潛艦如何匿蹤

潛艦的優勢在匿蹤性,平常若躲在深海中,不易被發現。一般以電磁波訊號作用的雷達波無法在水中傳播很遠,只能使用聲納來偵測潛艇水下的噪音,再搭配其他相對不容易測量分辨的訊跡,例如磁場變化、微量核子或化學物質、海面的微微隆起等等。反過來說,一艘潛艇的匿蹤性能也很大部分取決於噪音的控制。中國潛艦能自行研發製造後,仍向俄羅斯購買基洛級柴電動力潛艦,可能正是因為該型潛艦噪音低、售價實在,頗受國際市場歡迎,不妨也買來使用、研究,進而模仿。
運往中國的基洛級潛艦

潛艇噪音的來源大略有以下這幾樣:

(1) 機械振動,傳到船體結構上再透過船殼外傳的振動噪音。這部分主要可以透過機械的基座安裝減震裝置、機械所再的甲板改為筏式甲板。再替這整個筏式甲板安裝減振裝置等方式來抑制。

(2)流體噪音,是由流經船體表面的水流因為受船體不平順處擾動,或因船殼曲率變化太快及,造成紊流渦旋或邊界層剝離引起的較強紊流所導致的流體噪音。這部分通常可以在設計階段經由流場模擬與實驗方式來了解與改良。

(3)螺槳振動與空化噪音,是由於螺槳因入流不均勻或葉片表面不夠精密造成出力或流場不均的振動;或者因為局部流速過快,由白努力原理可知靜壓力將減少,乃至造成水在定溫下直接汽化造成空化(cavitation)現象,以及隨之而來空泡因往下游移動時壓力回復而被擠破,製造出極大的噪音。

潛艇當然隨著潛深增加而增加了環境的靜壓,而可以逐漸減少空化的可能性,但淺海航行時仍須注意不可過快。而流體噪音與螺槳的振動噪音發生時就已是在水中,因而無法從外部消除,只能設法減低其發生的程度。

東芝事件

根據後來挪威警方的調查,其實在冷戰末期的高峰,從1970年代到1980年代當中,陸陸續續有幾家英、日、法、德、義、瑞典等國的不同公司曾經透過挪威一家專做蘇聯生意的Kongsberg公司,轉售了多台三到五軸的數控工具機,可用於製造精密機械,包括用於列寧格勒(今聖彼得堡)的造船廠製造螺旋槳,或在如弗爾加頓斯克、基輔、烏拉山區等其他城市的工廠製造船用或核子武器的重要零件。

但是東芝機械從1982年12月至1984年間,以偽造出口許可申請書的形式騙過經濟產業省,將比以往交易過的多軸工具機更高階的4台九軸聯動數控工具機,偽裝成大型兩軸聯動立式車床,還以零件的形式出口給蘇聯技術機械進口公司並協助組裝。這四台機器是前蘇聯所沒有的大型多軸車床,可以用來製造能減低噪音的高歪斜多葉螺槳。因為這樣特殊設計的螺槳可以將入流不均勻產生的振動抵消,從而減噪;但是除了要好好設計之外,由於葉片間多半會有正投影時重疊的現象,也需要精密的製造確保幾何形狀的精準與重複(多為7葉)。因此能讓刀具多軸旋轉移動又大型且精密的車床,成為潛艦降噪的關鍵加工機械。但是當年能製造這樣大型精密又複雜的數控車床的國家大概只有美國、德國、英國、日本、瑞士而已。這些九軸聯動數控車床據說最後被運到列寧格勒,給歷史悠久且著名的波羅的海造船廠使用。

經人檢舉後,1987年3月朝日新聞最先報導此事,同時也在美國引起轟動,五角大廈與國會都反應強烈。1987年4月底,日本警視廳搜查了東芝機械;5月中由通產省發布行政處罰,禁止東芝機械向共產集團國家出口任何產品一年;5月27日還逮捕了兩名東芝機械公司的高階主管。東京地方法院在1988年3月判決東芝機械罰款、已被逮捕的東芝機械鑄造部部長和工具機事業部一位副主任10個月和1年的有期徒刑,各自緩刑數年。東芝的董事長和社長也一併辭職。美國並宣布東芝集團所有的產品禁止在美國市場出售一年。這表示東芝要損失當時相當受美國市場歡迎的各種家電產品銷售額。

而這項出售案的影響是直接導致蘇聯潛艦可以大幅減低噪音。其生產的潛艦,包括後來著名且至今暢銷的基洛級,都因此獲益於生產技術及製程的進步,導致美國海軍日後在對蘇聯或俄羅斯潛艦進行反潛作戰或偵測時更加困難。蘇俄潛艦的噪音性能進步情形可從下圖看出,在1980年代中葉以後可以使用高精密度製造螺槳後,1990年代新出現的潛艦噪音以快速拉近與美國潛艦的差距,甚至比約十年前改良洛杉磯級的噪音還低。難怪美國人會如此不愉快。一直到1990年代中葉以後,美軍新型的海狼級與維吉尼亞級潛艦先後完工,噪音已經低到與海洋背景噪音相當,才又取得優勢。但到了二十一世後,俄羅斯製造的潛艦噪音性能都已經相當優良,反潛作戰已不如從前容易。
美蘇(俄)潛艦噪音演進比較示意圖

科技交流的政治因素

從這個故事我們可以看到,由於船舶是個整合系統,技術的關聯與產業鏈都牽連龐大,很可能會在不同領域產出問題的解答,也會在意想不到的地方產生影響。而冷戰時期兩大陣營間的貿易與技術交流關係並非完全關閉,但是安全管控機制顯然不足。而今西方先進國家面對的是比蘇聯更無誠信,經貿、學術、科技交流也更緊密的中國,這些學術與技術交流與國家安全、國際關係、經貿往來的複雜關聯,顯然比冷戰時期更不容易治理;對於容易產生漏洞的己方機關團體,似乎也更不容易拿捏需要兼顧自由與權利、利益與安全的管理程度、管理技術和方法了。值得小心的是,在網路上流傳一部近年中國製作的科普影片,講解螺槳振動噪音原理時也提及此案例,但宣稱高精度大型加工機與螺槳振動噪音無關,而把該案件詮釋為是美國對付當時嚴重的對日貿易逆差所採取的手段而已,不知道是故意誤導還是無知。

涵多路專欄

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