淺談潛水艇的沉浮原理

冉衛(wèi)凌 楊尚林

摘 要：潛水艇是一種水下艦艇設(shè)備，包括軍用潛艇與民用潛艇兩大類型，是通過控制其浮力來開展水下作業(yè)的，現(xiàn)階段各種軍用與民用潛水艇的研發(fā)與生產(chǎn)越來越多，因此本文對于潛水艇的沉浮原理進行探究，首先對潛水艇進行相應(yīng)簡要闡述，進而從仿生學(xué)原理與物理學(xué)原理兩個層面來分析潛水艇的沉浮原理。

關(guān)鍵詞：潛水艇；沉浮原理；阿基米德浮力原理

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0386-01

前 言

水及其他流體會對其表面會內(nèi)部的物體產(chǎn)生一種向上的作用力，這種力就被稱作“浮力”，而地球自身的引力會在物體上產(chǎn)生一種向下的重力，通過浮力與重力的調(diào)節(jié)，物體就可以改變其懸浮的狀態(tài)，當(dāng)浮力大于重力的時候，物體就是上浮的；當(dāng)重力大于浮力的時候，物體則會下潛或下落，浮力的存在使得船舶、飛艇、氣球、潛水艇等裝置或物體的懸浮成為可能。

1 潛水艇的簡要概述

潛水艇也可以簡稱為潛艇，是一種可以進行水下活動的艦艇設(shè)備，具有較多的種類與形態(tài)，小型潛水艇可以滿足一兩人操作與潛水的需求，大型潛水艇甚至可以容納數(shù)百人。一般小型潛水艇通常是民用潛水艇與自動水下艦艇裝置等，是用來進行水下搜救、打撈、維修、觀光、調(diào)查、偵測、開采等工程的，諸如SeabreacherX鯊魚型潛艇等，是用以滿足人們的娛樂與運動需求的，其外形設(shè)計為鯊魚形狀，并模仿鯊魚等海洋生物的尾部關(guān)節(jié)，可供1～2人乘坐，這種潛艇采用了260馬力的增壓發(fā)動機，矢量推進系統(tǒng)，最高時速可以達到80km左右，可以進行水下潛行，或者躍出水面。由于這種潛艇是用來作為一種私人水下交通工具來使用的，因此其發(fā)動機并不支持長時間潛航。

大型潛水艇通常都是軍用艦艇，是常見的戰(zhàn)略性武器。而軍用潛水艇的生產(chǎn)與研發(fā)需要投入大量的技術(shù)與工業(yè)成本，因此許多國家并不具備自行設(shè)計與生產(chǎn)的能力。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人潛艇作為一種水下尖端軍事武器而受到了各國的廣泛關(guān)注，并且其技術(shù)水平飛速發(fā)展，目前已經(jīng)逐漸突破了智能化技術(shù)的壁壘，研發(fā)出來遙控潛水艇型無人潛艇、半沉浮型智能潛艇等。

2 潛水艇的沉浮原理

2.1 潛水艇沉浮的仿生學(xué)原理

潛水艇是現(xiàn)代海軍與民間作業(yè)的重要裝備與艦艇之一，可以潛到水下進行自由活動，也可以上浮到水面上襲擊海面或地面目標(biāo)，并且擔(dān)負著布雷、偵查、運輸?shù)戎匾蝿?wù)。在執(zhí)行任務(wù)的過程中，潛水艇的隱蔽性與潛水艇襲擊的突然性而愈發(fā)被人們所關(guān)注。潛水艇可以在海中進行長時間的航行，而潛水艇之所以可以下潛上浮與突然襲擊，在很大程度上得以與其仿生學(xué)設(shè)計。潛水艇的外形設(shè)計，一定程度上模仿了鱒魚的外形，這種流線型的設(shè)計可以有效減少潛水艇在水中潛行所遭受的阻力，同時由于其流線型外形，在水中潛行的時候，潛水艇所發(fā)出的噪音可以很大程度降低，因此其隱蔽性也得以大大提升。另外，潛水艇的沉浮是基于阿基米德的浮力原理，在內(nèi)部設(shè)計了一個“水艙”，而這個“水艙”的設(shè)計，也是一種仿生學(xué)設(shè)計，是參考魚類、烏賊與僧帽水母等海洋生物的“浮鰾”，通過“水艙”的充水、排水來控制潛水艇的沉浮。

2.2 潛水艇沉浮的物理學(xué)原理

2.2.1 潛水艇的沉浮

如上文所述，潛水艇的沉浮是人類通過觀察海洋生物的沉浮，總結(jié)其經(jīng)驗與特性而得出的設(shè)計方法，而潛水艇沉浮本身也是遵循阿基米德的浮力原理，早在初中階段，我們就通過物理學(xué)科對潛水艇的沉浮原理有了初步的認知，即潛水艇通過改變自身重量的方式實現(xiàn)沉浮，其改變自身重量是通過水艙的充水與排水，當(dāng)水艙中注滿水的時候，潛水艇重量增加，因而下沉；當(dāng)水艙水排出之后，潛水艇重量減輕，因而上浮。因此在中小學(xué)中，“潛水艇實驗”成為解釋阿基米德浮力原理的重要實驗。事實上，實際的潛水艇在下潛和上浮的時候，為了保證潛水艇的沉浮速度，除了依靠水艙的充水與排水之外，還會采用升降舵來提高潛水艇沉浮的靈活性。

許多潛水艇上會設(shè)計操縱水柜、專業(yè)水柜與生活水柜等，用以進行充水與排水，這些空間的使用目的就是對潛水艇上浮與下潛進行控制，采用壓縮空氣來進行控制，下潛時即進行充水，上浮時則以高壓氣體進行排水，以減輕潛水艇的自身重量。為了更好地控制潛水艇的平衡性，通常還會涉及小水柜來控制水量，通過在潛水艇尾部安裝的方向舵來控制潛水艇的水平方向，通過潛水艇前部及尾部的升降舵來控制潛水艇的垂直方向。許多潛水艇為了避免對聲吶等水下聲音導(dǎo)航與測距設(shè)備的正常工作，還會在潛水艇艦首指揮臺圍殼上安裝升降裝置。

2.2.2 潛水艇的懸浮

當(dāng)潛水艇在水中所受到的浮力與與其自身重力相同時，潛水艇在水中就呈現(xiàn)出“懸浮”的狀態(tài)，這種情況下的潛水艇無論是上浮還是下潛，都必須通過充放水或者升降舵來推動其沉浮運行。如果在不開啟升降舵的情況下，潛水艇在懸浮狀態(tài)下想要下沉，其水艙中必須留下充水的空間，避免由于水艙已滿而出現(xiàn)無法下潛的窘境。另外，潛水艇也承擔(dān)著運輸物資的重要任務(wù)，但不可能每一次潛水艇運送的物質(zhì)質(zhì)量相同，因而在每一次運送貨物的過程中，潛水艇都必須調(diào)整其水艙中的水量，因此可以確定的是，懸浮狀態(tài)下的潛艇通常水艙并不充滿。

在設(shè)計潛水艇時，出于減少材料使用的需要，通常會根據(jù)潛水艇主要承擔(dān)的功能與實際需要來設(shè)計水艙的大小，如果潛水艇為軍用艦艇，所需要承載的貨物較少，則其自身重量與所受到的浮力都比較小，水艙需要的充水防水就比較少，的設(shè)計也可以適當(dāng)減小。一般來說，當(dāng)潛水艇自重較小，其水艙已經(jīng)充滿的情況下，潛水艇想要下潛，就必須通過升降舵來實現(xiàn)，但大多數(shù)時間內(nèi)，潛水艇的水艙都是不滿的。

3 結(jié) 語

潛水艇的沉浮主要是通過改變其自身重量的方式來實現(xiàn)的，大多數(shù)潛水艇會設(shè)計水柜或水艙，通過向水艙中注水來控制潛水艇下潛，通過壓縮氣體并向水艙中注入高壓氣體將水壓出來減少自身重量，控制潛水艇上浮。而當(dāng)潛水艇的浮力與重力相同的時候，潛水艇就實現(xiàn)了“懸浮”，因此大多數(shù)時刻潛水艇的水艙或水柜都不是充滿水的狀態(tài)。

項目基金：大學(xué)生國家級創(chuàng)新項目“基于STM32的嵌入式多功能水下作業(yè)潛艇”（201711407037）。

參考文獻

[1]宋馨瑤.潛水艇浮沉原理的一個新觀點[J].中學(xué)物理，2015，33（02）：45～46.

[2]趙嘉宇.潛水艇和魚上浮和下沉的原理一樣嗎？[J].農(nóng)村青少年科學(xué)探究，2014（12）：31.

收稿日期：2018-6-20

指導(dǎo)老師：楊尚林