DDG-1000松華特級陸攻驅逐艦

DD-21在2001年演變為DD(X),至2006年正式命名為DDG-1000。圖為金隊在DDG-1000中的設計,

注意其AVLS垂直發射系統位於艦體兩側,兩門AGS主砲集中於艦首。

DDG-1000的整體外觀十分簡潔,上層結構與武裝的設計均與艦體做了最大程度的整合。

DDG-1000的模型。

DDG-1000發射AGS 155mm艦砲的想像圖。

(上與下二張)為了測試DD(X)的電力與推進系統,美國海軍研究辦公室(ONR) 研製了AESD實驗艇作為驗證平台。

DDG-1000的1/4大比例工程測試船模,正吊上駁船出海進行海上測試。

松華特級使用的複合材料整合式船艛模組出廠的畫面。

在2012年11月,松華特號(USS Zumwalt DDG-1000)的整合式船艛模組船運抵達諾福克港,隨後就運往BIW廠與艦體結合。

在2012年12月14日夜間,BIW廠將整合式船艛模組安裝在松華特號的艦體上。

BIW廠在2013年6月的照片,近處為松華特級二號艦麥可.蒙蘇爾號(USS Michael Monsoor DDG-1001)的艦體船段;

後方是已經成形的松華特號,此時松華特號艦首聲納已經安裝。

建造中的松華特號,所有船段已經安裝合攏。

攝於2013年10月中旬下的松華特號, 艦體外觀建造與塗裝已經完成。

 

松華特級使用的推進用先進感應馬達(AIM),單機功率39MW級。

 

艦名/使用國 DDG-100松華特級驅逐艦/美國(Zumwalt class)
建造國/建造廠 美國/Bath Iron Works(BIW), Bath, Maine

尺寸(公尺)

長約185.93,寬約24.6,吃水約8.41

排水量(ton) 滿載15724
動力系統/軸馬力 IPS全電力整合動力系統,包括:

Rolls Royce MT-30主燃氣渦輪機 發電機組*2/72MW(96553馬力)

Rolls Royce 4500輔助燃氣渦輪發電機組*2/7.8MW(10459馬力)

永磁電進電機*2(合計65MW,約87000軸馬力)

雙軸推進

航速(節) 30
續航力(海浬)

乘員 原訂148,實際175
偵測/電子戰系統 AN/SPY-3 X頻多功能相位陣列雷達(MFR)(由三具固定式陣列天線組成)

原訂裝備AN/SPY-4長程廣域搜索雷達(VSR),在2010年遭刪除(未來可能被AMDR取代)

整合光電偵測/射控系統

其餘不詳

聲納 整合式雙頻主/被動艦首聲納*1 (高頻:AN/SQS-61。中頻:AN/SQS-60)

LBVDS輕量化寬頻變深聲納

AN/SQR-20多功能拖曳陣列聲納(MFTA)

射控/作戰系統 ISDS整合式防衛系統

NWCS海軍對地武器控制系統

IUSW整合水下作戰系統

其餘不詳

艦載武裝

AGS 155mm 62倍徑先進艦砲*2

四聯裝MK-57先進垂直發射器(AVLS)*20(總裝填量:80枚,可裝填標準SM-2防空飛彈、海麻雀ESSM短程防空飛彈、戰術型戰斧巡航飛彈、ALAM先進陸攻飛彈、垂直發射反潛火箭(VLA)等)

MK-46 30mm機砲*2

其餘不詳

艦載機/小艇

MH-60R近海作戰反潛直昇機X2

或MH-60R近海作戰直昇機X1與RQ-8A遙控飛行載具X3

7m長RHIB硬殼膨脹快艇X1

11m長RHIB硬殼膨脹快艇X1

姊妹艦

共三艘

艦名 簽約時間 開工時間 安放龍骨 下水時間 服役時間
DDG-1000 Zumwalt 2008/2/14 2009/2 2011/11/17 2013/10/28下水

2014/4/12命名洗禮

2016/10/15
DDG-1001 Michael Monsoor 2011/9/15 2010/3 2013/5/23 2016/6/18命名洗禮

2016/6/21下水

2019/1/26
DDG-1002 Lyndon B. Johnson 2011/9/15 2011/4/4 2017/1/30 2018/12/9下水

2019/4/27命名洗禮

原訂2018/12

 (主要參考資料:尖端科技雜誌278~281期──DDG-1000松華特級驅逐艦,張明德著)

─by captain Picard 


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因應新時代的美國海軍

冷戰結束後,前蘇聯對於美國大洋制海權的威脅急遽降低,但是地區性衝突卻與日遽增。因此,美國海軍的戰略方針從冷戰的大洋海戰,逐漸演變成對陸地上的武力投射,以應付紛紛擾擾的地區性衝突。

在1992年9月,美國海軍部長、海軍作戰部長與海軍陸戰隊司令共同頒佈「從海上來」(From the Sea)的戰略白皮書,內容明顯針對對沿岸目標投射武力、控制沿海以及內陸通往海洋戰略要道,對地面投射武力為考量,包括強化海軍艦隊與陸戰隊的協同作業、建立海上遠征部隊(Naval Expeditionary Forces)與陸軍和空軍聯合作戰等等,大幅修改了冷戰時代在大洋上返潛與爭奪制海權的政策。隨後在1992年10月,美國海軍進一步提出「21世紀驅逐艦技術研究」,其概念隨後被納入到美國海軍新一代水面作戰艦艇框架之中,即「21世紀水面作戰」(Surface Combatant of 21th Centry,SC-21)。

在1994年9月,美國海軍提出「前沿....從海上來」(Forward......from the Sea,FFTS),首度將近岸作戰、支援對地攻擊納為海軍主要任務之一,具體要求艦隊能對深入陸地100海里(185公里)的地面部隊實施支援(這個距離成為日後AGS先進艦砲系統的射程依據),並提出「前沿存在」、「前沿部署」、「前沿作戰」等新概念。

除了航空母艦、海軍陸戰隊外,以往美國海軍投射武力至陸上的重要武器就是不死老兵──愛荷華級(Iowa Class BB61-64)主力艦。但是這批巨砲軍艦已經於1990年代永久除役。因此 ,確立對陸地投送武力的未來新方針之後,美國海軍開始規劃對地投射武力的新型水面艦艇。

SC-21與武庫艦

依照前述的海軍作戰新思維,美國海軍成立聯合需求審查委員會(JROC)來制訂SC-21的基本概念與需求。在1994年9月2日,JROC通過了SC-21艦艇計畫 的任務需求報告(Mission Need Statement,MNS),一方面尋求取代史普魯恩斯級與派里級的新艦艇,同時也重新審視未來美國海軍的作戰架構,規劃下一代美國艦隊的兵力結構 ,這是1945年二次大戰結束以來,美國海軍第一個不以蘇聯為考量的艦艇計畫。在1995年1月18日,美國國防軍備採購委員會(DAB)批准SC-21進入方案探討與擬定階段,即里程碑0(Milestone 0),為此便依照SC-21的MNS來成立效費分析小組(COEA);在1995年10月,美國海上系統司令部(NAVSEA)成立了負責管理SC-21計畫的組織:PMS400R。

雖然SC-21的目標是發展史普魯恩斯級與派里級的後續艦,但由於美國海軍面臨的戰略環境已經大幅改變,因此SC-21並非在既有艦艇思維之下分別發展史普魯恩斯級與派里級的對應艦艇,而是將格局拉高到思考未來海軍兵力結構與任務需求,重新定義未來需要的水面艦艇類型與規格。因此,COEA便依照陸攻的核心需求,不拘泥傳統艦艇概念,提出多種不同構想,並規劃了新一代的雙波段相位陣列雷達、整合全電力推進系統、新型聲納系統等裝備;隨後,SC-21的費用與作戰有效性分析小組(COEA)選擇了一種滿載排水量約9400ton級的COEA 3B1設計方案作為史普魯恩斯級的替代者,將反潛、陸攻放在重點,但是沒有區域防空能力,而這種艦艇隨後被稱為DD-21,SC-21計畫單位還打算以這種艦體為基礎衍生出新一代防空巡洋艦CG-21來取代提康德羅加級,與DD-21共用艦體設計、動力系統以及大部分電子系統。此外,SC-21計畫還打算挑出一種巡防艦等級的作戰艦艇來取代派里級。

然而在1995年左右,美國海軍作戰部長布爾達(Jeremy Boorda)暫時擱置了SC-21/DD-21,全力展開「武庫艦」(Arsenal Ship)的研發,又稱為武庫艦(Bombardment Ship)。武庫艦源自於COEA發展SC-21時,另外著手進行的「大容量飛彈艦」構想(包含COEA 3A6與COEA 3B5兩種構型),是一種極為單純的飛彈艦艇,唯一的武器就是超過500管裝填飛彈的垂直發射器(部分提案也有155mm陸攻艦砲、MLRS多管火箭等次武裝),唯一的任務就是對地投射武力,主要武裝包括戰斧飛彈在內的各式陸攻飛彈。為了節省成本,武庫艦不裝設任何感測裝置、指揮管制與自衛武器,對地攻擊所需的目標資訊完全交由友軍單位透過CEC協同接戰能力網路提供,並仰賴友軍艦隊的掩護,即便美國海軍將標準SM-2與海麻雀ESSM也納入武庫艦的飛彈清單內,也完全仰賴友艦透過CEC的導引接戰。為了節省人力開支,武庫艦大量採用自動化監視、控制與損管系統,加上省略感測與指管射控機能,所以全艦編制的人數不到50名(部分提案甚至只有20名船員)。此外,武庫艦也降低了航速的要求,最大速率只有25節。由於系統架構單純,武庫艦採用極為低矮的上層結構,艦面平滑簡潔,雷達截面積低,艦體結構也十分堅固耐打,整體存活設計吸收了大型商船與郵輪的經驗,擁有雙層艦殼、大量的水密隔艙與極為厚實的裝甲,艦體防禦能力遠超過二次大戰以後的水面艦,魚叉、飛魚等級的反艦飛彈對武庫艦的裝甲恐怕只有搔癢的份。換而言之,武庫艦本身完全沒有自衛能力,完全依靠前述降低被偵測、被擊中機率、損管裝備以及厚甲重鎧來存活。根據美國海軍的估計,武庫艦在開戰的前四天內便能攻擊4000個目標,遠高於16架B-2轟炸機(420個目標)以及由航空母艦起飛的作戰機隊(1800個目標),能為陸戰隊提供充足的火力支援,在最短時間內遏止並癱瘓敵軍。運作成本方面,當時每艘武庫艦造價約5億美元,每年運作費用約數千萬美元,且僅需編制不到20人;而一艘航艦造價則為45億美元,每年運作費用高達4.4億美元,艦上乘員達5000之眾,而且以上數據還不包括與航艦一起行動的各型水面艦與潛艦。

武庫艦一度被部分媒體譽為將取代航空母艦的明日之星,但是這種設計十分極端的艦艇在美國海軍內部引發了頗大的爭議,最主要的原因是缺乏獨立偵測、運作與自衛的能力,需要其他友艦支援保護,在詭譎多變的戰場上可說是限制重重且風險極高;作戰時如果無法順利獲得友軍傳輸資料,武庫艦將淪為滿載炸藥的浮動標靶。雖然武庫艦看似武力強大,但是在實際執行武力投射任務時,使用彈性卻比不上航艦艦載機隊的艦載機(例如飛彈發射後就很難變更目標或取消攻擊)。而除了對陸上目標進行打擊外,武庫艦毫無其他用處,這在後冷戰時代任務多元化且強調反應速度的趨勢下簡直是大逆不道;有了武庫艦之後美國海軍照樣得建造其他艦艇來進行其他任務(反潛、反艦、防空、巡邏、護航等等)並配合武庫艦作業,在整體艦隊結構上完全討不到便宜。在1996年5月,最支持武庫艦的布爾達上將因為V字墜飾配戴爭議憤而舉槍自盡,之後武庫艦頓失靠山,繼任的海軍作戰部長傑強生(Jay Johnson)上將重新啟動SC-21/DD-21計畫,而武庫艦在1996年4月被降為SC-21附屬的子計畫(海上火力支援實驗艦,MFSD),在1997年10月的追加預算遭到國會封殺,隨後一度風光的火力艦在1997年12月被國防部正式撤銷。

DD-21重新上馬

在1997年7月,在傑強生部長的示意下,聯合需求審查委員會(JROC)於1997年7月完成了重新啟動的DD-21的費用與作戰有效性評估(COEA)。這項評估報告分析了DD-21採用全新設計或從柏克級改良的效益,評選的方案有三種:第一種是先前全新設計的DD-21(仍以COEA 3B1為基礎)以及衍生的CG-21防空巡洋艦,第二種是簡化版柏克級(以柏克級原有的設計略為簡化,加強陸攻能力),第三種是柏克級的陸攻大改型(以柏克級為基礎發展專門的陸攻艦艇,變更設計,取消神盾系統,並搭載數量更多的VLS)。評估結果顯示柏克級的基本設計無法滿足匿蹤與縮減人力的需求,因此COEA最後建議採用全新設計、共通船體的DD-21/CG-21方案。在1997年11月,傑強生部長簽署了以先前SC-21 COEA研究為基礎的DD-21作戰需求書(Operational Requirement Document,ORD),並於11月7日在海上系統司令部(NAVSEA)成立專門負責DD-21的PMS-500管理單位。緊接著在1997年12月,國防採購委員會(DAB)批准DD-21進入里程碑0(Milestone 0)階段,開始定義計畫與降低風險作業;在12月11日,DD-21計畫簽署了後續發展備忘錄。接著,美國海軍艦艇特性改良委員會(Ship Characteristics Improvement Board)也同意選用全新開發的DD-21而非改良型柏克級,並在1998年1月設定了DD-21的需求細節。在1998年2月25日,DD-21的計畫執行辦公室成立,到2000年1月20日又為了強調此計畫的發展特性而改名為Strike計畫執行辦公室。

以往美國海軍典型的艦艇開發流程,都是先由NAVSEA研究不同作戰需求對設計與整體成本造成的影響,然後制訂具體的需求並完成一系列草案,再發包給民間廠商,依照NAVSEA的草案進行細部設計與原型艦建造。然而在先前的武庫艦計畫中,美國海軍首度讓民間國防廠商參與計畫概念定義階段,最後得到了比NAVSEA原訂設計框架更好的方案。當時美國國防部需求與技術助理部長(USD A&T)甘斯勒博士(Dr. Jacques Gansler)認為,私人企業為了贏得DD-21這個總金額超過250億美元、數量超過30艘的大型生意,很可能激發出許多NAVSEA想不到的創意;官方的NAVSEA思想較為保守,未能充分地整合武器系統與艦體設計。所以甘斯勒博士希望DD-21的戰鬥系統與基本設計之間能有更緊密、更有效率的融合,而私人企業將更有可能比官方的NAVSEA更能滿足DD-21的需求。在甘斯勒博士的主導之下,美國海軍在1998年1月重新調整了DD-21的計畫方向,決定將DD-21的概念設計放手交給競標廠商決定,海軍只負責制訂基本需求、設計指標。然而,將概念定義放手給民間廠商,最大的風險就是成本膨脹與計畫失控,為此海軍需要更精確的成本控制手段。在這種新模式之下,DD-21的合約範圍不再像過去般侷限於設計建造,而包括服役後的維護升級直到除役,這種新的概念稱為全壽期合約(Full-Service Contracting,FSC)。

最初只有一個競爭團隊角逐DD-21的研發合約,由Litton/Ingalls造船廠(該廠於2001年4月被諾斯洛普.格魯曼(Northrop Grumman)集團購併)與通用旗下Bath Iron Works(BIW)造船廠主導,其他參與廠商包括雷松(Raytheon)、洛克希德/馬丁(Lockheed Martin)、新港紐斯(New Port News)造船廠與國家鋼鐵廠(National Steal)。美國海軍考量到DD-21是一種從裡到外都深具革命性的嶄新艦艇,為了降低風險,遂在1998年6月18日宣布參與廠商必須組成兩個造艦聯盟(Shipbuilder Alliance)來角逐,每個團隊各由一家造船廠與一家系統承包商主導,而兩個團隊分別是由Litton/Ingalls造船廠、雷松 、波音公司組成的金隊(gold team),以及通用BIW、洛馬組成的藍隊(blue team),金與藍是美國海軍制服的顏色之一。DD-21的研發建造工作分為五個階段,第一階段為初期概念設計(1998至1999預算年度),第二階段為初步系統設計(2000至2001預算年度中期),前兩個階段都分別由兩組團隊各自進行;第三階段為完整系統設計(2001至2004預算年度),在這個階段之中會選出獲勝的團隊,隨後展開正式建造的預備工作;第四個階段為細部設計以及首艘DD-21的建造,從2004預算年度展開,並預定在2005預算年度起每年訂購三艘,當時美國海軍打算訂購多達32艘DD-21,首艦預計在2008年交艦,2009年服役。至於第五階段則是服役後的後勤維護、升級與技術支援。在1998年,美國海軍各撥款一億五百萬美元給兩團隊,展開第一階段的設計工作 。值得一提的是,由於兩個團隊的部分成員也是DD-21的政府供應裝備項目的承包商,例如金隊的雷松是MFR相位陣列雷達的承包商,藍隊的洛馬則是VSR雷達的承包商,因此美國海軍也特別做了規範,禁止同一家公司內負責政府供應項目以及參與競標的不同團隊交換重要技術與資料,以免廠商圖利自己的競標團隊而造成不公。

 在2000年7月4日,美國總統柯林頓宣布首艘DD-21採用曾任美國海軍軍令部長、甫在同年1月20日去世的松華特上將(Admirl Elmo R. "Bud" Zumwalt)來命名。 在2008年10月29日,美國海軍宣布將DDG-1000的二號艦(DDG-1001)命名為麥可.蒙蘇爾號(Michael Monsoor),這是紀念一位在2006年9月29日在阿富汗陣亡的美國海豹小組二等士官,該士官為了保護隊友、撲上一顆敵方扔擲的手榴彈而犧牲,事後被美國海軍追贈榮譽勳章。 在2012年4月16日,美國海軍宣布DDG-1000三號艦(DDG-1002)以以美國第36任總統、1963至1969年任職的林登.詹森(Lyndon B. Johnson)為命名。

設計/競標/研發

DD-21的初期概念以先前的SC-21 COEA 3B1為基礎,以反潛與陸攻為主要任務,進一步強調匿蹤能力與陸攻火力,填補愛荷華級(Iowa class)戰鬥艦除役後兩棲作戰岸轟支援任務的空檔;為此,DD-21以兩門發展中的155mm先進艦砲系統(AGS)或先進垂直艦砲系統(VGAS)來取代原SC-21 COEA 3B1的MK-45 Mod4五吋62倍徑艦砲,同時配備32~128管的垂直發射器;其他裝備設計大致沿用SC-21 COEA 3B1的規劃,包括雙波段相位陣列雷達系統、新型聲納與整合式全電力推進系統等。除了陸攻與反潛任務之外,DD-21也是海外派遣部隊聯合作戰行動中,海軍以及其他軍種的C4ISR網路中繼角色。為了因應美國海軍規模的縮減以及詭譎多變的未來戰場環境,並考慮到功能的全面性與任務適應性,包括DD-21在內的未來美國作戰艦艇被要求能自力完成一些與本身作戰任務無直接關連,卻相當重要且專業化的瑣碎工作,較具代表性的有水雷反制等。以水雷反制為例,以往通常需要專業的掃雷單位來負責,但未來美國新一代作戰艦艇都擁有相關的裝備,便能自立更生,迅速地解決障礙,不必勞駕掃雷艦艇遠征,達到自保、快速反應與高任務適應性的要求。

DD-21計畫需求決策備忘錄也對建造成本與人是開支有著嚴苛的規範。DD (X)採用先進科技並大幅增加自動化程度,使得壽命週期內的操作、維護、升級與人事(一艘軍艦的最大開支)費用大幅降低,遠低於提康德羅加級以及柏克級,降幅可望為30%之譜。根據1998年的DD-21計畫需求備忘錄,美國海軍打算建造32艘DD-21, 全部平均單價設定在8.5億美元,且從第五艘起就把造價壓低到每艘7.5億美元(以1996年幣值計算),低於柏克級的9億;不過由於DD (X)的體積遠比柏克級大,加上全面使用最尖端科技,所以這個目標一開始幾乎就知道是無望達成的。人力需求方面,考慮到日常維護與戰時損管或緊急應變能力,DD-21不打算如武庫艦般極端而劇烈地削減人力,但考量到降低全壽期成本中比重頗高的人力開銷,DD-21仍然採用各種新技術,力求將艦員編制降至95人(含直昇機/UAV操作組員),大概只有柏克級的三成,刪減幅度依舊巨大(以往美國海軍噸位類似DD-21的巡洋艦,都編制400到600名人員)。這也是美國海軍造艦史上第一次把人員數目列於合約關鍵效率參數(KPP)的計畫。

不過,依照日後2016年12月「國家評論」(National Review)一篇批評DDG1000項目的文章指出,一位匿名的前DD(X)驅逐艦項目主管表示,海軍從沒有真正分析過,DD-21(後成為DDG-1000)這樣大小的船艦,只編制95人是否有任何可能性達成有效的作戰能力;即便如此,海軍高層(包括海軍部長)卻持續向外界與國會提這個數字,希望以壓低壽期人事成本的賣點讓項目獲得預算;直到一個設計團隊的主要領導人物忍無可忍,進行了「內部反叛」之後,海軍高層被迫收回「只需編制95人」的宣稱。即便如此,美國海軍高層仍持續推動「最低人力倡議」(minimal-manning initiative),因此艦上編制人數設定僅稍微提高到147人(不含直昇機人員),設計團隊只能迫接受;海軍減低艦上人力需求的措施極端到甚至刪除了廚師,艦上人員一律吃預加工食品,只需加熱就能實用。然而,即便DD-21大量使用由計算機控制的自動化管理控制甚至消防系統,以區區150左右的人力,根本無法滿足高強度持續作戰(艦上各戰位持續要有足夠人力值班,監視戰場動態、威脅以及操作進行應變與自衛),以及船艦遭受重大損害時(自動化系統很可能失效)的損管搶救任務。

美國海軍對DD-21的指定裝備包括:DBR雙波段(MFR/VSR)雷達系統,由多功能艦體低頻主/被動聲納系統、多功能主/被動拖曳陣列聲納系統(MFTA)、低頻可變深度聲納(LBVDS)、直昇機載吊放式聲納組成的整合聲納系統、AGS艦砲系統、動力系統組合等,其中動力系統包括2具功率各35MW(47600馬力)等級的燃氣渦輪主發電機、2具功率各4MW(5440馬力)的輔助發電機,以及2具推進用的永磁電動機(PMM),全系統最大輸出功率78MW。這些規劃大致沿用先前SC-21 COEA 3B1的架構,至於其他主要裝備如垂直發射系統、近迫武器系統則都沒有指定要使用現役裝備,由廠商自由發揮。

屬於藍隊的聯合防衛公司在2000年提出的設計方案,擁有低矮的船舷與平整的甲板。

藍隊在2001年提出的DD-21設計 ,採用長艦首艛構型,乾舷也較為拉高。

在2000年,屬於藍隊的聯合防衛推出了DD-21的設計方案,採用單船體穿浪逆船舷(見下文)與單一式船樓結構 ,艦面為單純的全通式平面甲板,機庫整合於船艛之中,整個乾舷十分低矮,雖然提高了匿蹤性,但是也增加了甲板上浪的機會。聯合防衛此一設計的兩門AGS艦砲分別位於艦首與艦尾直昇機甲板後方,垂直發射器布置於中心線上。 不過隨後藍隊在2001年1月公布的DD-21設計 則又有不少變化,首先乾舷大幅拉高,船艛正面由原本的角錐形改為平面,並採用長艦首艛構型,船艛後方的甲板略高於艦首主甲板,裡面設有機庫,而艦尾直昇機甲板則設在較低的位置,後部的AGS艦砲設置於機庫結構之上。藍隊的新構型仍維持單一整合式上層結構以及WTM單船體穿浪逆船舷,垂直發射系統(VLS)集中在艦體前部中心線上,兩門AGS艦砲分置於艦首與後部 ,此外機庫頂設置兩門57mm快砲(見下文)。藍隊的DD-21擁有高度自動化的艦橋,只需15名船員就能操作,並配備多模式先進任務控制中心(MMC),整合戰情室、聲納室與損管中心的功能。推進方面,藍隊採用先進的可轉式吊艙電動推進器(azipod )。

至於金隊的設計則同樣採用WTM單船體穿浪逆船舷,不過捨棄了將VLS安裝於中心線上的傳統式配置,改採用PVLS周邊垂直發射系統(見下文),分為四組,以長條狀沿著船舷兩側排列, 並夾在兩層船殼之間;四組VLS分散可降低遭到一次全部誘爆的風險,萬一任何一組VLS被引爆,爆炸威力也會被引導向較薄的舷外,而不是在艦體內部造成重大傷害 。此外,將VLS布置在側舷,就不必在主甲板與下方數層甲板中間開洞,可避免減弱艦體結構強度,同時也增加艦內空間運用效率 。諾格集團宣稱,金隊的設計即便遭到如同柯爾號(USS Cole DDG-67)驅逐艦在葉門亞丁港那樣的2000磅炸彈自殺攻擊,艦體內殼也不會被穿透。 此外,由於AGS先進艦砲系統勢必佔用艦體中心線一大段長度的空間,而整合式船艛結構以及直昇機甲板佔用的長度勢必也無法縮減;如果再採用傳統設於中心線垂直發射系統,艦體的長度將無可避免地增加,導致排水量的控制變得困難重重,而如果為此縮減直昇機甲板尺寸又會增加起降操作的困難,而布置於兩舷的垂直發射器將可相當程度地解決以上的難題。金隊設計的第二大 特色就是將兩門AGS艦砲縱列於艦首,這是因為諾格認為AGS艦砲的砲彈具有導向功能,對艦砲射界的倚賴較低,所以可以將兩門 艦砲集中在艦首,騰出艦尾空間來擴大直昇機甲板,可同時停放兩架直昇機。此外,金隊還主動以瑞典Bofors MK-3 57mm快砲代替原本美國海軍20mm的方陣近迫武器系統以及聖安東尼奧級船塢運輸艦的MK-46 30mm機砲,除了反飛彈之餘還兼具足夠的水面射擊火力,可有效對付恐怖份子的小型艦艇,這是個與傳統小口徑機砲近迫武器系統大不相同的思維。

無論金隊與藍隊設計的DD-21提案,艦體都非常龐大,大致相當於打算取代的史普魯恩斯級驅逐艦的兩倍。金隊設計的艦體長度接近700英尺(213.36m),滿載排水量估計16000噸級,在戰鬥吃水(battle draft condition)狀況下更高達17800噸;而藍隊設計的船體更大,排水量高達18800噸。

從DD-21到DD(X)

2001年小布希政府上台後,新科國防部長倫斯斐(Donald Rumsfeld)積極推行美國國防組織的大規模轉型,而許多「前朝」遺留的大型武器系統計畫都被視為冷戰時代的無用遺物,不適合新時代的美軍需求,因此必須另外發展新的系統。為此,倫斯斐組織了十幾個由退役軍官組成的委員會,專門審查柯林頓政府時代遺留的戰略規劃與武器裝備案。雖然DD-21是基於後冷戰任務環境而設計規劃的艦艇,由於能充分支援海軍陸戰隊由艦艇到目標運動(Ship to Objective Maneuver,STOM)的作戰概念,因而得到海軍陸戰隊的大力支持;但是倫斯斐手下的轉型與常規部隊小組卻批評DD-21只強調陸攻性能,根本不適合未來作戰環境所需的任務彈性。

為此,美國海軍不得不在2001年5月31日暫時停止DD-21案以躲避風頭,不過金隊與藍隊都被私下告知可以繼續進行研發工作,無須顧慮政府當局的動作。約在2001年8月,美國海軍內部又出現一種將兩組競標團隊合併的意見,以結合雙方之所長,不過這項建議由於牽涉龐大的行政程序變更,加上失去兩組團隊相互競爭所帶來的負面影響,使得美國海軍不願輕言嘗試。除了面臨政策轉變的威脅之外,DD-21也由於計畫與成本的膨脹而面臨問題,當時美國海軍擔心提康德羅加級的後續艦──CG-21防空巡洋艦會被取消(相較於已經如火如荼的DD-21,CG-21的研發工作與時程都還沒有譜),因此不斷擴充DD-21的功能,使得設計複雜化,排水量與成本也節節高昇,到了2001年初的滿載排水量估計值達到18000ton,建造與後續維持成本都大幅提高;美國眾議院預算委員會為了對此表示不滿,遂在2001年10月通過將2002年度DD-21的預算由6.43億美元大砍至1.5億美元。此外,當時國會也打算將DD-21原訂32艘的數量減半為16艘。

為了因應這個險峻的變局,美國海軍部在2001年11月1日 宣布取消DD-21,改由「轉型」後的DD (X)未來水面作戰(Future Surface Combatant,FSC)替代,不過這很顯然只是一種「應付上意」的花招,實際上DD(X)的需求與DD-21完全相同(雖然一度放出重新設計的風聲),只是壓縮排水量來減低成本,行政管理組織與競標團隊也完全沒有變化, 並且打算在個月後的2002年4月結標,清楚印證DD (X)相較於DD-21只是換湯不換藥;如果DD-(X)需要從頭來過,就不可能在短短五個月內從啟動到結標。由於DD-21計畫已經進行到難以終止的地步,倫斯斐此時也只能默認這個「既成事實」,對於DD(X)的「偽轉型」採用睜一隻眼、閉一隻眼的態度。在應付國會方面,美國海軍繼續向國會遊說,首先DD(X)是先前SC-21艦艇族系的一環,因此一系列新發展的技術能夠應用在更小、更便宜的多功能近海戰鬥艦(LCS)之上,能節省部分成本;此外,美國海軍也強調如果能確保CG-21新世代防空巡洋艦,就能讓DD(X)的設計趨於簡化,將排水量與成本控制在合理的範圍內,而這也是DD-21「轉型」為DD(X)中唯一較具實質意義的改變 。美國海軍在2001年估計DD(X)首艦造價為20億美元,後續艦的單艦造價為10~12億美元,比1998年DD-21需求決策備忘錄裡的數字高得多,也比較合理。

在DD(X)計畫重組之際,美國海軍也開始探討盡可能壓低DD(X)排水量與成本的可行性,首先就是釐清噸位、成本與性能之間的關係。於是在2002年,美國海軍提出幾種不同的DD(X)設計,噸位範圍涵蓋12200~16900ton。不同版本DD(X)都採用原本預定的技術特性,包括穿浪逆船舷艦體、DBR雙波段雷達、整合電力系統、全艦共通運算環境與武器系統等技術特徵,而噸位較低的版本則以降低續航力、持續航速、AGS火砲數量與彈藥攜帶量、飛彈儲存量、特戰用小艇等等作為縮減的手段。以一個滿載排水量12700ton的設計,武裝包括2門AGS艦砲(彈藥攜帶量600發),但VLS數量降至32管,並縮減直昇機甲板面積,航速也稍有降低。另一個12200ton的版本則維持較多的VLS數量(64管),但AGS艦砲只剩一門,彈藥攜帶量縮至450發,直昇機甲板面積與航速同樣有所降低。接著在2003年,美國海軍又草擬了11400~17500ton等幾個方案,例如一個13400ton的方案包含一門AGS艦砲(備彈450發)與64管VLS;而縮水最厲害的11400ton版本則只有一門AGS(備彈300發)以及32管VLS。最後美國海軍總結,在兼顧匿蹤性與單船體逆船舷穿浪設計之下,船舷與上層結構勢必會大幅向內收縮,導致可用甲板面積減少,如要保有一定程度的武裝、航速與航行性能,噸位很難低於12000ton;而如果要求必須具備像樣的戰力與性能(尤其是獨立作戰能力),則噸位不可能降至14000ton以下。雖然美國海軍對縮水低價版的DD(X)興趣缺缺,但美國國會預算辦公室(Congressional Budget Office,CBO)與戰略暨預算評估中心(CSBA)仍然草擬了幾種DD(X)的低價替代方案,包括以LPD-17搭載AGS火砲、衍生自柏克級的陸攻支援艦等,這些方案都比DD(X)便宜許多,例如搭載AGS的LPD-17的首艦建造費用可壓低至19億美元。CSBA把這幾種方案也遞交國會,建議能與DD(X)一併建造,作為萬一DD(X)因造價過高而無法購買足夠數量時,用來彌補戰力空隙的手段,不過這些低價替代方案都還沒有獲得有關當局的正式回應。

總之,DD (X)計畫確立了美國海軍下一代主要水面艦艇的兩個部分──DD (X)與CG (X)。DD (X)等於原先DD-21的多功能陸攻艦,只不過將原本DD-21的主要技術特徵放在一個比較小的艦體上(從原本18000噸級降到13000~14000噸級),而CG (X)則是原本的CG-21。DD (X)與CG (X)將共用相同的基本設計,包括艦體、動力系統、全新相位陣列雷達、新一代垂直發射系統等等,而CG (X)的戰鬥系統與武裝則著重於防空,此等模式類似於史普魯恩斯級與提康德羅加級的關係。

金隊在2003年提出的DD(X)設計。注意此階段艦體仍為平甲板設計,而

本文上方最新版DDG-1000圖片的直昇機甲板則降低一層, 偏向長艦首艛構型。

細部設計階段

2002年4月29日,美國海軍宣布金隊得標,其優勢很可能就在於前述側邊垂直發射器、較大的直昇機甲板等變更設計。 美國海軍隨即授予金隊廠商一份價值2.65億美元的系統設計/建造/測試合約,為期三年。依照原訂計畫,未得標的藍隊廠商仍能以DD (X)次承包商的身份參與後續的建造合約,一如以往建造提康德羅加級與柏克級的慣例 。美國海軍計畫在DD(X)細部設計完成後,在2004至2005預算年度頒佈DD(X)首艦建造工作的招標書,並由諾格船艦系統(Northrop Grumman Ship Systems,NGSS,即前Ingalls造船廠)與GD的BIW廠競標DD(X)首艦的全壽期承包商合約。

不過由於金隊與藍隊的最後評分差距很小,落敗的藍隊難以心服,遂在競標結束後一週的5月9日向審計署(GAO)提起上訴,而GAO也同意受理,並宣布即日起DD(X)的一切活動暫停,直到調查結果出爐為止。BIW起訴的主要理由有二:首先是負責承包SPY-3相位陣列雷達(屬於政府供應的獨立裝備)的雷松也是金隊成員,由於可在研發案中獲得額外利益,因此BIW懷疑金隊可以透過雷松從內線獲得更多設計參數與實驗資料,對於藍隊明顯不公。第二,BIW指控金隊從美國海軍取得史普魯恩斯級驅逐艦拉福德號(USS Arthur W. Radford DD-968)作為實驗艦的協議,該艦先前被用來作為先進封罩桅杆感測系統(AEM/S)的實驗平台,故可作為DD(X)的設計參照,並在其上進行測試,這同樣對藍隊造成不公。不過BIW廠這兩項指控都沒有實際證據,所以GAO經調查後,在2002年8月19日駁回BIW的申訴,DD(X)遂得以重新上路。

由於前述2001年到2002年DD-21演變到DD(X)以及決標後面臨上訴等一連串拖延,連帶波及了同樣打算採用DBR雙波段雷達的第十艘尼米茲級航空母艦(CVN-77,原本打算作為新一代CVNX航空母艦的第一階段技術驗證艦);由於DBR雷達屬於DD-21的項目,經過一連串延宕之後已經無法配合CVN-77的建造期程,因此美國海軍在2002年5月宣布CVN-77放棄使用DBR雷達與新作戰系統,仍沿用先前尼米茲級相同的雷達與作戰系統。

 建造時程

最初第一艘DD (X)預計在2005年開工,2011年移交美國海軍,2013年起達成初始操作能力,但這個時程隨後跳票了;而美國海軍已經開始擔心等柏克級的建造工作完全結束時(最後一艘柏克級(DDG-112)將在2006年開工),如果下一代艦艇的建造業務不能即時銜接,將對美國造船業造成嚴重衝擊。諷刺的是,原先預計要被DD (X)取代的史普魯恩斯級早在2005年便全數退役,反而是由產量不斷追加的柏克級來取代此型艦艇。

在DD-21的時代,美國海軍打算採購32艘 此型驅逐艦,演變成DD (X)後則為30艘左右;隨後因應成本的飛漲,需求數量首先降至24艘,然後是16艘。根據2001年的估計,DD(X)首艦預估造價約20億美元,後續艦單價僅10~12億美元。然而到2005年細部設計審查完成之際,DD(X)的首艦預估建造經費已經飆漲到33億美元,後續艦也開出每艘24億美元的天價。成本的飛漲促使美國海軍在2005年中毅然決定將DD(X)的建造數量由原先預定的30艘大砍至12艘 ,並且只先簽約建造首批八艘(Flight 1),並且改採單一承包商「贏者全拿」的方式來節省30億美元的開支。然而,「贏者全拿」的決定卻引發眾議院反彈(議員有選票壓力),於是在2005年預算修正案中將此一提案擋下,更改為一折衷的 「雙首艦策略」(Dual Lead Ship Strategy)方案:由諾格、BIW造船廠分別在2007與2008年各造一艘DD-21,經過競爭評比後,於2009年決定後續 七艘由何家廠商承包 。「贏者全拿」來節省採購成本其實是飲鴆止渴的短視作法,雖然帳面採購成本似乎較低,但讓其他造船廠沒生意卻對整體國防產業不利; 例如,美國目前只剩NGSS與BIW具有承造巡洋艦、驅逐艦等大型水面作戰艦的能力,只要沒有生意,包商就得被迫關閉廠房、解雇工人,相關的技術立刻會流失(因為普通商業船舶根本用不到高難度的軍規技術),短期內很難立刻恢復建造水面作戰艦的能力。更重要的是,引進其他供應商能刺激各廠在品質與報價上的競爭,最後使軍方得利(例如提康德羅加級飛彈巡洋艦的後續艦由於英格斯、通用BIW的競爭,造價降了一半之多),而贏者全拿就可能產生後續採購在報價上被單一合約商吃死的風險,美國海軍只能任其予取予求;例如美國現在只有通用電氣船舶公司在生產核能潛艦,例如美國只有Newport News廠具備建造核子動力航空母艦的能力,核能潛艦也只有GD電器船舶能夠承造,都大幅降低了美國海軍的議價空間。 兩家船廠同時生產的另一好處就是萬一其中一家因為人為(如罷工)或不可抗力(如天災,例如2005年的卡崔納颶風重創了Ingalls廠的生產設備)等因素而意外中斷時,另一家廠商還能繼續進行工程。

在2006年,美國海軍正式將DD-21項目命名為DDG-1000。由於美國眾議院對DDG-1000失控的造價相當不滿,在2006年預算案中要求DDG-1000的後續艦降至每艘17億美元,如此DDG-1000的性能勢必得縮減。美國海軍希望DDG-1000頭兩艘造價能控制在33億美元以內,但 部分專家卻悲觀地預測首艦成本可能飆漲到40甚至50億美元之譜。此外,有人提出增購柏克級飛彈驅逐艦來替代DDG-1000的決議,然而美國海軍表示根據通貨膨脹,屆時每艘柏克級的造價也將在24億美元 之譜,根本省不了錢,況且許多DDG-1000的特長都是柏克級無法達到的。在2005年底,美國海軍一度考慮將首批採購的DDG-1000增為10艘。到了2006年4月7日,美國海軍為DD (X)賦予DDG-1000的正式編號。最後美國海軍與國防部達成協議,暫訂先建造7艘,前2艘為原型艦,依照雙首艦策略,分別由NGSS與BIW廠承造;而是否批准後5艘的建造,則根據前2艘的建造與測試情況而定 。在2006年8月,美國海軍與諾格集團正式簽署價值DDG-1000的細部設計合約,價值1.1580億美元 ,比原訂計畫落後約兩年。

由於眾議院懷疑DDG-1000專案的財務結構,一度只想先編列建造首艦(DDG-1000)的經費,將之作為技術實驗艦,等測試以後再談後續艦艇。 在2006年10月19日簽署的美國2007年度國防授權法案中,美國海軍仍獲得25.68億美元的經費來簽約建造前兩艘DDG-1000。在2007年9月21日,雷松收到美國海軍一紙名為任務系統裝備(Mission System Equipment,MSE)的合約,為頭兩艘DDG-1000提供一切的關鍵裝備,包括DBR雙頻雷達系統、戰鬥系統、155mm先進艦砲、通訊裝備以及艦上一切相關基礎設施等,總值9.94億美元 。總計從2005至2007三個預算年度,美國海軍已經獲得用來建造前兩艘DDG-1000所需的35.67億美元預算。 原本美國 預計在2007或2008年 分別與諾格旗下Ingalls廠以及GD旗下BIW廠正式簽約,各建造一艘DDG-1000,首艦預計在2012年下水交艦 ;然而到2007年9月25日,美國海軍卻宣布頭DDG-1000首艦的建造工作由通用的BIW船廠負責 ,而NGSS改為承造第二艘。

原本直到2007年7月為止,美國海軍都打算讓DDG1000的主承包商──諾格集團來承造頭首艘DDG-1000,但幾個因素使得美國海軍改變決定。諾格的Ingalls造船廠先前在海軍聖安東尼奧級船塢運輸艦(LPD-17項目)以及海岸防衛隊深水項目計畫的表現十分糟糕,頭兩艘聖安東尼奧級測試時都發現大量技術問題,美國海軍部長甚至在2007年6月22日親筆致信給諾格集團董事會主席,嚴厲抨擊該公司在聖安東尼奧級建造案中的差勁表現,表示該廠「不斷出現問題,讓人煩擾不安」、「不僅讓我嚴重關切LPD項目計劃,同時也擔心LHA(R)以及DDG-1000項目計劃」──事實上,由諾格承成造的馬金島號(USS Makin Island LHD-8)兩棲突擊艦,也由於線束佈設等重大缺失,被迫在2008年初宣布交艦進度延後六個月來解決佈線等問題,並由諾格承擔所需的3.6億美元額外支出。不過美國海軍強調,DDG-1000首艦建造工作的變更與海軍對Ingalls廠的不滿無關,而是考量到兩個船廠的工作量、排程與成本等因素之後的最佳考量:首先,Ingalls手頭上仍有大量的造船訂單 (包括海岸防衛隊造艦、LPD-17與LHA(R))等待消化,其次2005年卡崔納颶風對Ingalls廠的重大破壞仍未完全復原,再者BIW廠承造的最後一艘柏克級(DDG-112)在2007年7月開工,如果緊接著承造DDG-1000,就能避免中間業務空檔造成的損失與人才、技術流失,而將現成的柏克級生產線過渡到DDG-1000也比產能間斷之後從頭來過更為划算。

在2007年11月12日,美國海軍頒給BIW廠一紙1.42億美元的合約,繼續進行首批DDG-1000的設計建造工作 ,而諾格集團也在13日獲得一紙9000萬美元的合約來完善建造計畫與備料。在2008年2月14日,美國海軍與BIW簽署首艦松華特號(DDG-1000)的建造合約,價值14億美元。在2009年2月11日,美國官方宣布DDG-1000計畫進入全速生產 ,而首艦松華特號也正式展開建造(依照2008年7月的規劃,松華特號應在該年10月就開始建造)。 在2011年7月26日,美國海軍與BIW達成關於DDG-1000二、三號艦(DDG-1001、1002)合約的協議 ,並在9月15號正式簽署兩艦的建造合約,價值18億美元,後續還有超過20億美元的合約等待簽署。

松華特號艦艏一個重達4000噸的艦體前部船段,將承載AGS先進艦砲系統。

松華特號的大型船段。

在2010年3月,松華特級的二號艦麥可.蒙索號(USS Michael Monsoor DDG-1001)展開相關建造工作(依照2008年7月的規劃,DDG-1001應在該年2009年9月開始建造)。在2011年10月22日,通用BIW廠一個已經造好的松華特號前部大型船段完成了 移動工作(這是該廠有史以來最大、最複雜的一次船段移動工作),將這個船段從原本的超大型艦體(Ultra Hull)組裝設施移到BIW廠內三個總裝線之中最大的一個,移動距離約900英尺(274m)。這個艦首船段長180英尺(54.86m),寬60英尺(18.3m),重量4000噸, 其上將承載AGS先進艦砲系統。在2011年11月17日,BIW廠為松華特號舉行一個私下的安放龍骨儀式,開始將各船段結合。

在2012年4月4日,BIW廠為松華特級三號艦林登.詹森(USS Lyndon B. Johnson DDG-1002)舉行切割第一塊鋼板的開工儀式。此時,首艦松華特號的艦體建造進度已達65%,二號艦麥可.蒙索號建造進度約為25%。在2013年5月23日,二號艦麥可.蒙索號舉行廠方的安放龍骨儀式,開始將各船段結合。

依照當時規劃,松華特號會在2014財年交付美國海軍(日後實際上是20155月下旬),麥可.蒙索號在2016財年交付,而DDG-1002則在2018財年交付。 在2012財年內,三艘松華特級的艦體建造資金都已經完全到位,政府供應項目(艦上裝備)則繼續提撥。

十大關鍵技術

DDG-1000的技術發展極具野心,從艦體設計、電機動力、指管通情、網路通信、偵測導航、武器系統等,幾乎都比當時世界海軍船艦主流水平推進一個世代。美國海軍將DD(X)的各種主要技術難關列為十大關鍵技術,並分別指定承包商針對這十大技術透過工程發展模型(Engineer Development Model,EDM)的方式進行實際的測試。這十大關鍵技術包括:

1.穿浪逆船舷艦體(Wave Piercing Tumble Home)

2.艦體周邊垂直發射系統(Peripheral Vertical Lauhcn System,PVLS)

3.整合複合材料船艛與孔徑(Integrated Composite Deekhouse and Apertures,IHDA)

4.紅外線模型(IR Mockups)

5.整合動力系統(Integrated Power System,IPS)

6.雙波段雷達(Dual Band Radar,DBR)

7.整合水下作戰系統(Integrated UnderSea Warfare,IUSW)

8.先進艦砲系統(Advanced Gun System,AGS)

9,艦上共通運算環境(Total Ship Computing Enviroment,TSCE)

10.自動火災抑制系統(Autonomatic Fire Suppression System,AFSS)

諾格在2005年完成DD (X)的系統設計以及十大關鍵技術的EDM,而此一細部設計在同年9月通過美國海軍的細部設計審查,國防部並在稍後的11月23日宣布DD(X)進入階段IV。

為了測試DD(X)的電力與推進系統,美國海軍研究辦公室(ONR) 研製了AESD實驗艇作為驗證平台。

DDG-1000的1/4大比例工程測試船模,正吊上駁船出海進行海上測試。

為了研究DD(X)的整合動力系統與船型設計,美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)主導製造了一艘長40.6公尺、排水量120ton的實驗艇──先進電力推進船隻展示平台(Advanced Electric Ship Demonstrator,AESD),又被暱稱為海上噴射船(the Sea Jet)),整個艇體構型是DDG-1000的縮小版 (比例將近1/4),上面可容納2名操作人員。AESD由位於華盛頓的Dakota Creek Industries製造,在2005年8月24日下水。AESD的頭一個實驗工作,便是測試勞斯萊斯海軍海事公司(Rolls-Royce Naval Marine)的AWJ-21水噴射推進系統。與傳統水噴射推進器不同,AWJ-21完全沈入水面以下,可減少噪音與航跡,並增進推進效率;此外,此型推進器外型緊致,吃水深度低,利於在淺水環境操作。AWJ-21本身兼具推進與轉向功能,使船隻得以省略船舵,不僅靈活度大幅提昇,也簡化了機械的複雜度 。AESD的動力系統包括柴油發電機與蓄電池,以柴油發電機驅動時的航速可達16節,單純使用蓄電池時則可達8節。完成AWJ-21的測試後,美國海軍會將該系統從AESD上拆除,換裝通用動力電氣船舶部門設計的RIMJET水噴射推進系統,該系統同樣是一種裝在艦體外的可轉向吊艙式推進系統,採用傳統式 的俥葉(暴露在外)。除了測試推進系統之外,AESD同時也用來驗證DDG-1000的WTM船型的航行特性,在切薩皮克灣(Chesapeake Bay)進行廣泛的航行測試累積數據。

 

在美國陸軍亞伯丁實驗場進行水下爆破測試的1/4 DD(X)結構模型。

在中國湖實驗場的IHAD整合式複合材料船艛組合的EDM測試模型。

 

此外,美國海軍還建造了比例為1/4的DD(X)工程模型(排水量126ton),進行一系列水下爆震測試,以驗證其結構設計的抗戰損能力。而為了驗證IHAD整合複合材料上層結構組合,NGSS與雷松還建造一座縮尺寸的IDHA模型,放在美國海軍中國湖實驗場進行RCS測試;而為了測試紅外線訊號,NGSS也建造了主機排氣口與其他熱點部位的實體模型進行熱訊號測試,以驗證DD(X)預定採用的空氣冷卻、水冷等降溫手段的能耐。

船身與匿蹤設計

DDG-1000採用整合式船艛組合,所有偵測、通訊、導航、電戰天線均整合於內。

在Ingalls廠中建造的首艘DDG-1000驅逐艦的整合式船艛

主體結構由巴沙木以及數層複合材料層構成

首艘DDG-1000驅逐艦的整合式船艛在2012年10月完工出廠。

松華特號正面

由艦尾看松華特號,艦尾RHIB艙門開啟。

DDG-1000採用先進而全面的匿蹤設計,使其擁有潛艦般的匿蹤性──在海上作業時被發現的機率遠低於10%。DDG-1000的艦面上只會有一個單一的 全封閉式船艛結構,即稱為整合式 複合材料船艛與孔徑(Integrated Composite Deckhouse and Assembly,IDHA),整個結構與上面的天線設計都由雷松公司負責。IDHA是一個一體成型的模組化結構 ,整體造型由下往上向內收縮以降低雷達反射截面(RCS),除了整合了艦橋、所有的電子裝備天線之外,還容納有主機煙囪的排煙道,尾部 則含有直昇機庫。IDHA的複合結構由包含巴沙木(balsa wood)以及數層複合材料層黏合而成,具有強度高、重量輕、雷達截面積極低(能吸收敵方雷達波)等特點。值得一提的是,DDG-1000的全艦塗裝顏色偏淺,主要是配合用來保護IDHA複合材料結構的塗料。在DDG-1000項目中,美國海軍發展了幾種塗料來保護艦體上層結構、鋼質船體、外部甲板、雷達天線等,而用來保護複合材料上層結構的塗裝是淺灰色;因此,艦體也使用相同顏色的塗裝,以利美觀。

IDHA整合式船艛的上半部壁面開有許多大大小小的天線孔徑位置,以安裝艦上所有的電子裝備的射頻天線,包括DBR雙波段雷達系統(見下文)、微波通信天線、數位資料鏈、UFH衛星通信、CEC聯合接戰傳輸系統、電子戰等等,而且都採用平板式陣列天線以安裝於IDHA的表面;這一切都是 美國海軍辦公室在2000年代初期的先進多功能射頻系統(Advanced Multi-function Radio Frequency System,AMRFS)計畫的成果,其先進多功能射頻概念(Advanced Multi-function Radio Frequency Concept,AMRFC)研究在2004年實現在6GHz~18GHz波段的射頻天線系統內實現雷達、通信、電子戰(包含被動截收與主動反制)功能;只有在上層結構頂端一個六面體角錐構造物內部,才能容納傳統旋轉式雷達的天線(如導航/直昇機管制雷達),當然這個角錐結構物是由頻率選擇材料製造。先前美國海軍曾在1997年進行先進封閉桅杆/感測系統 (Advanced Enclosed Mast/Sensor,AEM/S)研究,將史普魯恩斯級驅逐艦拉德福號(USS Arthur W.Radford DD-968)的後桅杆以及其上的SPS-40對空搜索雷達、MK-23目標搜索雷達包起來。 AEM/S的表面以頻率選擇材料(FSS)製造,只有桅杆上的天線之電磁波能夠進出,敵方雷達的電磁波都遭到過濾吸收,再加上採用簡潔平滑的平板狀匿蹤外型,可大幅降低RCS;而免除與海水、海風接觸後,內部電子系統的故障率與維修成本將大幅降低。而AMRFS則擁有遠比AEM/S更高的整合程度。IDHA在2006年底通過進入細部設計前的審查,2007年底進行生產前審查,2008年中開始生産與組裝,用於頭兩艘DDG-1000之上。 不過,之後由於經費因素,DDG-1000原訂採用的幾種相位陣列化天線(包含衛星通信)遭到取消(原本打算嵌入上層結構表面),仍使用傳統式的通信天線如球型的UHF/EHF天線以鞭狀的及HF天線 等 ,這些都設置在突出於上層結構兩側平台上,這會使DDG-1000的外部雷達截面積略增(仍合乎美國海軍需求)。除了射頻天線之外,DDG-1000的複合材料船艛各處也安裝了許多光電/紅外線(Electro-Optical/Infra-red)感測裝置,提供船艦周遭的全方位影像;這些攝影機的影像能投射在艦橋裡環形布置的多個大型平面顯示器上,為操艦人員提供無死角的船體周邊態勢影像。

最初DD-21的前身:SC-21 COEA 3B1的滿載排水量預估僅有為9400ton級,可是後來卻一路飆漲到18000ton左右,最後是在15000ton以上,這個數字比提康德羅加級大了約五千噸 ,是繼1960年代長堤號(USS Long Beach CGN-9)之後美國海軍建造的最大型水面作戰艦艇。

船型選擇

艦體設計方面,最初DD-21考量過的設計有四種:傳統式、類似海影號實驗艦的 小水面雙體船(Small Waterplane Area Twin Hull,SWATH)、英國研究的三體 船(Trimaran)以及單船體穿浪逆船舷(Wave-piercing Tumblehome Monohull,WTM)。小水面雙體船的橫向穩定性遠優於排水式船身,可獲得較大的可利用甲板空間,但是內部可用空間大幅縮減,而且吃水對載重的反應十分敏感,所以不太適合用於大型艦艇。三體船則具有大甲板面積,但無航海上不穩定以及艦內空間太小的問題,還可將煙囪等高紅外線訊號結構放置於船體之間,對匿蹤頗有幫助 ;三體船計畫由英國主導,美國也有投資,該計畫以三叉戟號實驗船進行驗證 。不過三體設計的實際使用經驗是四種設計中最少的,缺乏可以參考的船型資料庫參數支援,用在DD-21這樣的主力作戰艦艇上實在是風險過大。傳統式和WTM主要差別在於傳統式的船舷向前,船體角度由下而上向外傾斜;WTM則正好完全相反。

WTM的船舷艙面是由下而上向內傾斜 ,艦首擁有類似19世紀末戰鬥艦一般的「衝角」造型而且傾斜度更大,使艦首「切穿」海浪」(波浪會沿著艦首爬升值直到失去能量),而不像傳統艦首「破浪」(將海浪下壓、使海浪翻滾),因此航行的興波阻力低於傳統式設計 ,而且切穿海浪能降低興波對船體帶來的橫向與縱向力矩,理論上在惡劣海象擁有較佳的穩定性,也大幅減少船體產生的「發散波」(divergent wave)的航跡,更容易隱蔽蹤跡。此外,WTM船型由於船舷向內傾斜,故雷達匿蹤能力先天較佳,而艦體也不易因為搖晃而產生趨近垂直的雷達反射角。然而,WTM穿浪船型比較容易讓甲板上浪, 惡劣天候下甲板裝備維護能力較差 。由於船舷向內收縮,WTM船型可使用的甲板面積也比傳統單體船舶大幅減少,使得上甲板裝備布置變得困難,同時也讓艦內艙室空間變得更難利用。因此,採用內傾式船舷時,為了得到足夠甲板與艙室空間來滿足需求,就很容易讓艦體過大。而傳統式單船體設計的特性則正好與WTM相反,其設計成熟,風險低,可用甲板面積與甲板抗上浪能力優於WTM,但是航行阻力提高,匿蹤能力最差;即便融入艦體匿蹤設計,在風浪搖晃時船舷也容易變成與海面垂直而形成良好的雷達反射角。

由於對雷達匿蹤性能的追求,金隊與藍隊的設計都不約而同地採用集中式單一上層結構以及擁有大傾斜角度的WTM構型艦體。 一開始金隊設計的DD(X)版本仍為平甲板設計,船艛結構基部與甲板結合處仍留有狹窄的兩舷通道;後來較新版本的艦尾直昇機甲板則比前面主甲板低一層,成為長艦首樓構型 ,上層結構寬度也增加至與船舷同寬。DDG-1000艦尾起降甲板長度150英尺(45.72m),起降作業區長度130英尺(39.62m),無障礙安全區長度20英尺(6.09m),比柏克級飛彈驅逐艦、派里級飛彈巡防艦等都大得多。

(上與下)在2007年公開的DDG-1000船模測試影片,由於WTM船舷的乾舷浮力較低,

加上DDG-1000高大的上層結構導致風力負荷較大,在惡劣海象下或在開闊海面上急停時,

更容易發生前傾與埋首,艦尾底部的船舵與螺旋槳因而更多

地被抬出水面,導致船隻推進與操控能力降低,較容易發生翻滾或傾覆。

外界經常質疑DD(X)使用的WTM船型的適航性能,尤其是在橫向傾斜時的復原力。傳統的船體設計最寬處在主甲板上,水線以上船體是向外擴張,因此船體提供的浮力隨著吃水增加而上升,船體扶正力矩以及橫向慣性力矩都是隨著吃水增加而提高;在航行中,船體因為轉向或海象而傾斜時,水線以上外擴的船體觸水,得到的浮力比水線以下部位更高,進而獲得扶正船體的力矩;由於傳統型船舶的特性已經發展成熟,有大量數學公式可以預測其物理特性。

然而,WTM船型為了達成最好的雷達匿蹤性能以及流體性能,船體最寬處低於水線,船舷在水線以上內傾,這意味著艦體靜態浮力以及動態的船體扶正力矩、橫向慣性力矩等都是隨著吃水增加而減少,艦體傾斜時(例如高速轉彎或者受損進水)重心降低而更 難回覆水平,恢復力不足,容易大角度傾斜甚至翻覆。因此依照過去的船舶設計經驗,如果要採用內傾船舷,角度也不能太大,否則在大風浪搖晃或者艦體受損進水時,可能會比傳統外傾船舷船隻有更高機率翻覆,進水後沉沒的速率也更快。而且DDG-1000本身就有一個高聳龐大的上層結構,使得重心提高、上部風力負荷大增,使航行安全隱憂更趨明顯。

而在關係適航性的縱向穩定方面,DDG-1000的穿浪艦首雖然興波阻力低,但在大風浪中更容易上浪;風浪中艦體縱向擺動(俯仰)時,穿浪逆船舷艦首在吃水增加時浮力減少,更容易埋首,加大了縱搖幅度。而如果方形艦尾也因為大浪與縱搖而被抬出水面(當風浪從側面或船尾方向而來時最容易發生),在穿浪艦首本來預備浮力就不足的情況下,船艦縱向浮力力臂會瞬間減少,可能讓船艦更劇烈地橫向翻滾甚至翻覆。

在2007年,DDG-1000的船模測試影片被揭露,雖然穿浪式船體產生的興波與尾跡的確低於傳統的飛剪式艦首以及艦體設計,但由於WTM船舷的乾舷浮力較低,加上DDG-1000高大的上層結構導致風力負荷較大,在惡劣海象下(六至七級海象)或在開闊海面上急停時,更容易發生前傾與埋首,艦尾底部的船舵與螺旋槳因而更多地被抬出水面,導致船隻推進與操控能力降低,縱向力臂減少使船體較容易發生翻滾或傾覆,需要一股船尾正向力來穩定船身 ;稍後的電腦模擬中,也認為DDG-1000的船型在惡劣海象中急速轉彎時可能旋轉翻覆。

為了更充分掌握WTM船體的航行特性,盡量減少過去此類船型浮現的問題,美國海軍建造相當於DDG-1000的1/4縮尺的AESD實驗船,其中的工作就是透過實際測試來驗證DDG-1000的船型設計。DDG-1000前部水線以下是V字型向內收縮,到後部才恢復平底,有助於改善過去WTM船型水線以上浮力較小、傾斜時恢復力較差的問題;此外,DDG-1000還擁有以電腦控制的穩定鰭,以主動方式來抵銷艦體橫搖與縱搖。美國海軍認為 ,透過電腦控制的主動穩定系統以及高度仿真的計算機模擬來設計船型,DD(X)能在7、8級海像下穩定航行。

總計為了確保WTM船型的安全性,確保松華特級不至於翻覆,美國海軍花費數百萬美元進行各項研究。 另外,為了克服逆船舷設計容易橫滾傾斜的傾向,必須盡量地提高穩心高度(GM)來彌補,而提高GM的通常手段是增加艦體寬度與水線面積、降低船舶垂直重心等。增加寬度就等於擴大整個船艦的體積與排水量(松華特級GM與船舷寬度的比率大約是15%,現代船艦很少有這麼高的GM/船寬比)。大幅加寬船舷,就等於創造出一個龐大的艦體。換而言之,逆船舷船型需要一個更大型的艦體,才能達到相當於排水量較小的傳統船型的穩定性以及可用甲板空間,使建造成本提高;松華特級排水量超過14000噸,遠高於先前柏克級飛彈驅逐艦(將近10000噸)。約在2010年代初期在麻省理工學院德雷柏實驗室(Draper Laboratory)的一次會議上,一位美國海軍負責減少船艦雷達截面積(RCS)的高階主管私下透露,如果美國海軍是在21世紀以後才開始設計松華特級,肯定會與現在的設計完全不同,不會僅僅因為雷達匿蹤需求而選擇副作用一大堆的WTM船型。

船艦基本設計

DDG-1000艦身採用傾斜表面,避免複雜的外型與死角,並且將一切零星裝備都予以隱藏;此外,DDG-1000的上層結構將使用多種可以吸收雷達波的材料,大幅降低 敵方雷達可接收到的回波。除了對付雷達之外,DDG-1000的設計也著重於應付紅外線偵測系統,推進系統的廢氣先以海水以及空氣冷卻,由整合式船艛 頂部的排氣口排出,只能從上方才能觀測到排煙口,減少了敵方的紅外線觀測方位。其他用來降低熱訊號的裝備還有海水噴霧冷卻,吸取海水沖刷船身的熱點 ,以及抑制熱信號的塗料、材料等。靜音設計方面,DDG-1000的動力系統將裝置於減震浮筏上,以降低被潛艦聲納發現的機率。 由於WTM船體低阻力的穿浪特性,加上種種先進的降噪措施減振,DDG-1000號稱能將水面航行時的噪音降至105~110分貝左右,相當於後期型的改良洛杉磯級潛艦,成為全世界最安靜的水面艦艇,徹底顛覆過去水面艦艇永遠比潛艦吵雜、潛艦總是能在遠距離先聽到水面艦的情況。在2016年4月上旬DDG-1000首艦松華特號試航期間,波特蘭當地新聞先驅報(Press Herald)有新聞報導,當地漁民勞倫斯,派伊(Lawrence Pye)開捕蝦船進行作業時,船上雷達發現一艘12至15公尺長的小漁船正在靠近,原本勞倫斯,派伊沒有特別在意,不料隨後出現在眼前的卻是長度超過180公尺的松華特號驅逐艦;這則新聞側面印證松華特號的雷達匿蹤性能優異,不過也容易讓民間船舶難以即時發現或正確判斷,成為潛在的航行安全顧慮。因此,美國海軍平時會在DDG-1000艦體加裝反射器來刻意增大雷達截面積,提高承平時期在其他船隻航行雷達上的可視度。

DDG-1000也十分重視艦體本身的抗戰損能力,重要部位以功夫龍裝甲強化,艦體並採用 較為罕見的雙船殼構造(兩舷的PVLS垂直發射系統夾在兩層船殼之間),理論上抗擊能力遠勝於柏克級飛彈驅逐艦;然而,布置在兩舷的PVLS使艦上所有飛彈都暴露在船艦側面,提高了遭到敵方武器命中的機率。PVLS對於艦體內部結構保護的意義,大於對裡面飛彈的保護;PVLS內側(朝船艦中心)鋼板較厚,外側鋼板較薄,理論上如果PVLS被擊中,裡面彈藥誘爆時,爆壓會從已經損壞的外層釋放,而不是向艦內爆炸,提高了船艦生存能力;此外,比起傳統設置在中心線上的VLS,PVLS被擊中後彈藥損失比較能局限在該組發射器的彈艙,不會像過去集中式VLS有比較高的機率整體連鎖殉爆。當然,另一種觀點是因為DDG-1000採用傾斜船舷、穿浪艦首設計,大大減少可用甲板面積,只能用PVLS將飛彈布置在側舷。

編制人數方面,原本DD-21希望將乘員總數控制在95名,到DD(X)計畫時代就放寬為125~175名。依照DDG-1000計畫辦公室(PEO)在2006年11月的簡報則表示,包含直昇機相關組員在內,DDG-1000的編制人數為142名,比最初期望的數字增加了約50%。 目前,DDG-1000編制人數約為175名。

松華特號的直昇機庫,注意艙門採用上/下開啟方式。

松華特號的艦尾小艇艙,可以收容RHIB小艇或其他載具。

松華特號艦內寬敞的走道。

 

全電力推進系統(IEP)

DDG-1000是美國海軍首度引進整合式全電力推進系統(Integrated  Electric Propulsion,IEP)的作戰艦艇。除了DDG-1000外,英國Type-45勇敢級(Daring class)驅逐艦與CVF伊莉莎白二世級航空母艦也是採用整合電力推進系統的先區。

傳統的船艦動力系統中, 通常由一套功率最大的主機,透過直接機械耦合來驅動推進器,另外再設置獨立的發電機組來供應艦上所需的電力。一般而言,船艦推進系統的功率遠高於發電機組,,然而在實際運作時,船艦推進系統全功率滿載的情況不多,導致許多能量遭到浪費;而艦上的各項吃電設備則無時無刻都需要電力供應,導致發電機組經常處於滿載,有時甚至會發生供電吃緊、部分系統無法獲得足夠功率的狀況,空調是其中常見的例子。根據研究顯示,船艦推進機組與發電機組的總功率比為8~9:1,然而年度燃料消耗比例卻降為2~3:1,顯示兩者之間的操作負載失衡。

此外,船舶用 電力推進系統也已經有相當長的歷史;早在1910年代蒸汽渦輪問世之出,便開始有若干大型民間船隻或軍艦採用渦輪電力推進,不過當時採用電力推進的理由在於蒸汽渦輪轉速高,需經過複雜的減速齒輪才能用來推動大軸,而當時工業技術有限,很難大量生產複雜昂貴的減速齒輪傳動裝置,因此才有人想到利用蒸汽渦輪帶動發電機產生電力,再驅動電動馬達帶動推進器,此種方式也比較容易控制推進器轉速;不過由於當時電力設備仍相當笨重龐大,因此蒸汽渦輪電力推進系統的發電 機/電動機甚至比渦輪機還龐大。爾後由於減速齒輪日益進步,乃至燃氣渦輪、柴油機的日益普及,二次大戰後蒸汽渦輪電力推進方式便從軍艦界銷聲匿跡;作戰艦艇為了追求高速,各型主機(燃氣渦輪、柴油或蒸汽渦輪)都直接透過機械 耦合的傳動系統來驅動推進軸,效率比電力推進更高。在1970年代末期,商船界為了降低成本、提高自動化程度以節約人事成本,便開始引進功率管理分配能力較強的柴油電力推進系統。在1980年代末期服役的英國Type-23反潛巡防艦則為了中/低速反潛作業時的肅靜性,首創了複合燃氣渦輪與柴油電力推進系統(CODLAG),高速航行時以燃氣渦輪透過傳動系統直接驅動推進軸,中低速反潛作業時則以柴油發電機產生電力,透過電動馬達帶動推進器,此時減速齒輪可保持停機,使船艦噪音大幅降低。然而,這些比較傳統形式的電力推進系統,仍然將推進與艦內供電視為兩個分開的負載,無法任意進行調配。

在早期,為了供應船艦上各式各樣性質不同的電力負載,船舶上通常要針對不同的負載而分別處理輸配電,或者將發電機產生的交流電轉換成各種不同電壓的直流電來滿足不同的需求,無法進行彈性的分配管理。隨後由於AC/DC整流器與AC/AC變頻器等組件的問世,交流馬達調速技術也因為電子/電力元件和調速/變速器的發展而大幅進步,使功率調變的幅度以及控制精確度大幅提高。目前船舶用交流馬達常用的變頻控制技術有三種,包括同步變頻器(AC/AC)、循環變頻器(AC/DC/AC)以及脈衝頻寬調製變頻器等,其中同步變頻器雖易受諧波干擾,但由於滿載時效率較高,成為大型船舶交流馬達的主流。此外,由電腦精確控制的輸配電系統也邁入實用化,這些都是日後整合電力控制系統的必要基礎。

在1994年,美國海軍提出一項名「整合動力系統」(Integrated Power System,IPS)的概念,這是「海軍先進船艦輪機計畫」(Advanced Ship Machinery Program,ASMP)的其中一個項目。在IPS系統中,主機的動力全部由發電機轉成電力,再透過配電設施來供應船上一切的次系統,包括用來推進的電動機;推進電機直接驅動推進器,省略了複雜的傳動齒輪箱 。由於電力管理分配技術的進步,在IPS架構之下,主發電機所產生的交流電力透過管理系統經過變壓,分配給所有不同的負載,而不是過去的單獨供應或轉換成直流的方式。為了精確調控全艦所有的電力 ,滿足船艦上各式各樣性質不同、電壓各異的負載, 整合電力推進需要一套精密複雜、由電腦控制的功率管理系統(Power Management System,PMS),其主要的控制功能包括對各項裝備進行控制、監視與保護,例如控制馬達的啟動/調速/反轉、防止電機與馬達過載、監測各裝備的運轉數據(包括電壓、電流、頻率、溫度、壓力等);而PMS則根據船艦各系統不同的運轉情況與負載需求,在電腦的運算下進行電力分配 。萬一部份供電系統發生故障,PMS還需自動採取應變措施,由其他可工作的輸配電網路盡快恢復船艦供電運轉。

透過現代化電腦配電輸配電控制系統的控制, 整合電力推進系統能隨時任意調整船艦上所有系統的功率分配;例如某時刻,某些系統不需要全功率運作,便可關閉部分主機或者將動力移轉至其他系統 。藉由精確調控電力負載,配備整合電力推進系統的船艦能將發動機控制在最佳燃油速率(fuel-efficient speed)下運作;根據美國國會研究處(Congressional Research Service)的一份報告,美國海軍若採用整合電力推進系統,能比傳統機械系統節省10~25%的燃油消耗,以及降低15~19%的後勤維修成本。採用全電力系統之後,以往船艦上空調功率不足 的情況就不再重演,電子系統也可以獲得較強的功率 。過去美國海軍巡洋艦、驅逐艦採用燃氣渦輪直接驅動,無論低速、高速都由燃氣渦輪帶動,但燃氣渦輪的低速於高速運轉的油耗差不多,導致中低速巡航時的油耗非常不經濟;而整合電力推進系統就可以免除這類問題,分配給推進電機的功率完全視需求而定,大幅減少浪費。此外,對於需要瞬間高功率輸出乃至高能量密度脈衝電源的裝備,如電磁砲、雷射砲等等, 整合電力系統也 提供了更為良好的設置條件,在無須大幅改變平常用電的情況下,滿足這類大功率新系統的需求。電力產生/調控/輸配送等系統也能輕易設計成模組化,使艦隊不同功能、噸位的各型船艦能採用相同系列的模組,使後勤組件與系統標準得以盡量統一,不像過去每設計一種船艦、往往就要重新設計一套推進傳動與電力供應系統。

整合電力推進系統 大幅簡化整體輪機的結構,它以電纜傳遞能量,取代了傳統系統複雜龐大的齒輪、軸系、液壓管路等等,節省了許多設備的體積重量,多出的空間便可用於增加燃油、武器籌載量或人員居住空間;而電纜貫穿艙間的設計也遠比機械(尤其是推進軸)與液壓管路簡單,可簡化船舶的設計與建造工作 。此外,主機的安置也比以往更自由且更緊致,不一定要如同以往設於艦底;例如可將主機放置於煙囪下方,使得維修拆換更加容易,也可減低傳至水中的噪訊 。傳統推進系統由於笨重龐大、限制繁多,會相當程度地船舶的設計構型;而採用整合電力系統後,船舶更能依照流體力學設計進行最佳化,理論上可節省10%的推進功率需求。省去大批複雜機械後, 整合電力推進系統的購置與維修成本、故障率、系統複雜度等皆可大幅降低(因為電動馬達的可靠性極佳,探鑽油井或郵輪上的大型馬達,輸出數千馬力、上萬小時不需維修的例子可謂稀鬆平常),噪音與震動 亦大幅減少。而全電力系統仰賴高度自動化數位功率控制系統,也可降低全艦配置的人力需求,有助於降低船艦服役期間的整體成本。 

生存性方面,傳統推進系統笨重而冗長的齒輪箱/推進軸由於轉速高、磨耗巨大,經常是影響動力系統可靠度的關鍵點,只要發生故障,船艦就會喪失機動能力;整合電力推進系統能使船艦擺脫大軸與齒輪箱的束縛,也免除了許多傳統軸系的致命弱點。以往船艦的主機傳動系統在遭遇戰損時,係藉由將各推進軸與相關裝備分隔來達成,然而萬一關鍵的減速齒輪遭遇重大損壞,整個機械推進系統便會陷入癱瘓。整合電力系統由於不是透過硬性軸系、齒輪箱來連接各裝備,可用更綿密的方式相互連結,而且連結方式不受機械裝置位置的影響(例如左舷的發電機亦可連結右舷的電動機),因此任一發電機或電動機失效時,不至於影響推進系統其他部分。

整合電力推進系統中,驅動推進器完全由推進電機負責;相較於過去的機械直接傳動,推進電機的扭矩/轉速調節範圍大得多,可以實現無段調速與反轉,因此可以使用簡單的固定距螺旋槳(Fixed Pitch Propeller,FPP),省略機械複雜且昂貴的可變距螺旋槳(Controllable Pitch Propeller,CPP)。可變距螺旋槳能在大軸轉速不變的情況下,透過調整槳距來改變推力大小與推力方向。相較於可變距螺旋槳,固定距螺旋槳購置與維護成本都較低,維修工作簡單,可靠度更高,更為耐用,運轉噪音也比較低。從美國DDG-1000到英國Type 45勇敢級驅逐艦、CVF伊莉莎白女王級航空母艦等使用整合電力推進系統的船艦,都採用固定距螺旋槳。當然,可變距螺旋槳能在不改變主機輸出轉速與轉向的情況下、單單透過調整槳距而立刻改變推力值與方向,能實現立即從前進改成倒車;而固定距槳使用推進電機調速就做不到這點(必須等推進電機慢下、停止才能倒車),使得船艦煞停距離增加,在受限水域機動、靠離碼頭或海上緊急煞車避撞等性能有所降低。  

但是 整合電力系統將發動機產生的力學能先轉換成電能輸配、再將電能轉換回力學能使用,其間的功率消耗高於以往直接以機械傳遞的方式;這對於不需要高速的商船或研究船等還不成問題,但對時速需要達到30節以上的軍艦而言,電力推進系統根本無法滿足需求。這就是為何 電力推進概念在1970年代末期就進入商船界(目前已成主流),但是在2000年代才開始被主戰艦艇軍 採用的原因。 此外,電力推進系統本身的成本也比傳統機械推進系統高約25%,不過這可以藉由壽命週期相對較低的操作與維持成本來抵銷。

採用大量電力系統雖然免除過去許多機械裝置的問題,但 卻面臨了電力分配、管理領域的種種技術難題,容易衍生易發生電器/電線走火以及交流馬達同步變頻器易受諧波干擾等問題 ,尤其是需要性能可靠的高功率變頻器(Frequency Adaptor)來連接發電機網和推進用的大功率電動機,精確地控制進入大功率電動機的電能。如果相關技術不夠成熟穩定,全電力推進系統反而會更容易發生故障。

為了滿足下一代作戰艦艇更高、更精確、更可靠的供電需求,全電力推進系統需要 突破許多領域,包括高功率燃氣渦輪 、高能量密度電容(用於直接能量武器需要的瞬間高能量)、固態電子電力設備如高功率變頻器或低損耗的電子電力開關、高性能電力儲存體(如再生式燃料電池)、永磁同步馬達(Permanent Magnet synchronous Motors,PMM)、高溫超導同步馬達(High Temperature Superconducter Motor,HTSM) 、高爆驅動磁流體電動機或固態/液態驅動磁流體電動機等領域。PMM馬達以及其他相關發電/電動機技術的優劣關係到軍艦的高速性能,美國海軍希望DDG-1000至少能有30節的航速 。

吊艙推進器的考量

松華特級採用傳統的雙軸推進,並使用固定距槳葉;由於推進電機擁有無段調速以及倒轉

能力,就不需要採用複雜昂貴、噪音較大的可變距螺旋槳

整合電力推進系統使得船艦不必拘泥於傳統的「螺旋槳─船舵」動力與方向控制配置,而可以採用新型的吊艙推進器(Podded Propulsor),或稱吊艙推進器。吊艙推進器是將電動機與螺旋槳的組合安裝在一個莢艙裡,安裝在船尾下方的旋轉基座,船艦平台只需要提供吊艙推進器所需的電力。要改變船艦行進方向時,就轉動吊艙推進器以改變推進方向。傳統的船舵依靠舵效應來改變船隻行進方向,然而舵效應必須在一定的水流速度下才能生效,而且勢必產生延遲與較大的 能量損耗;如果能讓推力來源轉向,直接靠著反作用力的方向來決定船隻航向,便能免除傳統舵面的種種問題,大幅增加操控的靈活度,使船艦的迴轉半徑大幅縮小,甚至可能實現原地迴轉。取消船舵、大軸也利於降低阻力,而且吊艙推進器的外殼可根據流體力學進行優化設計,能有效減少阻力與噪音振動。根據美國國會研究處的研究報告,全電力推進船艦若搭配吊艙推進器,可進一步節省4~15%的操作成本。 生存性方面,以往貫穿艦體艙間直通艙外的大軸,往往是艦體水密性的最大弱點,而吊艙推進器也可以免除這個弱點。

然而直到2000年代,吊艙推進器仍不算是一種夠成熟到可用於第一線大型作戰艦艇的推進方式,許多使用此種推進器的民間大型船隻(如郵輪)都面臨組件受力過鉅而需要頻繁維修的問題,對於經常需要急遽加減速以及重視戰場可靠度的作戰艦艇而言並不合適。而雖然吊艙推進器可以避免許多大軸帶來的問題, 但由於把電動機與推進器都整合在一起並放在船艙以外,需要進入乾塢才能維修,不僅不利於在第一線即時處理,遭受魚雷攻擊時更會直接承受爆震波,甚至可能直接掉落脫離船體;而傳統布置方式則可確保主機、傳動系統都在艦體內部,不僅受到保護,也比較能對推進電機實施第一線的即時維修作業。 除此之外,如果艦艇需要較高的推進功率,所需的高功率電動機可能尺寸過大,難以製作成吊艙推進器,而將電動機設置在艦體內就比較不會有這種問題。再者,推進馬達放置在船體外的吊艙,就不在艦體消磁系統的屏障範圍內。

DDG-10000的整合電力系統

以往美國海軍水面艦艇使用440V的交流輸配電系統;而DDG-1000配備的新一代相位陣列雷達等裝備的功率消耗激增,因此DDG-1000使用4160V交流輸配電系統 (與中壓工業用電相同),能讓電力傳輸分配更為平穩,並減少傳輸過程中的功率消耗。在松華特級之前,美國海軍已有路易斯&克拉克級(Lewis and Clark class)乾貨彈藥補給艦引進中壓交流電(Medium Voltage AC,MVAC)。這套4160V艦用供電系統啟用的一種新技術是關於MVDC ISP的快速中壓電力隔離裝置,在船艦遭遇戰損時能迅速隔離受損的部位,維持整個供電系統的穩定。

DDG-1000的整合電力系統分為高壓電力子系統(High Voltage Power Subsystem,HVPS)與低壓電力系統(Low Voltage Power Subsystem,LVPS)兩部分;整個系統的骨幹是整合持續作戰電力(Integrated Fight Through Power,IFTP)系統。其中,HVPS由Converteam公司負責整合,包括兩部MT-30主燃氣渦輪(MTG)發電機組、2部4500型輔助燃氣渦輪(ATG)發電機組、2部推進用AIM先進感應馬達與高功率馬達驅動器、4部使用COTS商規現成組件的配電設備(包括配電板與相關保護設備);而LVPS則包含日常船艦用電(SSDS)與緊急發電機組(EDG)等。

IFTP則由DRS技術公司整合開發,採用全自動分區直流供電(DC Zonal Electric Distribution System,DC ZEDS),由一系列採用固態電子技術的電力轉換模組(PCM)構成,為艦上所有用電設備提供靈活可靠且高質量的電能;除了設備體積和成本大幅降低以外。相較於傳統的全艦輸配電,區域輸配電系統將全艦分成數個分隔獨立的區域,不僅可減少電纜總長度以及系統複雜度,個別區域內的供電品質可以提高,遭遇戰損時也更能隔離失效區域以及重組。這套DC ZEDS採用分區設計,且直流配電網自帶靈活的特性,一旦設備受損,可以自動重構並隔離故障部位,最大程度上保證供電可靠性 。IFTP包括4個PCM-4模組、8個PCM-1模組、8個PCM-2模組與16個負載中心,故松華特級全艦劃分為四個各自獨立與隔離的供電區域,藉由分置左、右兩舷且縱向分離的兩個匯流排進行配電,全系統可提供1000/650/375 V的直流電,以及450/208/120V的交流電。在IFTP的架構下,由MTG與ATG燃氣渦輪發電機組發出的4160V交流電,經過PCM-4模組轉換為1000V直流電,輸入左、右舷的縱向直流匯流排;每個匯流排上的PCM-1模組透過SSCM單元,對於不同的供電對象進行不同的降壓分流,並隔離來自各局部區域對匯流排的干擾;PCM-1將1000V直流電轉換成650V與375V直流電給直流負載,此外輸出850V直流電到PCM-2模組;PCM-2模組以SSIM單元再850V直流電轉換為450V/60Hz交流電(接近過去美國海軍艦艇慣用的電壓),透過負載中心對區域內的交流負載配電。每一個區域內的PCM-2模組與直流負載中心都採用雙重電源供電,經由左、右兩舷匯流排與PCM-1模組相連。 

在功率需求不大的時候,DDG-1000的供電系統會停用部分發動機以節省燃料;在低速運轉時,可將發電機組產生的剩餘電力儲存起來,用於增加艦上其他系統的供應,或者作為瞬間高能輸出的儲備,這對於未來可能安裝的電磁砲或直接能量武器是十分重要的。這套整合電力系統的運作是全自動化的,即便在遇到故障或突發狀況時也能自動反應調整,一般運作情況之下完全不需要人工干預。 

DDG-1000的IPS整合電力系統原型在美國海軍位於費城的陸基測試站(Philadelphia Land Based Test Site)進行地面測試,於2011年5月11日完成陸上全功率運轉測試,在2012年3月20日完成與ECS輪控系統的整合測試。

DDG1000的主機與電動機  

在主機的選擇方面,在DD-21時代的評估對象包括英國Rolls Royce的WR-21中斷冷卻再加熱燃氣渦輪(Intercooled and Recuperated,IRC,功率25MW,詳見英國海軍Type-45驅逐艦一文) 以及GE的LM-2500+燃氣渦輪(單機功率31.3M),其中WR-21亦被英國Type-45驅逐艦採 用,其設計最為先進,效率極佳,一度被DD-21預定為主機,不過隨著設計變更以及噸位的不斷增加,WR-21與LM-2500+標準型的功率等級已經無法滿足需求,因此Rolls Royce改提出採用傳統簡單循環的MT-30燃氣渦輪主機(攝氏26度的單機運轉功率36MW,攝氏15度時可達40MW,攝氏45度時仍有30.7MW),GE則提出LM-2500+G4(單機功率34.3MW)來競標。LM-2500+是美國本土廠商的產品,並且 在1999年被位於賓夕法尼亞州費城的船艦系統工程中心陸基測試站(LBTS)選為整合電力推進系統地面測試原型的主機,搭配Alstom Drive & Controls提供的交流感應馬達、Brush電機提供的發電機、L-3通信公司SPD系統分部提供的PCM-1與PCM-4電力轉換模組組成這套實驗設施。

MT-30則是Rolls Royce的Trent 800航空用渦輪發動機的艦載燃氣渦輪版,Trent 800是波音777客機選用的發動機之一,在2005年約有430台在運轉,佔有波音777客機的市場超過1/3。MT-30的研發始於2000年,2002年9月展開原型測試,預量產原型則在2003年2月於布里斯班實驗場展開測試,在2004年初完成挪威船社級的500小時運轉測試,同年7月完成美國航運局認證要求的1500小時耐久測試,開發十分迅速,與Terent 800的零件共通性高達80%。MT-30採用全權數位發動機控制技術(FADEC),熱效率(40%)與最大功率都比LM-2500+G4(熱效率39.6%)更高,雖然燃油效率還不能與採用IRC運作的WR-21相比,但已經比傳統的LM-2500好很多(MT-30的最大功率油耗為207g/kW hr,LM-2500則為230 g/kW hr)。此外,MT-30也延續了Trent 800在民航機市場的良好可靠性與維護性,熱段部件的預期大修間隔為24000小時,艦上可維護的平均無故障間隔約為2000小時。由於MT-30採用模組化的結構設計,維修時不需拆卸整機,只要更換特定的模組即可,且各模組的設計已經預設了平衡,重新拆換後不需要重新校正,所以扣除冷機時間外,平均修護時間只有4小時。來勢洶洶的MT-30在2003年獲選為英國CVF航艦的主機,稍後又擊敗LM-2500+,被選為賓夕法尼亞船艦系統工程中心陸基測試站選為DD(X)的 整合電力推進系統的工程展示模型。最後,美國海軍選擇了MT-30作為DD(X)的主要發動機,並在2007年3月與Royce Rolls簽約,為頭兩艘DDG-1000訂購四套MT-30燃氣渦輪系統。輔機方面,參與競標的包括GE的LM-500燃氣渦輪(單機功率4.4MW)與Rolls Royce 4500型燃氣渦輪(簡稱RR 4500,單機功率3.9MW),最後由RR 4500獲得勝利。

在2006年8月,DRS動力科技公司獲得GD集團/BIW船廠的合約,成為DDG-1000整合電力推進系統的主承包商,負責系統整合研發、測試以及製造安裝等工作。DDG-1000的整合電力系統的原動機組合,包括兩具功率各36MW(約48276馬力)的MT-30主燃氣渦輪(MTG),以及兩具功率各4MW(約6035馬力)的MT5(RR 4500型)輔助燃氣渦輪機組(ATG),額定的總輸出功率約77.5MW,輸出4.16kV/60Hz交流電。

以上的原動機組分成兩個艦載燃氣渦輪主發電機組(MTGS),每個MTGS機組各由一具MT-30 MTG、一具MT-5 ATG、一套映及柴油發電機組(EDG),以及一套由DRS動力科技公司生產、用來推動車葉的永磁馬達(Permanent Magnets Motors,PMM,詳見德國海軍212型潛艦一文)組成。兩套MTGS系統可以並聯運行,也可以個別獨立運行;如果其中一套系統失效,故障部分會被迅速隔離,另一套系統仍可為艦上所有設備的供電,只是功率減半。艦上的PMM輸出功率36.5MW,相關的電力控制設備亦由DRS提供;此種PMM的其體積僅與英國Type-23巡防艦的電動推進馬達相當,但功率卻是後者的10倍。

理論上,DDG-1000的整合電力系統能為艦上推進以外系統提供最高58MW的功率,此時能用來推進的功率上限為20MW,可提供18至20節的航速;而在推進系統滿載的情況下,功率消耗約為70MW。DDG-1000的推進系統以最大連續額定功率(Maxinum Continuous Rating,MCR)的80%輸出下,能推動船艦達到30節以上航速,全功率輸出時航速在31節左右。

松華特號的先進感應電動機(AIM)。 

 在2008年10月,DSR動力科技公司的36.5MW永磁電機(PMM)完成全功率運轉測試,不過此系統仍面臨運作溫度、定子絕緣等問題而導致延誤,故美國海軍決定改用法國Converteam集團英國分部(位於Rugby)研製的39MW先進感應馬達(Advanced Induction Motors,AIM)來墊檔 (兩部總功率78MW),此外還搭配Converteam英國分部生產的18MW先進感應馬達作為備份系統(與英國Type-45飛彈驅逐艦類似),兩套燃氣渦輪發電機(MTGS)-推進電機組的最大輸出功率合計約78MW(約104557軸馬力) 。相較於PMM,AIM的體積重量自然相對提高,產生的電壓也比較低(只有PMM的1/3)。

Converteam在1990年代被法國阿爾斯通(Alstom)購併成為其機電部門(又稱Alstom Power Conversion,APC),2005年切割為獨立公司, 阿爾斯通集團在2011年3月被美國通用電機(GE)收購90%的股權,2011年9月完成購併作業 。英國Type 45飛彈驅逐艦與CVF伊莉莎白二世級(Queen Elizabeth II class)航空母艦都選擇Converteam的先進感應馬達,作為艦上整合電力推進系統 的推進馬達,其中Type 45使用的AIM馬達單機功率約19.5~20MW級;而DDG-1000與CVF的每部機組以兩部19.5MW的AIM機組串連而成,單邊機組最大輸出功率約34.6MW,兩部AIM機組驅動兩個推進軸的 實際總輸出功率約65MW(87000軸馬力)。原本DDG-1000預定採用的DSR 36.5MW PMM馬達單機重70餘噸,而替代的AIM單機機組重量就達300餘噸。

在2007年9月,美國與Converteam簽約,由APC為DDG-1000提供先進感應馬達。不過美國海軍並未放棄PMM的開發,仍持續進行相關研發測試,希望趕上DDG-1000的後續螺旋發展。DDG-1000的固定距螺旋槳推進器由Rolls Royce生產,有五片槳葉,由鎳-鋁-青銅合金,直徑超過19英尺(約5.8m),重量超過60000磅(27215.5kg)。

而美國 也積極研發高溫超導馬達,美國海軍在2003年初與美國超導公司(American Superconductor Corporation,ASC)簽署價值6980萬美元的合約, 開發滿足DDG-1000需求的高溫超導發電機(與諾格集團合作),單機輸出功率36.5MW, 長3.4m,寬4.6m,高4.1m, 線圈由高溫超導材料製造,傳導能力比金屬銅線高140倍,故推進效率高達98.6%;與功率相同的AIM相較,此型高溫超導馬達重量減少2/3,體積減少一半,前景極為看好。 在2009年1月, 此種ASC與諾格開發的高溫超導馬達進行了測試工作。

此外,CAE負責提供DDG-1000動力系統的整合管理平台(Integrated Platform Management System)。DDG-1000在全功率輸出下可達到超過30節的航速,如果其中一組主燃氣渦輪故障,則發電機組可將之隔離繼續運作,並保有27節的航速;而如果是低速巡航,則以兩具較小的4500燃氣渦輪提供動力,可顯著降低噪音。 DDG-100的IPS系統的總發電量是柏克級的8倍左右,即便DDG 1000以20節的航速航行,仍保有74%(約58MW)的總發電容量可供艦上其他系統使用。推進器方面,藍隊推出的DD-21打算使用吊艙推進器,而最後獲勝的金隊則採用傳統的固定式雙軸螺旋槳推進系統,主機、電機的安裝配置也比較傳統 ,成為現在DDG-1000的構型 。如同前述,以第一線作戰為考量,吊艙推進器到2000年代似乎仍不是夠成熟的選擇,此外也可能是受到電動機尺寸因素的影響;而英國規劃的Type-45飛彈驅逐艦與CVF航空母艦等全電力推進艦艇,最初都打算使用吊艙推進器,但經過通盤考量之後也改回傳統的大軸模式。雖然如此,這些全電力推進艦艇仍能將發電機設置得比較後面,使得大軸長度比傳統設計縮短不少 ,對於節省體積、降低成本以及減少維修負荷仍頗有幫助。在2007年8月,由Rolls Royce製造的燃氣渦輪發電系統(MTGS,含MT-30燃氣渦輪與RR 4500燃氣渦輪各一)的工程發展模型 在賓夕法尼亞艦船系統工程站陸基試驗場展開測試。

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