用更大的藥筒,以更多裝藥來盡量彌補。RMK-30系列的砲彈都是無殼形式,發射藥完全燃燒,不需要拋殼(可以省略一系列拋殼所需的動作,簡化了機械結構並降低了震動),完全不會妨礙潛艦潛望鏡的運作。RMK-30系列有兩種口徑,分別是30mm與35mm,設計時規劃的彈藥包括30 x 230mm(初動能154KJ,砲口初速1050m/s)、30 x 280mm(初動能255KJ,砲口初速1350m/s)、35 x 300mm(初動能315KJ,砲口初速1250m/s)、35 x 350mm(初動能470KJ,砲口初速1480m/s,最大射速調降為200發/分),分別都比西方國家同口徑的標準砲彈(30 x 173mm與35 x 228mm等)大得多,而用於潛艦的RMK-30 30mm機砲採用四彈膛設計,使用30 x 230mm砲彈Muraena系統的兩個主要技術疑慮是抵抗海水侵蝕,以及射擊產生的高速燃氣是否會危害潛艦各式精密的通信/偵測桅杆;針對海水腐蝕問題,廠商認為能透過採用防腐蝕塗裝或特殊金屬材料等方式改善,或者在使用後立刻以淡水沖洗鹽分。而對第二個問題,廠商則打算增加Muraena系統的桅杆高度,使其高過其他偵測、通信與截收桅杆,避免機砲射擊時造成干擾。另外,廠商也在考慮是否將Muraena設計成能夠在潛望鏡深度操作;如果Muraena能在潛望鏡深度操作,意味著只要將機砲桅杆伸出水面即可,大幅提昇潛艦運作的安全,但是系統複雜度與操作難度也將大幅提昇。Gabler Maschinenbau的TRIPLE-M伸縮桅杆系統除了安裝機砲之外,規劃的方向也包括結合緊致型無人飛行載具(UAV)發射器、大直徑電子截收裝置(ESM)乃至於前述的IDAS防空飛彈等。

服役事蹟

在2017年10月20日,德國海軍的212A潛艦U-35潛航通過挪威附近海域發生意外,一個舵面碰撞受損;U-35原訂在Skagerrak海峽(位於挪威以南、瑞典西南方)參與演習,碰撞後只能返航檢修。原本U-35是此時德國海軍六艘212A潛艦之中唯一一艘在值勤狀態的,該艦碰撞受損後,德國海軍212A潛艦部隊暫時沒有任何一艘可以值勤。依照同時間德國軍事新聞 Augen Geradeaus的報導,除了U-35以外,U-31此時正在船塢檢修(排定2017年12月才出塢),U-33、36兩艦正在進行維修工作(分別排定在2018年2月與5月完成;而U-32跟U-34也已經退出值勤,停在船廠等待船塢空出來才能維修。

德國海軍發言人Capt. Johannes 向當地媒體SHZ表示,目前潛艦部隊後勤補保處於低谷;在美蘇冷戰時代,後勤場站都會預先儲存關鍵零組件的庫存(這是重要的戰備指標),冷戰結束後國防預算刪減,根本就沒有保持庫存,需要時才能編列預算訂購,導致武器裝備停役待料時間大幅增加。德國海軍表示,近期德國海軍會從U-35與U-36的維修工作開始改進後勤補保程序,希望到2018年中期,能夠同時維持三到四艘U212A潛艇備便值勤。