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【軍事博評】William:法國核潛艇大火 小型核潛艇還有沒有出路?

珍珠號火災所在位置。(網絡圖片)

 

這篇文章應該上星期初就出來了,只是中印邊界大衝突才被迫停筆,請見諒。本月12日,於土倫港維修及更換核燃料中的法國核攻擊潛艇珍珠號(Perle (S606))發生大火,其災情頗為嚴重,由報道及最近流出的照片得知,該艇火災持續燒40小時,而且火災的區域集中在圍殼下方的指揮艙區與居住區,兩區的設施均嚴重焚毀,需要重建。更有甚者,其熱力及燃燒時間幾乎肯定對船艙及耐壓殼結構造成嚴重損害,甚至可能要切掉重造。

由圖片顯示,珍珠號起居艙與指揮艙已嚴重焚毀。船頭的魚雷管前段、聲納以致部分外殼雖早已拆下,但仍可看到嚴重的煙燻痕跡。(網絡圖片)

 

由於該艇已屆27年役齡,預期大約5至7年內會退役,是否還有修復價值,看來只有法國海軍自己知道了。比較幸運的是,火災發生前其反應堆已經整個拆下運往燃料廠裝燃料(這也是本級艦的「獨門秘技」,下面有述),所以火災並未有導致哪怕是輕微的輻射外洩,此為不幸中之大幸。

現時仍在役的西班牙海軍奧古斯塔級加倫娜號潛艇,奧古斯都和紅寶石最大差異,在於耐壓殼直徑較小。(網絡圖片)

 

紅寶石級-小而無當?

紅寶石級核動力潛艇是歷來全球最小型的攻擊型核潛艇,水面排水量2300噸,水中排水量2600噸,甚至比很多常規潛艇還小。這個和法國海軍的核潛艇發展策略有關:不像英國,冷戰後期法國核潛艇主要活動地點地中海與比斯開灣,以保護法國海軍與巡航狀態的SSBN。由於離本土近,不需長期巡邏,也不需要過大空間來儲積物資(此艦物資儲備只夠45日用,而一般核潛艇是90日);另一方面,建基於戴高樂主義,法國一直謀求國防獨立政策,尤其是核政策上的獨立,不依靠美蘇,然而另一方面由於資源及財力所限,雖然70年代法國已是民用核能的強國,但高濃縮鈾的生產力其實仍然不足,加上同期財力亦明顯不繼(法國海軍在70年代已接連取消艦載戰鬥機、艦載攻擊機、核動力直升機母艦與PAN核動力航母在內的多個海軍計劃),法國海軍在核攻擊潛艇選型上採取了可能是最「省錢」的方法-以自身的奧古斯都級柴電潛艇為基礎作改良。

法國人從未公開CAS-48的照片,只在論文中展示過構圖。由內構對比圖可見,一體化的確可讓反應堆艙體積大幅縮小。藍色箭嘴為船員起居艙位置。由於紅寶石級維持70人編制,相對於里拉琴級只有39名船員,只能說居住空間非常擠迫……(網絡圖片)

 

 

基於艇身體積小,裝上大型反應堆及傳統蒸氣渦輪機有很大困難,且亦無力裝備更多減噪裝置,法國核工業部門特此開發出全球首創的一體化一迴路壓水式反應堆CAS-48,其特點是一迴路結構直接就裝在反應堆壓力殼內,無論結構與體積均大幅簡化、縮小,安全性提高之餘,反應堆構造亦能在中低功率輸出下實現自然循環(即不用開水泵,反應堆也可維持循環),噪音亦大大降低,而透過反應堆燃料架構變更,單用低濃縮鈾核燃料已可運作7-10年。其附帶的另一個有利條件是-反應堆直徑不大於兩米,不用切割外殼,單單打開耐壓殼的天蓋,即可整個吊出直接送到燃料廠拆裝燃料,省卻切開與焊回耐壓殼的功夫,工期更節省到只需……5個月!(資料中第100頁,有指甚至只需3個月!當然,這似乎不包含檢查時間,但仍比西方切開耐壓殼需時短很多)。

紅寶石級的反應堆頂蓋因為是在箭嘴所示工作平台下的耐壓殼上,平時不可見,要在進塢後打開工作平台,才能看到。(網絡圖片)

 

紅寶石級不但全球最小,其也是現役全球獨一無二的核攻擊潛艇-全世界的核動力軍用潛艇除了美國早已退役的試驗艇SSN-597與SSN-685外,都使用核蒸氣渦輪驅動螺槳作為動力機組,唯獨紅寶石級採用核-電動機動力組合,即以核動力推動發電機,然後驅動螺槳。這種傳動方式效率其實不算高,尤其電動機輸出動力不足10000匹,亦讓紅寶石級成為最慢的一艘核攻擊潛艇,速度只有25節。然而這套動力系統也有其好處:1. 艦內電力供應充足;2. 大軸甚短,也沒有大型蒸氣渦輪,加上使用電動機,減少一個主要噪音源。

紅寶石號(左 / 右上)與紫水晶號(左 / 右下)線型變化,不但線形由鯨艏改成淚滴艏,連耐壓殼上面的排水口與工作台都改得更流線型,阻力進一步減少。紫水晶號成軍後,前四艘紅寶石級隨即進廠進行和紫水晶號相約的改良。(網絡圖片)

 

雖然紅寶石級用了特殊的推進系統設計,但因參照奧古斯都級設計,連鯨艏都一樣,在更高速航行時造成很大的噪音,抵消一體化反應堆及電推帶來的好處,及後法國海軍推動紫水晶改良計劃,線型大變,加上部分改良的減噪裝置,才將噪音降到可接受的水平,也提高速度。事實上,拜電推系統及新式反應堆所賜,紅寶石級在低速時擁有接近柴電潛艇的低噪音,而紀錄顯示,冷戰後與美軍的訓練中,紅寶石級至少有兩次滲進美軍航母戰鬥群內並實施成功的模擬攻擊,可見其實力仍不容忽視。

705型里拉琴級核動力潛艇,是蘇聯一種可快速出擊並高速接近戰區的「潛艇截擊機」,不要求長期作戰能力,最初設計時排水量甚至只有1500噸及20名船員,至定型後才確定2300噸級的水面排水量。由於需要高速,才有使用鈦合金耐壓殼的想法。本艇空間雖小,但得益於高度自動化,人手只有39人,故居住空間還算足夠。(照片來自以下網站)

 

小型核潛艇應行之道:小型核電堆AIP潛艇?

當1960年代初核潛艇正式走大型化路線後,小型化核攻擊潛艇只有兩個案例,即蘇聯的705型里拉琴級及法國的紅寶石級。兩者的小體積及更多激進內部設計實源自於其特殊的戰術需求

瑞典60年代因應當時核計劃而順道發展的A-11A型核攻擊潛艇,排水量是後無來者的1100噸,不過由於價格昂貴,而且瑞典最終放棄核武計劃,A-11型也回到常規潛艇設計,最後成為下文有講的Sjöormen級潛艇。(網絡圖片)

 

正常情況下,小型核動力潛艇其實有些戰術需求和核潛艇本身存在矛盾:小型化原本是在保持續航力及長期作戰能力的情況下,能具備價格優勢及更低的使用成本;然而,早年核技術(即使是民用核技術)擴散不易,武器級核燃料不容易取得,且小型壓水反應堆也需要高規格的專門設施維護,裝載燃料與退役後處理也所費不斐,結果除擁有武器級核燃料提煉工業的五強外,包括加拿大或瑞典這些擁有較強民用核工業水平的國家最終都放棄計劃,就算是法國,現在都要走回大型化的道路-你既然有能力造核潛艇,做足夠大的總比造小的、戰鬥力沒那麼強的核潛艇更有成本效率

法國梭子魚級核攻擊潛艇敘佛倫號已開始試航,雖然仍不算大,但其「個頭」已是紅寶石的2.5倍。(網絡圖片)

 

小型核動力作戰潛艇因體積限制可能出現的問題(例如安靜性、空間、實際持續作戰能力等),令其似乎不太值得繼續搞下去。然而隨著軍事科技發展,是否會有另一條搞下去的路?

新加坡購自瑞典的二手Sjöormen級潛艇,雖然已有「一把年紀」,但2002年在南海水域內仍能成功滲透進美軍航母戰鬥群中拍潛望鏡照,可見柴電潛艇的優勢。(網絡圖片)

 

柴電潛艇有一種特殊優勢,就是以電機極低速航行時,噪音非常非常低,這數十年來在北約各類型演習中,不同的柴電潛艇已展示了滲透進航母戰鬥群進行打擊的能力。然而其最大問題是下潛只能靠電池推進,較高速度的續航能力下,航程其實很低。後來實用型的AIP引入後,由於在水下能使用燃機或可持續產生電力 / 動力的方式,水下續航能力提高了,但仍然是非常緩慢,無法改變一直以來「機動水雷」的作戰模式;另外,仍有大量空間被佔用來儲存燃料與電池組,對於儲備物資以延長作戰時間,也有負面影響。

TES-3流動核發電廠的車輛組合。除控制車外,其他三台車組都要集成到Dollegeal Egg去。另外基於只是實驗用設施且為了安全理由,Dollegeal Egg發電量被壓縮至原有1/3以下。(網絡圖片)

 

為柴電潛艇加上充電用核反應堆,大約是在1960年代提出的,當時蘇聯已經弄出了TES-3流動核反應堆,之後海軍部為強化常規潛艇的活動能力及靜栗性,開始謀求使用可長時間運作的小型核反應堆,作為潛艇充電的附助動力,這樣就可以避免半潛狀態充電時可能曝露行踪的問題;當初計劃就是將一個TES-3的機組整合進一個外掛小隔艙內,為潛艇提供600Kw的電力,足夠以4節的速度接近無限制巡航,或為新的銀鋅電池組充電至少100次。該系統在1970年測試,1979年選定一艘651型巡航導彈潛艇(即北約朱麗葉級)K-68進行改裝,至1985年才完成。這個反應堆連6.5*2.9米的隔艙大約70噸,並被稱為Dollegeal Egg / VAU-6。試驗到1992年蘇聯解體後即完結,實驗效果不詳,但無論如何,俄國當時已沒有財力作進一步發展。

裝在K-68號潛艇船尾新艙的VAU-6小型核電裝置,體積甚至只有該艇所用柴油發動機的1/4。不過試驗只是為艙內的電池充電,並沒接駁到艇所用的主電池。(網絡圖片)

 

同樣是八十年代,加拿大為保衛北極及北冰洋領海及抗衡蘇聯的海上威脅,提出購買12-14艘可長期在冰層下活動潛艇的計劃,並名為加拿大級潛艇。當時已打算購買英法兩國最新核攻擊潛艇,但最後因為價格太貴及國內反核運動而擱置。但同期加拿大和法國展開了另一個平行計劃,即為柴電潛艇加裝一個名為AMPS、重70噸的低功率小型反應堆,為潛艇電池充電及提供淡水。不過最後也因冷戰結束及系統功率太低而放棄。

必須指出的是,當時這類「核電尿袋」(註1)仍有很多問題,例如故障率高、輸出功率也相當不足(對比其體積而言),導致成本效益不足等,雖然能為潛艇長期充電,但速度沒有顯著提高,而核電防護卻增加了維修成本。

俄國的海神魚雷可能無用,但其超小型反應堆卻提供異常高的馬力。暫時還未知其功率有多少,但以MK48魚雷500匹馬力 / 373KW計算,其動力輸出有3-5MW也非誇張。若性能持續穩定,那作為柴電潛的「尿袋」也很適合(網絡圖片)

 

30年後的今天,核技術的發展似乎令新的曙光出現:事實上俄國一直沒有停過開發超小型而高輸出功率的反應堆,例如海神魚雷尺寸不足1.6米的超小型氣冷式反應堆,以及自主核動力渦輪發電機(Autonomous Nuclear Turbine Generator (ATGU))均有能力提供1-4MWe的電能,加上中美兩國亦已積極投入超小型模組化反應堆及流動小型核反應堆的研究,發電目標都是1-5MWe,而且目標是5-10年內不用更換核燃料。若照一艘3000噸級核潛艇計算,相對更高的12節巡航速度用2MWe的小型堆已經足夠有餘,還能為自己的電池組快速充電。這類潛艇由於使用核堆為巡航動力,幾乎可省略大型柴油機與燃料艙,更多空間可以安裝物資和更多電池,不但提高潛艇可用電量,甚至在小型核電堆與電池組的「混合動力」下,可創造出比一般柴電潛艇更長的高速潛航時間,若功率及電池足夠,甚至可創造出更高的潛航速度。

一種連發電設備都整合進貨櫃內的超小型核反應堆模型。由於發電機可選擇外置,反應堆空間可以更小。一般潛艇用大型重柴油機,體積與重量皆是其2-3倍。未來「核/電混能潛艇」發展成功的關鍵,很取決於超小型核反應堆是否成功。(網絡圖片)

 

由於兼具早期「核電尿袋」的特性,加上高度小型化與模組化的設計,以及小型反應堆「天生」的安全性,其實也有助減低維護費用,例如一至兩個整合至標準LD9航空貨櫃大小的反應堆(含反應堆、一迴路及控制、安全設施),可以直接裝進類似弗吉尼亞級VPT發射井的垂直隔艙空間內,且能為潛艇內艙提供足夠輻射防禦措施,而一艘大型常規柴電潛裝一至兩個類似的「井」並不是很大的問題。若要更換須維修或補充燃料的「尿袋」,甚至可打開垂直隔艙的「井蓋」拔出即可,所需時間可以比紅寶石級還少,甚或容許裝第二個「尿袋」再出任務。

維珍尼亞級BLK III的VPT發射筒及戰斧式巡航導彈發射箱。維珍尼亞級BLK V還會加進四個尺寸較大的VPM在船舯。如果整個小型模組化核反應堆的設施連防輻射層 / 隔音系統可集成進發射箱的空間內,發展出一種常規潛艇用的模組化反應堆豎井也並非不可能。(網絡圖片)

 

目前所知,至少俄羅斯就具研制這種「核/電混能潛艇」的大部分技術,中國亦有透露過發展這種技術的計劃,將來美軍發展的大型無人潛艇亦有機會使用這種技術;另方面,由於這種超小型反應堆涉及核燃料與廢料相對少得多(可能只有10-30公斤),部份民用核能較發達的國家如日本、南韓、加拿大、印度或一些歐洲國家都有能力 / 財力應付。試想想,一條有幾乎無限航程、高速巡航能力、尚徍靜音特點及比柴電潛艇有更長時間的高速潛航能力,且採購及維護價格未必比一般柴電潛高很多的「混能艇」,其戰術的可塑性是否比一般柴電潛或者昂貴的小型核攻擊潛艇高得多呢?

數年前解放軍海軍一個對工程大學學生的講座上,退役海軍將領透露了一系列解放軍海軍已投入研究的技術,當中就包括柴電潛艇改裝後使用的小型附助核電系統。由部分論文貨料顯示,國防部的確有這方面的研究進行中。(網絡圖片)

 

註1:不同於腎病病人所用的物品,這裏的「尿袋」其實是港式俗語,指手機的外置充電器(即內地所講充電寶/台灣所講的行動電源)

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William Lam
現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

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