zh未转换未转换 zh-cn大陆大陆 zh-tw台湾台湾 zh-hk港澳港澳 zh-sg新马新马 zh-hans简体简体 zh-hant繁体繁体
zh zh-cn zh-tw zh-hk zh-sg zh-hans
zh-hant字词转换是中文维基的一项自动转换,目的是通过计算机程序自动消除繁简、地区词等不同用字模式的差异,以达到阅读方便。
字词转换包括全局转换和手动转换,本说明所使用的标题转换和全文转换技术,都属于手动转换。
潜艇,又称潜水艇,即指主要在水下运行的舰艇[1]。潜艇包括大型舰艇(主要为军用)、中型或小型的艇(袖珍潜艇、潜水器),或者其他水下自动机械装置。
潜水艇最初广泛的军事应用是在第一次世界大战中,并在许多大国海军中起到重要作用。军事用途包括攻击敌人的军舰或潜艇、近岸保护、突破封锁、侦察和掩饰特种部队的插入。潜艇的非军事用途包括了海洋科学研究、抢救财物、探堪、开采、科学侦测、维护设备,也能作为像搜索和援救工作或者海底电缆维修等专业性工具,还能被用做海下旅游观光业和学术的调查,甚至也可以作为一些超级富豪的海下移动豪宅。
潜艇的种类很广,它范围从小型全自动、一人或两人的船操作达若干小时的民用潜水探测器,到像俄罗斯的台风级核潜艇数百人维持长达3至6个月的潜航待命。起源于深海潜水器的现代深海潜艇能工作在远比人类潜水员可生存或工作的更深的地方。
多数大型潜水艇包含一个圆筒型的身体和一个通常固定在船中部的垂直结构(舰桥),它里面有通讯、感应器和潜望镜。这种舰桥结构早期也称为“指挥塔”——一个分离的于圆柱形艇体,安置潜望镜和控制设备的特殊舱室。而深潜艇或专业潜艇则往往没有这种凸出的舰桥。
在裁军或扩军谈判时已普遍被各国公认是战略性武器。大部分的潜艇都是用作军事用途,只有少量的潜艇是用作科学研究、观光等和平用途。
目录 |
潜艇最早可以追溯到列昂纳多·达芬奇在世的时候,据说达芬奇曾经考虑过设计“可以水下航行的船”,但在水下航行一直被认为是“邪恶的”,所以达芬奇并没有画出潜艇的设计图,实际上直至一战之前,潜艇仍被视为一种“非绅士风度”的武器,乃至当时民众认为被俘潜艇艇员应同海盗一样论处。[2]潜艇一词真正意义上的出现则要到了16世纪前。1578年一位名叫威廉·伯恩的英国人在他的着作《发明与设计》一书中提到潜艇,随后1620年,英国的克尼利厄斯·雅布斯纵·戴博尔(Cornelius Jacobszoon Drebbel)建造出了世界上第一种可以从史料中找出来可以潜水的船只。戴博尔是一个效忠于英王詹姆斯一世的荷兰裔人。这个被称为“可潜水船只”(submersible vehicles)的大致部分由数学家威廉·伯恩(William Bourne)设计而成。这种潜艇的推进力由一种特制的橹产生。对此历史上有一定争议,一些人认为这个只不过是“一个铃铛状的东西被缚在水上的船上的东西”,根本不可以被称为“潜艇”。在之后的1620年至1624年,两种改进型在泰晤士河上进行了实验。2002年,由BBC的电视节目“Building the Impossible”[3],马可·德华兹公司(Mark Edwards)根据原来戴博尔的图纸复建了一个双人型号的戴博尔型潜艇,并成功地在伊顿的Dorney湖下航行。
虽然第一种被称为“可潜水船只”(submersible vehicles)的潜艇仅仅是用于探索水下世界,但很快的潜艇的军事价值就被发掘出来。1648年,切斯特主教约翰·维尔金斯(John Wilkins)在所着的《数学魔法》(Mathematicall Magick) 中就指出了潜艇在军事战略上的优势:
早期潜艇最有名的一艘潜艇莫过于在美国独立战争期间由耶鲁大学的大卫·布什奈尔(David Bushnell)所制造的海龟号(Turtle),这种潜艇是世界上第一个用于军事用途的潜艇,其内部只可以容纳一人操作方向舵和螺旋桨,1776年海龟号企图攻击英国皇家海军的老鹰号(HMS Eagle)军舰但是失败了。美国南北战争期间汉利(Horace Lawson Hunley)研制出汉利号潜艇,一个乘员八人,以手摇柄驱动的潜艇。该潜艇前部外伸一个炸药包,炸药碰触敌舰即爆。1864年2月17日夜9时许,汉利号潜艇成功地引爆炸药炸沉联邦军队的豪萨托尼克(USS Housatonic)号护卫舰,但自己也因为船爆炸时产生的漩涡而沉没,这是第一艘成功炸沉船舰的潜艇。1879年,英国牧师雷文伦德·乔治·加莱德(George Garrett)研制了“复活号”,艇长度15米左右,中圆柱形,两端圆锥形。在水面航行时用蒸汽推进而到水下时利用锅炉中的剩馀蒸汽继续驱动,这是世界上第一艘水下非人力驱动潜艇[来源请求]。
到了19世纪80年代,随着潜艇的发展,各国逐渐认识到了潜艇的重要性。除了美国和英国以外,法国、瑞典、意大利、德国和俄国等都开始了热衷潜艇制造的局面。1878年,英裔美国人约翰·飞利浦·霍兰开始了研制潜艇工作。在随后的研制工作中,霍兰研制出了霍兰-9号潜艇,并在1900年4月被美国政府购买,正式编入美国海军序列,这标志潜艇正式成为一种海军舰艇。1898年,法国的马克西姆·劳伯夫研制出了“一角鲸号”潜艇,该潜艇采用了双壳体结构,即压载水舱在两个艇体之间,具有储备浮力大的优点。一角鲸号潜艇是全世界第一艘采用双壳体结构的潜艇。后来成为了苏俄潜艇的发展类型。[5]
第一次世界大战期间,各国的潜艇从近岸活动发展到了远洋活动的范围。而当时潜艇的使用策略也分为了英国和德国两种。英国以用潜艇封锁敌方港口为主,但却因为技术问题而未达到目的。德国则主张进行的无限制潜艇战,企图以通商破坏的手段压制英国的海运路线而达到逼迫英国和谈的目的,但随着英国护航制度的完善以及大量美国驱逐舰直接参与护航而使得战争后期德国的潜艇不但很难得手,反而损失量大增而失败。
第一批在德国制造的潜艇建造于1850年,由由德国发明家威尔亨·鲍尔(Wilhelm Bauer)制造(生于1822年12月23日, 卒于1875年6月20日)。这项工程延续到1890年由诺登非厄特设计制为W1与W2潜艇。在1904年位于基尔的克鲁勃船坞厂完成了售予俄罗斯的潜艇;真正为德国海军制造的潜艇建造于1905年。
第一批德国潜艇为「卡普」("Karp" )级潜艇,采用双壳船体(double hull),以科庭式煤油引擎(Korting kerosene engine)作为动力, 武装仅有区区一具鱼雷发射管,这就是刚刚设计的U-1艇。等到下一艘U-2艇出现时,就足足比U-1艇大上50%的体积,并且拥有两具发射管。不过柴油引擎一直到1912年与1913年间, 才开始装置在U19级潜艇上。在第一次世界大战开打时,德国海军一共有13种不同级别共48艘潜艇,但是就役的只有29艘,余下的还在建造中。
1914年9月,德国派遣潜艇伏击向奥斯坦德港进发的英国补给舰队。在1914年9月22日, U-9潜艇在着名的奥图·魏迪赓(Otto Weddigen)舰长手上于一个小时内, 以舰上仅有的六枚鱼雷击沉皇家海军HMS Aboukir(阿布基尔号), HMS Hogue(霍格号), 以及HMS Cressy(克雷西号)一共三艘万吨级装甲巡洋舰。皇家海军是役损失高达36,000吨的战列舰(克雷西级战列舰排水量都在12,000吨左右), 以及1,459水兵阵亡。U-9潜艇在创下丰硕战果23天后,又击沉了一艘英国皇家海军排水量7,770吨的爱德加级(Edgar-class)巡洋舰HMS Hawke(老鹰号)。U-潜艇在4年内击沉了协约国舰船数百万吨,成绩十分惊人。[6],创造一战时期一小时内击沉敌舰吨位的纪录。
第一次世界大战之后,由于凡尔赛条约对于水面舰艇的严格限制,以及德国在一战时的潜艇战经验,德国在二战时期拥有了当时世界上实力最强规模最大的潜艇部队。相比潜艇实力的恢复,水面舰艇仅仅在开战前的几年才开始恢复起来。但这些质量虽高但整体实力却远远不如强大的英国皇家海军。这也造成了俾斯麦级战列舰完成之后的很多已经计划好的水面舰艇的建造被取消(如齐柏林号航空母舰,兴登堡级战列舰等等)而转为建造可以快速建造完成,快速投入战斗的潜艇。直到二战结束前夕,德国建造了1150多艘潜艇[7]。
二战时期,德国将潜艇部署于各个盟军补给线上企图切断盟军的远洋补给,最主要的是切断大西洋上对于英国的补给线。战时大西洋补给线对于英国可以说是生死攸关的,它决定了英国本土的食物和工业品的供应,还包括了美国支援的资源和武器。随着战事的发展,美国的介入,德国从中后期开始对于切断大西洋补给线已经显得力不从心了。但值得一提的是,二战期间德国将潜艇科技发展到了一个新的高度。战争期间,德国对于潜艇的无线电通讯进行了革新化的发展,其中无线电和恩尼格玛密码机的配合使得潜艇施展狼群战术变得更加自如,同时盟军俘虏德国潜艇,缴获恩尼格玛机之前,这个密码系统一直无法被盟军破获。
还有一项发展则是潜艇战术的发展——狼群战术,使得潜艇变成了拥有空前杀伤力的利器。战争期间,U潜艇会被最高指挥部派往制定海域寻找运输队,当他们发现之后会用无线电通报给其他潜艇让他们向这个运输队航线靠近,但发现者不会立即攻击运输队。当这些如同“饿狼”一般的潜艇集结于目标运输队附近之后,他们就会一起发动“群攻”。通常来说这种进攻都会在夜间进行。这样只要护航队规模不是很大,一般来说运输队是无法抵挡这种狼群进攻的。
自1939年开始到1943年,U潜艇的狼群战术得到了空前的成功,击沉了很多的运输船只,不过却没有得到战略性的成功。1943年春天开始,德国的U潜艇制造能力达到了饱和,但这些新投入潜艇相比于越来越多的盟军护航舰只和航空部队投入护航力量,以及盟军侦查探索科技的突破(诸如雷达和声纳),德国的狼群潜艇力量在慢慢的削弱。高频定向仪和对于恩尼格玛的破解使得盟军的运输队能够在狼群集结之前就能够预先知道并打击U潜艇。这一切给德国潜艇带来了毁灭性的灾难,自1943年3月至7月,德国损失了超过130艘U潜艇,其中单单在5月,德国就损失了41艘潜艇。而盟军运输队的损失则开始从1943年3月的船只损失750000吨,减少到了7月的188000吨船。盟军运输队安全得到保障,也为盟军随后的火炬行动,爱斯基摩行动以及最后的D日铺下了基石。[8]
二战之中,德军潜艇损失了807艘,击沉了2882艘盟军舰只(商船与战斗舰只总和),重创盟军舰只264艘,击沉总吨位1440万吨。[9]
日本于1907年开始自主设计、并计划建造潜艇[10]。而在第一次世界大战后,因战胜国的身份取得了七艘U型潜艇,从而吸收了德国的潜艇技术。大正时代日本潜艇发展迅速。后因华盛顿海军条约日本潜艇走上质优量少的道路,条约解除后更扩大了潜艇的建造。在第二次世界大战开战前,日本海军已拥有相当威力及种类广泛的潜艇。
相比于德国的潜艇数量和潜艇相关技术及战术,日本则更注重潜艇类别的发展。日本拥有二战时期种类最多最繁杂的潜艇部队,随常规潜艇之外,更包括运输潜艇(如伊三六一型潜水舰及波一〇一型潜水舰);水上飞机补给潜艇(伊号第三五一潜水舰);袖珍潜艇(如甲标的)及人操鱼雷(回天) 。其中比较特别的是潜水航空母舰「伊四〇〇型潜水舰」,这种潜艇携带3架特殊攻击机「晴岚」,可以隐密地移动到目标(当时设计的目标为巴拿马运河的闸门)附近,然后上浮放出飞机起飞轰炸。还有一点值得关注的则是日本潜艇用的酸素鱼雷(95式鱼雷)可以算得上是二战时期最稳定,最先进的潜艇用鱼雷。
然而,日本潜艇的战绩却并不如意。日本的潜艇战术主要是对抗战斗舰只而不是商船。比较而言,战斗舰只防御力量强,航速快而且更适航,由此也造成了日本潜艇战绩不佳的原因。但整个战争中日本潜艇仍有建树,1942年,日本潜艇击沉了2艘盟军航空母舰。战争后期,日本潜艇除了战斗之外,也开始进行一些岛屿间的物品运输工作。
美国的潜艇主要是用于攻击日本商船运输队,这些潜艇摧毁掉的日本船只数比其他武器摧毁掉的总和还要多,其中还包括了由“射水鱼”号潜艇创下的潜艇击沉单舰最大吨位纪录——日本航空母舰「信浓」[11]。而面对这一切,日本直到战争晚期才开始为商船提供护航,这也使得美国潜艇的攻击屡屡得手。
相比于日本拥有当时世界上性能最好的潜艇用鱼雷,美国使用的可以说是当时最差的鱼雷——马克14型(Mark 14)鱼雷,发射深度要求为10英尺,鱼雷首部为Mk VI爆炸弹头(一种以Mk V为基本,加装磁力引爆装置的爆炸装置)。这种鱼雷非常不可靠,主要毛病有鱼雷运行过深(比应该运行的轨道深10英寸),磁性引爆器提前引爆[12],鱼雷弹头哑火,以及更可怕的是发射之后有可能出现“回马枪”——鱼雷掉头转向自己游来[13]。
其中深度控制器直到1942年8月才得到改进,但通过测试则已经是1943年中旬,1943年9月列装部队,水面部队的马克14鱼雷则到1943年末才被改进。而随后尝试取代马克14而给潜艇列装的电动鱼雷马克18仍然出现了“回马枪”事故,整个二战时期,美国潜艇因这两种鱼雷“回马枪”问题造成了美国海军的“唐”号(被马克18击沉)和“白鲑”号(被马克14击沉)沉没[14]。
二战期间,314艘潜艇服役于美国海军,其中111艘于1941年12月7日前服役,203艘小鲨鱼级(Gato class),Balao级和Tench级则是在战争期间投入服役的。战争中52艘3506人阵亡于战火之中,这是美国二战期间阵亡率最高的部队。同时,美国潜艇击沉了1392艘敌舰,总共530万吨,其中还包括13艘航空母舰在内的213艘的战船。[15]
与一战相似,英国皇家海军的潜艇在二战中仍扮演着封锁港口和保护己方港口的角色。所以英国潜艇与德国潜艇不同,他们大多运作与英伦三岛、德国、挪威、以及地中海浅海区域。
二战中英国潜艇击沉了2百万吨级的敌国舰艇,其中包括57艘敌国军舰。英国则损失了74艘潜艇,其中一半可能是被水雷击沉的。[16]战争中英国潜艇创下了一件铭记史册的事件——英国潜艇冒险者号击沉2艘德国潜行潜艇,这是全世界第一次潜行潜艇击沉潜行潜艇的案例。冒险号的艇员成功的计算出了攻击目标的三维数据并计算出了应该处于的开火位置,这些算法也成为了日后现代潜艇计算机和现代化鱼雷系统的计算原理。
20世纪50年代开始,随着核动力技术的发展,核动力化的潜艇逐渐开始替代传统的柴电动力潜艇,而氧气也可以通过设备萃取海水中的氧气成分补充。这两项革新使得潜艇的潜航续航力从仅仅几小时增加到了数周乃至数月。同时伴随材料学和焊接技术的进步,使得以前从不敢想的海下航行得以实现。1954年,美国也是全世界第一艘核动力潜艇鹦鹉螺号下水服役,1958年该艇成为世界第一艘抵达了北极点和北极冰盖的潜艇;1960年,美国核潜艇海神号(USS Triton)完成了环球潜航[17]。对于现代潜艇来说,动力燃料和氧气不再是限制条件,最大的限制条件变成了舰艇提供的食物和淡水限制以及封闭空间对于艇员的心理影响。
潜艇作为武器性质性改变则发生在1959年和1960年。苏联弹道导弹潜艇H级和美国弹道导弹潜艇乔治·华盛顿级先后服役参与战略值班。自此之后由潜艇为主力的“第二次核反击力量”诞生,这可以说是“相互保证毁灭”理论发展到的顶峰。也是从那时候,冷战双方都建造了一批弹道导弹潜艇,这些弹道导弹潜艇中苏美任意一方所携带的弹道导弹都足以数次炸平对方每个角落。根据公开的资料,1985年,苏联仅仅参与战备值班的潜艇所携带的弹道导弹达到了982枚[18],而且这些导弹至少携带2个当量为0.1兆吨的核弹头。而根据美国公开的资料,冷战时期每一艘战备值班的弹道导弹潜艇中都有一发弹道导弹所携带的弹头指向莫斯科,基辅和列宁格勒(今圣彼得堡)[19]。
在冷战最激烈的时候,美国和苏联双方的潜艇都在进行一种“猫捉老鼠”的游戏。在冷战初期,潜艇由于没有脱拽雷达,苏联潜艇为了追踪美国潜艇而时常使用“疯狂伊凡”战术。冷战时期虽然双方都没有确实证据证明双方开火,但冷战时期双方的核潜艇仍出现了不幸。苏联方面公开的冷战时期沉没的核潜艇有K-129号[20],K-65号,K-8号,K-219号,K-27号,唯一一艘M级核潜艇K-278“共青团”号(1989年)[21][22],而由于潜艇事故以及后期保养问题出现的严重事故也很多,最知名的莫过于K-19号,这个潜艇的事故被改编拍摄电影《K-19:寡妇制造者》[23]。美国方面公开了冷战中损失了长尾鲨号和天蝎号。长尾鲨号是因为试航中设备故障导致沉没,而天蝎号的沉没原因虽至今仍未被官方公开 [24],不过有书籍认为是被苏联潜艇击沉[25]。
尽管冷战时期美苏双方海下潜艇火药味十足,但第一个真正有明确证据证明在第二次世界大战之后被潜艇击沉的战斗舰则为1971年,印巴战争时期印度海军的Khukri号护卫舰。而第一艘和目前唯一一艘被敌方火力击沉的潜艇则是印巴战争中巴基斯坦海军Ghazi号潜艇。在二战之后1982年的福克兰岛战争中,英国皇家海军征服者号核潜艇击沉了阿根廷的贝尔格拉诺将军号巡洋舰,这是核动力潜艇击沉的最大吨位的战斗舰只。(潜艇击沉最大纪录为二战时期美国海军射水鱼潜艇击沉日本航空母舰信浓)
相比于冷战北约-华约双方的“潜艇竞赛”和冷战之后美俄双方强大的潜艇力量来说,其他国家相比之下要显得“温和”得多。在二战中奉行中立原则的荷兰和挪威战后收编了一些德国的潜艇为自己的海军潜艇部队,1946年,瑞典自行研制建造了“鲨鱼”级潜艇,这种潜艇近乎直接照搬了二战德国U-XXI潜艇,20世纪50年代,荷兰设计建造了“海豚”级潜艇,这种潜艇不仅吸收了德国的技术,而且成为了当时常规潜艇中综合性能较高的潜艇,使当时的世界开始瞩目荷兰潜艇技术,同时代末期,瑞典也研制出了自己的“天龙”级潜艇。60年代的1964年荷兰研制出了“旗鱼”。而到了70年代,与此同时60年代末期,瑞典研制了第一个具有本国特色的“海鹰”级潜艇。20世纪70年代后期,荷兰研制出了“海象”级而到了80年代至90年代,瑞典荷兰的潜艇纷纷外销到其他海防小国。1995年,瑞典“格特兰”号,这是全世界第一艘量产型AIP潜艇。而90年代末期,荷兰也开始了AIP潜艇的研究。
中国第一艘潜艇1880年制造出来的,不仅制造潜艇的时间较早,而且性能先进。[26]但由于随后国力贫微以及战乱一度停滞,随后的中华民国政府海军部于1913年提出建造潜艇,随后也规划了一系列潜艇建造计划,但又由于国力问题而取消[27]。中国共产党创建政权之后,开始接受苏联的援助。早期中国潜艇以本地生产苏联W级潜艇为主要型号。在中苏关系破裂之后,中国大陆政府开始自行研制潜艇。20世纪70年代先后服役了091型核潜艇和092型核潜艇[28][29] 以及后来90年代初的093型潜艇(宋级),两型核潜艇由于噪音级别过大等原因造成其一直“限制使用”。到了21世纪初期,中国大陆政府官方则公开了093型核潜艇和094型核潜艇。而移居台湾后的民国政府潜艇部队于1956年创建,从意大利购买了随后命名为“海龙”、“海蛟”号潜艇,70年代台湾从美国购买随后命名为“海狮”和“海豹”号的潜艇。[30]1987年和1988年,台湾接收2艘从荷兰购买的剑龙级“海龙”和“海虎”号潜艇。这两艘潜艇是目前台湾公开最先进的潜艇。[31]
冷战之后最大的潜艇艇难莫过于俄罗斯的库尔斯克号潜艇事故,这次事故官方宣布的原因是由于潜艇装备鱼雷故障在艇内爆炸造成,但也有言论认为是与其他潜艇发生严重撞击后沉没[32],整个事故中全部艇员阵亡。[33]
所有在水面上的船只,包括在上浮之后的潜艇,它们所受的正浮力一定大于重力。所以如果要潜下去,潜艇必须得到更多的负浮力,也就是说潜艇或者将自身的重力大于其所受浮力,或者降低其排水量。而相对于排水量(排水的体积)的控制,对于重力的控制则完全可以通过装备一种叫做“沉浮箱”的水箱来控制。即通过控制沉浮箱中的注水情况来改变潜艇的重力。
对于普通的下潜和上浮动作,潜艇通常用前后两个沉浮箱来完成,这两个沉浮箱也称作主沉浮箱或称主水柜(Main Ballast Tank,简称MBT)。当潜艇需要下潜的时候,主沉浮箱水口完全开启并注水以增大潜艇重力,而当潜艇需要上浮的时候,主沉浮箱的水口再次打开与此同时向主沉浮箱中注入压缩空气以排出箱中的水从而减小重力。主沉浮箱主要负责大幅度的潜艇沉浮动作,水箱也通常安置在漂浮吃水线以下,而如果需要更精确的控制潜艇的所处深度,则需要用深度控制水柜或称“硬水柜”(Depth Control Tank,简称DCT,或称hard tank)来控制。被称为“硬水柜”主要由于它们必须要承受相比主水柜来说更大的压力。深度控制水柜的水量可以控制反映变化的外部条件或改变下潜深度。这种水柜既可以安置在靠近潜艇中心的地方,亦可以单独安置在艇身上以防止对于艇平衡性的影响。
当潜艇下潜时,潜艇壳体通常可以承受的水压可以达到4兆帕,而对于像阿尔法级核潜艇那样的钛合金外壳的潜艇则可以承受10兆帕的压力。但在壳体内则要保持普通的海平面大气压力左右的气压。由于水的盐度不同,盐度越大的水其在同样深度所产生的压力也越大。在潜航中的潜艇往往处于一种不稳定平衡状态,或者处于一种向海床下潜的下潜或者上浮之水面。控制潜艇处于一个确定深度则需要连续控制潜艇的深度控制水柜以及整个水柜体系。[34]
潜艇在保持固定浮力状态时齐平衡状态并不是固有的状态。为了维持理想的平衡性,潜艇通常用专用的平衡舵以及内部的平衡水柜来控制。平衡水柜内部管线连通,用水泵调整各平衡水柜之中的水,从而调整个部分重力而创造出平衡向上与向下的力矩。
最早期曾经尝试过做为潜艇动力来源的有压缩空气、人力、蒸气、燃油和电力等等。而真正成熟的第一种潜艇动力来源是以柴油机配合电动马达(柴电)做为共同的动力来源。
第一次世界大战之前,潜艇开始使用柴油机配合电动马达作为潜艇的动力来源。这种动力是第一种潜艇用机械动力。柴油机负责潜艇在水面上航行以及为电瓶充电的动力来源,在水面下,潜艇使用预先储备在电瓶中的电力航行。由于电瓶所能够储存的电力必须提供全舰设备使用,即使采取很低的速度,也无法在水面下长时间的航行,必须浮上水面充电。后来出现的呼吸管则使得潜艇的潜航能力增加。
呼吸管在第二次世界大战前由荷兰开发出来,其后由德国进一步的改良并首先使用在他们的潜艇上面。呼吸管的基本构造很简单,就是一个可以伸长的通气管,将外界的空气引导至柴油引擎,产生的废气也经由呼吸管排送出去,另外再附加防止海水进入以及将进入的海水排除的管线。通过使用呼吸管可以让潜艇在潜望镜深度情况下使用柴油机,这样潜艇就不必上浮即可补充电力。
呼吸管的使用大幅改变当时潜艇的作业方式与弹性。在使用呼吸管以前,潜艇一定要浮出海面进行换气和充电的作业,而这个作业时间限制在夜间。采用呼吸管之后,潜艇只需要将呼吸管伸出海面就得以进行充电的工作,不仅降低潜艇被发现的机率,也扩展潜艇可以充电的时机。
针对这个威胁,盟军是利用巡逻机携带的特殊雷达来寻找微小的呼吸管,即使无法击沉潜艇,至少也要迫使它无法充电而没有能力持续的追踪与攻击。
核动力是继柴电动力之后发展的又一种动力。核动力的原理是通过核子反应炉产生的高温让蒸汽机中产生蒸气之后驱动蒸气涡轮机,来带动螺旋桨或者是发电机产生动力。最早成功在潜艇上安装核子反应炉的是美国海军的鹦鹉螺号潜艇,目前全世界公开宣称拥有核子动力的国家有5个[35],其中以美国和俄罗斯的使用比例最高。美国甚至在1958年宣布不再建造非核动力潜艇。
核动力潜艇相比于传统的柴电潜艇,具有动力输出大,动力续航高(由于核动力潜艇的燃料的补充更换通常在10年以上,相比于仅仅几周或几月的柴电动力潜艇要大大增加,所以也通常被视为无限续航),速度快等优点。但核动力潜艇却有技术难度大,稳定性差,建造费用高,噪音大以及维护要求高的缺点。由于柴电潜艇和不依赖空气推进技术的发展,核动力潜艇已经不再是先进潜艇动力的唯一标准。
AIP是Air-Independent Propulsion的简称,中文称为不依赖空气推进。1930年,德国沃尔特(Walter)博士提出以过氧化氢做为燃料的动力机系统,经过数年的研究和试验,在二战末期,沃尔特发明了“沃尔特式动力机”,原理是通过燃烧过氧化氢推动内燃机工作,由于过氧化氢燃烧反映产生氧气,所以不需要额外空气,但是早期的沃尔特式动力机并不可靠,因为过氧化氢容易发生自燃反应,因此德国只生产几艘XVIIB,以过氧化氢为动力的潜艇。
第二次世界大战之后,许多国家开始研究其他可能的替代动力来源,以延长潜艇在水面下持续作业时间,采用柴油机与电力马达加上电瓶的搭配,但是在潜艇中携带氧化剂或者是其他不需要氧气助燃的设备,如此一来可以在水面下驱动柴油机进行充电,或者是由新的动力来源为电瓶充电与驱动电力马达。
尽管不依赖空气推进拥有大大提高了柴电动力潜艇的能力,但由于过氧化氢等氧化剂的稳定性差,使得不依赖空气推进的安全性常被质疑。实际上无论早期沃尔特试验还是二战后美国,苏联的深入研究,都出现了或多或少的事故以及问题。
现代不依赖空气推进装置类别主要为空气封闭柴油机、闭式循环汽轮机、斯特灵闭式动力机以及燃料电池等。[36]
由于电磁波在水中衰减的速率非常的高,无法做为侦测的讯号来源,以声响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。
声纳的英文原名SONAR来自于「音响导航与测距」(sound navigation and ranging)的缩写,无论是潜艇或者是水面船只都利用这项技术的衍生系统探测水地下的物体或者是做为导航的依据。
声纳系统可以大致上分为两类:主动与被动。主动声纳会自己发生音响讯号,借由这个讯号接触物体后反射回来的变化,做为计算这个物体的相对方位与距离的资料。被动声纳的作用和收听装置极为相近,不发出任何讯号,只接收来自于周遭的各种音响讯号来判断与识别不同的物体。
传统上潜艇安装声纳的主要位置是在最前端的位置,由于现代潜艇非常依赖被动声纳的探测效果,巨大的收音装置不仅仅让潜艇的直径水涨船高,原先在这个位置上的鱼雷管也得乖乖让出位置而退到两旁去。
其他安装在潜艇上的声纳型态还包括安装在艇身其他位置的被动声纳听音装置,利用不同位置收到的同一讯号,经过电脑处理和运算之后,就可以迅速的进行粗浅的定位,对于艇身较大的潜艇来说比较有利,因为测量的基线较长,准确度较高。
另外一种声纳称为「拖曳声纳」,因为这种声纳装置在使用时,以缆线与潜艇连接,声纳的本体则远远的拖在潜艇的后面进行探测,拖曳声纳的使用大幅强化潜艇对于全方位与不同深度的侦测能力,尤其是潜艇的尾端。这是因为潜艇的尾端同时也是动力输出的部分,由于水流的声音的干扰,位于前方的声纳无法听到这个区域的讯号而形成一个盲区。使用拖曳声纳之后就能够消除这个盲区,找出躲在这个区域的目标。
潜望镜使用在潜艇上的历史比声纳还要久,美国南北战争期间使用的龟形人力小潜艇已经使用类似简单潜望镜的光学装置作为航行时的导航依据。
潜望镜利用光学镜面反射的原理,在一个长管子的两端安装镜片,上端的镜片会将面对的影像向下反射,位于底部的镜片将反射过来的影像作第二次反射,观测人员透过底部的反射镜就可以看到上方镜面对准的方向上的影像。透过这个装置,潜艇内部的人员可以对周遭的环境进行肉眼的实际观测。在作战上,潜望镜也是辨识目标种类与敌我的重要手段。
潜望镜通常提供两种倍率,一种放大倍率较小但是视野范围较广,适合快速的搜索周遭的海域,另外一种倍率较大,提供潜艇识别与判断目标动向的能力。二次大战以后有些公司推出的产品将两者的功能分开到个别的搜索和攻击潜望镜上。在肉眼观测的部分另有刻度协助观测者根据可能的目标型态进行粗浅的距离判断。在二次大战后期美国开始在潜望镜上搭配测距雷达,另外一种测距仪是测量水平线与一个已知物体高度间的夹角的间距仪(Stadimeter)。近代的另外一种替代产品则是雷射测距仪。
潜望镜在不使用的时候会降入潜艇的帆罩(Sail)当中以缩小突出的距离,当需要使用的时候,潜艇首先必须改变深度到较浅的海域,才能够使潜望镜伸出水面进行观测,这个操作深度范围一般称为潜望镜操作深度,实际上的高度则要看每种潜艇与潜望镜搭配而定,在这个深度范围上潜艇有可能和水面船舰发生碰撞,因此潜艇通常需要先以被动声纳判断附近船只的情形,避开可能发生碰撞或者是被目视发现的可能。
现代的潜望镜除了提供更好的观测效果以外,也增强在恶劣天后与夜间观测的能力,配合一般光学摄影机、红外线摄影机或者是低光度电视摄影机等的协助,潜艇在操作潜望镜的弹性上远胜于过去,录制下来的影像以电子讯号储存后,还可以事后的分析与情报的撷取。近代潜望镜设计上的一个大挑战是操作速度的提升,由于需要在较高的航行速度下操作,同时维持影像的稳定,各公司以不同的方式去克服高速下带来的震动与其他的问题,其中一种常见的设计为加大潜望镜尺寸以提高对震动的吸收能力。
潜望镜可以说是造成潜艇失去隐敝性的一大元凶,必须突出海面操作的先天弱点,在二次世界大战后期首度被盟军利用来发现德国的U-潜艇。盟军的巡逻机以特殊的雷达侦测突出海面的潜望镜产生的回波,加以定位之后迅速发动攻击,如此一来让潜艇利用夜间在水面充电或者是进行攻击受到很大的限制,德国曾经试图利用一些涂料降低潜望镜的雷达波反射强度,不过效果不高。现代潜艇多半在攻击潜望镜上加装雷达警告接收器(Radar Warning Receiver, RWR),提供威胁警告。
雷达在第二次世界大战初期开始出现在水面舰艇上面,潜艇也在稍后开始配备,协助于夜间或是不良天候下的搜索。潜艇的雷达在不使用的时候和潜望镜类似,要降低高度贴近帆罩的位置,或者是具备折叠的天线能够收进船帆当中,由于雷达天线的高度以及大小,搜索距离不会很远,效果也比不上一般水面舰艇的搜索雷达,但是这项装备提供更广泛的侦测效果,现代的潜艇上几乎都看得到。
雷达虽然好用,然而他发出讯号的必然缺点也导致潜艇在使用雷达上必须谨慎小心,以免被敌人做反侦测与定位的讯号来源。
德国在第二次世界大战后期在潜艇上加装专门探测盟军巡逻机上的搜索雷达的电子设备,这种电子支援装置(Electronic Support Measurment,ESM)算是近代潜艇装置电子侦测设备的起源。除了自卫的需求之外,潜艇还可以利用不同的电子支援与侦测装置进行对敌人的通讯,雷达或者是其他的无线电讯号的监视与搜集。
冷战开始之后,各国纷纷利用潜艇隐密的特性,配合各类电子侦测装置搜集情报,这又以美国和苏联之间进行的最为激烈,美国不仅仅派遣潜艇到苏联的沿海搜集资料,还让潜艇在苏联的海底电缆上面放置窃听录音系统,获得许多重要的情报。
即使在今日,潜艇依旧是一个非常重要的电子情报搜集工具。
现代潜艇通常来说是雪茄型的,这种设计相比于最早海龟号的“蛋型”已经有了很大改变,这样的壳体也通常被称为“水滴型壳体”。经过了很长时间的发展,潜艇设计者们发现水滴型壳体是目前发现的水下阻力最小壳体形状,但不得不说的是这种形状却在海面漂浮时抵御海浪的能力也较差一些。早期的潜艇由于推进力的限制,其水下的速度不会超过10节,所以早期潜艇的外形都是不严格的“雪茄型”,其所产生的额外水阻力也是可以接受的。直到第二次世界大战末期,德国潜艇研制技术和思想都得到了巨大的改变,他们开始注重水下航速并且第一次建造出了水下航速比水上还要快的潜艇——U-XXI型,随后又建造出了U-XXIII型。这两种型号的潜艇不但使用了近水滴型壳体,而且第一次撤销了潜艇甲板上的甲板火炮,舰桥部分也“近流线型”,这样潜艇不仅更快而且相比于当时盟军的潜艇更加安静,在水下的战斗力更强。现代潜艇在水滴型外壳外面通常都要铺设消声瓦,实际上是一种降低本艇声音辐射以及吸收外部声波的材料,使得潜艇更加安静。
潜艇上部突出的舰桥围壳部分可以增长潜望镜和无线电天线的使用长度。通常来说,舰桥围壳内通常都有无线电设备,雷达,电子战设备,通气管等设备。在早期的潜艇中,指挥舱都会在潜艇的舰桥围壳之中,所以潜艇舰桥围壳通常也被称为“指挥塔”。不过现在的服役的大多数潜艇的指挥舱通常在潜艇之中,而舰桥围壳现在通常的作用则是通风,作为设备舱以及用于视觉观测的地方了。
在现代的军用潜艇结构的发展大致分为两个“流派”——单壳体结构与双壳体结构。单壳体结构顾名思义就是以一层壳体承受厅外压力,维持艇内气压。而双壳体则是在壳体外面再加装一层壳体,这层壳体被称为“外壳体”,“轻壳体”通常也被称为“非耐压艇体”。这个外壳自身不承受压力,其内部的壳与单壳体结构一样承受外压维持内压。
早在一战时期,潜艇最适于航行,并且能够很好低档外部水压同时又要简化制造工艺的方法只有在外形上改变水滴型外形或者使用双壳体。双壳体的主要目的就是:外壳保持艇型,内壳维持压力。直到二战末期部分潜艇的上甲板部,船首和船尾仍然加装一个很薄的外壳以维持外形。德国的U-XXI型是第一种完全双壳体结构的潜艇,而盟军仍然采用部分双壳体的结构。
二战之后,盟、 苏双方在潜艇的结构上开始分离。苏联将原来的与盟军相似设计结构设计方式转为了双壳体结构。值得一提的是从“铁幕”落下至苏联解体,乃至现在,双壳体结构仍然是苏联/俄罗斯潜艇设计结构的“必须结构”。相比之下,美国以及其他西方潜艇则开始转向全面单壳体的设计方式。通过材料学以及流体动力学的长期进步,西方潜艇普遍做到了以单耐压艇体抵抗压力,维持形状和内压得能力。西方潜艇虽然称为单壳体结构,但实际上大多数潜艇的艇首和艇尾需要加装一层“轻壳”。
双壳体的优势在于对耐压艇体材料要求度比单壳体要低很多,而且可以布设很多耐压设备,诸如声纳探头布设非耐压艇体中,这样不仅减小耐压艇体内的空间而且还能大大减小耐压艇体由于运转这些设备时产生抗压力下降和耐压艇体形变。在实战中,潜艇一旦受到震荡,撞击等时候,外部壳体虽然可能遭到毁灭打击,但由于其有效保护了内部耐压艇体,造成潜艇的安全性得到有效保护。同时外壳体内部加装消声材料也可以大大降低内部噪音,提高安静能力。再有就是双壳体结构的潜艇储备浮力都很大,抗沉性都普遍高于单壳体潜艇。
不过相比之下,双壳体的弊端也非常凸现。首先双壳体潜艇的排水量都偏大,这造成了潜艇阻力和噪音的增大。其次双壳体结构的焊接工艺的要求和耗费要比单壳体高很多,这样无形中增加了潜艇的制造周期和降低性价比。但值得一提的是,苏联曾考虑过制造单壳体的阿尔法级核潜艇以提高其航速和减小排水量,而美国近些年来也开始打算制造双壳体结构的潜艇以提高装载能力,安静性和操作性。[37]
鱼雷是潜艇使用的武器当中最普遍也是历史最悠久的一种。直到目前为止,鱼雷仍是潜艇最常见的武器。
在第二次世界大战中期以前,鱼雷是没有任何导引装置,发射出去之后只能依照设定的方向与深度持续前进,直到动力用尽或是与目标接触为止。中期以后鱼雷开始有最初的导引系统协助提高命中率,即使如此,鱼雷在二次大战结束前的主要目标还是水面舰艇。
二次大战之后鱼雷的发展趋势有两个主要的方向。第一个方向是导引系统的引入与成熟化,第二个方向是在动力系统上的改进以提高射程和速度。目前鱼雷的导引系统当中最普遍的是声纳,可以说绝大多数的鱼雷都是使用声纳搜索与追击目标,另外一种则是以水面船只通过之后留下的浪迹作为导引的讯号来源。在导引的型态上面又分成有线与无线两类。
有线导引鱼雷多使用在潜艇上面,顾名思义,鱼雷的后端有导线与潜艇相连接,在发射之后潜艇的射控系统得以将控制指令经由导线传递给鱼雷,这样可以利用更精确的控制鱼雷攻击目标。必要的时候,潜艇可以直接切断导线,让鱼雷自行以主动声纳标定与攻击目标。
无线导引鱼雷多使用在水面舰艇和反潜火箭上面,鱼雷在发射进入水中之后立刻以主动声纳搜索,发射的飞机或者是船舰对这枚鱼雷不再有任何控制的能力。
二战结束前的潜艇多在前后都有鱼雷发射管,除了提高鱼雷的总携带量以外,还可以增加潜艇的发射火力。这个设计在二战之后逐渐消失,取代的是集中在艇首的鱼雷发射管。随着声纳的体积与空间的需求改变,艇首的位置又被声纳所取代,因此近代的潜艇的鱼雷管的配置位置很多是在接近艇首的两侧。
潜艇上发射鱼雷的方式有两大类:气压射出与自行游出。气压射出就是说利用压缩空气与活塞作用的原理,将鱼雷由发射管弹射出去。自行游出是让鱼雷以自己的动力离开发射管。
鱼雷的引爆方式也有两种:接触引爆与磁性引爆。鱼雷对于水面船只产生杀伤力的最主要来源是水压的剧烈变化引发船只结构受损,而非直接撞击船只在水面下的部分。一般鱼雷多有这两种引爆方式。
火炮是早期潜艇的主要武器之一。早期潜艇的吨位较小,携带的鱼雷数量有限,火炮的作用在于辅助鱼雷,增强潜艇的火力。一般来说,潜艇上的火炮主要是用来警告无武装的船只停止下来接受检查或者是攻击无武装的船只以节省鱼雷的消耗量。 第二次世界大战末期,为了要对付盟军的反潜机,德国的U潜艇还加装专门对空射击的高射机枪或是高射机砲。大战结束之后,火炮逐渐从潜艇上消失,现在的潜艇已经完全看不到任何火炮的设置。
二次大战中最有名的潜艇火炮当属德国使用的88毫米炮,他之所以会有名是因为很多人误以为这款火炮也同时被德国陆军做为高射炮与反坦克炮。其实除了口径相同之外,这一门火炮和陆军的88炮是没有关系的。
导弹使用在潜艇上是在二次大战之后的新发展,不过早最的试验还是在二次大战时期,德国企图将V2火箭由U艇上发射,只是这个试验并未实用化。
目前最常见的潜艇发射(潜射)导弹包括:地对地弹道导弹,对地攻击的巡航导弹以及反舰导弹这三种。潜对空导弹有少数国家尝试安装使用,采取的方式是将单兵使用的便携式防空导弹改装到潜艇上面,发射的时候依照改装的方式,潜艇可以在水下或者是必须在水面上操作。基本上潜射对空导弹目前不普遍也不算非常实用。
潜舰发射的反潜火箭严格来说不算是导弹,因为有导引装置在推进火箭前端的鱼雷,火箭本身只负责推送鱼雷到指定的区域,在功能和作用上与水面舰艇使用的反潜火箭相同。
以潜艇作为布置水雷的载具相当常见,利用潜艇隐密的特性,到指定的水域部署攻击性或者是防御性的水雷网。早期的水雷有利用鱼雷管发射布置,或者是外挂在潜艇的艇身以外。现代的潜艇则都是利用鱼雷管布放水雷。
潜艇即使在浮出水面时,提供艇上观测的高度远低于一般的水面舰艇,因此在配备雷达与其他电子搜索装置以前,潜艇的有效侦测距离相当的短。为了改善这个缺点,使用飞行器作为辅助观测手段曾经被许多国家考虑过。
德国海军在二战时期少量使用过的无动力自旋机用于潜艇的导航和侦查。这种编号为Fa-330的自旋机在外观上与直升机非常类似,但是构造非常简单,观测员坐在没有机身保护的座位上,头上是三叶旋翼,操纵装置仅能控制旋翼的共同倾角以及方向舵。Fa-330平时折收储存在潜艇上,使用时可以迅速组装完成,利用拖曳缆拖住自旋机,当潜艇再水面航行的时候,气流带动旋翼转动而产生升力而改变高度,观测员借由控制装置维持适当的高度,与潜艇的通讯则借由附在拖曳缆上的电话线进行。
德国在二战时期使用Fa-330的数量并不多,尤其当盟军的反潜机数量与涵盖范围大幅增加之后,这种观测装置并不能提供对反潜机的早期预警,整体使用效果并不显着。[38][39]
另外一个搭配飞机和潜艇不是很成功的例子则是法国海军的潜艇巡洋舰「速科夫」号(N N 3)。这艘于1934年服役的潜艇水下排水量超过4300吨,是当时全世界最大的潜艇。法国为了躲过华盛顿海军公约对于水面舰艇的建造吨位限制而设计了这一艘有12具鱼雷发射管,两门203毫米舰炮以及一架Besson MB.411水上飞机担任观测任务。
这架水上飞机收藏于指挥塔后方的机库当中,使用时利用潜艇后方的起重机进行起飞准备和降落后的回收。不过这艘潜艇并没有参与太多的战斗,1942年2月18日,「速科夫」号及其艇上所有人员在巴拿马运河附近沉没。美国与法国最初的调查报告显示「速科夫」号是在高速航行时被一艘美国货轮撞上而沉没,但是后来法国另外一份调查报告则认为是受到美国飞机攻击的意外事件。[40]
二战之中,日本是另外一个尝试在潜艇上撘在飞机的国家。日本企图利用潜艇装载飞机攻击美国巴拿马运河。由此,日本专门设计了伊号第四〇〇潜艇以及配套搭载的晴岚式水上飞机。晴岚的最大航程1540公里,乘员2名,武备则为1挺13和米机枪以及的一枚800公斤炸弹或鱼雷。「伊-400」潜艇则可以搭载3架“晴岚”攻击机。晴岚在潜艇内收藏时是将主翼、尾翼折叠,水平尾翼往下折叠以节省空间,浮筒则是另外收藏。准备出击时,从浮桶取出到飞机整体安装完成并注入燃料启动的时间可以在三分钟内完成(伊400内部有装备足够温度随时可以让晴岚使用的燃料槽)。潜艇上浮后放出飞机在水上起飞。飞机起飞后将扔掉浮筒,攻击完毕返航时则以机腹着水降落,然后潜艇搭载乘员撤离,机体则被放弃。
实际上,装备了飞机的伊-400首次出击也是最后一次的出击是1945年8月对乌尔希环礁的美军舰队进行攻击,原先预定在8月17日发动攻击,但是在航行途中战争结束(8月15日天皇宣布投降),因此晴岚并没有参予过任何一场实战,不过搭载晴岚的伊-400及伊-401在前往夏威夷投降前已将舰上的晴岚弹射到海中处理掉。
1989年起,美国国家航空宇宙博物馆(NASM)开始对晴岚28号机进行修复,经过多年的尝试,终于在2000年4月将晴岚28号机修复完毕。这是晴岚唯一一架完整存世的飞机。[41][42]
军用潜艇有几种分类方式。可以按照潜艇大小分类为:大型(排水量在2000吨以上)、中型(排水量在600-2000吨)、小型(排水量在100-600吨)和袖珍(排水量在100吨以下)潜艇。若按照使命分类,则可分为攻击型潜艇、巡航导弹潜艇和弹道导弹潜艇。按船体结构分类的话,有双壳潜艇及单壳潜艇(详细参见结构一段)。若按潜艇动力分类,则可分为柴电潜艇、核潜艇(详细参见#动力一段)。
自从海龟号尝试攻击敌舰之后,潜艇就一直被视为一种海下攻击的利器。所谓攻击型潜艇其实是区别战略型潜艇而论的。这种潜艇主要的是以攻击敌方船只,潜艇等海上及海下目标为主要任务。通常很少具备,或仅仅拥有很少量级的对陆对空能力。这些潜艇主要的武备从早期的“凿船钻”,“触爆炸药”逐渐发展,直到一战前,鱼雷、水雷、以及甲板炮成为了潜艇的标准配备武器。随着二战后其德国U-潜艇的水下高速化发展,甲板炮自U-XXI型之后退出了历史舞台。
随着二战的结束和冷战“铁幕”的落下,攻击型潜艇以其相对廉价,稳定性强以及其本身的攻击性成为了当时美苏双方侦查情报,探寻追踪敌方战略潜艇(弹道导弹潜艇)的重要武器。尤其在核动力登上潜艇之后,攻击型潜艇可以说进入了一个新纪元,当鹦鹉螺号下水服役之后参与的演习,让当时所有反潜专家惊讶其性能,二战时期的大多反潜方式都无法对抗鹦鹉螺号[43]。自此之后美国宣布不再建造任何常规动力潜艇。而相对于美国来说,苏联的潜艇安静度一直与美国潜艇有一定差距。但世界上普遍认为美国建造的海狼级核潜艇和苏联建造的阿库拉-猎豹级核潜艇都代表了当前单壳体攻击型潜艇和双壳体攻击型潜艇的最高水平。
随着潜艇的发展,而另一种武器——导弹则成为了潜艇发展的另一个方向。V-II导弹成为了德国人理想潜艇的利器,二战后期德国人曾开始研究将潜艇安装上导弹,而这个研究项目的资料也随着战争的发展而成为了美国人的战利品。1964年2月,美国在SS-348鳕鱼号上安装“天狮星”巡航导弹,进行了发射试验并取得成功。然而,随着美国在20世纪60年代末期至70年代这一时期潜艇弹道导弹的迅猛发展,潜艇巡航导弹研制随之放弃。
相对于美国的放弃,苏联则在巡航导弹潜艇的发展上下了很大的功夫。这主要是由于相对于二战后急速发展的美国航母战斗群,当时的苏联没有足够的能力与盟军对抗发展航母编队,而苏联的反航母编队群作战模式中,携带空舰导弹的