瑞典潜艇 先进潜艇的标配 - X舵和七叶螺旋桨的来龙去脉
X舵(X Rudder),是将原本十字状分布的尾舵改成X状分布。虽然这种设计广泛出现在欧洲和日本潜艇上,但实际上,X舵的真正原创也是美国的青花鱼号。
XXI型/GUPPY潜艇的细长船型在水下高速航行时会产生纵向不稳定现象,导致潜艇需要用舵面配平而限制了进一步机动的角度,这可能也是GUPPY潜艇用直线冲刺躲避追击的原因之一。青花鱼号的泪滴型则能在在各种速度保持稳定,其转弯率可达到5°/s,比GUPPY潜艇的3°/s快上一半;其从2节加速到27节只要2分40秒,也比当时驱逐舰的7分钟少上一倍;另外它也可「俯冲」达到每秒27米的下潜率,成为真正「3D机动」的潜艇,如同水下的喷气战机。
青花鱼号进一步实验多种水下科技,其中一项就是X舵。虽然X舵从表面上看来仅是将尾舵移动了45度角,但这就让4片尾舵可同步产生水平或垂直控制分量,总和舵效面积大过于传统的十字尾舵,使青花鱼号的高速转弯直径从300米缩短为100米,远低于当时驱逐舰的1,100米。由于X舵需用电脑控制,美国认为可靠性不佳而一直没有采用,反而是瑞典率先采用在海蛇级(Sjöormen)潜艇,以在较浅的波罗的海提升操作灵活性。在与北约的反潜演习中常以瞬间转向甩开反潜艇船的天罗地网。
值得注意的是,X舵对机动性的提升并不是限于浅海,在深海同样有效,甚至较十字尾舵更具安全性。这是因为十字尾舵若是在深海俯冲时卡死,潜艇可能一路下冲到压溃深度而失事,而X舵即便有一对舵卡死,另一对舵仍可反向配平而抵销下冲趋势。因此美国在新一代哥伦比亚级战略核潜艇上也开始用X舵。
以前文章讲到X舵的优点只会说方便潜艇坐底,但这并不是其唯一的优点,甚至不是最大的优点。 X舵最大的优点是增大舵效,一方面因为在同样宽度/高度下,X舵可有更大的翼长与翼面积;另一方面则是在俯仰/偏航控制中,四个舵面都可发挥作用,使其转向控制力特别强,与传统潜艇相比就好像随时随地都能甩尾一般。
虽然X舵也是美国青花鱼号的遗产之一,但最先用于作战潜艇的则是瑞典的海蛇级。海蛇级同样参考了青花鱼的泪滴型船体,但采用拉长平行舯段而形成雪茄型艇体。由于瑞典主要在水深较浅的波罗地海作战,可能给人留下了海蛇级为了坐底才采用X舵的印象,但其主要优点是灵活的机动性:在7节航速下,只要5分钟就能完成360度转弯,且直径不超过230米;在15节航速下,更只要2.5分钟就能完成360度转弯。由于波罗地浅海限制了声纳的有效范围,X舵的机动性使海蛇级可以在水下灵活转弯,方便速度甩开敌手。
坐底的确也是X舵的优点之一,但从日本海自的PPT可以看到,它的侧面也比较不容易跟港口设施碰撞
从海蛇级之后,X舵成为瑞典潜艇的特色之一,后续的柯林斯级也不例外。照片中可看到4艘柯林斯级潜艇正在S弯路考。(利用极小的转弯半径接连进行Z字路线前进,转向灵活程度可见一般。)
并且潜艇螺旋桨的桨叶数跟尾舵配置有关,潜艇指挥塔尾流会与十字舵上尾舵重合,但X舵不会。这导致十字舵+指挥塔只有4道尾流,但X舵+指挥塔会产生5道尾流,而螺桨的桨叶数不能跟尾流数量一致。
可看到左半的X舵在尾舵后方与正上方受到尾流影响会产生较大的低速区,也就是有5个较大的低速区(红虚线);右半的十字舵与帆罩则会在正上方重合,导致该处产生一块更大的低速区(绿实线)。
这会有什么影响呢?假设螺旋桨产生的轴向流速为V*,如果没有尾流,桨叶的轴向速度应该等于潜艇航速(但方向相反);而尾流产生了低速区,就使轴向流速V *缩小。
从图中可以看到V*缩小会导致桨叶流场的合成向量(红色箭头)改变,与桨叶间的「攻角」增大,产生较大的升力与阻力。
但因为桨叶是不断在旋转,因此就会周期性进出低速区,产生特定频率的震动。如果桨叶的数量与低速区(=尾流)的数量一致,那就会有个瞬间是4片桨叶都在低区,受力会同时变大,之后又同时变小,就好像教室里的学生同时往上跳再同时落下一样,无疑会使楼板的瞬间震幅增大,对结构与噪音都有很大影响。
如果是X舵遇到五叶桨也会有类似的问题,但要注意5叶桨的间隔角度跟X舵+指挥塔的间隔角度不太一样,因此「重合」程度不会像四叶桨遇到十字舵那样精准,副作用比较小。
结论就是桨叶数量不能与尾流数量一致,也不能是后者的倍数,例如十字舵装四叶、八叶都是不行的。 X舵也要避免五叶桨,综合考虑,目前潜艇常见的都是七叶桨。