青花魚號傳統動力實驗潛艦

青花魚號(USS Albacore AGSS-569)實驗潛艦剛下水時的畫面,注意其有如魚雷一般的淚滴型艦殼。

攝於1954年4月的青花魚號,注意艦尾舵面構型仍為傳統式,垂直舵面結構包圍著螺旋槳。

 

──by captain Picard

艦名/使用國 青花魚號實驗潛艦/美國  

(USS Albacore AGSS-569)

承造國/承造廠 美國/Portsmouth Naval Shipyard of Kittery, Maine
尺寸(m) 長62.1 舷寬8.2 浮航吃水6.7
排水量(ton) 浮航1240

潛航1540

動力系統/軸馬力 General Electric 16汽缸柴油機*2/9600

General Electric推進電動機*2/7500

單軸

航速(節)

浮航12

潛航15(早期)/33(1966年構型)

續航力(海里)  
最大潛深(m) 350
水面偵測/電子戰系統

聲納系統  

 

人員 54
備註

1950年11月24日簽約訂購,1952年3月15日安放龍骨,1953年8月1日下水,1953年12月6日服役,1972年12月9日除役,1980年5月1日除籍 ,1985年作為紀念艦展示於樸次茅茲海事博物館

 


 

早在第二次世界大戰末期,無論是納粹德國或英美同盟國雙方,都開始研究諸多嶄新的潛艦技術;其中,主要的研究核心就是研究能讓潛艦長時間在水下持續高速運轉、不需要外來氧氣供應的新發動機,這能讓潛艦徹底擺脫過去潛航時間短、水下航速慢的致命傷;而其他領域還包括降低水下流體阻力與噪音、新的偵測與武器裝備等。戰後美國海軍根據盟軍陣營在戰爭中獲得的經驗與進步,加上許多正在萌芽的新,開始勾勒新一代潛艦的面貌。

傳統的潛艦構型比較類似水面艦艇,係以水面航行作為最優化,在水下航行時阻力較大。由於過去以柴油電力推進的潛艦的潛航時間很短,主要都在水面巡航,只有在發動攻擊或躲避攻擊時才下潛,因此這種設計有其必然性。然而,隨著各種延長潛航時間的新推進系統登場(包括封閉循環發動機以及核子動力等),潛艦轉型成大多數時間都在水下巡航(核能潛艦更僅需要在接收通信或進出港時浮出水面),此時就有必要探討以水下航行為最優化的新設計;即便對傳統柴電潛艦而言,由於呼吸管的逐漸普級,使潛艦能在只露出呼吸管的情況下進行充電,因此也需要轉變成以水下航行優先的船型。 除了降低阻力、提高航速之外,低阻力化的新構型也有助於降低水下航行時的流體噪音,改善潛艦的匿蹤性能。

在1949年,美國船艦設計局(IS Bureau of Ships)內的一個特別委員會展開一項新的計畫,決定最適合最來潛航的線型。大衛.泰勒船模中心(David Taylor Model Basin)為此測試了多種不同船型,其中兩種表現最佳,一種是單軸設計,另一種則採用雙軸推進;隨後,這兩種船模又到藍利空軍基地(Langley Air Force Base)進行風洞測試。最後,美國決定採用效能更勝一籌的單軸設計,隨即在1950年11月24日簽約建造測試用的原型,這就是青花魚號(USS Albacore AGSS-569)的由來。青花魚號由位於緬因的樸次茅茲海軍船塢(Portsmouth Naval Shipyard of Kittery)建造,1952年3月15日安放龍骨,1953年8月1日下水,1953年12月6日進入美國海軍服役。值得一提的是,雖然美國對新船型展開了研究,但在核子推進計畫部分,為了降低風險並進快驗證核子動力推進系統,在1951年簽約建造的第一艘核能潛艦鸚鵡螺號(USS Nautilus SSN-571)仍繼續沿用第二次世界大戰以來業已驗證成熟的傳統艦型設計。

青花魚號擁有許多嶄新的構型特徵,包括淚滴型艦殼、尖銳的低阻力艦首、構型流線化的低阻力帆罩等等。青花魚號浮航排水量1240ton,潛航排水量1540ton, 首度嘗試以HY-80高張力鋼板製造艦體,最大潛航深度350m,動力系統包括兩具GE的16汽缸柴油機以及 兩具7500馬力的GE電動機,浮航速率12節,早期最大潛航速率超過25節,艦上編制54名乘員。由於青花魚號屬於純粹的實驗艦艇,因此沒有任何作戰裝備,編屬於美國輔助艦單位。

相較於過去的傳統潛艦構型,青花魚號採用嶄新的淚滴型艦殼,整個艦體像是一枚砲彈或魚雷,艦首由窄逐漸到寬,在帆罩部位達到最大寬幅,然後到艦尾逐漸往內收縮。此種構型曾經過風洞、船模等測試,在均勻的流體(如水下)擁有最佳的低阻效能,能將水下航速提到最高。青花魚號驗證淚滴型艦殼是極為理想的高速水下構型,從1950年代末期推出的飛魚級(Skipjack class)核能攻擊潛艦開始,核子推進系統與淚滴船型終於合而為一,之後美國所有的作戰潛艦都採用淚滴構型。不過在浮航階段,淚滴構型也有若干副作用:在水面航行時,考慮到波浪以及不同介質(大氣與水),淚滴型的航速不如在水下,操控性也較差,在港內迴旋、停泊時需要特別注意;此外,淚滴船型也有著吃水較深的問題。此外,淚滴船型相當複雜,全艦沒有一處的寬幅完全相同, 施工建造的成本高昂;因此到1970年代美國海軍從洛杉磯級核能攻擊潛艦開始,就採用簡化的淚滴構型設計,艦首與艦尾仍維持類似砲彈的流線型,而艦體中央則是一大段寬幅相等的鋼管,如此雖然會讓阻力與噪音略增,但能顯著降低施工難度與成本。

在1950年代的反潛演習中,青花魚號以及美國第一艘核子潛艦鸚鵡螺號(USS Nautilus SSN-571)展現的高速能力,讓當時美國海軍驅逐艦等反潛單位吃足苦頭(仍使用二次大戰時代的反潛探測與武器技術)。當時美國驅逐艦的聲納探測距離不超過5000碼,搭配刺蝟砲、Alfa等無導引直線拋射式反潛武器,從聲納標定潛艦之後到發射武器、落水、抵達引爆深度,高速潛艦已經移動一段距離而逃出武器殺傷界。有一次美國海軍驅逐艦薩斯菲德號( USS Sarsfield DD-837)與青花魚號實驗潛艦進行反潛對抗演習時,薩斯菲德號對青花魚號的31次攻擊只有一次判定成功。這些測試結果也刺激新一代反潛技術的普及,包括探測距離更遠的大型低頻陣列聲納、以導向魚雷或核子深水炸彈為戰鬥部的火箭助推反潛武器(如ASROC)等,希望將反潛探測距離提高到20000碼,反潛接戰距離提高到至少10000碼。

除了嶄新的船型之外,青花魚號也一併測試許多新的操控、機電技術,並能根據不同測試項目而更換不同的設備。青花魚號從1954年4月8日展開第一階段測試,部署於新倫敦市的康乃迪克(New London, Connecticut)潛艦基地,並在美國南部佛羅里達到古巴之間的海域進行初期的測試,測試期間發現一些問題,在7月3日返回樸次茅茲船廠,隨後花費約一年的時間,在大衛.泰勒船模中心的協助下進行修改,並解決一些機械上的問題。

攝於1957年3月的青花魚號,此時艦尾舵面構型已經改成今日潛艦常見的十字形,

螺旋槳位於艦尾最末端。

在1955年10月12日,青花魚號離開樸次茅茲再度展開試航,隨後前往佛羅里達海域,擔任美國反潛作戰發展中心(Operational Development Force's Surface Antisubmarine Development Detachment)反潛作戰測試的假想敵。在11月4日,美國海軍作戰執行長(Chief of Naval Operations)亞里.伯克中將(Admiral Arleigh Burke)登艦,觀摩該艦的航行性能展示。在11月24日,青花魚號進行高速測試,隨後返回樸次茅茲,從1955年12月到1965年3月進行艦尾修改工程。原本青花魚號剛建成時,其艦尾舵面採用較傳統的設計,水平舵面圍圍繞在螺旋槳推進器的左、右兩側,而艦尾尾板也在螺旋槳推進器之後;而在1955年底這項修改完成後,青花魚號的艦尾舵面經過重組,水平與垂直舵都移到螺旋槳之前,而螺旋槳成為艦尾最末端的裝備,這就是今日潛艦常見的十字舵面與尾置推進器構型。青花魚號帶著新構型在1956年4月展開測試。

在1956年11月,青花魚號回到船廠變更歸進系統,隨後在1957年3月11日在美國南部聖胡安(San Juan)海域、關達納摩灣(Guantánamo Bay)等地展開新一輪測試,隨後在1957年4月2日抵達美國東北部波士頓與樸次茅茲進行作業,並在1958年初返回樸次茅茲船廠進行整修。在這一次維修與改裝中,青花魚號加裝若干能對輪機設備進行隔音減振的措施,包括在潛艦上層結構與壓載艙內部加裝一種名為Aqua-Plas的隔音橡膠。在1958年10月,青花魚號的艦首經過進一步修改來降低噪音。青花魚號在1958年年底完成改裝,然後前往哈利法克斯海域參與加拿大海軍船艦的反潛訓練。

青花魚號在1961年換裝X尾舵進行測試

在1959年,青花魚號換上一個新設計的14英尺同軸反轉螺旋槳推進器,然後在5月啟航前往美國南部海域,擔任反潛作戰發展中心工作的假想敵。隨後在1959年剩餘的時間到1960年下旬,青花魚號都在測試大衛.泰勒船舶中心的一系列新裝備,其中最主要的是測試一個新的凹面艦首聲納音鼓。在1961年11月21日,青花魚號在樸次茅茲船廠再度進行改裝,新增不少實驗性裝備,其中最主要的包括能增加操縱靈活度的X型尾舵,此外在艦體四周設置10個減速煞車(Speed brakes),並在帆罩後方增設一個輔助的垂直舵面,此種新構型下的青花魚號操控性大幅增加。所有改裝在1961年8月完成,該艦隨即啟航,在美國東岸海域進行各項測試。

對於X尾翼,無論是改變水平或垂直方向,四個舵面都會參與動作,反觀傳統十字尾翼在垂直或水平控制時各只有兩個舵面參與,所以X尾翼的等效舵面積較高,換言之能在面積比較小的情況下獲得與十字尾翼相同的舵面積,所以X尾舵的翼面長度可以不超過潛艦輪廓的橫斷面(反觀十字舵往往必須超出 潛艦輪廓才能獲得足夠的控制面積),無論在航行、坐底或靠泊時都比較不容易遭受碰撞 。相同地,傳統十字形尾翼的水平與垂直向控制都只有一對舵面參與,萬一某個軸向的舵面完全失效,就只剩下另一個軸向的控制能力;但是X尾翼的四個舵面都同時參與水平與垂直控制,所以對部分翼面失效的容忍能力較高 ,任兩個舵面失效都還有完整的方向操控能力。再者,X型尾翼在通過水流時,能扭合出一道渦流直接進入螺旋槳,有助於降低空蝕噪音並改善推進效率 ;而在較高的航速下,傳統十字舵的垂直上舵在帆罩形成的水流的氣泡中,可能影響舵面效率(下垂直舵沒有在帆罩後方的水流中,與上垂直舵的工作環境不同)且增加噪音,而X型舵就能避開帆罩造成的水流。不過X型尾翼每個動作都同時牽涉到水平與垂直方向的控制,操舵上並不直觀,需透過計算機來計算每個舵面的動作,一旦計算機故障就會喪失所有操舵能力,使得美軍在很長一段時間內對X型舵缺乏信心(美國海軍潛艦向來都由兩名人員操舵,分別控制水平舵與垂直舵的角度)。此外,X尾舵也得採用更複雜、體積更大的制動機械,會讓容納這些裝備的艇尾必須更為粗大,降低艦體的流線程度。在1960年代,瑞典首先在實戰型柴電潛艦上採用X型尾翼(從海蛇級(Sjoeormen class)開始),德國、荷蘭、澳洲也在1980年代紛紛在設計中的新潛艦上納入X尾;而美國直到2010年代設計替換俄亥俄級(Ohio class)的新一代核能彈道飛彈潛艦,才首度應用X尾

在1962年12月7日,青花魚號開始服役生涯的第四次進行改裝,包括加裝一個新開發的DIMUS聲納系統、BOS與BOR聲納、高容量銀-鋅(silver-zinc)蓄電池、更大的推進電動機、新的無線電通信裝備、緊急回復系統,以及一個新的壓艙水吹除系統。所有改裝工作在1965年3月完成,隨後青花魚號前往佛羅里達海域進行測試;在這個階段中,青花魚號締造了33節的柴電潛艦潛航世界紀錄,至今仍無人能破。在1962年10月8日,青花魚號返回樸次茅茲船廠進行改裝,移動銀-鋅電池的位置,並縮短同軸反轉螺旋槳兩個葉片之間的距離,所有改裝作業在1967年8月完成。青花魚號在1967年9月再度展開試航,然後在10月與11月佛羅里達外海測試新開發的拖曳陣列聲納,接著又到巴哈馬島附近進行聲學測試。

1968年1月1日到4月19日,青花魚號在樸次茅茲船廠進行改裝,進一步修改推進系統以及新裝備,隨後在緬因海域南部測試新裝的MONOB I、AUTEC以及Fly-Around-Body (FAB) Phase I等新裝備。青花魚號在1969年8月24日返回樸次茅茲船廠,拆除AUTEC,又加裝新的FAB Phase II裝備進行測試。1968年9月30日,青花魚號返回樸次茅茲軍港;此時,她並不是緊鑼密鼓地安裝下一階段的測試裝備,而是等待美國海軍對相關研究的決定。

在1970年2月2日,青花魚號在乾塢展開翻修改裝,準備執行由美國海軍船艦研究發展中心(Naval Ship Research and Development Center at Carderock, Maryland)主導的超越計畫(Project Surpass,SURPASS)。青花魚號在1971年4月16日啟航離開乾塢;在同年10月,青花魚號在麻州外海展開SURPASS的測試工作,包括聲納與雷達等裝備的測試。然而,在支援SURPASS時,青花魚號的柴油主機卻頻頻故障,於是該艦支援SURPASS的任務被取消,並隨即展開除役程序。青花魚號在1972年12月0日正式除役,隨後放置在賓系法尼亞州的費城,而青花魚號在美國海軍的船籍則在1980年5月1日註銷,青花魚號隨即在1984年4月被拖到樸次茅茲。

(上與下) 除役後停放在樸次茅茲海事博物館的青花魚號,艦尾是1959年安裝的同軸反轉螺旋槳

以及1961年加裝的X舵。

在1985年,美國決定將青花魚號作為紀念艦,以紀念青花魚號服役20年來為美國海軍各項流體力學、高速航行、操控、減音降噪、聲納偵測、安全逃生等嶄新技術領域的卓越貢獻。青花魚號展示陳列於 新漢普夏(New Hampshire)的樸次茅茲港海事博物館(Port of Portsmouth Maritime Museum)的青花魚公園(Albacore Park)。在1989年4月11日,青花魚號被選入美國國家歷史古蹟(National Register of Historic Places)。