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潛龍之爪-台灣水下兵器研發秘辛

潛龍之爪-台灣水下兵器研發秘辛

全球防衛雜誌第二三三期2004年元月出版The Secret Story of Underwater Weapons in Taiwan作者:獅友

8月中科院爆發洩密案,可能遭洩密的各項極機密資料中,最引人注意的,也是外界所知最少的就是「亢龍計畫」。雖然媒體報導這是中科院自行研究的魚雷計畫,但相關細節並未有太多著墨,甚至還有很多錯誤報導,如指稱這項魚雷研發計畫根本未開始或已停止。其實不能怪媒體未盡查証之責,因為水下兵器研發一直是中科院最神秘的一環,外界所知有限。本文將以有限的資料,為讀者揭開中華民國水下兵器研發重鎮中科院「萬象館」的神秘面紗。1960年代後期,中科院電子研究所(現改稱資訊通信研究所,又簡稱為三所)為研發中華民國海軍水中兵器並進行測試,在海軍左營軍港桃子園基地海邊,籌建一座實驗廠房,定名為「萬象館」。1976年中科院電子所成立水下科技組,即所謂「三所十六組」負責水下兵器研發,其研發重要基地就是萬象館,也是中科院唯一的水下科技研究專業單位,目前其研發設施及儀具已具備國際一流水準。

萬象水雷中科院「萬象館」首項研發的水下武器系統就是磁感應水雷,也就是「萬象系列水雷(WSM)」。為了有效測試研發成果,中科院興建了國內第一座磁模擬室,以校正磁感應器。萬象水雷從1984年開始生產部署成軍以來,共有三代,型式包括可空投和在水面佈放的柱型雷、水面艦佈放的錐型雷、使用於反登陸作戰灘頭淺水海域佈放的淺水雷、適用於飛機、潛艇與水面艦船佈放的沈底雷。萬象一型艦佈用椎型雷(WSM210)屬繫留觸發水雷,型狀為錐型,總重1,400磅 ,裝藥重650磅 高爆炸藥,引爆方式為磁性引爆,並具延時備炸及自毀功能。萬象一型空投用柱型雷(WSM110)屬繫留觸發水雷,型狀為柱型,總重1,400磅 ,裝藥重650磅 高爆炸藥,引爆方式為磁性引爆,並具延時備炸及自毀功能。萬象二型水雷則是較先進的複合感應水雷,也有淺水雷、沉底雷、繫留雷等型式。2001年中科院曾主動對外表示,萬象三型火箭推動上升機動水雷已完成研發測評工作。這是中科院罕見的主動公布水下武器系統的研發情形,也顯示中科院在水雷武器系統研發上已獲一定的成就。由於水雷一般使用目的,在於封鎖航道、海港出入口以及保護錨地等,但由於傳統水雷並無敵我識別能力,為使水雷能具備選擇性攻擊能力,只攻擊敵方艦艇,並保証本國和友好國家艦艇的通航安全,因此可由岸上控制使水雷進入待發狀態和引爆,又可自動運作的新一代智慧型水雷,如遙控或線控式水雷陣,就成為中科院的研發重點。線控式水雷是在佈雷後,利用長纜線連接水雷與控制中心,如此一來控制中心就可以透過纜線控制多枚水雷,形成一線控水雷陣。當控制纜線脫落或被割斷後,水雷又可以自動運作,由水雷本身的感測器感應艦船物理磁場而引爆。由於傳統使用銅電纜作為控制纜線,雖然線控距離可達12公里 ,但由於頻寬限制,控制裝置和各枚水雷間,只能按一定時間間隔和順序進行訊號傳輸,無法達到同時和多枚水雷進行訊號傳輸和控制的目的。目前中科院正研發以光纖纜線取代銅電纜線,因為光纜具有寬頻特性,可利用分時多工技術(TDM)同時線控多枚水雷,且在水雷陣的分佈架構設計上也有較多樣化的選擇。

一波三折的龍睛計畫龍睛計畫簡單的說,就是在蘇澳附近海底佈設水下監聽系統。水下監聽系統(Sound Surveillance Underwater System, SOSUS),最早由美國海軍所研發部署,為美國海軍在冷戰時期對抗前蘇聯海軍龐大潛艇部隊的利器。當時美國為監視蘇聯海軍大量潛艇進入大西洋及太平洋,故依其作戰構想而建立全球水下監聽系統,作為反潛作戰的早期預警偵蒐系統。整個水下監聽系統是由被動水中聽音器陣列組成水下監聽網路,整個系統係以纜線將水中聽音器加以連結,各條纜線以8至24公里 的間隔部署,進而構成一個連線纜路,並與岸上站台相連,以更能整合所有水中聽音器截收到的水下訊息。水下監聽系統具備全天候作業能力和低作戰成本,可以長時期執行遠距離、廣大海域的監偵,對海軍而言,可說是「水下的強網系統」。海軍想要部署水下監聽系統,主要是因台灣週邊海域遼闊,海軍現有反潛艦艇、反潛機受限於海象、任務區、任務類型、妥善率、裝備能力及自然環境因素影響,而使得偵獲率不如理想,同時因缺乏遠程水下監控系統,使海軍難以建立整體性、全面性、即時性的反潛預警能力。除了艦載的點偵測裝備外,實在找不出可24小時、大面積、全作戰海域偵測潛艇的系統。一旦建立水下監聽系統將可使前述問題迎刃而解,除可有效節約反潛兵力,並有利於中華民國海軍兵力部署與運用。海軍分析台灣海峽週邊海域部署水下監聽系統的優點有:可獲得週邊海域水下目標的音響特性資料、越境路線資料和早期偵獲及預警,上述的情資可用於從事敵情報研究、分析及我方兵力部署、整建。另外,還可獲得週邊海域海洋生物的音響特性資料,和週邊海域海底火山及地震等地質音響特性資料。簡言之,水下監聽系統可有效蒐集水中音響情報並建立敵我載台音紋資料庫,以有效支援反潛兵力(含潛艇)所需各項反潛作戰音紋資料。且水下監聽系統涵蓋範圍達100-200浬,因具反潛早期預警能力,所以可節約與減少海軍主戰兵力的使用耗損。優先在蘇澳部署水下監聽系統的考量為,台灣東岸的太平洋為深水海域,極適合潛艇作戰,且東部水域離岸80至100浬處均為東南亞至東北亞及通往日本與北美洲的主要國際航線區,故戰時不僅為敵潛艇必至之要地與所欲封鎖的海域,平時也是美、日、中共、南北韓、印度等多國潛艇越境所必經之地。龍睛計畫共分兩階段進行,第一階段進行時間從1988年起到1991年止,包括︰水文調查、水下系統佈放、艦船加改裝、電纜製造、岸基設施工程、環境噪音及音傳實驗等;第二階段自1995年起至2001年,在經過前述各項測試評估後,接著進行系統最佳佈放位置的擇定,以驗證水下監聽系統功能。由於龍睛計畫為台灣初次建立水下監聽系統,計畫執行前無論在相關學理與技術經驗上均屬陌生,因此當初決策時希望向美國「取經」,以補強這方面經驗和技術之不足,遂與美方簽訂合約,由海軍總部督導中科院「配合」美國方面執行龍睛計畫,即由美方轉移技術給中科院,做實驗性質的鋪設,由蘇澳沿海床向外鋪設10公里 左右,但後來發現美軍國防戰略主要採取「攻勢」作為,美方使用的水下監聽系統的偵測對象、佈放區域等考量,與中華民國所研建的屬防禦性質的單一港口水下監聽系統差異甚大,美方根本沒有建立此類系統的經驗。從郝柏村指示研究龍睛計畫至1985年核定建案期間,海軍總部、中科院並未對美國或其他國家執行水下監聽系統的方式與成效加以深入研究,審慎評估風險、成本效益等因素,使得龍睛計畫第一階段在美方主導下,根本不符合中華民國戰略需求,也因此埋下國防部、海總和中科院日後遭監察院糾正的伏筆。龍睛計畫第一階段的系統驗證及參與演習實證工作於1994年6月前均已完成,測試後發現美方提供的系統參數並未修正、美方提供的串集式聽音器水下位置計算方法不正確、系統頻寬與美軍教學磁帶資料顯示不符等缺失,但中科院在「龍睛計畫第一階段全案結案報告」中,對上述缺失卻隻字未提,因此後來被監察院認為有重大缺失。另外,審計部在查核「86年度國軍重大列管計畫與預算執行情形」時,發現海總以國防預算緊縮為由,暫緩龍睛計畫第二階段,但卻未列入專案列管,使得第一階段獲得的專業技術及人才因此流失外,第一階段採購的設備也因長久閒置而必須重新「檢整」,浪費國家資源。中科院對於龍睛計畫第二階段規劃的建議為「實在無法滿足未來台海防衛作戰需求及反潛作戰效益」,使龍睛計畫正式告一段落。不過也因海總、國防部和中科院在建案前未妥善規劃,導致計畫成效不彰,以致浪費公帑,因而在 2001年遭監察院糾正。由於海軍執行龍睛計畫因是實驗性質,失敗的可能性本來就存在,後來海軍也決定不再和美軍合作,並暫緩執行龍睛計畫第二階段。事後檢討失敗原因,除了系統與美軍所用者不同外,龍睛計畫的實驗區域為漁船作業海域,加上海域深度僅40公尺 左右,電纜經常遭漁船作業扯斷,維修經費龐大,且附近作業船隻的噪音也影響監聽效果,使整個系統功能受到影響。龍睛計畫的電腦設備目前都已經過於老舊,而當初佈放的水中聽音器後來也由中科院收回進行研究。雖然龍睛計畫沒有成功,不過當時所蒐集到的相關水下資料還是彌足珍貴,對中華民國海軍水下作戰還是有很大助益。而且中科院也從與美方合作的過程獲得水下監聽系統的相關技術,其中值得注意的是水中電聲換能器設計製造,其功能在將電能轉換成聲波在水中傳播出去,或將聲波轉換成電訊號而加以分析應用,也就是水下監聽系統的主要偵測器「水中聽音器」。雖然龍睛計畫已告一段落,不過最近又有重新啟動的傳聞。首先91年度國防報告書中提到,「電子偵測網」的目標:整合強網、大成等電訊情資,並結合無人遙控載具與水下監偵系統,藉聯合監偵、識別、頻譜管理機制,掌握敵我電磁頻譜,支持全般作戰。這是台灣官方文件中首度提到「水下監偵系統」,一般認為就是指水下監聽系統。其實2000年年底,美方來華進行戰力評估的海軍評估小組就曾建議,中華民國應在東北角朝釣魚台列嶼方向及在南部鵝鑾鼻向巴士海峽方向,建構兩套水下監聽系統,分別針對中共東海艦隊與南海艦隊的活動做嚴密的監控。這是仿照冷戰時期,美國為了監控前蘇聯北方艦隊及太平洋艦隊進出大西洋和太平洋,分別在冰島和日本北海道各佈設一套水下監聽系統,以對前蘇聯海軍艦艇,尤其潛艇做嚴密的監控。不過美評估小組建議設置的水下監聽系統並非原來龍睛計畫擬佈設的港口防禦型水下監聽系統,而是戰略層次的大洋水下監聽系統,這種水下監聽系統複雜度遠較龍睛計畫為高,佈放、維修都需龐大經費,而且截收到的情資還要設立「水下音響分析中心」進行分析研判,相關人員設備都是相當大的投資,不是台灣海軍可以獨立承擔,所以目前海軍並未把佈設水下監聽系統列為優先計畫,但考慮到這兩條水下監聽系統是由美台合作佈設,且情資共享,可使中美軍事合作更密切,且更名符其實,因此從政治面考量,中華民國政府高層頗有意願。雖然龍睛計畫未能成功,而中美合作佈設水下監聽系統仍未定,不過中科院萬象館近幾年來對水下監聽系統的研究仍不餘遺力,對水中聽音器、聲學偵測信號處理等相關技術多所掌握,尤其是攸關水下監聽系統成效的水中聽音器海纜佈放工程技術,更因龍睛計畫經驗而奠基。

胎死腹中的亢龍計畫海軍在1980年購得荷蘭製劍龍級潛艇後,曾於1984至1987年間透過印尼購入一批德製SUT重型魚雷(即2003年9月初在三軍聯合攻擊演練和10月補測都出狀況的獵鯨戰雷),但因數量有限,加上性能在對抗中共新購入的俄製基羅級潛艇已顯不足,因此海軍持續向美方要求提供新式的MK-48重型魚雷,不過因美方遲遲未應允,1995年時中華民國軍方決定自行研發重型魚雷,於是中科院萬象館成立「亢龍計畫室」負責研發先進魚雷。目前亢龍計畫室研發的先進魚雷實體已完成,並已完成數次海中實體測試。由於魚雷是遠較飛彈更為精密的武器系統,世界上能製造魚雷的國家遠較飛彈來得少,因此研發魚雷對「亢龍計畫室」而言是一大挑戰。研發魚雷的幾個關鍵問題第一是魚雷的外型設計必須使雷頭流場很順暢,而不致產生噪音干擾雷頭的聲納。而雷體外型必須使其流場產生較低的阻力,以便以較小的馬達達到較高航速。第二是雷頭聲納是否受到自身流場或螺旋漿噪音干擾而無法分辨偵測訊號。第三是推進馬達所產生扭力經過軸系的損耗是否能克服螺旋漿所需的扭力,使螺旋漿能達額定轉速,而產生足夠推力。第四為控制翼功能是否能使魚雷運動自如,其造成干擾的流場是否對螺旋漿會產生嚴重影響。最後是螺旋漿與魚雷及控制翼交互作用之後,其產生的推力是否足以克服雷體阻力,而其產生的噪音量是否影響自身聲納功能,或容易被敵艦所偵測。以上五個問題均是相互影響,構成一複雜系統而無法單獨考慮。例如,若雷體的外型設計不良,則其不僅影響雷頭聲納功能,亦將使航速下降,而航速下降的結果將使海水進入螺旋漿的情形亦產生改變,而影響螺旋漿產生的推力與噪音特性。同樣,若螺旋漿設計不良,將影響推進效率與噪音特性,推進效率下降將影響推進馬達的設計與航速,而噪音特性將影響聲納等。亦即任何一個因素未能配合其他因素而有完善考慮,將對其它因素造成明顯困擾。因此,如何能有效地讓此五個環環相扣的因素同時滿足設計要求,即是魚雷研發系統工程所要克服的課題。其中如何抑制魚雷本身噪音則是關鍵。因為無論何種水下武器,主要是以聲音來進行主動與被動偵測,因此要提高偵測能力,武器的訊號背景噪音比必須要提高。對於魚雷而言,偵測訊號主要是自己主動聲納發出的聲波,而反射回來者;而背景噪音來源很多,若魚雷動力很大航速很高,背景噪音主要還是來自本身,尤其是魚雷螺旋漿若產生空泡,則其寬頻的噪音將使目標訊號無法分辨,而失去尋找目標的功能。另外,魚雷產生過高的噪音也很容易被敵艦發現而予以摧毀。所以如何降低魚雷螺旋漿噪音,更是魚雷設計上的一大挑戰。為了減低魚雷螺旋漿產生的噪音,「亢龍計畫室」在1999年時,在魚雷的對轉螺旋漿上採用新翼形設計,無論螺旋槳升力線與升力面模式都考慮自由渦面變形的影響,並利用台灣海洋大學中型空蝕水槽建立對轉螺旋槳的單獨性能測試能力,藉此觀測葉尖渦空泡的起始發生狀況,新設計的對轉螺旋槳,經「亢龍計畫室」於海大大型空蝕水槽和海中進行魚雷實體測試證實其噪音比原型螺旋槳大幅下降,甚至遠比德製SUT重型魚雷要小。由於研發魚雷所需人力物力龐大,遠非萬象館能獨力負擔,因此研發過程中往往必須借助學界的協助。台灣海洋大學「水下噪音暨流體動力研究中心」,在中科院研發魚雷過程中扮演著重要角色,尤其是在測試設備的提供上,像水下噪音暨流體動力研究中心的大型和中型空蝕水槽就是魚雷測試上不可或缺的設備;如潛體流場及相關噪音量測僅能於低背景噪音的大型空蝕水槽中進行,之前全世界僅有美德兩國有此設備,分別為美軍的(David Taylor Research Center, DTRC)所屬之(large cavitation channel, LCC)與德國漢堡船模試驗室(HSVA)所屬之(Hydrodynamic and Kavitation Tunnel, HYKAT)。海洋大學於2002年完成的全世界第三個低背景噪音的大型空蝕水槽,是性能極佳並符合軍事用途的世界級實驗室。這座大型空蝕水槽主要功能包括可進行全尺寸魚雷實體測試,並包含魚雷水下噪音的控制及偵測。目前已初步完成全尺寸魚雷的流體動力性能、螺旋漿空化觀測與噪音量測,並成功協助中科院完成第一階段的實體魚雷相關測試。這些測試因可彌補海下實測無法克服之不足,所以海大的大型空蝕水槽己是中華民國水下兵器研發的重要設備。而海大的中型空蝕水槽因配有平軸動力計,使該水槽可以量測複雜的多推進器推進系統,如魚雷常用的對轉螺旋槳,以及導流翼與螺旋槳的組合。中科院在2002年已進行魚雷水下噪音於大型空蝕水槽量測研究,2003年則進行全尺寸魚雷於大型空蝕水槽的水動力與減噪試驗的研究。不過因美國於2001年同意出售8艘柴油動力潛艇和MK-48魚雷,參謀總長李傑於是下令暫停中科院先進魚雷研發計畫,整個計畫將在2003年底全部結束。「亢龍計畫室」的研發能量,將轉至研發其他的水下兵器。不過中科院「亢龍計劃」喊停,據了解除了美國要出售MK-48魚雷外,根據海軍的說法,另一個主要原因是中科院研發的魚雷速度一直無法突破海軍要求的40節的技術瓶頸。曾有媒體報導,無法突破技術瓶頸的原因是因為魚雷內部電池電力輸出,因涉及電池蓄電量與電力輸出能量,而無法持續加強,導致魚雷無法加速到40節以上。對於魚雷速度無法達到海軍要求,真正原因並非如媒體所載,而在於魚雷永磁馬達推力不夠。因為當初「亢龍計畫室」開始研發魚雷時,國外商用永磁馬達還達不到軍規要求,只好委由國內知名電動馬達廠商自行研發,但受限技術能力,雖然魚雷螺旋漿設計可達40節,但經水下實測,魚雷仍無法達到海軍40節的速度要求。其實近幾年來,國外商用永磁馬達技術發展迅速,已可外購到可滿足海軍需求的永磁馬達,只不過因計畫即將結束,中科院已沒有將魚雷永磁馬達再精進的經費。雖然「亢龍計畫室」研發的魚雷速度,達不到中華民國海軍40節的要求,但已比德製SUT重型魚雷要快。當初海軍提出魚雷速度必須達40節的理由是,中共現代級驅逐艦速度已可達30餘節,由於魚雷只要速度超過水面艦5節,就絕對可命中。理論雖然沒錯,但實戰時並非如此,因為現代級艦不可能一出海就全速前進直到回航,而且全速航行時,推進器產生的噪音相當大,也會使艦上聲納無法操作,而影響反潛作戰效能。因此「亢龍計畫室」人員私下認為,海軍是找理由嫌棄中科院的研發成果,做為不願繼續投資研發的說詞。由於「亢龍計畫室」曾將所研發的魚雷對轉螺旋漿裝到德製SUT魚雷上進行實驗室測試和水中實測,發現可大幅降低SUT魚雷噪音。尤其在SUT魚雷在二次演習中連出狀況,其性能是否因彈齡老舊而受影響也引起海軍疑慮,因此中科院也有意爭取將以自力研發新式的魚雷對轉螺旋漿,換裝德製SUT魚雷的舊式螺旋漿,以發揮研發投資效益。雖然中科院「亢龍計畫室」先進魚雷研發計畫即將結束,不過相關水下武器系統的研究並未中止,對一些先進水下兵器科技也已陸續展開奠基研究。中科院最近就與海大「水下噪音暨流體動力研究中心」合作完成「超空化潛體之阻力試驗」,成功模擬研發超高速魚雷的關鍵技術「超空化現象」,可說是台灣水下兵器研發的重大突破,意謂台灣已具有發展這種超級水下兵器的潛力。由於水的表面摩擦阻力很大,因此傳統水下高速潛體如魚雷、潛艇等的速度很難突破60節(約110公里 ),不過近年來「超空化理論」興起,提供了一個大幅減低阻力的方法。所謂「超空化現象」就是使潛體產生一大型氣泡,包覆原本與水接觸的部分,使潛體接觸的介質由水轉換成空氣,由於空氣密度為水密度的1/800,如此就可大幅減少阻力,使潛體水下速度大幅增加。這種超空化技術主要應用在水下兵器,尤其是魚雷。美國直到1990年代才開始進行相關研究,美國海軍水下武器中心也曾進行相關實驗,了解人工噴氣產生的超空化物理現象及空泡不穩定因素,確認空泡穩定及空泡長度與超空化潛體的速度有很大關係。目前美國已與德國合作研發利用「超空化技術」的超高速魚雷。這次試驗是中華民國首次進行的「超空化現象」實驗,所使用的測試潛體、圓盤超空泡激化器都是海大師生自行設計,試驗是在海大的中型空蝕水槽高速測試段中進行。試驗時,潛體阻力隨著水流速度變快而增加,不過噴氣後激發「超空化現象」便產生一穩定的氣泡包覆整個潛體,這個氣泡長度約為潛體的1.67倍,此時潛體阻力急劇下降,只有原來的28%,剩下的阻力多是位於潛體前端超空泡激化器造成的。試驗也發現,若潛體越長所降低的阻力越多。另外,將超空泡激化器換成錐型頭也可再降低阻力。試驗模擬的環境若轉化成現實環境,潛體速度在10公尺 水深可達時速115公里 ,20公尺 水深時速更高達約160多公里。「超空化潛體之阻力試驗」雖然只是研究「超空化現象」的第一步,不過已蒐集到很多寶貴數據,接下來中科院還將與海大合作針對潛體在「超空化現象」的浮力等方面進行試驗,還將測試圓錐狀的空泡激化器,這些試驗結果將來都可應用於超高速魚雷的研發。超高速魚雷的關鍵技術除了了解「超空化現象」的物理特性外,還有如何產生氣體以製造超空泡、姿態控制、動力來源和主動聲納等。以現今的科技而言,這些技術門檻並不高,如:可在潛體前端放置小型固體燃料,加以燃燒就可產生大量氣體形成超空泡;姿態控制方面,俄羅斯疾風超高速魚雷利用四片翼翅穿透氣泡切入水中做為方向控制是不錯的設計,可做為研發的參考。至於動力來源,仍以火箭的推力較強,本文前面提及中科院萬象館曾研發由火箭推送上升的萬象三型機動水雷,顯示中科院已有水下火箭的研發經驗。中科院「亢龍計畫室」研發重型魚雷計畫雖將告一段落,不過中科院已從研發過程中獲取有關魚雷導控、主動聲納研發等經驗,所以只要能投入足夠經費,並配合學界的經驗和設備,中華民國國產的超高速魚雷指日可待。由於中華民國91年國防報告書中,兵力整建目標首度提到,籌(整)建潛艦、潛射武器,充實空中反潛及掃布雷兵力,增強三度空間反潛與掃布雷作戰能力。因中科院「亢龍計畫室」重型魚雷研發即將結束,所以國防報告書中提到的「潛射武器」被外界認為是指「潛射飛彈」,由於海軍並未向美方要求提供潛射魚叉飛彈,且美方連較先進型式的MK-48 重型魚雷也未同意出售,所以即使海軍提出購買潛射魚叉飛彈請求,美方也不見得同意。因此中華民國軍方所謂籌(整)建潛射武器,是否意謂著中科院在重型魚雷研發結束後,欲將研發能量轉至研發以雄風二型反艦飛彈為基礎的潛射飛彈,值得密切注意。

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