鸚鵡螺號核子動力攻擊潛艦

 

全世界第一艘核子動力潛艦──美國海軍鸚鵡螺號(USS Nautilus SSN-571)。

鸚鵡螺號的設計剖面圖

鸚鵡螺號在1954年1月21日下水的歷史性畫面。

鸚鵡螺號首次試航中的畫面,攝於1955年1月20日。

 

在紐約曼哈頓外海的鸚鵡螺號。

在1958年8月25日,剛結束北極遠航的鸚鵡螺號抵達紐約港。

已經除役、由拖船拖船拖帶途中的鸚鵡螺號。

──by captain Picard

艦名/使用國 鸚鵡螺號核子動力攻擊潛艦/美國  

(USS Nautilus SSN-571)

承造國/承造廠 美國/Electric Boat Division, General Dynamics Corporation, Groton, Connecticut
尺寸(m) 長97.5 舷寬8.5 浮航吃水7.9
排水量(ton) 浮航2980 潛航3520
動力系統/軸馬力 S2W反應爐*1/15000

蒸汽渦輪*2

雙軸

航速(節) 潛航22
最大潛深(m) 150~200
水面偵測/電子戰系統 BPS-15平面搜索雷達
聲納/射控系統 BQS-4被動聲納*1

MK-101魚雷射控系統

人員 105
艦載武裝 MK-59 533mm魚雷管*6 (攜帶24枚MK-14/16/37/48魚雷等)
備註 1951年8月2日簽約訂購,1952年6月14日安放龍骨,1954年1月21日下水,1954年9月30日服役,1980年3月3日除役與除籍,1986年成為紀念艦。

 


 

傳統柴電潛艦的限制

潛艦在兩次世界大戰中展現了很高的制海價值,然而傳統的柴電推進系統卻嚴重限制了潛艦的能力。眾所周知,柴電潛艦潛航後,僅靠電瓶內的續電,並無法長期在水下作業,如欲延長潛航時間,航速必須降到非常低的程度。當電池耗盡後,潛艦別無選擇必須上浮至水面,打開柴油機充電,此時的潛艦就有如待宰鴨子。在二次大戰中,美軍開始使用大量的PBY等洋面巡邏機來搜捕浮在水上的德國U艇時,U艇往往不是遭到直接攻擊而毀損,就是為了躲避飛機而被迫下潛,進而阻礙其作戰企圖。雖然 二戰末期納粹德國開發出呼吸管(snorkel)、伸出水面使潛艦在水面下仍能進氣讓柴油機工作,但 這只能解決一部分問題,使用呼吸管時潛艦必須留在潛望鏡深度,不能任意機動;而在水下運轉的柴油機使艦內的二氧化碳等廢氣濃度增加,對艦上人員的健康是一大威脅,如果使用不當或機械故障(例如通風管道萬一關閉而柴油機卻繼續運轉)甚至可能造成致命意外;此外,日益進步的偵測技術 依舊能偵測到一支冒出水面的呼吸管。

二戰時代柴電潛艦的航速也完全不足以配合或主動迎擊一支敵方主要水面作戰艦隊,即便浮出水面以柴油機驅動 (通常潛艦只能在夜間以浮航方式追蹤目標,在晝間就很容易被敵方水面艦艇或飛機發現), 也只能獲得約17到19節的最大航速,這樣的速度也完全不足以追趕航速動輒25甚至30節以上的第一線水面作戰艦隊 ,更不用提二戰潛艦在發動攻擊前潛入水中後,靠電瓶推進僅僅能達到7、8節的速率。這種先天限制使得柴電潛艦只適合攻擊航速緩慢的商船隊或海軍的後勤運補船隊;面對敵方 航速較高的作戰艦隊時,潛艦最多只能設法事先在敵艦航道前方埋伏,例如在靠近海岸、水面艦艇運動受限制之處,而且錯過一次攻擊機會就很難獲得第二次,除非運氣夠好 。例如 ,1945年初美國海軍射水魚號(USS Archer-fish SS-311)潛艦雖然在開闊水域發現了日本海軍信濃號航空母艦,但仍必須靠著準確預測日本信濃號航空母艦的之航路徑,外加 隨後信濃號由於大軸過熱而被迫降低航速到與射水魚號相當,射水魚號才有辦法在持續數小時的追擊之後,逮到機會進入攻擊陣位,用魚雷擊沈信濃號 ;只要其中一個環節不盡人意,例如信濃號能持續維持一艘艦隊型航空母艦正常的速度,則射水魚號就根本不會有發動攻擊的機會。

核子推進系統的誕生

為了解決潛艦潛航時間不足、航速不夠的重大限制,二戰時代的納粹德國曾研究了配備華爾特過氧化氫(HTP)渦輪的Type XVIIA/B潛艦。過氧化氫渦輪是一種密閉循環發動機 ,發動機運轉過程不需要從外界取得氧氣,因此在測試中能持續以超過20節的速率潛航一段很長的時間。然而XXI潛艦推出的時機已晚,還來不及大量建造形成有效戰力,納粹德國就已經戰敗。戰後英美蘇等國瓜分了納粹德國的戰利品,英國以Type XVIIA/B潛艦的基礎進一步研發過氧化氫渦輪推進系統,並自行建造了探險家級(Exploror class)實驗型潛艦,創下26.5節的潛航速率;而西方國家還擔心蘇聯也獲得了Type XVIIA/B潛艦的技術,並準備大量建造。為了因應蘇聯日益壯大的潛艦部隊威脅,美國海軍一方面從1946年開始改良現有的二戰型潛艦,一方面也開始研發更新一代的潛艦推進系統。然而實際上,華爾特渦輪發動機的能量效率較差, 為了換取高速而耗費大量燃料,影響續航力,而且過氧化氫危險性頗高,容易自燃或腐蝕金屬 、人體與衣物,可靠度不佳,整體而言不能算是真正理想的潛艦推進方式。

在二次大戰期間,美國一位物理學家菲利普.愛貝森(Philip Abelson)主張以核子動力裝置來提供潛艦所需的推進與電力。 在1946年,曾參與二戰期間研製原子彈的曼哈坦計畫(Manhattan Project)、位於田納西州的陸軍柯林頓實驗室( Clinton Laboratory ,後成國防部橡樹嶺國家實驗室,Oak Ridge National Laboratory)展開一項計畫,研製核能電力系統。一位在二次大戰之後負責輪機工程的美國上校海曼.李高佛(Hyman G Rickover) 是美國海軍最早支持這類主張的人士之一,他在1945年12月被分派到紐約州斯克內克塔迪(Schenectady)與通用電機( General Electric)合作,研究供驅逐艦使用的核子推進系統;在1946年,美國海軍決定選派五名頂尖工程專家前往柯林頓實驗室參與合作,深知核子動力前景的李高佛遂積極爭取,在他二次大戰期間的上司艾爾.米爾斯少將( Rear Admiral Earle Mills,同年成為海軍船艦局(Bureau of Ships)主管)協助下,如願參與這個海軍團隊並調往柯林頓實驗室;在柯林頓實驗室與各頂尖科研人員共事的日子,使李高佛成為一位真正的核工程專家。

最初美國海軍對海事核子推進系統的興趣是用在驅逐艦等水面作戰艦艇上,而李高佛則鼓吹首先將核子動力用於潛艦。如果核子動力系統能實用化,潛艦就能持續潛航數萬海里而不需要上浮補充氧氣與燃油 (遠勝過同時期氧化氫渦輪等水下封閉循環熱燃機推進系統)。李高佛積極拜訪多位美國海軍上級軍官,提倡發展核子動力潛艦的重要性;在1947年,李高佛拜訪了海軍作戰部長(Chief of Naval Operations,CNO)、二次大戰期間擔任美國太平洋艦隊總司令與盟軍太平洋戰區總司令切斯特.尼米茲上將(Admiral Chester Nimitz)鼓吹他的理想,並獲得曾在潛艦上服役的尼米茲上將的認可,進而向海軍部長( Secretary of the Navy)約翰.蘇利文(John L. Sullivan)推薦這個計畫;之後,約翰.蘇利文就同意建造全世界第一艘核子動力潛艦鸚鵡螺號,因此日後李高佛稱約翰.蘇利文是「真正的核子海軍之父」。

在李高佛等人的大力推動下,美國海軍在1947年9月展開潛艦用高壓水冷核子反應器的研究計畫。在1947年12月31日,美國國防部正式啟動潛艦熱反應器(Submarine Thermal Reactor)項目,發展潛艦所需的核子反應器,由奧岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)、西屋電器(Westinghouse Electric Corporation)以及西屋營運的貝蒂斯核子動力實驗室(Bettis Atomic Power Laboratory)一同負責。在1948年5月,美國海軍船艦局(Bureau of Ships,BuShip)成立核子動力部門(Nuclear Power Division),由李高佛擔任第一任主管,並與橡樹嶺國家實驗室的主管Alvin M. Weinberg一同合作,首先成立橡樹嶺反應器技術學校(Oak Ridge School of Reactor Technology),然後開始設計供潛艦使用的壓水反應器。李高佛隨後在1949年2月被任命為美國原子能委員會(United States Atomic Energy Commission,AEC,成立於1946年)的反應器發展部門(Division of Reactor Development),之後被任命為AEC新成立的海軍反應器部門(Naval Reactors branch of the Atomic Energy Commission)主管;兼任海軍船艦局核子動力部門主管以及AEC海軍反應器分部主管不僅使李高佛能完整地管控美國海軍相關的所有核子推進系統發展計畫,還能掌控美國第一個商業性壓水反應器發電廠──碼頭市核能電廠(Shippingport Atomic Power Station)的建設。

之後李高佛還有意爭取成為美國海軍核能潛艦計畫的最高主管,然而李高佛的老上司──艾爾.米爾斯上將並沒有採用這樣的任命;曼哈坦計畫主管路易絲.格洛夫陸軍中將(Lieutenant General Leslie Groves)表示,艾爾.米爾斯深知李高佛個性強硬頑固、難以相處,與同僚關係不佳,難以擔任最高主管;然而,艾爾.米爾斯也認為人,無論面臨什麼逆境,李高佛美國海軍最能倚靠的。作為催生美國海軍核動力潛艦/船艦的幕後靈魂人物,李高佛日後被譽為「核動力艦隊之父」(Father of the nuclear fleet)。由於推動發展美國海軍核能潛艦的功勞,李高佛在1958年晉升中將,同年獲頒由於美國國會金質勳章(Congressional Gold Medals),這是李高佛一生中獲得的兩枚國會金質勳章中的第一枚。

史上首艘核能潛艦的誕生

在1949年8月,美國海軍作戰部(Chief of Naval Operations,CNO)正式頒佈新一代潛艦核能推進系統的需求,並要求在1955年1月之前就能實用化。眼看核能反應系統的發展逐漸成熟,美國海軍作戰部長佛斯特.薛曼(Forrest P. Sherman)上將在1951年4月25日宣布將展開第一艘核能潛艦的建造,並在同年8月2日與位於康乃迪克州格羅頓的通用電器船舶分部(Electric Boat division of General Dynamics Corporation in Groton, Connecticut,之前霍蘭的潛艇公司)簽約 ,建造第一艘核子動力攻擊潛艦。而在簽署建造合約的同時,鸚鵡螺號所需的MK-1核子推進系統原型也在1951年4月於AEC位於愛達荷州沙漠中的國家核子反應爐測試站(National Reactor Testing Station)開始建造。 

作為鸚鵡螺號核子潛艦項目的總工程師,李高佛擬定了發展核潛艇的正確方向——首先,潛艦用反應器體積必須緊致小巧以塞入潛艦。同時,李高佛堅持對核反應器每個部位都以最嚴格的標準設計製造,所有部件都要進行抗高熱、抗震動試驗。此外,研製工作還包括建造一艘長約16m、直徑1m的鸚鵡螺號縮尺模型,在水槽中接受實體爆震測試,模擬遭受深水炸彈攻擊時 船艦的受力情況。在李高佛的團隊與承包商西屋的努力下,第一種用於潛艦、直徑在28英尺以內的S1W壓水反應器問世了(W代表主承包商為Westinghouse)。包含S1W反應器的MK-1潛艦推進系統原型在1953年於國家核子反應爐測試站開始運轉測試,測試工作由奧勒岡國家實驗室團隊負責 ,在1953年3月30日上午11時17分達到臨界狀態,反應爐內部開始核分裂反應。在1953年6月25日,MK-1原型推進系統的S1W反應器開始全功率測試, 持續運轉了4天4夜,相當於潛艦不間斷橫度大西洋(從美國到愛爾蘭),之後停爐檢查確認反應器沒有出現任何致命損傷(僅有熱交換迴路的主冷凝器等部件因長時間承受高壓蒸汽而有破損情況)。

鸚鵡螺號的核子推進系統的地面測試原型:SW1壓水反應器與MK1推進系統。

為了減低不必要的技術風險,盡快讓配備核子動力系統的潛艦展開操作驗證,李高佛的團隊決定,除了嶄新的核子推進系統之外,鸚鵡螺號的基本構型與其他系統仍延伸自二戰末期設計的大型艦隊型潛艦 ,並沿用美國海軍升級二戰型潛艦的GUPPY計畫的相關成果;這使美國海軍能將所有資源心力集中在核子動力推進系統上 ;日後鸚鵡螺號的成功證實這項穩健策略完全正確,使美國海軍能在最短時間內盡力成熟可靠的核子潛艦部隊,而不橫生枝節。

在1951年12月12日,美國海軍宣布將首艘核子潛艦命名為鸚鵡螺號(USS Nautilus SSN-571),這不僅是美國海軍第六艘採用此艦名的潛艦,同時也是紀念由蒸汽船先驅富爾頓設計、1799年服役的動力砲艇 ,以及二次大戰期間美國海軍曾擁有的一艘鸚鵡螺號潛艦(USS Nautilus SS-168,屬於獨角鯨級,Narwhal class),更是紀念19世紀法國著名科幻小說先驅朱勒斯.凡爾納(Jules Verne)的名著海底兩萬里(Vingt mille lieues sous les mers,英文版為Twenty Thousand Leagues Under the Sea,1870年出版)中那艘在海底縱橫的巨型神秘潛艦鸚鵡螺號。小說中的鸚鵡螺號有超長的續航力與潛航時間,用來影射美國第一艘核能潛艦非凡的能耐,可說是再恰當也不過。

李高佛堅持將核子推進系統運轉安全性置於絕對優先的地位(包含技術層面、人員操作訓練等,美國潛艦軍官都必須先接受完整嚴格的核子推進系統工程訓練成為專家,才能晉升潛艦艦長),不僅確保了美國海軍核能潛艦操作人員免於遭受輻射傷害,也讓核能潛艦的操作變得更安全; 爾後,注重核能系統安全一直是美國海軍核子艦隊(包含潛艦與水面船艦)的優良傳統,使得美國海軍從1950年代引進核子動力系統至今,從未發生過重大的核子反應器意外事故,表現遠優於蘇聯海軍。

值得一提的是,鸚鵡螺號的序號仍接在先前美國海軍的柴電潛艦之後,而且一開始並不打算採用新的代號,繼續沿用「SS」字頭;但李高佛為了彰顯核子潛艦的不同凡響,硬是要求在原本的「SS」之後加一個「N」(代表核子動力);最後美國海軍 核定採用括弧附註的方式來處理這個「N」,即SS(N)-571,但李高佛卻告訴手下的參謀「在每一份相關的公文、備忘錄上都寫「SSN-571」,久而久之美國海軍就會忘記這個括弧」──之後李高佛成功了。

基本設計

浮航中的鸚鵡螺號

鸚鵡螺號艦內的控制艙室。

鸚鵡螺號在1952年6月14日安放龍骨,並在1952年安裝了蒸汽渦輪機、減速齒輪等主要機械裝置;反應器方面,陸地上測試的MK1壓水式(PWR)核子推進系統原型 (含S1W壓水反應器)在1953年3月30日進行了全球第一次核能系統的陸地運轉,並在同年6月25日成功完成持續96小時的全功率持續運轉測試;而鸚鵡螺號的推進系統便直接由S1W/MK1衍生而來,只經過少許修改以相容於潛艦的其他裝備,並被賦予MK-2核子反應器的代號,稍後又改稱為S2W,其中S代表潛艦(Submarine),2代表第二代,W代表製造廠商西屋公司 ,整個S2W反應器以及蒸汽渦輪、減速齒輪與傳動系統佔據了整個鸚鵡螺號的後半段艦體。 最早實用化的核能反應器是沸水式反應器(BWR)與壓水式反應器,其中沸水式只有一套熱交換迴路,亦即使用水直接進入爐心與燃料棒接觸,吸收熱量成為高溫壓蒸汽後經管路推動發電機蒸汽輪,然後冷凝成水進行下一回循環;而壓水式反應器則擁有兩套熱交換迴路,第一次交換迴路進入爐心帶出熱量,在一個熱交換器中把熱量傳給第二級交換迴路,讓第二級迴路產生的蒸汽去推動發電機。雖然PWR比BWR多一套熱交換迴路,等於是增加了能量的損耗以及額外的成本與重量,但負責推動蒸汽渦輪的次級迴路完全不會與爐心接觸,而且也多了一道屏障,使得蒸汽渦輪等機械比較不容易受到放射性污染。 為了防止核子推進系統故障,美國的核能潛艦仍配備傳統的柴油機推進系統,並配備呼吸管使潛艦下潛時為柴油機換氣,此外呼吸管也有助於排除艦內一些難以被空氣淨化系統吸收的污染氣體。 鸚鵡螺號的S2W反應器本身重35ton,但是連同附帶的輻射防護層,總重就高達740ton。

鸚鵡螺號於1954年1月21日在艾森豪夫人的主持中下水,1954年9月30日正式編入美國海軍艦隊服役 ,該艦造價為5500萬美元。在1954年10月20日,鸚鵡螺號的S2W反應器首度啟動,並在1955年1月3日在碼頭邊完成第一次全功率運轉測試。在1955年1月17日,鸚鵡螺號首度出海試航,並在上午1100時拍發了歷史性的電文:「本艦以核子動力航行中」(Underway on nuclear power)。在1955年4月22日,鸚鵡螺號向設籍所在的新倫敦港報到,正式加入艦隊,並在5月10日展開成軍巡航(shakedown),從新倫敦以全程潛航的方式前往波多黎各的聖胡安市,整個航程約1381海里(2220km),只花了90小時,其中有一小時時間都以16節以上的速率航行,刷新了潛艦持續潛航時間以及在水下持續以最大速度航行時間的世界紀錄 ,大約是先前紀錄的10倍。隨後鸚鵡螺號從凱西市回到新倫敦時,又再度刷新持續潛航速度的新紀錄,全程以平均20節的速率以潛航方式航行了1397海里。鸚鵡螺號潛航排水量約3500ton,雙軸推進,艦上的武裝是六具位於艦首的MK-59 533mm魚雷發射器,全艇總共可攜帶24件武器(包含預先裝填在魚雷管的6枚)。

美國海軍核子動力之父海曼.李高佛上將登上鸚鵡羅號視察。

作為全世界第一艘核能潛艦,鸚鵡螺號在操作性、可維護性方面,都還有許多不理想的地方。依照鸚鵡螺號最後一任艦長Riddell在2004年的演講時的內容, 在他指揮的時期,鸚鵡螺號日常操作的困難與不便包括:

1.艦上備用柴油發電機組的安裝方式使維修很難進行,如需要處理軸承就必須先拆除底座,這讓艦上人員很難在航行期間進行維修。

2.艦上備用柴油機在使用呼吸管的情況下總是無法正常啟動,許多專家都無法解決問題。由於反應爐從冷爐啟動時需要靠柴油機發電提供電源,如果在航行途中關閉反應爐,重新啟動反應爐時只能浮出水面才能開啟柴油機,無法在水面以下利用呼吸管換氣。

3.艦上輪機室空間過於緊湊狹小,許多死角根本構不到而難以清理。艦首與艦尾的設計也讓清潔工作十分困難。

4.反應器艙間設計難以存取,維護人員需要透過一套滑輪系統系統把維護人員吊放進反應器艙間;由於維護人員必須穿著兩層核子防護服才能進入艙間,這會減慢整個進出反應器艙間的作業速率。

5.由於伸縮桅杆的電磁離合器問題,艦上導航雷達經常發生故障;在Riddell擔任指揮官期間,鸚鵡螺號就多次必須在雷達故障的情況下冒著撞上小船的危險,在康乃狄克州格拉頓(Groton)潛艦基地出口的航道上浮航。

6.當鸚鵡螺號在水下航速超過4節時,艦體上層結構就會產生過大噪音與震動,使得艦首的被動聲納無法正常聽音工作。雖然美國海軍嘗試過各種方法調整上層結構、檢查任何鬆掉的部件,這種情況都無法改善。

7.在反應器從冷機狀態啟動的過程中,一個外部的筏門經常卡住,導致程序得整個重來。反應器啟動後,首先將迴路中加熱產生蒸汽,使整個工作迴路達到操作溫度;在加熱過程中,由於迴路中水受熱膨脹需要排出,因此艦上人員需開啟艦體外部一個對外筏門,筏門開口焊接一個鵝頸管(gooseneck)來接收排水。等到反應器運轉達成臨界、工作迴路達到額定溫度,就關閉反應器、關閉外部筏門並移除鵝頸管,此後反應器與迴路就能正常工作。然而在加熱工作迴路的過程中,其中一個外部筏門卻經常卡住而無法關閉,導致工作迴路冷卻;如此,整個繁瑣的啟動程序就得重來一次。

8.鸚鵡螺號採用雙軸推進(與二戰型潛艦類似);為了易於保持航向、避免偏航,鸚鵡螺號的兩個推進軸並非平行而是各自向外傾斜。然而,這也使鸚鵡螺號很難靠兩個推進器的差動來轉向,由其是在進出港的階段非常不靈活,只能仰賴拖船協助。

鸚鵡螺號設計時沒有刻意考慮靜音降噪,也繼續沿用二戰型的傳統潛艦船型;而這種船型(包含指揮塔)在核能潛艦遠高於以往的水下持續航行速度中,就暴露出噪音與震動過大的問題。因此,雖然鸚鵡螺號航速很快,但若要使用聲納仔細傾聽周遭,就必需減速到極慢的4節以內才能有效使用被動聲納。過大的噪音不僅妨礙本身聲納運作,也會讓敵方在更遠的距離就聽到它的存在;而這些經驗隨後都反應到將來美國海軍新造核能潛艦上。由於水下運作的功率大增, 鸚鵡螺號的噪音頗大,比二次大戰時代的美國海軍艦隊型柴電潛艦還要吵雜。

 

鸚鵡螺號的戰術測試

鸚鵡螺號服役後,在美國海軍與北約的演習中出盡鋒頭,其無遠弗屆的持續高速潛航能力讓水面反潛部隊望塵興嘆 。鸚鵡螺在1955年7至8月份進行了服役後首次實戰對抗演習,並順利擊敗包括一艘反潛航母在內的反潛編隊;在這次對抗演習中,鸚鵡螺號被判定擊沉7艘敵艦。隨後在北約所組織的「反擊」演習中,鸚鵡螺號攻擊了高達16艘水面船艦,包括2艘航空母艦、一艘重巡洋艦、9艘驅逐艦與4艘油輪與貨輪。

在1955年的對抗演習中,鸚鵡螺號以24節的高速持續在水下航行,一路上對24艘艦艇發動模擬攻擊;在一次對抗中,鸚鵡螺號主動地佔據一個陣位對一個航空母艦編隊發動攻擊,為此鸚鵡螺號以20節以上的航速持續航行10.25小時,跑贏了這個航母編隊並成功佔位發動攻擊,讓美國海軍大感震撼。在這幾次演習中,由於當時 (二戰水平)的主動聲納以機械方式調整方位俯仰(類似探照燈),轉動速率不夠快,根本無法有效追蹤持續高速航行的鸚鵡螺號 ;事實上,早在二次大戰後美國檢視擄自納粹德國包括Type XXI等新潛艦技術時,就擔心新型高速潛艦能擺脫二戰時代的主動聲納的追蹤,讓二戰驅逐艦的反潛效能急轉直下,而真正具備長時間高速水下航行能力的核能潛艦則讓這個夢魘成真。此外,當時雖然美國海軍已經發展若干空投導向魚雷,例如由飛機投放的MK-43 324mm被動歸向魚雷,然而當時導向魚雷的航速太慢(MK-43只有20節),最高航速達24節的鸚鵡螺號仍能輕易甩開。1955年7月到8月間鸚鵡螺號首次進行戰術航行測試,就展現出能輕易躲過當時MK-43等空投導向反潛魚雷的能力。

至1957年秋季為止,鸚鵡螺號在與美國海軍和北約盟國(NATO)海軍的各項對抗演習中,總共遭到約5000次模擬攻擊,然而最後只有三次被判定摧毀;依照當時一般柴電潛艦參與反潛對抗的統計數據,在相同次數的模擬交戰中,至少應該會被摧毀300次,這顯示在當時反潛作戰方式與技術之下,核能攻擊潛艦在對抗中的存活率提高100倍以上。鸚鵡螺號只是使用傳統船型的第一代核能潛艦,而採用全新淚滴型艦體的新一代飛魚級核能攻擊潛艦(Skipjack class)在1956年已經開工建造,其水下航速超過30節,而且操控更為靈敏(不到30秒就能下潛500英尺),使得對抗核能潛艦的難度進一步提高。

依照1956年1月美國大西洋艦隊的驅逐艦單位提出報告,在護航與反潛獵殺演習中,由攜帶低頻聲納的驅逐艦構成的反潛阻柵,對試圖穿越阻柵的潛艦的偵測率達六成;在1955年7月對鸚鵡螺號的反潛演習中,偵測成功率也達63%,而且當時驅逐艦都以25節的速率航行著;雖然 聲納能夠探測鸚鵡螺號,鸚鵡螺號的高航速卻當時的聲納(最大探測距離不超過5000碼 ,主動式射控聲納為機械式轉動,難以持續追蹤高速潛艦)、反潛射控計算技術、無導引直線拋射式反潛武器(例如刺蝟砲、Alfa等)造成極大困擾,這些源於二戰時代的反潛技術 無法夠快地對付一艘高速潛航的潛艦,聲納標定、裝訂射擊參數到發射武器、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)與當時美國海軍水下航速最快的青花魚號(USS Albacore AGSS-569)實驗潛艦進行反潛對抗演習時,使用二戰反潛技術的薩斯菲德號31次攻擊只有一次判定成功。過去針對以8節航速呼吸管航行柴電潛艦的戰術 和武器系統,遇到高速核能潛艦幾乎完全失效。曾有一位鸚鵡螺號的艦長表示,如果不是艦上二戰水平的舊式射控系統的限制,鸚鵡螺號將發揮出更強大的攻擊能力。

鸚鵡螺號的各項測試表現大大刺激美國海軍發展新一代的反潛技術;蘇聯顯然會緊跟在美國之後發展出高速核能攻擊潛艦,因此美國海軍在反潛演習中對抗鸚鵡螺號的各種「惡夢」將迅速成為現實的作戰場面。在1956年,美國大西洋艦隊的驅逐艦指揮官表示,在三年內蘇聯就可以擁有性能類似鸚鵡螺號、水下持續航速24節的潛艦;而稍後的情報顯示蘇聯發展核能潛艦的速率比西方先前推測的還快,蘇聯在1960年代就有能力推出水下航速30節的核能潛艦(1968年初,美國海軍利用企業號核子動力航母對一艘尾追的蘇聯第一代11月級核能攻擊潛艦,證實蘇聯第一代核能潛艦的水下持續航速可達30節以上)。

在1957年底,鸚鵡螺號首次訪問英國,而皇家海軍就有軍官表示,除非反潛技術發生突破性的進展,否則只有核能潛艦才能對抗核能潛艦。美國海軍第二艘核能攻擊潛艦海狼號(USS Seawolf SSN-578)在1955年下水,1957年交付美國海軍,美國海軍隨即展開核能潛艦之間的對抗測試。結果發現,兩艘核能潛艦雖然擁有同等的水下持續高速航行與改變深度的能力,然而受限於反潛武器系統性能限制(包括射控計算系統、當時導向魚雷的速度與射程等),除非這些領域出現技術突破,否則一艘核能潛艦仍然很難有效獵殺另一艘核能潛艦,這與水面艦對抗核能潛艦的基本情況類似。

例如,當鸚鵡螺號與海狼號都在高速航行時,雖然彼此的聲納都能在夠遠的距離聽到對方,然而當時美國海軍最新型、最可靠的MK-37潛射導向魚雷(1957年首度服役)性能卻不足(以26節航行時射程僅10000碼,約9.14km),根本無法在可能交戰的距離追上高速的核能潛艦。而兩艘核能潛艦都處於低速靜音航行狀態時,被動聲納只能在靠近到魚雷最小射程以內,才能聽到對方的噪音,如此搜索效率太差,而且當時美國潛艦的機械類比式射控系統需要的計算時間太長(光依賴被動聲納聽音的信息),無法在對方核能潛艦察覺並高速脫離之前展開攻擊。稍後的測試顯示,如果配合使用被動與主動聲納,雖然有可能讓核能潛艦更有效地探測並接近另一艘核能潛艦,主動聲納也可加快射控計算工作,然而MK-37魚雷的速度與射程不夠,依舊無法有效擊中一艘高速迴避的核能潛艦。

 

服役歷程

在1957年4月,鸚鵡螺號回船塢進行第一次燃料棒更換作業,此時鸚鵡螺號的累積航程已經達到62562海里,超過了小說「海底兩萬里」小說中鸚鵡螺號的60000海里。燃料棒換裝工程在1957年5月完成後,重回艦隊的鸚鵡螺號又前往太平洋沿岸,參加了與美國太平洋艦隊的對抗演習,稱為全壘打行動(Home Run),讓美國太平洋艦隊體驗實際對抗核子潛艦的經驗。全壘打行動之後,鸚鵡螺號於7月21日返回母港新倫敦,並在8月19日展開全球第一次核子潛艦穿越北極冰帽的航行;由於北極海是太平洋通往大西洋的捷徑 ,途中會經過漫長的蘇聯海岸,因此戰略地位重要(尤其是核能彈道飛彈潛艦出現以後),而此塊冰封極地也成為日後東西雙方水下角力的場所之一 。由於北極海面長年有厚冰,潛艦的上浮受到諸多巨大限制,唯有具備無限潛航能力的核能潛艦,才能在北極冰洋下有效操作。通過180海里北極冰帽後,鸚鵡螺號隨後抵達大西洋,在北海參加了北約艦隊的聯合演習,隨後並拜訪了英國與法國的軍港。

在1958年4月25日,鸚鵡螺號前往美國西岸;在6月9日,從西雅圖啟程的鸚鵡螺號展開了另一次著名的極地航行任務:「陽光行動」(Operation Sunshine)。鸚鵡螺號隨後穿越阿留申群島與白令海,並於6月19日進入北冰洋的楚克奇海(Chukchi Sea),但隨後在淺海水域遇到許多流冰,基於安全考量而折返,並在6月28日抵達夏威夷珍珠港做短暫的停留,等到北極海的海象改善時再啟程上路。在7月23日,鸚鵡螺號從珍珠港出海北航,通過楚克奇海時短暫上浮,然後繼續下 潛,於8月1日時橫越深度3657m的巴羅海谷(Barrow Sea Valley)。在8月3日東岸日光節約時間(EDST)23時15分,鸚鵡螺號抵達地理北極,成為全世界第一艘抵達地理北極點的船隻;然而,由於頂上有厚度16m的冰層,鸚鵡螺號並無法上浮。隨後鸚鵡螺號曾四度嘗試上浮,但都由於冰層阻礙而被迫放棄。在冰層之間穿越或上浮具有很大的風險性,稍有不慎就會撞到厚重的冰層,導致艦體重創、進水沈沒;而鸚鵡螺號在冰層之間企圖上浮時,只能靠回聲探測儀與一部仰視電視攝影機進行探測。在8月5日,鸚鵡螺號在格陵蘭東北外海浮上海面並拍發電報,成功地完成潛航穿越北極的任務。整個陽光行動的技術細節都是由海軍電子實驗室(Naval Electronics Laboratory)所擬定,而該實驗室的華爾多·里昂(Dr. Waldo Lyon)博士甚至親自登艦,擔任此任務的科學總監與冰下領航員。完成陽光任務後,鸚鵡螺號抵達位於英國的波特蘭,並在此獲得美國駐英大使約翰·惠特尼(John Hay Whitney)代為頒發的總統單位嘉獎勳表(Presidential Unit Citation),是美國有史以來第一次在承平時期頒發此一殊榮。

在1966年11月6日,鸚鵡螺號在北卡羅萊納外海參與美國海軍演習期間,不慎撞上艾賽克斯號(USS Essex CVS-9)反潛航空母艦的艦底,艾賽克斯號艦底被撞出一個8呎的大洞,而鸚鵡螺號的帆罩前端也受到損傷。

 

核能潛艦的革命性衝擊

從1955至1957年,鸚鵡螺號持續進行長時間連續高速潛航的相關作戰研究,幾乎刷新了所有關於潛艦的世界紀錄;這些實驗證實在核子動力系統賦予潛艦前所未有的高速持續潛航能力後,二次大戰時代的反潛體系與技術 幾乎已經不起作用。由於核能潛艦不受油料、氧氣與蓄電量的限制,持續潛航時間僅受到艦上食物攜帶量以人員對封閉空間的忍耐能力所限制,導致雷達對浮航潛艦搜索的價值大幅減弱,光靠反潛機持續滯空搜索上浮潛艦的作用也幾乎失去了意義 。

在鸚鵡螺號核能潛艦 的對抗測試中,美國海軍發現,核能潛艦由於能持續在水面以下高速航行並快速改變深度,使得當時水面艦主要的武器如深水炸彈、刺蝟砲等(無導引、 落水後無推進能力、只能在發射前預設的深度引爆)幾乎淪為廢物,甚至連舊式的機械聲納音鼓也無法持續追蹤一艘持續以二十幾節高速潛航的核能潛艦。 核子推進讓潛艦的攻擊能力有了飛越的進步,不僅定期的上浮充電成為過去式,而且更賦予潛艦極高的持續潛航速度,足以持續在潛航狀態有效追擊敵方第一線作戰艦艇,從以往守株待兔的伏擊者 變成能主動的追擊者;核子潛艦不僅能主動選擇與水面艦交戰的時間與地點,即便一次攻擊不成或遭遇反擊,還能主動迴避,然後視情況接二連三地繼續追擊,直到武器用盡為止。

核子動力與潛艦的結合,能做到許多以往柴電潛艦根本作夢都想不到的事情;由於無限制的水下高速航行能力,核子潛艦從母港通往戰區、值勤水域的路上,能以二十幾節以上的高速水下航行,大幅縮短就位的時間(換做柴電潛艦,只能較低的航速浮航或使用呼吸管,更容易被敵方的洋面監視體系發現),更能應付緊急的突發局面 。例如1982年英阿福克蘭群島戰役,皇家海軍的核能攻擊潛艦就能搶在水面艦隊之前抵達福克蘭水域並擊沈了阿根廷巡洋艦,進而讓阿根廷海軍戰鬥意志崩潰而退出戰爭;如果英國只有柴電潛艦,就無法在艦隊抵達福克蘭水域前先行就位,只能讓原本已經吃緊的航母艦載機部隊再負擔去搜索、打擊阿根廷水面艦隊的工作。而在執行各種任務(包含監視、情報蒐集、追蹤特定目標與交戰等)時,除非需要用目視確認敵方身份或接收己方通信,核能潛艦能完全潛伏於水下並任意機動,不受任何限制,更可能在高威脅海域(如鄰近敵國的海岸)長時間值勤而不被發現 。而柴電潛艦依靠電池潛航,不僅速度極慢(為了增加潛伏時間,通常只能以產生舵效應的底限航速)、只能照固定航線行駛、不能主動選擇與目標交會的位置 ,即便是最節省電力的坐底方式,電池也不能支持超過48小時,在任務期間經常需要上浮充電;因此,唯有敵方艦艇在未察覺的情況下進入柴電潛艦的伏擊區,柴電潛艦才有機會交戰。

另外,機動能力低的柴電潛艦無法伴隨水面艦隊作戰,而核能潛艦的航速不僅完全能跟隨美國以高速航空母艦為主的遠洋艦隊,甚至能在航母艦隊抵達戰區之前先在水下高速衝刺抵達艦隊前方,進行各種反潛、反艦搜索與牽制,確保隨後航空母艦通過時不受敵方潛艦與水面艦的威脅。當然,由於核能潛艦能長期無限制地提供充裕電力,不僅能配備更完善、更強大的作戰射控與聲納系統,還能充分供應生活輔助設施,包括新鮮空氣的產生與淨化(所以核能潛艦上的人員可以吸煙)、飲食烹調、淡水製造、盥洗等都只受到戰術考量的制約(在需要靜音時可能關閉部分維生輔助設施) ;而在潛航時不能持續發電的柴電潛艦在這方面望塵莫及(即便日後出現AIP絕氣推進系統,但其功率相當微弱) ,長期航行的人員生活起居條件比核能潛艦相差甚多,也有更多作戰系統耗電的顧慮。

此外,由於核能潛艦擁有完全自由的水下戰略運動能力,能任意在水下抵達海中任何位置(例如敵方艦隊或敵國沿岸),投擲武力之後悄悄離開,因此核能潛艦擁有戰略等級的投射能力;因此,核能潛艦結合能在水下發射的致命長程核子洲際彈道飛彈,就成為彈道飛彈潛艦,這是美蘇冷戰期間最具隱密性且飄忽不定的毀滅性戰略武器,它們的存在令東西雙方都繃緊了神經;即便沒有核子洲際飛彈,日後搭載傳統戰鬥部的巡航飛彈(例如美國戰斧)與核能潛艦結合之後,亦成為深具價值且比核武更好用的戰略性武器。

緊接在鸚鵡螺號之後,美國海軍又陸續建造了幾艘型號各異的核能潛艦原型艦,對這種嶄新的領域進行種種嘗試,這包括嘗試液態鈉快滋生反應器的海狼號(USS Seawolf SSN-578)、大型的哨戒潛艦三叉戟號(USS Triton SSRN-586)、配備獅子座巡航飛彈的比目魚號(USS Halibut SSGN-587)等等。在1957至1959年,美國海軍建造了四艘魟魚級(Skate class)核能攻擊潛艦,這是美國海軍第一批量生產的艦隊型核能攻擊潛艦。蘇聯的第一艘核子動力潛艦(627型)在1953年春展開設計,首艦K-3號於1958年夏天 交付蘇聯海軍,比鸚鵡螺號落後了四年(雖然如此,蘇聯發展核能潛艦的速率仍高於美國預測),而此時美國第一個核能潛艦艦隊已經初具雛形。

 

核能潛艦對反潛戰的衝擊

核能潛艦促使一切的反潛 偵測與武器系統做出革新 。對於潛艦、水面艦等反潛平台,基本上都需要突破三個關鍵技術:要能探測並有效持續追蹤高速核能潛艦,要能加快射控解算速率,並且發展能有效攻擊高速核能潛艦的武器。

對於反潛探測而言,雖然美國海軍在1950年代推出大型低頻聲納,可以提高被動聽音探測的範圍;然而即便能夠探測目標,核能潛艦仍能快速脫離聲納波束的探測範圍,無法持續精確追蹤,也來不及完成射控作業。例如,美國海軍在1957年利用海狼號核能攻擊潛艦進行對抗演習時就發現,面對當時美國最新型的圓柱狀陣列主動、被動聲納(例如潛艦/水面艦使用的SQS-4低頻主動聲納,工作範圍約15000碼,此外還有獵殺潛艦使用的BQR-4大型低頻被動陣列聲納等,海狼號本身也有BQR-4/SQS-4的聲納組合),海狼號憑藉著高速,仍能迅速脫離聲納探測範圍,反潛方根本來不及完成捕捉與射控計算。射控方面,當時美國海軍潛艦普遍使用的MK101與MK106類比式機械射控計算機的反應速度都不夠快,即便聲納探測到核能潛艦,也無法在潛艦脫離探測範圍之前完成解算並發動攻擊。武器方面,如同前述,當時美國潛艦部隊性能最好、大量裝備的MK-37線導魚雷,射程與航速(最大航速26節時射程10000碼)也只夠對付柴電潛艦。

面對最大航速可達到30節以上的核能潛艦,反潛 武器的有效攻擊距離最起碼要達到一萬碼,這意味著聲納系統需要在更遠的距離完成探測與射控計算,因此偵測距離較遠的大型低頻聲納在反潛艦艇、潛艦上日益普及,並且使用射程更長的火箭助推反潛武器例如RAT或之後的ASROC反潛火箭,它們的戰鬥部籌載換成了能自主搜索並攻擊目標的導向魚雷,或者是殺傷半徑大、能彌補誤差的核子戰鬥部 。由於核子武器價格昂貴且政治敏感度高,因此反潛技術逐艦轉向導向反潛魚雷,之後各國花費數十年時間改進魚雷技術,包括增強聲納尋標器能力、改善射程與航速、增加操作深度等,使之能更有效地追擊高速核能潛艦 。

由於核能潛艦 能長期持續潛航,過去反潛機的機載雷達的效能大減 ,因此機載的反潛探測裝備改成探測潛艦切割地磁的磁異探測器(MAD)以及聲納設備為主,而能由航空機搭載的聲納浮標以及直昇機使用的沈浸式聲納就成為重要裝備。為了利用有限的資源有效監控大洋(而不是耗費大量人力物力構建反潛阻柵),美國 等西方盟國利用聲學匯聚、海底反射等間接聲學通道來大幅延長偵測潛艦的距離,並且發展出許多大型低頻探測設備,例如在1960年代以後於大西洋 廣為設置的SOSUS海底聲納監聽網,堪稱最具代表性且最龐大的固定式潛艦監聽設施 ;在1970年代以後,美國海軍也開始部署搭載戰略型大型拖曳陣列聲納(Surveillance Towed Array Sensor System,SURTASS)的戰略音響監視船,並在作戰艦艇、潛艦上部署戰術型拖曳陣列聲納。在適當的水聲環境下,這類大型低頻音響陣列能在1000海里以上的距離就接觸蘇聯吵雜的早期型核能潛艦如十一月級(November class)、旅館級(Hotel class)、回聲級(Echo class)等。 由這類大型低頻設施提供大洋上粗略的早期指引,再由包括岸基或航空母艦的長程反潛巡邏機、配備反潛直昇機與拖曳陣列聲納的反潛水面戰鬥群以及潛艦,對敵方潛艦進行追蹤與獵殺,形成1970年代以後西方陣營在大西洋上的典型反潛作戰部署。

當水下聽音設施與反潛武器科技開始急起直追後,核能潛艦除了進一步追求更高的潛航速率(超過30節)之外,靜音降噪領域開始受到極大的重視,成為冷戰期間東西方潛艦競賽的技術指標;隨後,核能潛艦技術也逐漸朝向獵殺敵方潛艦 (而不是水面艦)而演進,特別是在核子動力彈道飛彈潛艦出現之後。靜音化的核能潛艦不僅更難被偵測到,也大幅降低潛艦自身噪音對艦上聲納系統的干擾,加上核能潛艦體型較大、更能容納大型低頻陣列音鼓以及拖曳聲納系統的特性,使之一度成為冷戰中大洋反潛的重要一環。一艘能無限制地持續潛航、噪音微弱難以被有效監聽追蹤的新型核能潛艦,直到今日依舊是各國反潛兵力最頭痛的夢魘。

尾聲

在1985年,已經除役、拆除反應器的鸚鵡螺號被從梅爾島海軍造船廠拖至東岸康乃迪克州的

格洛頓。此時正準備通過舊金山灣區的金門大橋(Golden Gate Bridge)。

新倫敦海軍潛艦基地附近碼頭永久停放保存的鸚鵡螺號。

在1979年5月26日,鸚鵡螺號完成了從格洛頓至 舊金山附近巴羅耶的梅爾島海軍造船廠(Mare Island Naval Shipyard)的最後航程,並在1980年3月3日除役。經過兩年的波折後,美國內政部在1982年5月20日宣布鸚鵡螺號為國家歷史性古蹟(National Historic Landmark),在梅爾島海軍造船廠接受一次為永久保存而進行的大規模改裝,包括撤除了核子反應器,隨後於1985年7月6日被拖回康乃迪克州( Connecticut)的格洛頓(Groton,也就是建造鸚鵡螺號的通用電器船舶公司所在地) ,成為美國海軍潛艦武力圖書館與博物館(U.S. Navy Submarine Force Library and Museum),從1986年4月11日起對外開放。然而直到2002年,鸚鵡螺號才在通用電船公司的船塢中進行永久保存工程,為時5個月,耗資470萬 ,在2002年5月8日完成,之後停泊於昔日鸚鵡螺號服役時設籍的新倫敦海軍潛艦基地旁,成為潛艦歷史博物館。在2004年9月30日鸚鵡螺號成軍50週年紀念時,該艦被美洲核能協會(American Nuclear Society,ANS)指定為國家核能古蹟(National Nuclear Landmark)。