一般来说,头部越尖锐的物体受到的阻力就越小,像大多数的鱼类头部造型就是如此。
但为什么现在所有潜水艇的头部却设计成了受力更广的圆钝形呢?
潜艇小到可以用来勘探一些水下的资源,维修一些海底的电缆和抢救财物,大到可以攻击敌军的军舰、突破敌军的封锁线,是一种常用的军事武器。
特别是如今的核潜艇,更是三位一体核打击水下部分的最重要一环,对于一个国家来说具有战略性的地位。所以,很多国家都特别看重对潜艇的研究。
而我们现在看到的潜艇外形,通常都是头部呈圆钝形,然后一直以圆润的姿态延伸到潜艇的中间部位,后半部分直到尾部都是往里收缩的态势,最后的尾部会比头部要尖锐得多,远远看上去,有点像是一个大型的水滴形状。
然而如今潜艇的这个外形,其实是经历了多个阶段的升级改进而来的,在一开始,它的形状和现在相比可以说是大相径庭。
最初的潜艇其实就是根据水面舰艇照葫芦画瓢设计而来,都采用的是剪刀型的舷首,外形也大差不差,不过就是加了一个可以控制水面压力的装置,用来起到上浮和下沉的目的。
这样的潜艇形状利弊也很明显,虽然像水上航行速度快等水上舰艇该有的优点它几乎都有,但是我们设计的是潜艇,只要求水面上快的话,那干嘛不直接设计水上舰艇?
而且水上快,不代表水下就快,这样设计的潜艇在水下受到的阻力会很大,就和“乌龟爬”无异,连7节的速度都达不到,所以很快就被弃之不用。
之后,美国的鹦鹉螺号核潜艇就采用了钝头直首柱这样的设计,虽然这看上去棱角分明,有很强的运动感,但是效果依然不是很好。
不仅速度没有提升多少,超过7节,噪音还大到能够干扰声呐和雷达系统,这样潜艇的匿踪作用就丧失了,很明显这种外形也不可取。
后来,美国又经过数年的研究,于1953年设计了类似于大钝头水滴形的大青花鱼号潜艇。
水上有25节速度,水下比水上还要快,速度超过了30节以上,往后的鲣鱼号以及华盛顿级都采用了这种外形。
其它国家也陆续开始抄作业,久而久之就发展成为了现在全世界通用的圆钝头水滴形尾部的潜艇形状。
水下大*器潜水艇,为什么要采用看起来比较笨重的圆钝头设计,而没有选择更快的鱼头形状呢?
圆钝头设计到底有何优点?
其实不止是潜艇,有很多能够作用于水下的军事武器,像是水下子弹和潜射导弹等,其首部基本都被设计成了圆钝形,这是因为圆钝形的头部设计在水下受到的阻力会更小。
因为在水下受到的阻力大约是在空气中的800倍左右。并且在水下,物体一般受到两种力的作用,一种是摩擦阻力一种是粘压阻力。
如果采用了尖头的设计,它头部在受到水下阻力的一瞬间,确实是最小的,但是这仅仅局限于潜艇头部的位置。
因为受力面积小,所以阻力都流往了面积更大的潜艇后半部分,这样就会导致后半部分在巨大阻力的作用下寸步难行。
甚至严重的,还有可能令潜艇发生翻转,在这其中,潜艇所受的阻力起主要作用的是摩擦阻力。
而要是潜艇采用了钝头的设计,因为头部已经承受了绝大部分的摩擦力,像一个鸡妈妈一样把身后的小鸡都保护得好好的,所以整体承受的摩擦力很小。
但是,因为钝头设计前后部位的锥度相差太大,导致水流都被头部冲开,则会导致低压涡流区更明显,所以受到的粘压阻力就更大。
于是这个问题就转换为了摩擦阻力和粘压阻力谁强孰弱的问题。
而事实则证明,采用钝头设计更胜一筹。
因为流体的摩擦力是固有的,人体很难轻易改变。
但我们却可以通过增加潜艇长度和直径的比例,将尾部设计成流线型,减小潜艇尾部的锥度,从而起到降低粘压阻力的效果。
所以,设计成圆头,不但没有加大水流的阻力,反而减少了阻力,从而让其能够在水中拥有更快的速度。
如今潜艇都设计成圆头,不仅是因为圆头能够在水下具有更小的阻力,还有着多方面的考量。
那你知道圆头设计还有什么好处吗?这种设计真的没有弊端吗?
对于一艘潜艇来说,声呐就像是它的眼睛一般,是其必不可少的一部分。
然而,声呐的尺寸一般都较大,所以潜艇的圆形头部就是它的绝佳的安置位置。
这是因为这种圆钝型的头部配合圆柱形身体的布局更加合理,能够充分利用潜艇内部的空间,从而让潜艇可以搭载数量更多的电子仪器以及携带更多先进、庞大的导弹。
例如“巨浪3”、“战斧”等潜射战略导弹,提升潜艇的整体作战能力。
此外,这样的设计因为减小了潜艇在水下的阻力,所以驾驶员在操控的时候更加得心应手,保证潜艇能够在深海高效率地完成工作。
当然,这样的设计肯定也有一定的弊端。
例如,因为圆头设计注重于水下的阻力和航行速度等问题,从而忽视了在海面上的安全性。
这种潜艇在海面上抗大风和海浪风险的能力是远远不如海上舰艇的。
并且,这会导致潜艇的自卫能力变差,很容易受到空中力量的打击。
不过总而言之,经过了几十年的发展和研究,对于AIP潜艇、核潜艇以及大部分常规潜艇来说,圆头的设计是最符合潜艇在水下作业要求的,它依旧会是之后潜艇外形设计的主流。
不过实践出真知,可能在一次次验证后,在未来还会有更适用的潜艇外形,让我们拭目以待吧!
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