先進水下載具電力系統設計 陳德煒　王紀瑞　黃自強 提　　要： 本文旨在討論有關水下載具電力系統之設計與分析，其中包括潛艦在設計階段電 力負載分析以及電力負載計算的方法。首先，介紹以及分析目前船艦先進電力系 統的特性與所使用相關的技術；然後再依據設計階段，潛艇的主要功能所需的電 力負荷需求，以及在預先設計階段所估算的電力分析報告，期能於先期設計階段 建立一精確的潛艦電力負荷估算模式。最後在考慮相關的影響因素後，可以獲得 電力負荷分析的最佳設計，此結果可有效幫助及提供未來水下載具在設計時有關 電力系統設計的實務工作。 關鍵詞：水下載具、電力系統、蒙地卡羅分析法 壹、前言 動力—是決定水下載具噸位的重要參考因素之一， 但是，在目前的文獻中極少討 論有關潛艇動力系統的設計。與其他設計不同的是，大部分的潛艇動力系統的設 計都是依據使用者的需求來制訂的。對潛艇而言在設計其動力和電力儲存的容量 時，通常是依據其未來所需執行的任務而定，因此，在設計時必須將所有可能配 置的裝備以及操作人員的維生系統納入考量。無論如何，為了使儲存的電力能夠 延長潛艇潛航的時間，就必須降低航行的速率以及儘可能的減少維生系統所可能 消耗的電力。從前述推論可得知，在決定潛艇動力系統與儲存電力的相關規格時 ，必須考量兩個重要因素：(1)可供最大潛航速率航行之時間，(2)可提供最大潛 航距離。潛艇的最大潛航速率可能是操作人員與工程師之間，長久以來最難取得 共識的爭執點，這是因為理論推算所獲得的資訊與實際的潛航驗證的結果有極大 的差距。一般而言，潛艇潛航所需推進動力之大小，是從潛艇排水量(噸位)與速 度的三次方所換算求得。基本上，假設將潛艇最大潛航速率由20節提昇至40節時 ，所需的推進動力就必須乘上8倍。事實上，假設潛艇可以40節潛航速率航行，其 可航行的時間勢必極短，且需有足夠的空間可以裝置所須要的動力系統與電力儲 存裝置等。從軍事的觀點來分析，「高速」一直是軍方所冀求的目標，因為對潛 艇而言，當遭受敵人攻擊時可以迅速的脫離；亦或者可以迅捷的接近欲攻擊的目 標，而展開攻擊。潛艇最主要目的就是保持隱匿，因此潛艇戰術上運用「速度」 是用來躲避或攻擊敵方是經常被爭論的一個課題。因此，操作人員／工程師必須 盡量避免未來潛艇在實際服勤期間，可能遭遇到因為必須達到「速率」的要求， 而在操作上必須有諸多的限制，所以必須審慎的設計相關的動力系統以及電力儲 存設備。潛艇的最大速率是決定推進系統的主要考量，而潛艇可儲存的電力容量 則是決定可維持最大潛航速度—「時間」的重要因素。一般而言，傳統式潛艇在 電力完全耗盡前，可以最大速率航行約30分鐘；而當使用浮航或以呼吸管航行並 採用柴油機航行或充電時，最重要的就是必須建立潛艇在相關各種操作狀況下， 有關「速度」與「時間」兩者之間的操作模式。另外，在設計時必須考慮的另一 要素是「最大潛航距離」，此項要求必須倚賴所配置的儲存電力的容量以及所使 用的速率來決定。假設，潛艇在潛航時不需要移動，此時就僅有維生系統消耗電 力，但是也不可忽略部分供給人員呼吸所需耗用的電力。 貳、水面艦艇電力負荷分析 一、水面艦艇電力負荷分析法 目前美軍在設計船艦時，所使用的電力負荷分析法主要是依據NAVSEA Design an d Practice Criteria Manual Chapter 300 (NAVSEA 1992) , Design Methods for Naval Shipboard System, Section 310-1(1998) , and Electrical Load and Power Analysis for Surface Ships (MIL-HDBK-2189 1999) 等各項技術文 件主要是律定美海軍水面船艦在服勤期間常用的四種船況、兩種不同環境下的電 力需求。四種船況分別為：錨泊、巡航、任務派遣以及泊港；兩種環境則分別為 ：大器溫度100F 及900F。船艦電力負荷分析法是預估在最差環境下的最大所需操 作電力負荷，大多數的船艦以此做為在設計時以及在服勤階段選擇所使用發電機 規格的重要參考依據。船艦電力負荷分析必須考量在24小時內，各種不同系統所 耗用的電力負荷以及其所佔用的的百分比，並且做為其估算電力負荷的參考因子 。舉例來說，救火泵的電力負載為101KW、電力負荷參考因子為90％，將此參考因 子轉換成可能發生的機率參數為0.9，但是救火泵可能在24小時內有90％時間連續 運轉、10％的時間是維持停用的。在某些狀況下負載參考因子和機率函數可能不 一致，而其中的差別是在於必須適當的依據不同狀況而作修訂，所以船艦在設計 時的電力負荷分析必須加入機率參數。而其中相關的細節將會在下列章節逐一介 紹。 早期所使用的分析法主要是將發電機輸出至各連接裝置的電力負載總和以及相關 的負載參考因子，所計算求得的。此種平均使用平均電力負荷分析計算方法，所 估算獲得的數據，對在合約設計階段或者是採用區域電力分配設計而言並不精確 。 表一為美海軍派里級巡防艦巡航期間，採用電力負荷分析法估算電力需求與實際 航行耗用電力之綜整資料，從表中可得知，實際耗用的電力僅為估算所求得之電 力的一半。其結果將會影響到選擇所使用發電機設計負載及所需裝置的數量。 二、蒙地卡羅分析法 由於科技的快速發展，船艦電力耗用的需求量大幅增加，因此在估算未來在全壽 期內所需的電力，為一重要的課題。美海軍提供一個有系統的分析法，如蒙地卡 羅分析法，運用在船艦設計階段來估算每一個分電板上所輸出的電力負荷，基本 上可做為一有效的電力負荷分析方法。 在船艦的設計階段為能更有效、更精確的估算出每一個電力負荷，並且能與實際 的電力負荷相近，因此，採用系統工程分析法，在設計的過程中持續不斷驗證所 配置的裝備以及系統所可能耗用的電力。另外，結合目前先進的計算能力與機率 運算法，將能夠在船艦設計時就提供一有效的估算法，更有效、精確的計算船艦 所需的電力負荷。 為了提昇所估算的每一個分電板上所需要的電力負荷的可靠度，機率接近法就被 用來做為一有效的計算工具。此方法允許工程師評估每一個連接裝備的電力負載 ，然後推算出每一個別裝備的平均耗用電量。本文所介紹的電力負荷估算方法是 —「蒙地卡羅分析法」，此種計算方式理論上是屬於機率分析法，並且廣泛的運 用在分析排列式問題。為了能夠決定每一個裝備的所需要的電力負荷，蒙地卡羅 分析法可有效的分析每一個電力負荷發生的機率，而所有的電力負荷及估算資料 ，均經過個別裝備、系統的電力負荷分析及負載因子先行計算後，再由蒙地卡羅 分析法計算一次。美國海軍使用輻射式電力分配系統已經有將近一百年的歷史。 然而，由於船艦日常所需耗用的電力負荷持續增加，主要是因為任務特性的改變 ，以及從原先使用蒸汽、空氣、液壓系統等輔助設備，均提昇為電力輔助設備， 因此，必須設計一個全新的電力分配系統。是以，美國海軍改採區域帶狀式電力 分配系統，此種新穎的設計方式大幅增加船艦的可靠度與戰場存活率。然而，此 種全新的設計概念，主要是來自於過去美海軍的使用輻射式電力分配系統的經驗 以及其戰損後所衍生的改變，為了防止每一個區域帶狀內的高壓設備失效、故障 ，因此裝置數量有限的變壓器。 區域帶狀式電力系統與輻射式電力系統的特性有許多差異，其中一項的差異就是 影響到分電板以及所供應變壓器的規格。每一個裝備運轉所需耗用的電力，是電 力分配系統配置最重要的考量，如救火泵、空調等，不同的裝備會直接影響的變 壓器的規格。輻射式電力系統不需要考慮這些問題，因為所有的電力均由主配電 板來供應。長久以來傳統的電力分配系統設計概念，一直影響著輻射式電力系統 的配置，美國海軍船艦用一般標準314章(GENSPEC 1995)說明，所有的電力配置均 不可以100％負荷為設計標準，必須有足夠的餘裕電力可供使用。當每一個均為1 00％負荷時，為了能夠確保100％操作安全的要求，就必須花費更多的預算、重量 以及體積，這樣的設計方式是否符合成本效益？需要工程師在設計時審慎的評估 。 三、電力負荷分析計算法 所有的電力負荷分析資料必須包含每一個分電板，並且使用蒙地卡羅分析法來分 析每一個配電板所需要的電力負荷資料。蒙地卡羅分析法，是將電力負荷分析所 得之資料，經過機率的分析出個別設備的啟動與停止的機率，舉例來說：救火泵 可能有90％的時間是連續運轉、另外有10％的時間是維持在停止的狀態。當其運 轉時，該分電板上的電力負荷就會增加，而當其停止運轉時，該分電板上的負荷 就會降低，此時提供電力至該分電板的變壓器也同時降低。在經過2,440次的機率 運算後，可確卻的求得每一個獨立分電板上，長時間的平均供應電力負荷。而透 過2,440運算過後所獲得的數據資料，其信心指數可達99％，其誤差值可控制在3 0KW內。其迭代次數是經過下列方程式計算求得： 其中，為所需運算的次數，為經過運算後所求得的標準誤差值，(Confidence Le vel)為信心指數，則為分佈函數所求得的值。 蒙地卡羅方法的基本原理是將所有可能結果發生的機率，定義出一機率密度函數 。將此機率密度函數累加成累積機率函數，調整其值最大值為1，此稱為歸一化( Normalization)，這也將正確反應出所有事件出現的總機率為1的機率特性，這也 為亂數取樣與實際問題模擬建立起連結。也就是說我們將電腦所產生均勻分佈於 [0，1]之間的亂數，透過所欲模擬的過程所具有機率分佈函數，模擬出實際問題 最可能結果。實際上經過分析後有95％的數據是被選擇使用的，可以得到一個非 常接近的均一化參數。此一均一化參數相當地精確，其誤差值大約為3％或控制在 87KW之間的誤差範圍內。 四、實例計算 參考美海軍派里級巡防艦實際巡航所耗用的電力以及經過電力負荷分析所估算求 得的需求電力，可以很明顯的發現，實際耗用電力為負荷分析法所求得知參數值 之一半(如表一)。這就表示船艦的發電機一直處於在低效率的狀態下運轉，基於 此理由，使用蒙地卡羅分析法，在設計階段重新估算所需的電力負荷，可以發現 經過蒙地卡羅分析法後所求得之估算值，與實際巡航的電力負荷幾乎一致。為了 驗證此一方法的正確性，分別選擇其他不同噸位的船艦進行計算、分析，其所得 結果(如表二)。 參、常規動力潛艇電力分析法 潛艇的推進系統是其設計規格的重要參數之一，在過去的文獻中，大部分有關動 力系統需求的結論都局限於潛艇速度以及其排水噸位之間的關係。因此，一般工 程師在設計階段的過程中會不斷的修正相關的動力輸出馬力以及排水量，進而獲 得最佳的動力系統配置，期能滿足使用者的需要。在工程設計上，此種設計流程 稱之為正向回饋，也就是說在設計階段可以獲得一最適當的潛艇規格。 一、潛艇動力系統分析 為了能夠確定主要影響設計的參數，絕大多數在1980年代所設計的柴－電推進潛 艇，通常會將其內部的容積、質量以及電力儲存設備納入考量。史丹德〔註一〕 曾經研究並發表有關潛艇潛航排水量介於1,200-2,900噸位，其內部容積與其質量 之間的關係，如表三，表三說明了四種不同規格潛艇所求得的平均值。其各主要 設備所佔的百分比，可做為實務工作上一重要的參考。一般而言，此研究中可以 發現以潛艇內部空間來分析，維持航行所需的電力儲存設備佔了最大的比例，其 次才是維生系統等其他次要設備。如果以排水量來分析的話，則以臺及維持航行 所需的電力儲存設備佔了大部分的百分比。 當然，不同級別的潛艇會依據其特殊的設計需求，所佔的比例會略有差異，比較 典型的差異有下列幾種：臺最大容積與潛航深度之間的關係、在高速潛航時能夠 維持最大航程所需電力儲存設備與其體積與質量之間的關係，以及最大巡航距離 其維生系統與所佔質量之間的關係。 另外，派爾〔註一〕針對潛航排水量 2,900噸的潛艇進行相關的研究與分析，表四說明在不同潛航速率下其相關設備所 耗用電力的比例。由前述分析得到的各項設備所佔之百分比參數，可以應用在潛 艇設計的實務工作上。且此分析中可以得到一個結論：維持潛艇航行速率電力供 應設備所耗用的電力，遠大於其他設備所需耗用的電力。其中所討論的電力耗用 比例，包含所有各項設備電力消耗的總和，因此，不單單是只計算使用直流電的 設備而已。另外，在此研究中也發現，如果要增加潛艇的最大前行速率以及最大 可連續航行速率，相對地其推進設備所花費的成本，也將會隨著所需潛航速率而 增加。 從表四各項主要設備所佔的比例中，可以得知決定潛艇建造費用的三大主要因素 之二：提供航行速率的推進設備以及所需的電力儲存設備。而潛艇臺的規格與相 關維生系統設備也分別影響到其重量與容積的預算支用。 經過上述相關的討論與分析，可以得到以下結論：(1)傳統常規潛艇耗用電力的需 求，主要是以在潛航時所需的最大速率，以及(2)可航行最大巡航距離的速率，兩 者來平均計算求得最佳電力儲存設備的規格。為了證明這項理論是正確的，本文 參考現役某Ａ級潛艇之最大潛航速率下所耗用的電力，來與表四中所得之結論做 相關的分析與比較。經過分析及計算後其結果與文獻所述幾乎一致(如表五)。 二、潛艇推進系統之設計概念 (一)潛艇動力系統的定義 有關潛艇相關動力系統、設備的定義是指在各種不同船況下，所需耗用最大的電 力負荷(如表六)。其中包括所有使用交流或直流的設備及系統、液壓裝置、氣動 裝置以及熱量釋放設備等。 定義潛艇內各相關設備模組所耗用電力之類型的主要目的為：便於計算在四種不 同船況下，潛艇各種不同設備所需耗用電力之總和，而其所需耗用的各種電力設 備及類型(如表七)。 此外，為了符合每一不同船況下，各項設備所需的電力，還必須定義各船況下的 操作因子參數、負載因子參數以及模擬因子參數(如表八)，將所有不同船況下所 需耗用的總電力，在乘上前述的各項參數，就能得到較符合實際需求的電力負荷 。 (二)潛艇推進馬達的設計 一般傳統常規潛艇均使用直流馬達，並連接一推進軸系與葉，為了獲得潛艇所冀 望的最大速率需求，就必須提供足夠的推進馬力。然而潛艇選擇使用何種規格的 推進馬達，並不單存的只需考量可提供的最大輸出馬力、或者是推進馬達所需耗 用的電壓而已。因為推進馬達只是負責提供潛艇所需速率的轉速，同樣地，馬達 的扭力輸出也必須能夠達到在最大速率下所需的扭力，因此，在設計時有下列狀 況必須納入考慮(如圖一)。 一般在設計上，潛艇為了獲得最大的推進效率，必須採用低轉速、大尺寸與扭力 的葉設計。但是，以目前的一般的設計規格而言，通常只考慮推進馬達在高轉速 、低扭力狀況下，可獲得之指定輸出馬力。與潛艇推進馬達所需要的低轉速、大 扭力是完全背道而馳，而推進馬達如果必須達到此項特殊的需求，其轉子直徑將 會增加，如此會增加整體的重量與所在潛艇艉部狹窄的空間中佔用的空間也會受 限，以及會影響到潛艇的平衡以及裝備的配置等。在過去的研究中，有嘗試增加 推進馬達的轉速、降低其輸出扭力，以試圖在前述種種的限制因素下，找出最合 適的推進馬達尺寸。另外一種設計方式，就是將兩個較小規格的推進馬達串聯在 一起，如此僅增加了馬達的長度，然而此種設計較為複雜。 為了能夠精準的計算出常規潛艇推進馬達所需要佔據的空間，下列所介紹的數值 計算模組可做為設計時的參考，主推進馬達的功能是將直流電能轉換成潛艇推進 所需的機械能，因此有兩種狀況在設計時必須被審慎考慮：最大潛航速度以及最 大航行距離。潛艇在潛航最大速率時，主推進馬達的制動馬力及轉速決定了所需 要的機械和磁力負載，必要時允許過熱現象的產生，但其操作時間受到限制；最 大連續運轉速率的操作時間並無限制，但是不允許在運轉過程中有過熱或者是機 械超載的情況發生。因此，一旦主推進馬達的規格、尺寸確定之後，就同時受到 了熱的影響及技術上的限制，最重要的限制因素為：磁力、電力和機械負載。磁 力負載的大小是由主馬達的電樞以及鐵心最大效率長度所決定；電力負載則是受 到電樞的最大電流密度以及最大電壓所限制；而機械負載則受到轉子圓周方向最 大的輻向力所影響。另外，受到潛艇空間的限制，也必須考量其安裝艙間的空間 大小，期能發揮最大的推進效率，因此一般多以同軸雙樞的設計方式，此種設計 方式同時兼具所佔空間小、提昇推進效率、增加操作安全係數等優點。 (三)主推進馬達尺寸計算 主馬達在設計時主要是必須滿足兩種不同的船況：最大潛航速率以及最大連續輸 出。而在設計階段估算主推進馬達尺寸的目的，是希望藉由確認相關的尺寸後， 能夠適度規劃所需艙間的大小。 首先，馬達直徑可由下列方程式表示： ………(1) 其中，為馬達直徑，為轉子直徑，為極高度，為空氣間隙，靜子高度。 轉子直徑的計算可依據Maxwell第二定律以及Faradays定律求得，其方程式為： 為極對數，極面積比，電樞間隙高度，空氣間隙電感。 而極高度可藉由下列方程式計算得到： 為極感應係數，定子空氣因子，干擾因子，換向器數量，定子繞組空間因子，定 子繞組電流密度，磁場導磁性。 而空氣間隙的計算方式如后： 另定子高度可由下列方程式計算求得： 其中，為極傾斜圓周長度，定子感應係數，定子長度修正係數。 而極傾斜圓周長度可由下列方式推導求得： 依據上述公式帶入1993年K.Deleroi所作的計算分析，相關參數值如表九，可先求 得馬達轉子直徑(2)，再帶入(1)式中即可求得馬達的直徑；計算後求得在潛航最 大輸出功率4,100KW、轉速200RPM轉時，所得轉子直徑為1.94m，而馬達直徑為2. 55m，其結果與參考文獻所述相符。故依據該經驗公式分別計算在100、150及200 RPM下，輸出功率由1,000,000KW其轉子及馬達之直徑其結果如表十及圖二。由圖 二中可以得知轉子與馬達之直徑在相同輸出功率下其轉速越高直徑越小，且馬達 輸出功率越大轉子直徑也隨之增加。 另外，Ａ級潛艇之主推進馬達最大輸出功率4,300KW、潛航最大轉速215RPM，其馬 達直徑為2.56m，與前述經驗公式計算所得2.55m；以及目前與一般船艦推進馬達 輸出功率25MW直徑約為4.5m，與經驗公式計算4.56m結果相符，故採用上述推導之 公式，可提供未來柴電潛艇在艙間設計上之參考。 另外，推進馬達長度計算方式尚包含了軸向、輻向的軸承、轉子及集電器的長度 等，從直流馬達的幾何外觀的設計來分析，還包括了電樞空氣間隙長度，因此可 由下列方程式來計算： ……(7) 其中，為推進馬達長度，為軸承長度，為轉子長度，集電器長度，則為電樞空氣 間隙長度。 軸承長度包含了軸向以及軸(輻)向兩種軸承，可以發現其長度與轉子連軸器部分 的直徑有關，因此其方程式為： 其中，為輻向面積壓力，輻向軸承額外軸向延伸長度，為摩擦係數。 轉子的長度可藉由下列計算方式求出： …………………………(9) 而集電器的長度計算方式為： 為碳刷電流密度，為流經電樞最大電流，為碳刷長度，為碳刷寬度，為集電器安 全長度，為碳刷在縱向之距離。 由於各相關計算推進馬達所需參數蒐整不易，故在本論文中僅先將目前文獻中所 提及有關推進馬達的計算方程式完整的收集於本論文內，期能在未來有關參數獲 得後能進行更深入的研究與探討。 (四)潛艇初步設計階段電力系統估算 從前面的章節中可以得到初步的結論，在初步設計階段對柴電潛艇的電力系統設 計以及電力負荷的估算，主要是依據該潛艇未來服勤階段所需執行任務、及操作 性能的需求為重要的參考因素，而其中主推進馬達在潛航時的最大航行速率，是 一項作為電力負荷估算極為重要的指標；因此，本研究將目前世界各國使用柴電 動力、單軸輸出之潛艇相關潛航排水量、主馬達功率以及潛航最大速率等蒐整於 表十一，並利用迴歸分析方法，加以計算分析。 1.首先統計世界各國共33艘各類型柴電潛艇分別利用回歸分析法進行潛航排水量 —推進馬達功率、潛航排水量—潛航最大速率以及推進馬達功率—潛航最大速率 等執行演算，所得之關係式如后： 潛航排水量—推進馬達功率之關係式(如圖三)： …………………(11) 其中，為推進馬達功率，為潛航排水量(噸)。潛航排水量—潛航最大速率之關係 式(如圖四)： ………………(12) 其中，為最大潛航速率，為潛航排水量(噸)。 馬達功率—潛航最大速率之關係式(如圖五)： …………………(13) 其中，為最大潛航速率，為推進馬達功率。 2.從上述關係式中，將蒐整各類型潛艇之相關參數帶入所得之關係式計算，再與 實際各型潛艇之潛航排水量、潛航最大速率以及推進馬達功率等比較結果如表； 我們可以得到平均誤差值(計算值/實際值)分別為：潛航排水量—推進馬達功率： 1.18，潛航排水量—潛航最大速率：1.018，馬達功率—潛航最大速率：1.006。 3.從所得之平均誤差值可以得知，以潛航排水量換算得到的主推進馬達功率 ，其 誤差較大，且各單一樣本計算所獲得之值與實際值更是高達50％；然而另外兩種 計算方式平均誤差值甚小，且各單一樣本計算所得之預估值與實際值幾乎一致(除 了噸位低於400噸之潛艇外)。 4.參考潛艇設計時慣用的螺旋推演設計法結合本文所推導求得的關係式來分析： 一旦潛艇的任務與性能需求決定之後，即可依序執行各分層的設計與評估流程； 其中推進設備可依據潛艇幾何外型以及排水量的參數，進行所需推進動力的估算 ，以獲得能滿足執行任務與操作性能需求的動力；因此，可先依據操作性能需求 最大潛航速率關係式(12)求得初估的潛艇排水量，然後可進行第一次的排水量修 正；其後，可再將操作性能需求之速率帶入(13)式中，即可求得預估所需主馬達 推進功率。 肆、潛艇動力與推進系統計算 一、潛艇阻力估算〔註二〕 當潛艇的潛航排水量以及其附屬的幾何形狀完成設計後，就可以依照其阻力與推 算出潛航時速度之間的關係，下列將會有詳細的介紹。潛艇的總阻力係數可以用 下列方程式來表示： …………………………(14) 而前進速率計算則可以下列方式求得： ……………………(15) 阻力修正係數是從最初潛艇設計，一直到最新型潛艇出現後，持續不斷修正所得 之數據，無論是在設計或者是模型實驗階段都可以初步獲得一可靠值，但是基本 上，大都是參考前期所設計類似潛艇所獲得。一般而言，阻力修正係數介於之間 。經由下列方程式可求得阻力修正係數： …………………(16) 另外，黏性阻力則可以下列方程式計算得知： 潛艇的摩擦係數可由下列的經驗公式計算求出(1957 ITTC Line)： 因此，潛艇的黏性阻力係數可由下列方程式計算： …………(19) 因此，可以獲得潛艇的總阻力係數為： …………………………(20) 圖六為潛艇裸船殼阻力與速率之間的關係。 下列有兩種不同之演算法來計算潛艇所需之動力，其中一種演算法是基於阻力係 數的計算，再加上30％的附屬物阻力係數；另外一種演算法，是由麻省理工學院 所推導的計算公式。下列方程式為潛艇裸船殼的有效馬力： …………………………(21) 潛艇附屬物的阻力為 ……………………(22) 潛艇的有效馬力則為： …………………(23) 然後，使用麻省理工學院的計算公式分析潛艇裸船的有效馬力： 而潛艇的附屬物則可由下列方程式來表示： …………(26) 因此，經由麻省理工學院推導公式所求得之有效馬力方程式為： ……………………………………(27) 本文採用前述兩種演算法，分別參考Ｂ級潛艇的操作參數，計算裸船阻力及速度 與有效馬力之間的關係，圖六、七分別為計算的結果。 另外再分別計算有效輸出馬力，由上述計算所得之結果(如圖八)，可以得到最大 輸出馬力(5,702hp)及最大輸出功率(4,253kW)，其結果與B級潛艇的最大輸出功率 (4,300kW)相符。 伍、結語 綜合前述，本文針對水下載具電力系統之設計進行分析與討論，其結果與建議如 下： 一、傳統與先進電力系統在應用與佈置上各有其特徵，對於設計工作而言，可先 行了解比較二者相關功能後，再針對不同之需求，予以考量。 二、利用迴歸分析法，對目前水下載具的電力負載需求資料進行探討，並提出操 作參數之計算模式，做為設計電力系統之有利參考。 三、先進電力供應系統，如燃料電池，其模組化的設計、高電能轉換效率等優點 ，在潛艇上的配置區域將可更為靈活，且預估未來將可完全取代現有的柴油發電 機組，更能節省空間，再搭配全電力系統船艦設計的概念，更可提昇潛艇電力的 調節、控制及減少人力的配置、保養需求及壽期內的維持費用等。 註一：C.C.J.M. van der Nat., A Knowledge-based Concept Exploration Mpd el for Submarine Design, Delft University Press 1999. 註二：”Design Report Littoral Warfare Submarine,” ATLAS,Fall 2004-Sp ring 2005, Virginia Teach Team.