03.16 单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

现阶段大部分潜艇的推进方式,主要是依靠螺旋桨的旋转作用,让桨叶拨水向后,然后自身受到水的作用力,产生推力推动潜艇前进。潜艇主机产生的扭矩通过传动轴传递到螺旋桨上,桨叶再把这个作用力矩作用在水中,以克服水的阻力,使螺旋桨旋转拨水;同时,根据力的相互作用,水必然会产生一个大小相等方向相反的反力作用在桨叶上,以阻止螺旋桨的旋转,这个力就是反扭力(反扭矩)。

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

单螺旋桨飞机的反扭力

反扭力通过传动轴传递到主机,再由主机座传递到潜艇上。反扭力施加给潜艇一个倾覆的力矩,使潜艇具有倾斜的趋势,造成潜艇的翻滚。这个问题对于多桨的潜艇,以及共轴对转桨的潜艇来说,可以通过多桨的反向旋转来抵消这个力,消除这些问题。但是对于大多数潜艇来说,都是采用的单机单桨形式,那么单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消掉这个反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

共轴对转能有效消除反扭力

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消掉反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

潜艇的稳性作用:

关于这个问题还要从潜艇的稳性说起。潜艇的稳性包含浮在水面上的稳性以及没入水中的稳性,因为潜艇浮在水面上的稳性和船舶的稳性是一致的,加上潜艇主要在水下活动,所以我们主要讲没入水中的稳性。

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

潜艇水下航行

潜艇在没入水中要保持一种稳定的姿态,在受力上就必须要达到一种稳定平衡。为此,我们在设计潜艇时,要使潜艇的重心G在浮心B之下。这样,当潜艇发生倾斜时,重心G和浮心B不再位于同一垂直线上(如下图),因而浮力和重力形成一个力偶,使潜艇回复到原来的平衡位置。

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

潜艇的稳定平衡和不稳定平衡

这个使潜艇回复到原来的平衡位置的力偶,我们称之为复原力矩。复原力矩的大小随着潜艇的倾斜角度的增大而增大,当潜艇的倾斜角度达到90度时,复原力矩达到最大。因为有这个力矩的存在,当潜艇螺旋桨的反扭力造成潜艇倾斜的时,随着倾斜角度的增大,复原力矩也增大,直到复原力矩等于反扭力的时候达到平衡。因此,我们在设计潜艇时,只要稳性达到一定的要求,使最大的复原力矩大于螺旋桨的反扭力,那么单螺旋桨的潜艇,螺旋桨在运转时就不会翻滚了。

潜艇水舱的作用:

虽说复原力矩的存在保证了潜艇螺在运行时不会翻滚,但是潜艇还是会发生倾斜。潜艇的倾斜并不是好事,为此我们要消除它。消除潜艇倾斜最好的办法,就是通过对潜艇水舱的调节,使其达到平衡的要求。

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

潜艇水舱

潜艇舵的作用:

其实除了潜艇的稳性以及水舱调节,潜艇的舵(包括水平舵和尾舵等)也是一种有效的保证潜艇不翻滚,维持潜艇姿态的有效办法。例如,潜艇的舵就像一对翅膀,通多调整舵的角度来产生一定的力矩,这个力矩就可以用来抵消潜艇的反扭力,保证潜艇不翻滚,维持潜艇姿态。事实上,潜艇的舵,除去操控的作用,其最大的作用是用于潜艇瞬时态的调整。例如,潜艇螺旋桨的加速和减速,势必会破坏现有的平衡,而造成潜艇的晃动。对于潜艇这种瞬时态的变化,水舱无法快速有效的做出调节,而舵则可以通过控制系统快速的做出反应,以减少潜艇瞬时态的变化造成的不利影响。

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

潜艇的尾舵

新型推进器的应用:

除了以上讲的这些外,采用新型的推进器,也是一种有效消除反扭力的办法。例如,现在新型潜艇采用的泵喷推进器。当泵喷推进器采用了后置导轮式,就可以通过后置导轮的导流用,使流体的旋转运动转换成向后的运动,以消除反扭力。

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

后置导轮的泵喷推进器

最后关于网上的一些解释,说一些看法

笔者在写这篇文章之前,也有在网上查阅过这个问题,看到不少人解释说:潜艇不会翻滚是因为螺旋桨转速低。就关于网上的这个解释,笔者想发表自己的一些看法。潜艇为了减少螺旋桨的振动和噪声,提高隐身性能,在保证航速的情况下,一般采用大直径低转速的大倾斜七叶桨。低转速能有效减小螺旋桨的振动和噪声,并不代表就能减小螺旋桨的反扭力。我们知道,潜艇要满足一定的航速要求,其推进器就必须要达到一定的功率。而对于推进器来说,根据公式可知:功率一定的条件下,转速低则扭矩大,转速高则扭矩小;同时根据力的相互作用又可知:扭矩等于反扭矩。那么也就意味着螺旋桨的转速低了扭矩就变大了,反扭力也就变大。而反扭力是造成潜艇翻滚的重要因素,用螺旋桨低转速来解释潜艇不会翻滚,岂不是自我矛盾呢?

单螺旋桨的潜艇是靠什么来抵消反扭力,而使潜艇不至于翻滚的呢?

某型潜艇的螺旋桨

作者:小船人的梦想 2019年3月16号


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