潛艇在水下如何轉向？尾舵卡住會發生什麼？

2024年1月10號紐博特紐資造船廠發佈了美國新一代戰略核潛艇哥倫比亞級首艦哥倫比亞號的船尾圖片 與常見的十字型尾舵不同啊 圖片顯示了哥倫比亞級獨特的X型尾舵 X型尾舵上一次出現在美國潛艇上 還有追溯到上世紀60年代的研究型潛艇大清花魚號潛艇 那麼X型尾舵相比於傳統的十字型尾舵有什麼區別 讓美國海軍在時隔60餘年之後重新選擇了它 今天大兵呢 就跟兄弟們聊聊這個話題 尾舵呢 是一艘潛艇的重要組成部分 它通過自身舵面的轉動 賦予潛艇在水下靈活機動的能力 而當今世界上所有的潛艇採用的尾舵呢 大致可以分爲兩種 即十字型尾舵和X型尾舵 這兩種尾舵是各有優劣 而世界各國的選擇也有所不同 十字型尾舵 即四個舵面 呈現十字型的尾舵 上下和左右 分別形成一個垂直方向的大舵面和水平方向的大舵面 上下兩個舵面所形成的垂直舵面 可以幫助潛艇在水平方向上機動 舵面向左轉就可以讓潛艇向右移動 而舵面向右轉則可以讓潛艇向左移動 這樣潛艇就獲得了在水下轉向的能力 但是潛艇也不能一直維持在同樣的深度 有時候需要上浮 有時候需要下潛 在潛艇需要做這種垂直機動時 有左右兩個舵面組成的水平舵面就可以發揮作用了 舵面向下轉 潛艇就向上移動 舵面向上轉 潛艇就向下一動 簡單來說呢 就是豎着的兩片控制左右偏航 橫着的兩片控制上下俯仰 而X型舵面的工作方式和十字型舵面既有相同之處 又有它自身的特點 相同之處在於都是通過改變舵面的偏轉方向來讓潛艇獲得上下左右轉向的能力 不同之處則在於X型舵面的四個小舵面並不處於水平或垂直方向上 它的俯仰和航向的是偶合在一起的 也就是偏轉任何一個舵面都會同時在垂直和水平方向上產生一個力矩 所以不管是潛艇需要上下移動 還是左右轉向 都需要四個舵面同時偏轉 十字型尾舵和X型尾舵各自都有其優勢和劣勢 十字型尾舵的優點之一呢 是它的結構簡單 非常容易設計和製造 四片小舵面只需要保證垂直和水平的角度即可 不需要複雜計算 而十字型尾舵控制航向的方式也相對簡單 所以相應的控制算法和軟件的設計也比較容易 甚至可以直接通過人力來操作 這樣即便是技術水平不高的國家也能夠順利的製造 而十字型尾舵還有一個隱藏的優勢 那就是破冰 這個優勢主要體現在戰略核潛艇上 戰略核潛艇作爲三位一體核力量中的重要組成部分 是發起二次核反擊的重要手段 因此對於戰略核潛艇來說 自身的隱蔽和對敵人的威懾是最重要的 而在地球上的衆多大洋之中 能夠完美符合這個條件的只有被冰覆蓋着的北冰洋了 在戰略核潛艇需要上浮以及完成反擊任務時 十字型尾舵得益於上舵面垂直於冰面 它在於冰面接觸時的受力面積更小 能夠承受的力更大 因此 在破冰時比X型尾舵更不容易受損 所以美國和俄羅斯兩國戰略核潛艇大多數都採用了十字型尾舵 看到這兒呢 有兄弟可能會問 那美國的新一代戰略核潛艇哥倫比亞級怎麼就用了X型尾舵呢 要聊這個問題啊 我們帶來先從十字型尾舵的缺點和X型尾舵的獨特優勢說起 首先呢 是安全冗餘度 因爲十字型舵面的每個舵面只能控制一個方向 所以一旦水平或者垂直方向上有任何一片舵面出現卡舵 即舵面卡死在某一偏轉角度的問題時 所造成的力矩會使潛艇處於偏航狀態 爲了讓潛艇維持平衡 同一方向的另一片舵面就必須做出大角度調整 即維持在卡舵舵面的同角度反方向 而如果同一片舵面卡死在最大角度上 那麼與它同一方向的另一舵面就必須維持在反方向的最大角度 才能保證潛艇平衡 此時的潛艇呢 就完全喪失了機動性 而如果不幸遇到雙舵卡舵 那麼十字型尾舵潛艇就會徹底喪失改變方向的能力 潛艇要麼是向下 在短時間內超過極限深度 要麼是向上 在水中或者水面物體相撞 這兩種情況啊 都會造成嚴重的安全事故 甚至是停毀人亡 而X型尾舵的四個尾舵可以獨立轉動 並且每個舵面都具有水平舵和垂直舵的雙重功能 這就使得X型尾舵的潛艇在遇到卡舵時 擁有比十字型尾舵更多的安全冗餘 打個比方 如果使用X型尾舵的潛艇遇到前面說的單舵卡舵的情況 那麼潛艇還有三個尾舵可以控制潛艇航行 對潛艇的機動性和安全性影響不大 當發生雙舵卡舵時 X型尾舵潛艇還可以通過操作反向舵面來維持潛艇的航向和航速 這像十字型尾舵發生單舵卡舵時一樣 所以啊 與十字型尾舵相比 它的安全冗餘度更高 發生卡舵現象時事故概率更低 在安全性的優勢十分突出 其次是尺寸問題 十字型舵面的尺寸普遍要比X型舵面更大 一般呢 都要超過潛艇耐壓殼體的直徑 在水下容易因刮碰而損壞 一旦損壞 潛艇就會直接損失某個方向的轉向能力 對於潛艇安全會造成嚴重威脅 而X型尾舵一般小於潛艇耐壓殼體的直徑 所以比十字型尾舵更不容易出現碰撞現象 尤其是對於經常近海作戰的常規潛艇來說 近海海域的水下環境相比遠海更加複雜 水下突出物也更多 並且呢 近海作戰的潛艇經常會要使用一種坐底戰術 就是將潛艇停靠在海底 隱蔽伏擊敵人的戰術 在使用這種戰術時 由於十字型尾舵的下方垂直舵面基本都是要超過潛艇耐壓殼體的直徑 所以非常容易與海底發生碰撞 導致損害 這也使得一些國家對十字型尾舵進行了改進 比如說法國的魷魚級 就把潛艇的垂直舵設計成了上長下短 使下方的垂直舵面不超過潛艇耐壓殼體的直徑 但這並不能從根本上解決十字型尾舵的固有缺陷 而且在性能上 十字型尾舵的舵效也要落後於X型尾舵 當潛艇水平機動時 常規的十字型尾舵只有上下兩面垂直舵面起作用 而當潛艇垂直機動時 十字型尾舵也只有左右兩個水平舵面起效果 相反的 X型尾舵的全部四個舵面都具有水平舵和垂直舵的雙重功能 而且因爲X型尾舵佈置在潛艇尾部的對角線上 在不超過潛艇耐壓殼體尺寸的情況下 舵面可以做得更長 因此舵效要比十字型尾舵高出30%-40% 這意味着 在航速和舵角相同的情況下 X型尾舵可以帶給潛艇更大的縱向傾角和深度變化率 這使得潛艇在垂直面和水平面的機動能力都得到了提升 另外 潛艇在垂直機動時 其主要作用呢 是潛艇的違殼舵和守水平舵 違殼只是輔助作用 違殼主要在潛艇水平機動時發揮作用 而對於潛艇來說 水下的水平機動能力要比垂直升降能力更爲重要 這也進一步放大了X型尾舵對潛艇機動性能的提升 所以不管是從潛艇的機動性還是安全性上來說 X型尾舵呢 都要比十字型更有優勢 但是X型尾舵也並非沒有缺點 早期呢 它主要是用在排水量不高的中小型潛艇上 比如德國的212a型潛艇 澳大利亞的科林斯級潛艇以及以色列的海豚潛艇 這種現象呢 其實就是X型尾舵的缺點的體現 前面我們說了X型尾舵的高舵效 但是伴隨高效率而來的就是極高的複雜性 由於它的四個尾舵都具備垂直舵和水平舵的雙重功能 因此X型尾舵的四個舵面在潛艇機動時必須相互配合 同時運動以完成潛艇的轉向操作 而且舵面的調整必須十分精準 否則就會影響其餘的舵面 產生連鎖反應 因此X型尾舵對操作系統的要求非常高 相應的 它的成本也非常之高 所以很多國家早年間呢 只在中小型潛艇上使用它 而對於美國海軍來說 提升自身水下核威懾能力和二次核反擊能力是一件可以不惜成本的事情 所以 隨着計算機技術和自動控制技術的發展 在X型尾舵複雜操作的問題得到解決之後 美國海軍在自己最新銳的戰略核潛艇上 使用了各方面性能都是要優於十字型尾舵的X型尾舵也就順利成長了 潛艇的尾舵對潛艇的機動性和安全性起着關鍵作用 在未來新型潛艇的設計研製中一定會佔據着重要地位 隨着世界各國潛艇技術的進一步發展 相信不止於十字型和X型 更多各式各樣的潛艇尾舵都會出現在我們的視野之中 我是大兵 我們下期視頻再見