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百年戰爭演化史:坦克大進擊!—《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2016/09/21 ・3121字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

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重裝戰爭再進化―自第一次世界大戰至今的機械創新

古希臘重裝步兵手持盾牌,齊步向前、漢尼拔迦太基大軍以戰象迎敵,洞悉未來的達文西則在 1487 年畫下一輛武裝戰車。雖然坦克車的概念──能制霸戰場的武裝戰車──幾乎與人類的戰爭史一樣古老,但一直要到一百年前,無堅不摧的坦克車才正式上場服役。

以吱嘎作響的改裝浴缸為前身,坦克車自第一次世界大戰開始便一直是軍隊克敵致勝的祕密武器,而且這種戰車的角色十分多元。從突破防線、摧毀堡壘,到偵查敵情、作為支援火力,坦克車的角色千變萬化。為了順利完成任務,坦克車有三大基本要素:火力、行動力與保護力。坦克車的火力集中,能衝破敵軍陣線,還能在任何地形上快速前進、深入敵軍陣營;重裝盔甲更能保護士兵,讓他們能無後顧之憂地勇敢完成任務,在前線以更專業、有效的方式迎敵。

坦克車首次上戰場時身負眾望,前線戰士期盼從此不必再陷入壕溝戰的僵局。隨後,坦克車逐漸進化為重裝系統,成為主導戰場的決定性武器。現今,坦克車既是潛在的致勝關鍵,也可能是已經過時的昂貴機器。無論如何,坦克車的技術演進與對戰爭的影響確實讓人歎為觀止。

毫無疑問,坦克車光是存在,就足以繼續影響所有戰事的決策以及各種陸上保衛戰。因此在可見的未來中,坦克車依然會穩坐軍隊頭號資產寶座。

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坦克的過去與現在

坦克車的設計如何因應現代戰場需求

在第一次世界大戰之前,其他領域的研發工作已為坦克車的設計帶來許多實際效益。例如,當時履帶已用於某些重型牽引機上,效果比輪胎好,而且當時大家認為「功率重量比」對於戰車的移動力與效能表現影響極大。

經過全面性的研究,研發人員打造出基本的內燃機,並在牽引機或底盤上方鉚接鋼板外殼。機組人員可以勉強透過觀察孔查看外部狀況,並以操作桿組操控方向。原本供步兵與砲兵用的機關槍與大砲也經改良後裝上車體。

馬克 1 號 打破壕溝戰僵局的首輛坦克車

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第一次世界大戰陷入膠著的壕溝戰,當時大家極力希望突破僵局,因此催生出世界上首輛主戰坦克車──英國的馬克 1 號(Mark I)。當時的英國海軍大臣是溫斯頓.邱吉爾,他在 1915 年設立了陸舟委員會(LandshipCommittee),並負責製造盔甲戰車,馬克 1 號坦克戰車就此誕生。

馬克 1 號僅重 28 噸多,使用福斯特-戴姆勒六汽缸引擎作為推進系統。當時共打造了兩款,雄型款搭載兩架霍奇克斯六磅重機槍,雌型款搭載兩架維克斯重型機關槍。兩款戰車皆另外配備三架輕型機關槍。單艙內共乘載八名機組人員。英國陸軍於 1916 年二月訂購 100 輛馬克 1 號,並於索姆河戰役首次啟用,其中幾輛雖於戰中損毀或動彈不得,仍展開了現代戰爭之序幕。

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雖然現代的一般步兵若是遇上坦克車,幾乎是兇多吉少,但早期的坦克車卻是笨重、動不動就故障的滑稽機器。那時的引擎根本無法推動沉重的機身前進,過熱的引擎發出陣陣濃煙,燻得操控人員動彈不得。第二代重裝車輛則從一次大戰的經驗中汲取教訓,將戰時開發出的多項新技術投入第二次世界大戰中使用。車底盤已依用途改良,柴油引擎與汽油引擎馬力提升,並且從飛機製造業借引擎來使用。機關槍與大砲接上可旋轉砲塔、盔甲升級,車間通訊則以可靠的無線電取代過去的信號與方向旗。

二十世紀後半葉之後,科技日新月異,坦克車因此改頭換面,成為現代機械戰爭中的制霸武器。有了 GPS 導航系統,車間通信協調有如神助。技術成熟的遠紅外線目標獲取與穩定系統,讓坦克車能同時追蹤多個目標,即便在移動中也能精準發射武器。推進系統亦採用最新科技,使用包覆了複合盔甲的渦輪引擎,此款盔甲比鋼板來得更輕、更堅固,大幅提昇速度與安全性。

挑戰者 2 號 英國步兵的主戰坦克車

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許多軍事分析師讚譽英國的挑戰者 2 號為當今全球最優良的主戰坦克車。挑戰者 2 號於 1986 年至 1991 年間開發而成,雖然與前身(挑戰者 1 號)的名字相同,但其實兩者相容的設備不到 5%。

挑戰者 2 號是精良的主戰坦克車,重量不到 70 噸,而且是二戰以來,首款由隸屬於英國航太系統公司的軍火供應商「陸地系統分部」獨家設計、研發並量產的坦克車。挑戰者 2 號的主要武器為口徑 120 公釐的 L30 CHARM 戰車砲,塔台與槍身透過固態電子系統操控。車上也配有小型武器,包括一挺口徑 7.62 公釐的 L94A1 同軸機關炮與一挺口徑 7.62 公釐的 L37A2 指揮官機關槍。有了第二代查布漢(Chobham)複合裝甲的保護,挑戰者 2 號在伊拉克戰爭中戰績特別輝煌。

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現代戰場

進可攻、退可守,坦克車功能大解密

自初上戰場至今,坦克車在戰爭裡擔任過各種角色。世界重要軍事組織對於坦克車的潛力評估各有所見,有人積極開發,有人看壞前景,坦克車在此同時則發展出各種角色、積極分工。

有的坦克車搭載了重裝盔甲與武器,戰力驚人。有的坦克車則設備精簡,追求速度與操控能力。早在坦克車歷史初期──也就是第一次世界大戰期間──英國的步兵便已開始同時使用重裝的馬克 4 號與馬克 5 號,以及相對敏捷輕巧的「惠比特」小靈犬坦克車(Whippet)。重裝坦克車用以突破德軍壕溝防線,為輕裝坦克車開路,以利長驅直入,強攻敵軍陣營。

重裝坦克車擲出猛烈砲火,輕裝坦克車則有如現代騎兵。此種戰略一直沿用至第二次世界大戰,由輕、中、重裝三種坦克車延續前代的分工。坦克戰變得越來越普遍,而隨著任務越來越多元,裝甲坦克車的樣式也越來越繁複,有些甚至專用於摧毀敵軍的坦克車。

從冷戰至 21 世紀間,為了節省開支,加上科技進步,出現了主戰坦克車。主戰坦克車擁有推進力十足的高效能引擎和複合裝甲,速度也更上一層樓。不同類型坦克車間的效能差距也因此縮小。現代主戰坦克車結合了各種早期設計,整合為齊一且致命的戰爭機器。

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未來重裝戰

坦克車隨著科技進步不斷演化,能夠碾壓爆破、突破重圍的坦克車,已然成為 20 世紀戰爭的代表。而未來,也許一切將有所不同。有些分析師認為重裝坦克的黃金時期不再,有些則認為坦克車會不斷演化與適應,繼續稱霸明日戰場。

科技持續改造坦克車與反制武器。裝載了地獄火飛彈的阿帕契直升機能在短短幾秒內快速鎖定目標,粉碎敵軍坦克車。無人飛行器亦具相同性能。即便不考慮科技進步,陸軍也能以肩射武器朝坦克車快速發射彈藥,再馬上躲回藏身處。

在此同時,坦克車也因科技創新增添不少新戰力,可進入狹巷中與叛亂者對戰,或在荒漠中鎖定敵軍身影。火力強大的武器與特製彈藥無堅不摧,複合裝甲更提供了空前的保護。反制系統則能阻擋並擾亂所有逼近的「智慧型」武器。

未來戰場上,坦克車再也不是昔日跛行於荒原、不斷噴射火焰的古怪機器,而將成為革命性的戰鬥系統。隱形科技能逃過雷達與熱成像系統偵測,自動無人坦克車的操縱者也不須再親赴前線。如「機器獵豹」(Cheetah)這類的精密機器人系統也在不斷發展,目前正由美國國防部評估效能。有了劃時代科技,坦克車仍將馳騁戰場多年。

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混合坦克車的優勢

運送一名士兵與相關設備,一天約需 80 公升燃料。燃料效率將是未來軍事應變計畫中的關鍵要素,而混合坦克車正符合此趨勢。經過多年研發,英國航太系統公司與諾斯洛普.格拉曼公司(NorthropGrumman)發表了心血結晶「地面戰鬥載具」(GCV),使用混合電子推進系統,燃料效率比起早期裝甲戰車,提昇高達 20%。鋼板外殼下,保護著共三名機組人員與九名備戰步兵。然而沉重的車體目前仍是一大挑戰。


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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第24期 〈2016年09號〉

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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