[科普中国]-水动力操纵面

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潜艇操纵面是舵和稳定翼的总称。按控制潜艇运动的功能舵分为升降舵(水平舵)和方向舵(垂直舵)，舵是潜艇最重要又最方便的操纵装置。稳定翼是固定不动的操纵面，通常只布置在艇尾，水平稳定翼和垂直稳定翼，稳定翼具有加强潜艇直线稳定性的作用。舵在舵角为零时也起稳定翼的作用；也有垂直稳定翼和垂直舵合一的全动舵。若把控制航向和控制深度舵合二为一，则形成了20世纪70年代末出现的x形舵。按操纵面的纵向位置分为首操纵面和尾操纵面。2

首操纵面首操纵面：首舵、中舵与围壳舵

一般把位于潜艇水动力中心以前的各类型水平舵统称为首操纵面。此时转舵产生的舵力及其力矩作用效果相同。

水平舵的基本作用有三个方面：控制下潜、上浮和纵倾与深度。在近水面要求能准确地控制纵倾和深度，而在较大深度，控制深度的变化率比保持定深的稳定性更为重要。这些功能分解到首、尾水平舵是各有侧重的。目前首水平舵的基本功能可归结为：

(1)用于低速操纵，因为尾水平舵的逆速区约为2kn～3.5kn；

(2)克服近水面航行时，一定海况下的部分二阶平均波浪力，使潜艇能在规定的低速下保持潜望深度的定深航行；

(3)与尾水平舵联合作用加速潜浮(相对舵)，或作无纵倾变深或定深直航(平行舵)，或作定深回转运动。

首水平舵就其位置而言，可分为首端首舵(或称常规首舵)、中舵(如俄罗斯K级艇)和围壳舵。

尾操纵面尾操纵面：十字形、x型舵和其他新型尾操纵面

实践表明，主艇体和指挥室围壳由总布置确定后，设计好尾操纵面是潜艇获得良好操纵性的关键，尾操纵面的设置至今仍是人们研究的热点之一。

在常规尾型的桨后舵淘汰后，现代潜艇的尾型、螺旋桨和操纵面三者问的基本形式是“十”字形尖尾和“X”形舵。

十字形尾操纵面是指：尾水平舵和水平稳定翼组成水平操纵面，上下垂直舵和上下垂直稳定翼组成垂直操纵面，两者正交构成十字形的尾翼位于螺旋桨的前方，30多年来，十字形尾成为现代潜艇尾型的基本形式。

潜艇的主艇体形状——水滴形或过渡型，采用已有半个世纪，从使用上看，迄今尚未出现需作重大改变的必要性，主艇体的锥体，尤其是尖形尾，决定了尾操纵面的建筑形式。

在20世纪50年代初，历史性变革发生在“大青花鱼”号试验艇，突出的变化有两个方面：

(1)把桨后舵改成桨前舵；

(2)把闭式尾改成开式尾。1

设计由于艇的艏部安装了用于探测水中目标的声呐站，当流体流过水滴型的艏部时，会产生艏部的局部层流分离和层流与湍流之间的过渡现象，分离产生的水动力噪声以及激励艇体结构所产生的响应都会严重干扰声呐基阵，直接影响其作用距离和分辨率。

为了减少这种影响，国外一般采取优化艇体设计的方法，使声呐站尽可能位于层流区。以避免过渡区和湍流区流态变化产生干扰，同时还在导流罩内部的声呐基阵平台周围粘贴吸声橡胶尖劈，对透声窗表面涂刷阻尼涂料或采用高阻尼的材料，以吸收和减弱这些部位产生的混响声和结构噪声，并避免在此部位存在开孔结构，以保证声呐站处于良好的工作环境。

而在艉部过渡区，由于存在结构复杂的尾操纵面、流态在此处发生了显著的变化，出现了严重的分离，产生了漩涡，不但使流体噪声加大，而且使伴流不均匀，影响螺旋桨的工作环境，使其无空泡速度降低。目前，潜艇的尾操纵面基本上都采用了十字形的操纵面，不但操纵方便，而且使艇的尾部附件结构简单，对改善艉部的流态、降低艇的噪声起到了很好的作用。在此基础上又发展了水平面呈H形和x形的尾部结构，这种H形结构的作用不但能改善回转效果，减小螺旋桨的噪声。而且能减少翼端绕流的作用。从而可减弱稳定翼的振动。而采用x形的结构，由于其舵效较高，使其舵面积可相应缩小，并可增大与螺旋桨之间的距离，减小附体阻力，改善伴流，使螺旋桨的噪声降低。

通过计算机对艇的外形进行优化设计，使艇的外形处于最佳状况，从而保证流体动力噪声最小。随着新技术、新材料的出现，新的设计方法必将使潜艇的外形设计水平进一步提高，从而使流体动力噪声进一步降低。3

设计内容潜艇操纵性设计受到许多不利因素的制约，操纵性设计应综合考虑各种制约因素和满足操纵性能各项设计指标。潜艇操纵性设计的目的是研究设计潜艇的操纵面及其操纵特性，使潜艇具有良好的运动稳定性和机动性。从而具有较好的作战性能，基本内容有：

(1)操纵面设计；

(2)潜艇水动力模型试验；

(3)潜艇操纵性能预报；

(4)潜艇操纵性陆上联调试验；

(5)实艇操纵性能试验；

(6)潜艇特殊工况操纵性研究设计。

设计步骤根据研制任务书对操纵性能的要求、潜艇操纵性设计规范及潜艇总体设计对操纵性设计的具体约束条件进行潜艇操纵性设计。操纵性设计是整个潜艇总体设计的重要组成部分，潜艇操纵性设计与总体设计一样一般分三个设计阶段：方案设计、技术设计、施工设计。随着设计工作的深入，操纵性设计将不断优化细化，它要在总体设计方案的基础上进行，通过操纵面设计，使艇的操纵性能达到相关标准的要求，操纵面设计有可能又会影响到总体设
计方案，因此，操纵面设计也是一个反复迭代不断优化的过程。4