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水下长跑冠军:巨鲸猎洋核潜艇

时间:2023-08-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:核潜艇的水下航速“无人可比”。这种艇体可最大限度减小前进中的兴波阻力,最适合在水面航行。然而一旦到了水下,尽管没有了兴波阻力和空气阻力,但摩擦阻力、形状阻力剧增,并大大超过在水面航行时的各种阻力。目前,航速最高的核潜艇可达到40 节以上。这种潜艇被称为过渡型潜艇。据悉,有的国家为了进一步降低潜艇在水下的摩擦阻力,采用了将一种聚合体喷到潜艇的外表面的方法,可使潜艇的航速有望突破60 节。

水下长跑冠军:巨鲸猎洋核潜艇

潜艇的水下航速“无人可比”。潜艇的水下航速高低除了动力因素外,主要取决于潜艇的外形。在水下,水滴形的艇体外形阻力最小,航速最快。

为了说清楚这个道理,我们先了解一下关于“潜艇阻力”的几个概念。

潜艇阻力是指潜艇在运动时,潜艇壳体外表面受到流体动力(水或空气)的作用力,这些作用力反应在潜艇上就是阻力。潜艇阻力可由兴波阻力、形状阻力、摩擦阻力、附属体阻力和空气阻力组成。这些阻力的大小与潜艇的外形结构有关,即外表越光顺,外形越趋于水滴形状(头圆尾尖),潜艇的水下阻力就越小,潜艇的航速就越容易提高。

作用在运动潜艇上的几种阻力如下。

兴波阻力:潜艇在水面航行时才有兴波阻力。由于潜艇在水面航行时破坏了水的自由表面,必然会产生航行波浪,产生这种波浪的能量是潜艇供给的,相当于增加了潜艇的航行阻力,这就是兴波阻力。不同外形的潜艇,其兴波阻力也不同。

核潜艇圆头水滴形艇体

形状阻力:潜艇是一个曲面体,不同的形体与水之间产生的阻力也会不同。

摩擦阻力:当潜艇在水中运动时,由于水具有黏性,潜艇周围有一薄层水被带动随同运动,产生对潜艇的拉扯力,这个力就形成了摩擦阻力。摩擦阻力与艇体的浸湿表面积有关——当潜艇的长宽比一定时,相同的横剖面积下圆的周长最短,所以采用横剖面越圆的潜艇,潜艇浸湿面越小,使绕流均匀对称,有利于防止产生局部流体分离现象,从而使摩擦阻力减小。另外,摩擦阻力的大小与海水密度、潜艇航速、潜艇的表面光顺程度成正比。如果潜艇表面有过多的开孔(如流水孔等),或表面比较粗糙(如油漆凹凸、焊缝不平、消声瓦脱落等),或有局部突出物(如栏杆、天线、救生浮标等),都会破坏潜艇表面的局部流线,使潜艇摩擦阻力增加。

附属体阻力:主要由艏艉舵、指挥台围壳、稳定翼、特种装置和超出主体线型之外的导流罩等附属体造成的阻力。

空气阻力:潜艇在水面航行时,水面以上部分的艇体、上层建筑和指挥台围壳等会受到空气阻力,但它占总阻力的比例很小,可忽略不计。

美国“海神”号核潜艇尖削的常规外形(www.xing528.com)

一艘在水面高速航行的“长尾鲨”级核潜艇

大部分常规潜艇和早期核潜艇的水下最大航速往往小于水面最大航速,这是因为过去的潜艇在水面航行的时候多,艇体的艏部形状多做成类似于水面舰艇的尖削形状或扁楔形状,尾部也是扁的,与圆形的横剖面相差较大,我们在这里称其为常规型艇体。这种艇体可最大限度减小前进中的兴波阻力,最适合在水面航行。然而一旦到了水下,尽管没有了兴波阻力和空气阻力,但摩擦阻力、形状阻力剧增,并大大超过在水面航行时的各种阻力。所以,同样在最大航速时,水下航速反而小于水面航速。如美国早期的“海神”号对空预警核潜艇,采用的就是典型的常规型艇体,艏部显得较扁,水下最大航速仅为20 节,而水面最大航速可达到27 节。

那么,为何现代潜艇的水下航速远远高于水面航速呢?

现代潜艇(特别是核潜艇)在水下逗留的时间往往比水面长,战场基本在水下,所以必须提高水下航速。为了达到这一目的,现代潜艇的外形一般都做成水滴形状,现在绝大部分核潜艇的形状都是水滴形,而越来越多的常规动力潜艇也已经采用水滴形了。潜艇在水下没有兴波阻力和空气阻力,水滴形状的流线型使其在介质中的运行速度最快,摩擦阻力和形状阻力最小。目前,航速最高的核潜艇可达到40 节以上。但它不适合水面航行,一旦到了水面,兴波阻力就占了上风(主导地位),所以水滴形潜艇在水面却“开不起来”。

知识卡

节,英文knot,单位符号kn,是一个专用于航海的速度单位。海里是航海上的长度单位,每小时航行1 海里的速度叫作1 节,也就是每小时行驶1 852 米。“节”原指地球子午线上纬度1 分的长度,由于地球略呈椭球体状,因此在不同纬度的1 分其弧度略有差异。在赤道上1 海里约为1 843 米;在纬度45°约为1 852.2 米,在两极约为1 861.6 米。1929 年,国际水文地理学会议通过以1 分的平均长度1 852 米(或6 076.115 英尺)作为1 标准海里长度,目前已为国际上所采用。

有的常规潜艇为了顾及水面航行性能,又要提高水下快速性,就把水滴形潜艇的尖艉和常规型的扁艏结合起来,使航行特性介于这两者之间:即水面航行性能优于水滴形,水下航行性能优于常规型。这种潜艇被称为过渡型潜艇。

为了提高现代水滴形潜艇水下航速,各国还采取了不少措施:如尽量把指挥台围壳做得又矮又圆滑,俗称“小卧车型”或“飞机舱盖型”;在艇体的外表面铺设一层消声瓦,既起到吸收声波的作用,又保持了表面光顺;给所有的开孔都加上盖子,使潜艇的线型保持连续;把凸起物尽量做成可收缩的,不用时可缩进艇的外壳里或临时拆除等。

据悉,有的国家为了进一步降低潜艇在水下的摩擦阻力,采用了将一种聚合体喷到潜艇的外表面的方法,可使潜艇的航速有望突破60 节。

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