星座級飛彈巡防艦(2)─進度落後問題

 

2021年9月15日版國會研究處(CRS)星座級巡防艦項目報告中,FFG(X)星座級(白色)與原版意大利FREMM

(藍色)的輪廓比較以及尺度差異。經過大量修改與重新設計之後,星座級與義大利FREMM共通性從早先期望

的85%下降到只剩15%,這讓原本美國海軍希望透過成熟母設計控制風險以及加快進度的目標完全落空。

建造中的星座級巡防艦分段結構。

 ──by captain Picard

   


 (1)    (2)    (3)    (4)

 

船廠缺工問題

在2024年1月8日防務新聞(Defense News)報導,馬里內特海事的母公司,意大利芬坎提尼總裁Pierroberto Folgiero表示,打算在星座級的建造工作中引進焊接機器人來加快進度,使馬里內特船廠產能提高到每年建造兩艘巡防艦,而不是合約中規定的每三年建造2艘(依照2024財年的造艦計畫與FYDP計畫,美國海軍在2024到2028財年之間,每個財年編列星座級的數量依序是2、1、2、1、2)。

芬坎提尼在2023年7月公布了由意大利Comau公司開發的MR4Weld軌道式焊接機器人,配備影像監視系統與焊接火炬,能自動辨識需要焊接處,或者由操作人員控制焊接工作;Pierroberto Folgiero透露,芬坎提尼打算開始大規模將此種焊接機器人應用在集團在意大利的船廠,並進快推廣到美國的廠房。Pierroberto Folgiero表示,目前在美國很難尋找到足夠的焊接工,而使用焊接機器人可以顯著改善問題;焊接機器人可以將產能提高三倍,並且有更好的質量控制。 先前美國海軍經過仔細的作業,從意大利芬坎提尼原廠購買FREMM巡防艦(星座級母型)的技術資料標包(TDP)與藍圖等,希望能在其他船廠同步建造星座級,使產量能達到每年四艘;然而,此時美國海軍尚未將焊接機器人納入技術需求中。意大利Comau公司的母公司是斯泰蘭蒂斯有限公司(Stellantis N.V.,由飛雅特克萊斯勒汽車(Fiat Chrysler Automobiles N.V., FCA)與法國寶獅雪鐵龍集團(PSA Peugeot Citroën)),在美國有事業體,理論上有助於將Comau的焊接機器人引進美國造船廠。

此時,芬坎提尼在美國面臨造船工人短缺問題,包括找人以及留住人才;到2024年初,位於威斯康辛的三個芬坎提尼旗下船廠含馬里內特海事(Marinette Marine)、芬坎提尼鱘魚灣區造船廠(Fincantieri Bay Shipbuilding in Sturgeon Bay)以及位於綠灣的芬坎提尼ACE海事(Fincantieri ACE Marine in Green Bay),此時總共有2100多名員工,缺工率雖比一年前(短缺約1000人)改善,但此時仍短缺400多人(芬坎提尼在美國的人力目標是2600名人員);2023年內,芬坎提尼在美國招募到150名管理人員以及400名藍領工人。 除了希望改善人員招募之外,芬坎提尼也致力提高美國廠區的產能,包括引進新生產工具(如機器人)和改進流程,盡可能在陸地上預先製成船艦模組而不是下水後才在碼頭作業,有助於減少人力需求。

 

星座級首艦期程大幅落後(2024)

在2024年1月11日年度海軍水面艦年會(Surface Navy Association Symposium,SNA 2024)上,星座級巡防艦項目副主管Andy Bosak透露,芬坎提尼船廠已經告知美國海軍,由於勞動力短缺數百人(包含白領管理以及藍領工人)等因素,星座級巡防艦的生產期程面臨挑戰,原訂首艦交付期程至少會延後1年。 Andy Bosak透露,芬坎提尼.馬里內特船廠以及海軍都各自進行獨立評估作業,估算進度落後程度,以及深入分析影響這個船廠產能的的因素。 依照最初2020年4月底簽署的首艦星座號(FFG-62)的細部設計與建造合約,該艦原定在2026年7月交付;USNI新聞透露,依照本週來自眾議院的消息,美國海軍向國會的簡報中,預估星座號是在2027年交付。原本首艦星座號預定在2023年8月達到安放龍骨節點,此時已經延後到2024年春季(3月底前)。

此前海軍部長卡洛斯.狄.托羅(Carlos Del Toro)宣佈,已經下令審查美國海軍造艦產業的情況。這項調查評估作業由海上系統司令部(NAVSEA)吉母.唐尼中將(Vice Adm. Jim Downey)以及主管研究/發展/採辦的海軍部助理部長尼可拉斯.格爾 汀(Nickolas Guertin)領銜,為期45天;這項報告將對影響造艦產能的所有全國性或地區性因素進行完整的分析評估,並提出建議來達成一個更健康的美國造艦產業基礎,能如期提供美國海軍需要的作戰能力 。卡洛斯.狄.托羅表示,美國公眾應該瞭解,海軍部承諾發展/交付與維持最好的作戰能力給在海軍服役的水手與陸戰隊士兵們;海軍部會持續與業界和所有關係人合作,強化美國建造軍艦與商船的能力。卡洛斯.狄.托羅的聲明中也提到,他對於COVID疫情後各種因素持續影響造艦產業以及相關供應鏈的狀況表達憂心,尤其是哥倫比亞級彈道飛彈潛艦以及星座級巡防艦項目。

美國海軍作戰部主管無人與小型作戰船艦(Unmanned and Small Combatants)的主管凱文.史密斯上校(Capt. Kevin Smith)透露,馬里內特海事的焊接人員面臨招募困難,而工人短缺的困擾涵蓋許多範圍。 巡防艦項目主管Andy Bosak表示,在2023財年預算中,國會編列5000萬美元預算來提振小型水面作戰船艦工業基礎(The Surface Combatant Industrial Base,SCIB)基礎;而海軍以及芬坎提尼船廠已經啟動程序,決定要如何使用這些經費,包括吸引人才進入造船廠或供應鏈廠商並讓他們持續留在這個產業中。例如,這5000萬美元經費中,1500萬美元作為吸引人員長期留下的獎金,分為兩個階段;凡在2024年1月1日時在馬里內特船廠工作的人員,如果到12月31日仍在職,每人可領取5000美元獎金;而如果該廠在巡防艦項目船廠的人員,到首艦下水都還在職,每人可再領第二階段的5000美元獎金。此外,2023年11月馬里內特船廠啟動人力資源資料分析計畫,會耗資300萬美元;而其餘約3000萬美元的經費,則用在大規模招募人員以及訓練課程的方面。

芬坎提尼.馬里內特總裁Mark Vandroff呼籲,該廠需要國內願意投身高報酬的工作的年輕人,並強調該廠的藍領工人薪資待遇優於威斯康辛州以及密西根州(Michigan)上半島區域(位於密西根湖與蘇必略湖之間,連接威斯康辛州)的平均水平。Mark Vandroff表示,勞工非常稀缺,這是競爭優秀人才的戰爭。

除了招募短缺之外,此時芬坎提尼.馬里內特船廠的LCS項目(自由級)尚未完全結束,為沙烏地阿拉伯建造多任務水面船艦(MMCS)的工作仍持續,使這些團對無法轉而投入星座級巡防艦項目之中;到2024年初,馬里內特海事的34號廠房的兩個區域內,一個已經開始放置星座級首艦的船體模組,另一個仍在建造沙烏地阿拉伯海軍的MMSC。馬里內特總裁Mark Vandroff透露,此時該廠正在加速完成最後一艘自由級LCS的交付工作,並且盡快完成MMCS,希望儘速將人力團隊以及產線空間騰出給星座級巡防艦項目。不過Mark Vandroff也承認,現階段馬里內特海事每年無法建造超過2艘巡防艦;如給美國海軍需要每年生產3至4艘巡防艦,就需要引進第二承包商。Andy Bosak也透露,巡防艦項目正在借重潛艦產業的經驗(包括訓練新人的程序),希望能在全國範圍內招募與培訓焊接、加工以及其他技術人員。

在2024年4月2日,USNI新聞報導,依照海軍部長卡洛斯.狄.托羅下令進行的45天美國造艦產業現況評估報告的曝光內容,海軍承認正在建造的企業號航空母艦(USS Enterprise CVN-80)、哥倫比亞級彈道飛彈潛艦首艦哥倫比亞號、維吉尼亞級核能攻擊潛艦以及星座級飛彈巡防艦項目都發生延誤,主要原因包括供應鏈問題、船廠熟練工人短缺、首艦設計成熟度問題。其中,正在馬里內特海事船廠建造的星座級巡防艦首艦星座號(USS Constellation FFG-62)原訂2026年交付,而評估報告認為在2029年之前無法交付,延期高達三年,而不是先前消息透露的一年。依照這份報告,星座級的設計原訂與原版意大利FREMM有85%的共通性,但因為依照美國海軍需求大幅修改(加上國產化的變更),最後兩者共通性只剩15%。如此大的變動使星座級設計成熟度大減、風險提高,加上馬里內特海事在威斯康辛的造船廠面臨缺工問題,使得項目進度大幅落後;為了解決供應鏈問題,美國海軍已經撥款5000萬美元振興造艦基礎的經費,包括給馬里內特船廠的紅利費用,吸引船廠員工長期留下來。

芬坎提尼.馬里內特船廠所在的威斯康辛州馬里內特市是個人口僅一萬多人的小城鎮,而芬坎提尼.馬里內特船廠卻打算在這裡擴建成擁有1500至2000人的大型船廠, 當地的住房跟生活機能難以支持;而此時,美國境內所有經過訓練的合格造船人員都已經在工作,沒有多餘人手,而且也很難吸引這些人搬到這個位於美國北部、冬季嚴寒的偏遠小鎮(無論成本或生活機能都很不划算)。相形之下,卡洛斯.狄.托羅在2024年3月亞太之行參觀日本與韓國船廠之後印象深刻,這些船廠有許多支持船廠員工與其家庭的設施,從醫院、學校、兒童托育中心、保齡球館....應有盡有,讓員工做到「在船廠工作、在船廠生活」,盡可能地吸引人才來船廠工作並留下來。在2024年4月23日,卡洛斯.狄.托羅在密西西比州的Ingalls船廠時對記者表示,關於星座級巡防艦進度延宕,最大的問題是缺工,包括招募人才以及留住人才。

卡洛斯.狄.托羅表示,美國海軍因應星座級項目進度落後的立即對策,是派遣海上系統司令部(Naval Sea Systems Command)的設計與數位化團隊前往威斯康辛州的馬里內特船廠,與船廠一起工作,加快該廠從原本LCS過渡到巡防艦生產工作的進度。

由於第二艘星座級(FFG-63)在2023年12月才展開製造工作,目前還難以預估這些問題後續造成的影響。 依照美國海軍2025財年預算計畫,在2024年時預估可能有三艘星座級同時在建造,到2028年時會有超過10艘同時在建造;因此,只要前期階段的幾艘發生落後,就會衝擊長期下來美國海軍獲得的巡防艦數量。

依照2024年5月14日眾議院武裝部隊委員會公布的2025財年國防預算草案,星座級巡防艦項目由於大幅延誤,預算被刪減11.7億美元。 隨後依照參議院撥款委員會(Senate Appropriations Committee,SAC)8月1日通過的參院版2025財年國防授權法(NDAA 2025),為星座級項目編列7億美元(涵蓋FFG─62至67的先期採辦),還為擴張巡防艦工業基礎增加1億美元。

在一場參議院武裝部隊委員會關於星座級項目的聽證會上,代表密西西比州的共和黨參議員、 參議院武裝部隊委員會成員羅傑.威克(Roger Wicker)表示,星座級項目推遲了三年, 首艦(從開工)要花十年才能交艦,一個很大的因素是美國海軍對此項目要求無法保持一致; 從簽約之後,星座級有將近七成的需求都經過變更。

GAO關於星座級進度落後與重量成長問題的報告(2024/5)

在2024年5月,GAO針對星座級巡防艦項目落後的報告的一張圖表,此圖是首艦星座號(FFG-62)

此時每個分段(block)的3D建模完成度,還標出此時已經進入建造的分段。

在2024年5月,GAO針對星座級巡防艦項目落後的報告的一張圖表;此圖是首艦星座號(FFG-62)

於2022年8月開工後,每六個月為期,船艦功能設計(Functional design)以及3D建模的進度。

以船艦在功能設計完成之前都不應進入建造的原則,星座號完全沒達到設計穩定(Design Stability)

2024年5月GAO對星座級巡防艦項目報告的一張圖表,此為美國海軍對於星座級設計修改的

合約資料需求清單(CDRL)工作項目的審查流程。其中顯示,廠商第一次交付CDRL項目的工作時,

美國海軍收件之後都會標示進度為50%,海軍實際審查之後可能直接通過(100%)或者提出意見

要求船廠再次提交;而在反覆提交/審查過程中,完成進度標示超過50%到不足100%之間。這種進度

標示會導致工作提交還沒被審查,進度就被標註為50%,甚至許多提交是配合廠商趕上截止期限

的形式交付(實質上根本沒完成,甚至某些提交根本沒任何設計內容)也被標註為進度50%,這會讓

項目當局無法精確掌握實際設計進度,往往高估了當前的工作進度。

 

 

 在2024年5月,美國政府問責署(GAO)公布一份名為「未固化設計導致施工停滯並延後交付進度」(Unstable Design Has Stalled Construction and Compromised Delivery Schedules)的報告,指出由於細部設計以及驗證工作尚未完成就進入建造,星座級的進度嚴重落後,首艦交付時間從原訂2026年4月延後36個月。此報告除了聚焦於一些執行與管理問題、導致星座級建造進度落後之外,也提到了星座級船艦重量的非預期成長問題。在此前關於星座號建造進度延誤三年的公開報導,多半集中在船廠缺工的問題上,而這份GAO報告則聚焦在設計建造的程序與管理問題。

不同於以往美國海軍造艦計畫,FFG(X)引進現成已驗證的船型,目標是降低技術風險、收斂海軍對新技術應用的範疇以及加快建造進度;而前10艘星座級的合約採用固定價款加激勵(fixed-price incentive)合約,顯示美國海軍對於項目能如期如預算交付十分樂觀。然而,此項目後續執行過程中的許多失當,因而無法達成許多原本的理想。

到2022年11月,美國海軍就已經判定,首艘星座級不太可能照原訂期程在2026年4月交付;打從首艦星座號開始製造,細部設計工作的延誤就持續發生。在2023年5月美國海軍給船廠的文件中提到,海軍觀察到,船艦設計進度並沒有顯著進展,無法持續推進建造工作與項目進程;當時,海軍要求造船廠提出計畫,採取一切必要措施,讓設計文件的交付進度回到正軌。至2023年9月,首艦星座號的建造完成度僅3.6%,而照計畫中此時進度應達到35.5%。而到2023年12月,美國海軍報告指出,船廠預測首艦的交付進度會推遲到2027年12月,已經比原訂期程落後20個月。然後在2024年1月,海軍部對當前美國海軍造艦項目展開45天的審查,此報告在4月公布,估計星座級首艦的進度落後達到36個月。

 

功能設計未完成,導致細部設計與建造工作挑戰

在船艦細部設計完全完成之前,海軍就決定展開建造工作,這違反了(先前GAO報告整理建議的)首要船艦設計實務(leading design practices)。依照GAO先前報告的整理,商業造船界的領頭羊都會確保建造工作開始前,所有的功能性設計(functional design)全部必須完成定案;反之,如果在功能設計沒有全部完成定案之前就開始建造,隨後發生的設計變更就會導致昂貴的返工,乃至於一系列後續非預期的修改工作,進而危害整個項目的成本與進度控制。

依照GAO報告建議的首要船艦設計實務,船艦達到設計穩定(Design Stability)的定義,是在基本設計(basic design)、功能設計(functional design)以及對應的3D建模全部完成,並透過可靠的供應商提供信息(Vendor Furnished Information,VFI)來支持與理解最終的系統設計等(註2)。當前述要件滿足之後,才能進一步產生細部設計資訊,含每個分段施工的指導。而在分段的細部設計完成之前,就不應展開分段或大總段(grand block,全艦由四個大總段構成)的製造工作。商業造船的領先船廠都遵守這個原則,確保建造工作能在預定期程內高效地完成。

然而,星座級巡防艦的承包商並沒有遵守前述原則,往往在細部設計完成之前就進入製造階段。建造工作展開之後,功能設計仍然沒有趨於穩定,持續的變更削弱了細部設計的精確性與成熟度,而這是船艦模組仰賴的條件。於是,製造的承包商只能面對兩種選擇:第一,仍持續施工,等設計發生變化時,不得不進行昂貴的返工以及超出順序(out-of sequence)的工程,增加了成本又打亂施工計畫;第二,被迫停工,等待設計完成。在這種情況下,建造進度自然明顯停滯。

依照GAO報告,在2022年8月星座級首艦開始建造時,功能設計(Functional Design)完成度88%,3D建模完成度僅69%;2023年2月時,功能設計完成90%,3D建模完成78%;到2023年8月(開工一年),功能設計完成度92%,3D建模完成84%。首艦星座號的各個分段3D建模進度方面,到2023年10月時,其中6個分段的3D建模進度到91%以上(都正在製造),3個分段的3D建模進度76~90%(其中2個開始製造),20個分段3D建模進度56%~75%(其中3個開始製造),兩個分段(含主桅杆)建模進度為50~55%。這些數字顯示,在還沒有滿足設計穩定(Design Stability)之前,製造工作就展開了。更糟的是,由於衡量設計成熟度的實務措施與指標不良,項目高層往往會高估星座級設計工作的完成度(見下文)。

美國海軍決定大幅修改母船型(意大利原版FREMM)設計,導致最終星座級與母船型像是遠房親戚一樣差距甚大(兩者的共通性從最初預計的85%下降到只剩15%)。星座級相較於原設計的變更包括整合美國海軍指定的武器系統、比原始設計更堅實的損管消防系統、變更上層結構佈局等等;為此,總計美國海軍制訂了511項功能設計文件來實施這些變更,稱為合約資料需求清單(Contract Data Requirements List,CDRL);隨後,海軍與造船廠持續為了CDRL清單的項目搏鬥,包括為了首艦建造工作的3D建模和細部設計,提供所需的圖紙(drawings)、圖表(diagrams)、規格(specifications)和配置(configurations)等。

截至2024年2月,當建造工作展開1年半之後(2022年8月開始建造),美國海軍 與船廠只完成了511項CDRL中的168項(獲得認可並結案),其餘343項仍未完成。未完成的343個CDRL項目中,某些會連帶影響多個設計工作,有些涵蓋多個大總段, 這類項目被列為「優先(priority)CDRL」;實際工作經驗顯示,要能完成這些關鍵CDRL 項目的挑戰性高於先前預估,要花費比原本預期更長的時間。例如在2022年7月,船廠預估到2023年1月能完成47項優先性CDRL項目;在2022年7月時,總共有47個優先性CDRL項目,到2023年10月增加為70個;然而到2023年10月時,美國海軍與船廠卻僅僅完成15個優先性CDRL項目。

依照巡防艦項目官員表示,優先性CDRL項目增加,反應海軍與船廠集中力量完成建造工作所需的關鍵(critical)、開放(open,即尚未完成)的設計文件;換言之,這些優先CDRL事項增加,並不代表船廠執行的設計工作範疇的擴展,而是集中力量來完成關鍵設計的細節,包含完成相互依(interdependent)與分散(distributive)系統的細部設計。在這些CDRL設計文件完成之前,船廠就無法完成船艦的3D建模;而3D模型是發展每個大總段的細部設計、施工文件的必要條件。

 

審查設計成熟度的指標失真

除此之外,巡防艦項目設計程序期間,各項功能設計審查的實踐並不恰當;用來衡量的設計穩定指標(design stability metric)只看完成的設計工作數量,而不是這些設計工作的品質,這限制了上級對於項目時間表是否可行的洞察力。有問題的項目進度指標持續地混淆造艦項目的實質設計進度,導致項目當局在設計真正成熟之前,就啟動了首艦(星座號)的建造工作。2022年8月,美國海軍部長卡洛斯.迪.托羅在眾議院與參議院的聽證會中表示,星座級的基本設計(basic design)與功能設計(functional design)都已經完成,船廠在8月底正式切割第一塊鋼板開工;然而,實質的設計完成度並沒有這麼高,指標都是被誤導的。

在設計程序中,海軍與造船廠持續修正先前完成但有缺陷的設計圖紙(即額外的返工),但整個項目基本上仍然藉由完成文件的數量來橫量項目進度,而不是完成的品質。這樣的影響是,等後續第二艘巡防艦開始建造時,美國海軍對於能穩定船艦功能設計尚缺的工作範疇,仍然缺乏能見度,而設計工作的延誤也會持續影響後續艦的建造時程。

只看數量不看質量的審查程序,使美國海軍對星座級設計工作實際進度的掌握與現實脫節。以計算功能設計穩定性(functional design stability)的指標為例,許多船廠交付的合約資料需求清單(CDRL)項目,被美國海軍承辦單位標註為完成度50%至75%;這些都是還廠商還在修改中的未完成設計。在實際工作中,海軍承辦官員往往會配合承包商趕上工作期限的需要,讓廠商先提交實際上根本沒有做完的工作項目。

一般而言,每個CDRL工作項目需要經過海軍跟承包商好幾輪審查與反覆回饋,才能完全通過並結案。承包商對負責的CDRL工作項目第一次提交時,美國海軍承辦單位接收後都會標註完成度50%,然後進行經審查。美國海軍單位審查了廠商提交的工作,結果可能是通過或者(絕大多數情況下)給予意見、要求廠商修改後再次提交。一個CDRL工作項目如果歷經好幾次提交、審查與再提交,例如海軍第一次批審後標註意見,廠商第二次提交時進度就被標註為75%,廠商第三次提交可能就被標註為90%;直到完全獲得美國海軍通過,進度才會標註為100%並關閉(之後如有變化,已經完成的CDRL項目還會重新開啟)。所以,直到工作100%完成關閉之前,進度標註的百分比並不等於實質完成度,這很容易對項目管理層級造成誤導(註3)

尤其是標註進度50%的CDRL工作項目,是尚未經過海軍任何審查的首次提交,其中許多甚至只是為了配合廠商趕上交付期限的形式提交(實質上不到可以被審查的程度);某些提交案例中,甚至沒有包含任何實際完成的設計內容,進度為0,但這種提交依舊被海軍標示成進度50%。同樣地,標註為75%的只是經過海軍第一次審閱之後,廠商的第二次交付,根本不是實際完成度達到75%。單純以這樣指標來判斷設計工作完成度,帳面上的完成度指標就遠高於實質上的完成度。

舉例而言,在2022年7月,船廠回覆處理了來自海軍總計26份關於CDRL結構設計(structural design)項目的輔助文件中、總計超過170條的重要意見(critical comments);結構設計在巡防艦總體設計的比重佔約20%。到了2023年7月,項目主管對於結構設計的成熟度評論是「高度成熟」(highly mature),但實際上前述這26項輔助文件中的項目,大部分都處於未完成狀態。 

與美國海軍管理巡防艦項目的方式相較,GAO研究商業造船業界的工作流程,發現業界船廠評估設計成熟度時,都會根據船舶設計的關鍵知識來聚焦;這些知識源於設計產品認證、供應商提供的資訊完整性、建造材料的可獲得性等,而不是僅僅計算設計工作數字上的完成度。

GAO報告指出,海軍政策賦予造艦項目決策當局足夠的彈性,定義最適合的方式與指標來衡量功能設計的進度。依照項目主管,最初制訂當前的指標與措施時,是希望能提供更好的方式來清楚掌握設計成熟度,而不是僅僅是認可/不認可這兩種結果。然而實際上,海軍的設計審查實務與指標,不僅沒有為設計成熟度提供清楚的能見度,也沒有為預測未來巡防艦項目提供一個合理的基礎,包括預測第二艘星座級(FFG-63)的。

因此,美國海軍必須發展新的衡量指標,能真正衡量合約商繳交的設計的成熟度,讓項目主管能更精確地掌握設計進度。如果在開始建造星座級後續艦之前不修改當前的衡量指標,海軍採辦主管仍將無法向作戰艦隊與國會準確交代,這些船艦何時才能交付以及形成戰力。

應藉由建造進度推遲的機會,先完整驗證推進系統與輪機控制系統

GAO報告指出,星座級使用了許多美國海軍船艦上早已採用的系統,然而推進系統(複合燃氣渦輪與柴電)和輪機集中控制系統(Machinery Centralized Control System)是兩個例外,此時美國海軍尚未進行展示。雖然星座級的推進系統整體架構與原版意大利FREMM基本相同,但仍做出不少修改,以符合美國海軍的標準和需求;而這增加了成本以及系統整合的風險。依照美國官員表示,星座級推進系統最大的風險,在於整合各項子系統(含LM2500+燃氣渦輪、柴油主機、推進電機、控制系統、減速齒輪箱等等)可能的各種風險與挑戰。

星座級的輪機集中控制系統是艦上人員與推進機電系統中45項子系統的介面(包括警告系統、電/液系統、推進系統等),主承包商是L3Harris。為了降低風險與節省成本以及利於日後維護升級,L3Harris以業界常用的開源開發工具來發展輪機控制系統的軟體方案,而不像母船型(FREMM義大利版)以及過去美國海軍造艦專案使用專有軟體 (Proprietary software)資源來開發。依照L3Harris提供的信息,由於船艦平台各項設計變更以及整合新裝備,星座級的輪機集中控制系統的軟體源碼有95%都是重新撰寫 ,而且由於更換軟體開發工具,自然無法沿用原本意大利原廠使用的開發工具和作業環境,完全是重頭建置。 此時,L3Harris已經在本身的陸地系統整合實驗室(land-based system integration lab)進行了子系統的軟硬體測試;這種模擬測試僅限於個別的次系統,在開發初期當然是必要的程序,但這無法重現完整的船艦推進系統運轉環境。

美國海軍已經投入了陸基工程測試站項目(Land Based Engineering Site,LBES),進行船艦推進、機電系統原型陸上測試之用。LBES測試會包含巡防艦的完整推進系統含一部LM2500燃氣渦輪、兩部柴油主機、減速齒輪、推進電機以及完整控制系統,以及其他推進系統相關的機電部件,可以完整測試整套推進機電與控制系統實際運轉情況,模擬各種工況環境的運轉,識別可能的風險並予以修正。LBES的建造工作在2022財年展開,建設地點設美國海軍水面作戰中心費城分部(Naval Surface Warfare Center, Philadelphia Division)。然而,依照美國海軍計畫,並沒有打算在首艘星座級交艦之前(原訂2026年)讓LBES完全投入使用,只打算將LBES作為巡防艦交付以後,針對推進與控制系統可能發生的技術問題進行測試驗證的平台。

在2020年6月,國防部作戰測試與評估主管(Director of Operational Testing and Evaluation ,DOT&E)批准了星座級巡防艦項目的測試與評估主計畫(Test and Evaluation Master Plan,TEMP)。TEMP包含星座級所有測試項目、程序以及目標,一部份項目包括陸地測試; 雖然TEMP提到LBES可能用來支援船艦平台、機械與電子(Hull, Mechanical and Electrical,HM&E) 的測試項目,但GAO發現在推進與控制系統測試計畫中,並沒有特別註明要利用LBES進行測試。 GAO報告指出,美國海軍已經計畫在2025財年對星座級的TEMP進行修訂,並且已經在制訂巡防艦裝備 在LBES的測試計畫,打算在2024財年底進行審查。

由於建造進度落後以及巡防艦項目期程全面延後,GAO認為這提供美國海軍機會,在修改星座級的TEMP時納入推進與控制系統在LBES進行陸地測試的計畫,使得推進與控制系統在船艦建成交付之前就能先進行的全規模陸基測試,進而減少將來船艦建成之後才發現問題的風險。

非預期重量成長

關於重量成長,GAO報告指出,海軍決定在細部設計未全部完成的情況下就開始製造首艦,使得許多船艦設計元素存在信息落差,包括結構、管路、通風及其他系統,以及低估修改外國設計來滿足美國海軍標準的工作量,這些因素導致星座級開始出現非預期的重量成長。而為了解決這些重量成長,又使船艦設計工作拉出一條針對重量控制的新維度,導致原本已經充滿挑戰的項目期程再增加變數。

在2023年10月,船廠一份報告指出,比起2020年6月估算的排水量,此時星座號的非計畫重量成長(nplanned weight growth)超過了10%。在2023年12月,美國海軍啟動一項獨立的調查,檢視星座級巡防艦的重量成長問題,並評估其風險;在2024年4月,美國海軍向GAO提供了這份報告的結果,報告中提到一項考慮中的措施,就是降低巡防艦的航速需求來解決超重問題對船艦設計的影響。

重量成長並非此份報告的重點,但一般而言,如果船艦欠缺足夠的空間/重量/功率/冷卻餘裕(Space, Weight, Power and Cooling,SWP&C),就會限制服役生涯中安裝新設備滿足新需求的可能性,使船艦的價值降低。美國海軍盡力確保每一型船艦設計都留下10%的成長餘裕。

合約架構控制了海軍需吸收的成本風險

以往美國海軍對於一級新艦首艦的細部設計與建造工作,與承包商基本都簽署成本可補償/實報實銷合約(cost-reimbursement contracts),意味著軍方與政府承擔首艦的研製風險。而星座級由於是發展自業已驗證的母船型,當時預估能更快完成並更好地控制成本,所以首艦細部設計建造合約採用固定價款加激勵合約(fixed-price incentive contract),此種合約架構一般用於後續艦。在此種合約架構下,美國海軍對星座級首艦花費的超支承擔比例上限是70%;超支是從目標成本算起到合約定義的最高限價(ceiling price),最高限價是目標成本的120%;而當費用超過最高限價的部分,就必須由承包商吸收。正因為使用不同於以往首製艦的採辦合約,使得美國政府方面的超支幅度得到控制;此時已經簽約的前四艘星座級巡防艦(船廠造艦的合約總值約25億美元),美國海軍承擔的成本風險都控制在最高限價以內。而後續艦的合約中,美國海軍分攤的超支比例以及最高限價都比首艦合約進一步降低

在2023年12月,雖然首艦星座號的工程進度不到10%,但船廠已經預估首艦總成本會超過合約限價(首艦星座號在2020年4月30日與船廠簽署建造合約時,造艦價格是7.95億美元,加上其他政府供應項目的總成本估計為12.81億美元;以最高限價為合約目標價120%的標準計算,首艦建造工作的最高限價約為9.54億美元)。星座級造艦項目官員以及船廠代表對於成本超支原因的歸納,包括設計工作的挑戰以及成本高於預期(尤其是星座級相較於母船型做了太多修改)、通貨膨脹等因素導致原物料與勞力成本大漲等;而海軍造艦項目官員也表示,承包商當初為了壓低成本、在採辦物料時採取激進的出價,但許多時候事與願違。

除了造艦成本超支之外,美國海軍也發現,前四艘星座級的關鍵政府裝修項目(Government Furnished Equipment,GFE)超支近3.1億美元;而由於通貨膨脹以及其他經濟因素倒置的材料與勞力成本上漲,後續星座級的成本也會上漲。

GAO五項建議

在這份報告中,GAO列出五項建議:

1.項目進度應是反應造船廠交付的成果質量,而非僅是數量。

2.海軍部長應確保重建後的功能設計審查措施,以及依照第一項建議重新建立進度衡量指標,能夠在星座級二號艦(FFG-63)建造工作前就確實應用,以衡量功能設計(functional design)是否實際完成。

3.海軍部長應確保,任何首艦和後續艦的大總段的細部設計,在模組建造工作展開之前都必須完成,以符合(GAO先前建議的)首要船艦設計實務。

4.作為計畫性的巡防艦項目測試和評估主計畫(Test and Evaluation Master Plan,TEMP)的重審,海軍部長應確保項目能納入額外的陸基推進系統測試以及中央輪機控制系統的測試工作;而這些測試工作的期程應根據首艦星座號工作的期程延後。

5.在採辦目前還沒簽約的第11艘之後的巡防艦時,海軍部長應責成主管主管研究/發展與採辦的助理部長(Assistant Secretary of the Navy for Research,Development and Acquisition),重新審視巡防艦採辦策略,檢視任何機會能將(GAO先前建議的)首要船艦設計實務導入未來的產品發展程序中,並適當地更新巡防艦採辦策略。

在2024年3月這份報告正式出爐之前,GAO已經先將草稿提供海軍;在2025年5月,海軍以書面回覆GAO,表示對此報告五點建議的四點(第1、2、3、5點)完全同意,對於第四點部分同意。

對於GAO報告的第一與第二項建議,海軍的回覆中表示,巡防艦項目設計程序的評估作業中,會對承包商交付的設計文件與功能需求進行質量審查,且功能設計完成時會提交第二艘巡防艦生產準備審查(production readiness review)作業所需的退出標準(exit criteria,即完成任務必須滿足的標準或要求)。而對GAO第三項建議,海軍表示會持續使用模組準備審(Module Readiness Review,MRR)程序來評估風險,並會在用於船艦的大總段開始製造之前,提交細部設計完成評估(detailed design completion assessment)。對於GAO第五項建議,海軍表示同意,將適度更新巡防艦採辦策略。

而對於GAO第四項建議,海軍表示部分同意,將更新巡防艦的測試與評估主計畫(TEMP),納入額外的陸基測試活動,並依照首艦交付進度的推遲狀況來設定陸基測試的期程。然而,海軍表示不打算在修訂星座級的TEMP計畫時,納入這些額外的陸基測試項目,因為海軍認為LBES的功能屬於維持性(sustainment,支持現役裝備的後勤維護,而不是研發階段的整合測試)。不過海軍仍表示,會利用LBES投入使用時的「早期機會」,進行前述的風險降低研究工作。此時LBES預定在2029財年全面投入使用(此前只有現役柏克級驅逐艦的全規模推進系統),即便星座級首艦延後到2029年交付,顯然不可能在交艦之前就推進與控制系統陸上原型測試。

因此,對於海軍關於TEMP的回覆,GAO報告評論認為海軍的計畫不合適,仍堅持原本建議應該被執行;TEMP應該要能涵蓋巡防艦項目的測試需求、對需求提供合理性,以及保證完成這些測試所需的資源。此外,2021年國會通過的國防授權法(NDAA 2021)已經註明,LBES是巡防艦項目必須滿足的測試要求以及資源,因此海軍如果沒有先進行推進與控制系統陸基測試就是違法的。如果海軍沒有利用這個機會深思熟慮、讓LBES項目進度能跟巡防艦測試評估項目達成一致,就沒有充分運用這項數百萬美元投資所提供的機會。

  

 

註2

早在2009年5月,GAO公布的一份報告就整理了商業造船界裡最好的實務原則,
作為美國海軍改進造艦項目的參考;而在2024年5月這份報告中,GAO持續更新這些實務原則,但其中許多原則基本上維持不變。

綜合2009到2024年GAO報告,這些設計階段的關鍵原則包括:

在基本與功能設計(Basic and functional design)階段,此階段完成是達成設計穩定(Design stability)的先決條件基本與功能設計包括:

1.固定船舶鋼結構設計,並設定流體動力

2.設計安全系統,並由適當的機構認證

3.完成所有主要的分佈性系統(distributive systems),包括電、液以及其他輔助設備

4.提供管路、通風、裝備以及每個分段艤裝的具體位置資訊

5.對船舶結構和主要系統進行3D建模,並將可靠供應商供應資訊(vendor-furnished information,VFI)納入其中,以支持對船艦最終設計的理解。
VFI反映公司的實力,對船舶設備和部件的特性的瞭解(含空間/重量/電力/水和其他輔助設施等)。VFI的一個例子是能夠提供裝備的最終規格,而不是等待工廠驗收測試才確認這些規格。

細部設計(Detail design):

使用3D建模資訊,為每個分段(Block,組成船艦結構的基本單元)的製造工作產生施工指令(work instructions),包括系統細節以及支援建造的資訊,含次承包商和供應商指南、安裝圖(installation drawings)、進度表(schedules)、材料清單(material lists)和預製件(prefabricated)清單、材料及零件。

而每個分段能開工製造的底限條件,是分段的細部設計必須完成。

 

註3:

美國海軍與國防部向來使用掙值管理系統 (Earned Value Management System)來衡量造艦項目的進度,以項目達成的里程碑(milestone,即節點)來衡量造艦項目的完成度。例如以船艦設計工作的進度為例,如果完成設計草案(draft),進度就是50%;如果完成設計草案最終版(final draft),進度為75%;如果物料表(Bill of Material,BOM)通過認可並趨近完成,進度就達到90%,也代表設計成熟度已經足夠展開生產階段;當所有設計文件都已經完成並通過檢視(包含設計圖以及BOM、施工指令等所有文件),進度就是100%。

  

 (1)    (2)    (3)    (4)