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當代先進潛艇的流行款:X形尾舵

2019-09-28  昵稱m5Gu5

    一般來說,X形舵在一兩千噸的中小型常規潛艇上比較流行,像德國212A級、日本“蒼龍”級、澳大利亞“科林斯”級、以色列“海豚”級等常規潛艇都用的是X形舵。但大型核潛艇卻基本都采用的是十字形舵或其變種。

    采用這種設計主要是可靠性方面的問題。十字形舵由水平操縱面控制上浮下潛,垂直操縱面控制轉向,技術成熟可靠,符合通常的操縱習慣,產生的扭力相對直接,控制起來也比較簡單。而X形舵的全部4個舵面都兼有垂直舵和水平舵的雙重功能,要靠4個舵面的協調工作來完成潛艇的操縱控制,復雜程度很高。4個舵面必須在集中控制操縱系統的管理下才能正常工作,對操縱系統的計算機化、自動化提出了很高的要求,單憑人工是很難操作的。

    一旦X形舵的操縱系統失靈,改為備份手操后,舵信人員需要同時手控4個舵面,并在高度協調下才能完成操舵工作。另外,美國戰略核潛艇處于隱蔽的需要,經常要在北冰洋的冰下活動,而十字形尾舵的垂直舵面在破冰時受力面積小,和冰面垂直,能夠承受的力更大,在破冰時相比X形尾舵更不容易破損。所以,即使X形舵是美國發明的,并早在1959年就在“大青花魚”號潛艇上試驗了這一技術,對其操縱性能十分欣賞,但出于可靠性和安全性考慮,一直沒應用在其核潛艇上。

    近年來由于科技發展、技術改進,X形舵的可靠性和安全性有了長足的進步。在克服諸多缺點的基礎上,X形舵的優勢更加明顯了。

    首先,X形舵的舵效明顯高于十字形舵。X形舵的4個舵面布置在潛艇尾部的對角線上,因此在不超出艇身尺寸的情況下,舵面可以做得更長。再加上X形舵每個舵面的擺動都能在水平面和垂直面產生操縱力,因此其舵效要比十字舵高出30%~40%。以水平回轉為例,X形舵要比“十字”舵回轉半徑小14%左右,回轉周期減小6%左右。

    這意味著在航速相同、舵角相同的情況下,裝備X形舵的潛艇縱傾角和深度變化率要更大,在各種航速下的垂直面和水平面機動性也更優秀。而十字形舵要想達到和X形舵相同的舵效,就要“超限”,也就是水平舵超出艇體的最大寬度,下方向舵則超出潛艇的底座基線。這樣做會使潛艇在離靠碼頭、多艇并靠或者在潛艇坐沉海底、坐墩船塢時,導致尾舵受損。由于常規潛艇經常在近海活動,水下環境復雜,海底的突出物較多,而且作戰時會經常采用坐底戰術(將潛艇動力關閉,靜沉在海底),所以X形舵更為適合。

    其次,X形舵在高速條件下的機動性更好。由于X形舵比十字形舵的舵葉面積更大、四葉聯動,潛艇在高速機動時舵葉受力更均勻,急劇變向、變深的效率更高,潛艇攻防戰術運用更加得力。同時,X形舵的穩定橫傾角小,在大速度回轉時可以通過差動舵進一步控制整艇的橫傾,實現無縱傾定深回轉。這對于潛艇在水下航行,特別是高速回轉時保證潛艇的橫傾平衡十分有利,也在很大程度上提高了潛艇高速機動下的安全性。另外,X形舵潛艇縱傾角的過渡時間比十字形舵短,振蕩幅值也更小。這對幫助潛艇舵信人員提高操舵正確率、改善潛艇操縱安全性都有較大好處。

    再者,X形舵的安全冗余高。十字形舵潛艇在高速航行時,一旦發生卡舵現象,特別是尾水平舵出現卡舵,容易使潛艇在短時內超深(超出極限深度),或者讓潛艇在高速上浮中與水面物體撞擊,從而造成嚴重的安全事故。而X形舵的4個尾操縱面都可以獨立轉動,并都有操縱潛艇垂直、水平面機動的能力,這就提高了X形舵潛艇發生卡舵時的安全冗余。比如,當X形舵發生單舵卡時,還有3個舵面可以控制潛艇的航向,對潛艇的安全性影響不大。當發生概率極低的雙舵卡時,舵信人員可通過操縱反向舵面產生與卡舵舵面相反的力和力矩,實現潛艇的直線定深航行,避免潛艇出現高速超深的現象,保證潛艇在安全深度和安全范圍內可控航行。只有當X形舵的3個舵面同時發生卡舵才會徹底失效,但這樣的失效概率極低,幾乎可以忽略不計。所以,與十字形舵相比,X形舵的安全冗余高,發生卡舵時的失效概率低,在安全性上的優勢非常突出。

    隨著計算機技術和自動控制技術的發展,X形舵早先操縱復雜的問題也已經得到解決,比如美國在“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇上就部分采用了X形舵技術。之所以說是部分采用,是因為“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇的尾舵是在十字形舵基礎上增加了2片X形舵的斜角舵面,形成一個獨特的“木”字形結構,算是取兩家之長,但也帶來結構重量和系統復雜度增加的問題。       

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