潜艇舵面设计分歧

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　　从20世纪初潜艇诞生以来，世界各国建成的军用潜艇约6100艘。由于影响潜艇性能的因素太多，设计师只能根据各国具体要求优化设计，因此，各国潜艇的形态没有重样的，我们将围绕这些设计分歧做一些探讨。
　　
　　艏水平舵：装在艇艏还是装在围壳?
　　
　　艏水平舵几乎是与现代潜艇同步问世的。从舵的作用来说，艏水平舵应该尽量布置在潜艇艏部的前端，并且位于艇体的纵向轴线上。潜艇在水下航行中利用艏水平舵时，会对周围的水流产生很大扰动，因此设计师必须尽一切努力避免艏水平舵布置在声呐附近，并应对艏水平舵采取防振隔声措施。
　　由于这些原因，有时设计师并不把艏水平舵布置在它的最佳位置，而是使其稍远离潜艇艏端，或者上移。比如布置在耐压艇体上方的上层建筑的艏端。这种布置方式虽然避免了对声呐的干扰，却产生了水动力学方面的负面效应。特别是当艏水平舵远离艇体的纵向轴线时，将破坏水流的平稳，形成涡动，进而对艏水平舵自身的性能造成不利。潜艇设计师这样做也是无奈之举。
　　艏水平舵一般位于潜艇水线之上，当潜艇处于水面状态时，艏水平舵露出水面。潜艇设计师在布置艏水平舵时，仅仅把可动舵板和支撑结构露出艇体之外，而驱动装置、轴系、曲轴等部分布置在艇内。艏水平舵收叠起来也要占用艇艏一部分较大空间。之所以用收放式结构，一个原因是在水面状态航行时避免波浪的影响，另一个是靠泊码头或靠近另外一艘舰艇时防止受损。二十世纪六十年代以前的潜艇还没有采用水滴形，艇体都较窄，艏水平舵向外突出较多。加之潜艇都较矮，码头岸壁一般都高于潜艇，艏水平舵很容易撞坏，因此必须能收放。具体收放方式有三种：一是直接向上折，现已很少采用；二是水平向前或向后旋转收进去，为现在多数潜艇采用；第三种是直接向艇内平缩进去，就像天线收放那样，但舵板长度受制约，目前很少采用，德国的206型潜艇是这种方式。后两种方式的舵板缩进去后，艇体外表只是有一个窄缝，带来的涡流及噪声的问题远小于艇上其它窗口，因此外面都没再设置活动盖板。
　　1955年，美国海军率先在“鲣鱼”级攻击型核潜艇上采用了围壳舵。实际上就是把艏水平舵同时向后和向上移动，布置在指挥台围壳两舷侧。之所以到这时才出现围壳舵，是因为从这个时期起，潜艇桅杆数量开始增加，围壳体积被迫增大，客观上为容纳水平舵提供了条件。
　　美国在“鲤鱼”级上采用围壳舵的原因有许多。一是，潜艇在准备潜航时，必须把艏水平舵伸出或从折叠状态打开，收放机构和转动机构使得艇员的操作程序烦琐，增加了工作负荷。另外，当潜艇下潜之际，艏水平舵常发生故障而伸不出来。而围壳舵是固定在指挥台围壳上的，驱动机构不复杂，既可减少潜艇下潜准备工作量，又可避免出现不必要的故障。
　　采用围壳舵的原因之二是，当潜艇在水下使用被动声呐时，艏水平舵的动作产生的噪声会造成干扰。围壳舵不会干扰艏部声呐的工作。另外，围壳舵向两侧伸出的宽度没有超过潜艇的最大宽度，所以凡是带有围壳舵的美国潜艇，当其与其它船只相撞或停靠码头时，从来没有围壳舵因碰撞而损坏。美国潜艇的经验表明，围壳舵虽然面积较小，但它仍能对处于水下的潜艇实施有效控制。
　　围壳舵的不足是，潜艇破冰上浮时，至少要保证指挥台围壳露出冰面，尽管围壳舵可转动90°，但仍可能被撞坏。
　　从降低水下航行阻力的角度说，潜艇指挥台围壳越小越好。围壳内布置有各种升降桅杆、通气管装置和潜望镜。如果安装围壳舵，围壳必须保持足够强度，还要布置舵板转动机构。这样，本来已经十分拥挤的围壳内部空间就受到影响，设计师不得不把围壳尺寸加大。美国“鲟鱼”级核潜艇就是典型。美国很重视这级核潜艇在侦察方面的性能，把北极海域作为它的主要活动海区之一。“鲟鱼”级核潜艇围壳舵的转动靠一套完整的液压驱动机构、连杆和摇杆装置。为了布置这套机构，围壳增大了许多，这会降低航速。在水下高速航行时，指挥台围壳由于水流的作用形成一个偏转力矩，使艏部上抬，造成潜艇在水下的不利纵倾，航速越高偏转力矩越大，艏部上抬就越严重。
　　此外，由于围壳舵位置较高，当潜艇在接近海面的水下航行时，受海面波浪的影响更大一些，增加了潜艇保持潜望镜深度的难度。在水面状态航行需要快速下潜时，围壳舵不能立即发挥作用，增加了下潜时间。
　　围壳舵的流场对尾部推进器也有影响，因此围壳舵设置得越往前，这种影响就越小。“苍龙”级就是这种设计。前移这两三米对于围壳舵至艇尾五六十米的距离来讲似乎影响不大，但在潜艇设计上，提高百分之～的性能也是应该争取的。不过，指挥台围壳内部越往前宽度越小，不便对围壳舵根部进行结构加强。
　　各国海军对潜艇艏水平舵直到今天仍存在认识分歧。法国在二战后共造了9型60艘潜艇，46艘常规潜艇全部采用传统艏水平舵，14艘核潜艇则全部采用围壳舵。苏联在二战后共造33型751艘潜艇：常规11型507艘，攻击型核潜艇和巡航导弹核潜艇15型152艘，全部为传统艏水平舵设计；战略核潜艇7型92艘，除“台风”级和H级的14艘为传统艏水平舵，其余78艘为围壳舵。法国和苏联既采用围壳舵，也用传统艏水平舵，反映出这两个国家海军对不同型号潜艇性能要求不同而采取的灵活处理方式。
　　英国二战后的潜艇特别是核潜艇的发展对美国是亦步亦趋，但是在艏水平舵方面保持了独立性。二战结束以来，英国共造了11种71艘潜艇，其中常规41艘，核潜艇30艘，没有一艘用围壳舵，全部是传统艏水平舵。英国的战略核潜艇和攻击型核潜艇都在北大西洋活动，要遇到破冰上浮情况。而法国的核潜艇活动海域比英国偏南。英国不用围壳舵的另一个原因是光电技术落后于美国，潜望镜桅杆要比美国粗，使得指挥台围壳内更加拥挤。
　　美国自“鲣鱼”级核潜艇后，“洛杉矶”级也采用围壳舵。“洛杉矶”级在设计中为降低水下航行阻力，指挥台围壳设计得比较低矮，然而却带来了意想不到的负面影响。“鲟鱼”级核潜艇指挥台围壳具有很大的高度，围壳舵可自由地转为垂直状态。而“洛杉矶”级的围壳舵无法转到垂直状态，仅凭这点就难以在北极海域作战。到了20世纪80年代，潜艇在北极浮冰下作战能力受到各国高度重视，并且此时“鲟鱼”级逐步退役，美国海军可在北极活动的主力核潜艇日益减少。为适应此形势，美国只好对已建成的“洛杉矶”级进行改进。从SSN－751“圣胡安”号到SSN－773“夏延”号这23艘改为可回收的 艏水平舵。
　　从美国核潜艇的设计原则来看，它的主流设计是采用围壳舵，但是当采用围壳舵的条件受到某些因素限制时，就采取非主流的艏水平舵。也可以看出来，潜艇艏水平舵的设计没有唯一选择。
　　这里附带提及的一个问题是：指挥台围壳能否变小7
　　美国海军的潜艇军官们甚至曾大力呼吁，取消指挥台围壳。从航行角度讲，指挥台围壳没有最好。它只会增加阻力和噪声，并使操纵性能下降。但为什么不能取消?首先，潜艇水面航行状态的指挥需要它，另外众多桅杆往哪里放?还有，俄罗斯的潜艇救生球就是放在指挥台围壳里的，艇员可集中在里面，通过围壳顶部的口盖放出去。如果没有指挥台围壳，只能放在艇内耐压壳里，实际上根本没地方，也不太可行。美国“弗吉尼亚”级核潜艇的很多模块化武器也是装在指挥台围壳内。很多潜艇上，一些声呐如测冰声呐也安装在围壳内，我们看照片可以看到很多潜艇围壳上有一些窗口。如果是透明的就是观察窗，如果不透明就是透声窗。以前的常规潜艇围壳内还有临时厕所，很受欢迎。
　　围壳没法取消，但设计得巨大也没有道理，有些艇还设计成阶梯状。可以讲，阶梯状围壳只有坏处而无好处，只会使流场恶劣。
　　
　　艉舵：十字还是X形?
　　
　　潜艇的艉舵由艉水平舵和艉垂直舵组成。艉水平舵被安装在尽可能靠近艇艉的位置上。在潜艇采用单螺旋桨的情况下，螺旋桨的桨轴位于潜艇艇体纵向轴线上，艉水平舵则通常位于紧靠螺旋桨前方的艇体艉锥上，与艇体的纵向轴线在同一水平面内。当潜艇处于水下状态时，艉水平舵主要对潜艇的俯仰姿态进行控制，但当潜艇在水下以较高速度航行时，艉水平舵不仅对潜艇俯仰进行控制，还使得潜艇产生上浮或下沉运动。因此，水下高速航行的潜艇仅用艉水平舵就可完成上浮或下沉操纵。必须使潜艇的艉水平舵具有很高的可靠性，以免出现失控下潜事故。
　　一般情况下，为了保证潜艇的上浮或下沉运动存在一定程度的动态稳定性，往往在潜艇的艉端设置尺寸相当大的艉水平舵。设计师还要考虑潜艇横向宽度，不希望艉水平舵的伸展超过艇体最大宽度。但有时为了使它效率更高，只好伸出艇体最大宽度之外。为保证安全，设计师往往把艉水平舵的一部分设计成结构很强，以便能承受潜艇在岸壁上横靠时产生的撞击。
　　为保证潜艇水下航行的安全和稳定，设计师通常根据潜艇在低速情况下的操纵需要来决定艉水平舵面积。在高速情况下，则限制艉水平舵的舵角。另外一种设计方案是把位于艇体纵向轴线两侧的襟翼各自均分成两部分，高速航行时只操纵其中的一对襟翼，低速时则同时操纵两对襟翼。但这种设计并不普遍。
　　在单螺旋桨潜艇上，艉水平舵往往被布置在艇体艉端螺旋桨的前方。这种情况下，艉水平舵不仅不能从推进器的尾流中获得益处，反而与艉垂直舵共同形成一个尾流进入推进器，导致螺旋桨桨叶的迎角发生变化。特别是艉舵偏转时会使尾流扰动增大，从而加剧螺旋桨产生的噪声和振动。为减少这种不利，设计师尽力使艉水平舵和艉垂直舵与后面的螺旋桨保持距离。
　　在只装备一个推进器的潜艇上，一般设置一对艉垂直舵。艉垂直舵主要控制潜艇的航行方向，因此又被称为艉方向舵。这一对艉垂直舵分别位于艉锥的上部和下部，与艉水平舵位置大体上对齐。艉垂直舵的总面积取决于潜艇航向动态稳定性的要求。为了使潜艇在水下灵活迅速回转，整个艉垂直舵都被设计成是可以活动的。由于潜艇的艉锥至龙骨线的距离有限，因此难以使位于艉锥下部的垂直舵提供很大的舵力。鉴于此，在把艉垂直舵分为上下两部分设置的形式中，普遍的做法是使上舵较高一些。当潜艇在水下航行时，这种艉垂直舵的操纵效果相当好，而且利用其不对称的构形产生的横摇力矩可以抵消指挥台围壳产生的力矩。但是，当港艇处于水面状态航行时，由于较大的上舵几乎完全露出水面，失去了操纵作用，因此导致潜艇操纵性能变得很差。
　　有些潜艇如“俄亥俄”级，其艉水平舵的两端还设有端板，它是固定的，不是起增加两片艉垂直舵的作用，而是用于增强航行时的稳定性。
　　潜艇艉部垂直舵及水平舵一般都是十字布置。除此还有些布置形式，较普遍的是X形布置。它可以使每个操纵面都有较大的长度而又不超过由艇体的最大宽度和高度构成的方形边界。
　　潜艇艉舵的效率主要是由舵板的长度和面积决定的。但为了避免与岸壁相撞，十字型尾舵的水平舵板的长度要受到限制，为防止坐沉海底时受伤，垂直舵长度也要受限制。上述两个因素影响了它的效率。但X形艉舵受到的限制就小，可充分提高效率。成45°角布置的艉方向舵与艉水平舵，每一对舵之间的动作是同步进行的，但是这两对舵的运动不同步。为了使得潜艇获得回转力或潜浮力，需要两对舵一起动作。
　　X形艉舵的另一个优点是，当潜艇水面航行时，处于下面的两个舵面可以完全发挥作用，因而改善了潜艇的水面操纵性能。还有一个优点则是，当一个舵杆被卡住时，可以改变另一对操纵面的角度，以消除潜艇的继续下潜或上浮运动，并且同时引起潜艇回转，从而使潜艇避免可能发生的危险的深度变化。X舵4个舵板与水平面和垂直面成45°布置，对敌人主动声呐发射的声波可较为有效地进行散射，减少反射强度。
　　X形艉舵的一个缺点是，它产生的垂直方向和水平方向的力都是对称的，导致分别独立地调节潜艇的回转／定向运动和潜浮／定深运动的动态稳定性和操纵性的余地很小。为避免这种情况，一个解决办法是为四个操纵面分别设置独立的操纵装置，但这种方法又增加了操纵伺服机构的复杂性。
　　从战后主要海军国家建造的各型潜艇看，美国、苏／俄、英法的潜艇，几乎全部采用十字形艉舵。但一些国家另辟蹊径，采用了X舵设计。
　　世界上最早在潜艇上采用X形艉舵的还是美国“大青花鱼”号试验潜艇。1959年，在“大青花鱼”号第三阶段试验期间，美国利用该艇专门进行了X形艉舵的试验。1968年美国对“洛杉矶”级进行前期论证时，一些专家认为，X形艉舵的优点已在“大青花鱼”号上得到验证，应该用于“洛杉矶”级。另外，X舵的操纵面要比一般的十字舵操纵面小一些，可以降低水下阻力。但到1969年确定“洛杉矶”级设计方案时，美国海军认为X形艉舵操作过于复杂，利用人力控制会增加艇员工作负荷，用计算机控制可靠性又不高。考虑到艉舵控制可靠性及潜艇的安全，此后美国核潜艇都用十字舵。
　　瑞典和荷兰在对X形艉舵作了改进之后，在“西约特兰”级、“哥特兰”级、“海象”级、“海鳝”级常规潜艇上都采用了X形艉舵。“海象”级的航行实践表明，X形艉舵与艇艏部的围壳舵相互配合使用，可以使潜艇获得良好的水下操纵性能，非常适用于浅水海域。近年来采用X形艉舵的国家呈现逐渐增多趋势。德国212和一部分出口型214型，日本“苍龙”级也采用了X形艉舵。
　　“苍龙”级的X形舵可以对4个舵板分别进行微控，这比瑞典、荷兰要先进。它的每一块舵板都能控制潜艇的航向和深度，某一组艉舵故障也不会产生严重影响。“苍龙”级的计算机可以对X形艉舵和指挥台围壳舵实施综合控制，具有出色的水下操纵性能。与“亲潮”级相比，“苍龙”级上X形艉舵的位置距艇艉较远，比“亲潮”级增加了约1.5米，因此流经艉舵的水流在到达螺旋架工作区时趋于平稳，有利于提高螺旋桨效率。
　　目前，潜艇的艉舵仍以十字形为主导，X舵在日渐增加，像214型潜艇就是X舵和十字舵都有，根据客户的需要而定。这说明潜艇艉舵的构形设计逐渐开阔了思路，今后可能有更多构形的艉舵出台，也说明潜艇设计从来就没有最佳标准。
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