03.16 單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

現階段大部分潛艇的推進方式,主要是依靠螺旋槳的旋轉作用,讓槳葉撥水向後,然後自身受到水的作用力,產生推力推動潛艇前進。潛艇主機產生的扭矩通過傳動軸傳遞到螺旋槳上,槳葉再把這個作用力矩作用在水中,以克服水的阻力,使螺旋槳旋轉撥水;同時,根據力的相互作用,水必然會產生一個大小相等方向相反的反力作用在槳葉上,以阻止螺旋槳的旋轉,這個力就是反扭力(反扭矩)。

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

單螺旋槳飛機的反扭力

反扭力通過傳動軸傳遞到主機,再由主機座傳遞到潛艇上。反扭力施加給潛艇一個傾覆的力矩,使潛艇具有傾斜的趨勢,造成潛艇的翻滾。這個問題對於多槳的潛艇,以及共軸對轉槳的潛艇來說,可以通過多槳的反向旋轉來抵消這個力,消除這些問題。但是對於大多數潛艇來說,都是採用的單機單槳形式,那麼單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消掉這個反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

共軸對轉能有效消除反扭力

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消掉反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

潛艇的穩性作用:

關於這個問題還要從潛艇的穩性說起。潛艇的穩性包含浮在水面上的穩性以及沒入水中的穩性,因為潛艇浮在水面上的穩性和船舶的穩性是一致的,加上潛艇主要在水下活動,所以我們主要講沒入水中的穩性。

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

潛艇水下航行

潛艇在沒入水中要保持一種穩定的姿態,在受力上就必須要達到一種穩定平衡。為此,我們在設計潛艇時,要使潛艇的重心G在浮心B之下。這樣,當潛艇發生傾斜時,重心G和浮心B不再位於同一垂直線上(如下圖),因而浮力和重力形成一個力偶,使潛艇回覆到原來的平衡位置。

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

潛艇的穩定平衡和不穩定平衡

這個使潛艇回覆到原來的平衡位置的力偶,我們稱之為復原力矩。復原力矩的大小隨著潛艇的傾斜角度的增大而增大,當潛艇的傾斜角度達到90度時,復原力矩達到最大。因為有這個力矩的存在,當潛艇螺旋槳的反扭力造成潛艇傾斜的時,隨著傾斜角度的增大,復原力矩也增大,直到復原力矩等於反扭力的時候達到平衡。因此,我們在設計潛艇時,只要穩性達到一定的要求,使最大的復原力矩大於螺旋槳的反扭力,那麼單螺旋槳的潛艇,螺旋槳在運轉時就不會翻滾了。

潛艇水艙的作用:

雖說復原力矩的存在保證了潛艇螺在運行時不會翻滾,但是潛艇還是會發生傾斜。潛艇的傾斜並不是好事,為此我們要消除它。消除潛艇傾斜最好的辦法,就是通過對潛艇水艙的調節,使其達到平衡的要求。

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

潛艇水艙

潛艇舵的作用:

其實除了潛艇的穩性以及水艙調節,潛艇的舵(包括水平舵和尾舵等)也是一種有效的保證潛艇不翻滾,維持潛艇姿態的有效辦法。例如,潛艇的舵就像一對翅膀,通多調整舵的角度來產生一定的力矩,這個力矩就可以用來抵消潛艇的反扭力,保證潛艇不翻滾,維持潛艇姿態。事實上,潛艇的舵,除去操控的作用,其最大的作用是用於潛艇瞬時態的調整。例如,潛艇螺旋槳的加速和減速,勢必會破壞現有的平衡,而造成潛艇的晃動。對於潛艇這種瞬時態的變化,水艙無法快速有效的做出調節,而舵則可以通過控制系統快速的做出反應,以減少潛艇瞬時態的變化造成的不利影響。

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

潛艇的尾舵

新型推進器的應用:

除了以上講的這些外,採用新型的推進器,也是一種有效消除反扭力的辦法。例如,現在新型潛艇採用的泵噴推進器。當泵噴推進器採用了後置導輪式,就可以通過後置導輪的導流用,使流體的旋轉運動轉換成向後的運動,以消除反扭力。

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

後置導輪的泵噴推進器

最後關於網上的一些解釋,說一些看法

筆者在寫這篇文章之前,也有在網上查閱過這個問題,看到不少人解釋說:潛艇不會翻滾是因為螺旋槳轉速低。就關於網上的這個解釋,筆者想發表自己的一些看法。潛艇為了減少螺旋槳的振動和噪聲,提高隱身性能,在保證航速的情況下,一般採用大直徑低轉速的大傾斜七葉槳。低轉速能有效減小螺旋槳的振動和噪聲,並不代表就能減小螺旋槳的反扭力。我們知道,潛艇要滿足一定的航速要求,其推進器就必須要達到一定的功率。而對於推進器來說,根據公式可知:功率一定的條件下,轉速低則扭矩大,轉速高則扭矩小;同時根據力的相互作用又可知:扭矩等於反扭矩。那麼也就意味著螺旋槳的轉速低了扭矩就變大了,反扭力也就變大。而反扭力是造成潛艇翻滾的重要因素,用螺旋槳低轉速來解釋潛艇不會翻滾,豈不是自我矛盾呢?

單螺旋槳的潛艇是靠什麼來抵消反扭力,而使潛艇不至於翻滾的呢?

某型潛艇的螺旋槳

作者:小船人的夢想 2019年3月16號


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