圍殼舵

圍殼舵是布置在指揮塔圍殼上的裝置，因此普遍稱為圍殼舵。

基本介紹

• 中文名：圍殼舵
• 定義：是布置在指揮塔圍殼上的
• 示例：我國新型的039、040常規潛艇
• 特色：減少了圍殼舵垂直方向的受力面積
• 發展趨勢：減小高度和體積

發展沿革

潛艇雖然屬於海軍艦艇的範疇，但是潛艇的運行方式卻與一般的水面艦船有很大的區別。水面艦船的航行僅限於在水面上的兩維運動，而潛艇在水下必須進行三維運動。因此，潛艇除了裝備水面艦船所具備的用於控制方向的垂直舵(方向舵)之外，還必須裝備可以改變潛艇的水下深度以及使潛艇保持在某一深度的水平舵。早期的潛艇上只有一套水平舵，裝在潛艇艉部的垂直舵附近。現代的大型潛艇都裝備兩套水平舵，即艉水平舵和艏水平舵。顧名思義，艉水平舵裝在潛艇的艉部，而艏水平舵或者裝在指揮台圍殼上，或者裝在潛艇艏部距潛艇艏端約為全艇長度的1/8位置上。其中，裝在指揮台圍殼上的艏水平舵又被稱作圍殼舵。 常規艇型雙推進軸的常規動力潛艇，其方向舵與水面艦船的方向舵非常相似，只是舵板的面積要小一些。在現代的所有核潛艇上以及具有水滴形線型的常規動力潛艇上，如英國的“支援者”級潛艇、荷蘭的“海象”級、以色列的“海豚”級、日本的“親潮”級以及俄羅斯的“阿穆爾”級等潛艇，其垂直舵有上下兩塊舵板，與艉水平舵的兩塊舵板成“十”字形結構，且這四塊舵板的尺寸大體相等，形成左右的均勻對稱配置，從而使潛艇具有全方位的、良好的操縱性。

潛艇的水平舵有三種作用：使潛艇下潛/上浮以及對潛艇的縱傾和深度實施控制。當潛艇接近潛望鏡深度時，對其的深度和縱傾的控制必須十分精確，否則潛艇可能會有局部露出海面，從而暴露潛艇的方位。當潛艇在較大深度上時，潛艇的機動性則顯得更為重要。如果潛艇一旦在大深度上失控，隨時都可能沉人深淵。因此，對於處於這種狀態下的潛艇，控制其深度的變化情況要比保持特定的深度上的穩定性更為重要。利用舵角和舵面積所產生的舵力和舵力矩一方面與垂直向上或垂直向下的力成正比，另一方面又與距潛艇重心的距離(力臂)成正比。當潛艇在水下進行迴轉時，特別是進行高速迴轉時，作用在潛艇垂直舵、指揮台圍殼以及水平舵上的力是相互影響的，有時作用力的情況甚至是極為複雜的。 世界上大多數潛艇的水平舵的控制都是通過舵的擺動來實現的，即通過改變水平舵的攻角來實現水平舵升力的改變。但是前西德的呂貝克工程設計局設計的柴―電潛艇，其艏水平舵角相對於艇體是固定的，但可以縮進或伸出該艇的非耐壓艇體。艏水平舵所產生的舵力與艏水平舵露出非耐壓艇體外的面積成正比。利用這種水平舵控制潛艇在水下的姿態，只需操縱其中的一個舵。當潛艇以高速在水下航行時，艏水平舵產生的副作用是使潛艇在垂直面內發生縱搖和擺動。為了解決這種不穩定現象，當時德國在潛艇的艉部安裝了特殊的穩定面。二戰之後由西德的呂貝克工程設計局設計的潛艇上一直保留著這種穩定面。基於同樣的原因，美國海軍戰後的“加皮”型潛艇在進行水下高速航行時也沒有出現在垂直面上的縱搖現象。對於一艘潛艇而言，無論是它的水平舵還是垂直舵，都具有有限的使用壽命，因此在非戰爭期間潛艇應該儘量避免使用急速操舵的方式。英國的潛艇上裝有使用舵的計數器，以指示出潛艇上對各種舵的使用次數。

當一艘潛艇位於水面狀態時，位於水線面以下的艏水平舵在形成舵角時可使潛艇下潛的速度加快。不過這樣的艏水平舵同時也是一種阻力源，它降低了潛艇的水面航速。裝在水線面以上的艏水平舵雖不會降低潛艇的水面航速，但在其沒有足夠浸入水中之前，將無法發揮應有的作用。還有一點引人注意的是，當潛艇停靠碼頭或者進塢時，艏水平舵容易與岸壁發生碰撞而受到損傷。因此，許多國家海軍採取的折衷辦法是在潛艇上裝設可摺疊式的艏水平舵。美國海軍絕大部分的核潛艇上沒有裝設艏水平舵，而是採用了圍殼舵。由於圍殼舵向兩側伸出的寬度沒有超過潛艇的最大寬度，所以不會發生碰舵損壞事故。美國海軍使用核潛艇的經驗表明，圍殼舵雖然面積較小，但它仍有足夠的面積對處於水下狀態的潛艇進行有效的控制，且可以十分容易地做到無縱傾地保持在潛望鏡深度上。另外，由於艏水平舵安裝在指揮台圍殼上，從而避免了在靠近潛艇艏部聲納位置上產生流體噪聲，提高了艏部聲納的工作效率。但是，當潛艇在帶有浮凍的海域活動時，一旦需要從水下破冰上浮時，至少要保證潛艇的指揮台圍殼露出冰面時，圍殼舵將會對潛艇的破冰上浮造成一些麻煩。儘管設計師們把圍殼舵設計‘成可以轉動90度的結構，防止其在潛艇破冰上浮時被撞受損，但是圍殼舵在潛艇破冰上浮時的強度問題仍是必須給予密切關注的問題。

潛艇的水平舵和垂直舵有時會發生意外事故，在各種事故之中，最為嚴重的事故是艉水平舵卡死事故。因為艉水平舵對潛艇造成下潛縱傾角的影響最大，效果最為明顯。當潛艇在水下高速航行中發生艉水平舵卡舵事故時，如果此時艉水平舵恰恰控制潛艇艏傾姿態時，潛艇便有可能以非常高的速度向更大的深度衝去，並將很快達到潛艇的破壞深度。特別是當潛艇在冰冠下面航行時，一旦發生艉水平舵卡舵，潛艇還有可能向水面衝去並與水面上的冰層發生劇烈的碰撞，其後果可能會更為嚴重。在艉水平舵發生卡舵事故時，有時需要利用尚未發生事故的艏水平舵所產生的力矩來挽回潛艇的危險狀態。 潛艇艉水平舵的面積要比艏水平舵大得多，而且它的作用也比艏水平舵大得多。當潛艇處於水下深處並且縱傾不是很大時，或者當潛艇在水下航速超過12節時，只需使用艉水平舵即可控制潛艇水下姿態。艉水平舵以鉸接的方式安裝在艉水平穩定翼的後部，並且其伸展長度要比潛艇的艇體直徑長許多。現代潛艇的典型最大寬度為10米，而它的艉水平舵的伸展長度則為13-14米。為了能使潛艇安全地進入乾船塢，一般地說潛艇的艉水平舵總是要被限制在某個尺度之內。

1963年，當美國海軍的“長尾鯊”級攻擊型核潛艇沉沒之後，對潛艇水下控制的設計問題引起了世界各國的關注。美國海軍早在50年代初期便在“大青花魚”號試驗潛艇的指揮台圍殼後面安裝了下潛制動器，並在該艇的艉部採用了X形艉舵結構。不過，X形艉舵的不足之處是艉舵所產生的力矩對潛艇運動姿態的影響是十分複雜的，必須要把普通的艉舵角和下潛指令轉換成X型艉舵相應的舵板運動，但是這樣的計算和轉換工作是非常煩瑣的，這樣就必須利用計算機進行計算和轉換。但美國海軍在“洛杉磯”級攻擊型核潛艇處於設計階段時經過反覆論證與斟酌之後認為，計算機的可靠性是一個令人擔心的問題。因此，為了安全起見，美國海軍最終放棄了x形艉舵結構，而在“洛杉磯”級核潛艇上仍然沿用了傳統的十字形艉舵結構。

各國發展

美國以往的核潛艇布局偏愛圍殼舵，其全部的戰略核潛艇和洛山磯級以前的核潛艇大部分攻擊核潛艇大多採用了圍殼舵，後來由於破冰和其它方面的需要在後期建造的洛山磯級核潛艇和後來的海狼、維吉尼亞級核潛艇轉而採用類似蘇聯核潛艇的首水平舵。美國早期的核潛艇都是採用圍殼舵，這樣的結構相比首水平舵要簡單，缺點是由於指揮塔的內部空間有限使圍殼舵不能收進艇體內。為了解決圍殼舵破冰易損的問題，美國人設計了一種圍殼舵轉動機構，在破冰時把圍殼舵轉動90度角。這樣不僅減少了圍殼舵垂直方向的受力面積，同時也增加了垂直方向的承力強度，這樣就解決了圍殼舵破冰時容易破損的問題。但是現代潛艇的指揮塔圍殼的發展趨勢是減小高度和體積--來減小水下航行的阻力、流體噪音，而圍殼舵的轉動機構必須要占用一定的空間，因此如果再在不斷縮小體積的圍殼內安裝轉動機構將是越來越困難的，所以近些年來美國的美國的新型核潛艇又轉而採用類似蘇聯的首水平舵布局。另外中國新型的039、040常規潛艇採用的是圍殼舵的布局，原因可能是我國的潛艇的儲備浮力要小於蘇聯的潛艇，雙殼體舷間空間不足，加上我國的常規潛艇不存在類似俄羅斯那樣的冰下作戰任務，因此沒有採用蘇聯的首水平舵，而是採用了歐、美國家那樣的圍殼舵布局。