潜艇深海作战如何做到“耳聪目明”?——从《蛟龙行动》看潜艇的科学原理

职场   2025-02-02 13:54   北京  

作为2018年春节档票房冠军《红海行动》的续作,《蛟龙行动》在蛇年春节档的上映,不仅延续了前作的紧张刺激,更首次在中国银幕史上以中国人民解放军海军潜艇部队为主角,展现了这支“神秘部队”在深海作战的惊心动魄。

影片中,蛟龙突击队潜入神秘莫测的深海世界,带领观众进入了一个与陆地截然不同的领域。深海的高压、低温和黑暗,每一个因素都足以让人望而却步,但战士们毫不畏惧,驾驶着先进的潜艇,在波涛之下悄然前行。

虽然目前该片票房并不尽如人意,但片中展示的反鱼雷鱼雷、超空泡鱼雷、超导磁流体、无轴泵推、水下输送艇等先进的潜艇技术让看过的观众都大开眼界。

潜艇在军事上的运用,正是充分利用其能潜伏在水下的本领,出其不意地“暗算”敌方,趁其不备,攻其不意,可以说是暗藏杀机。潜艇的发展史你了解吗?潜艇是如何实现自由沉浮的吗?潜艇下潜时为何不会被水压压扁?潜艇在水中又是如何做到“耳聪目明”的?

今天一起为大家解答

↓↓↓

▲海军博物馆展陈



“脑洞大开”的诞生史


对于“潜入水下”这一概念,传说在公元前的亚历山大大帝时代就有了,那时的潜水装置如下图,其实不能算作潜艇。

如果说非军事用的潜艇最早可以追溯到1620年,荷兰的科学家成功制造出了人类历史上第一艘“潜水船”,可由12名水手划桨驱动,曾多次在英国泰晤士河上潜入5米多深水中。

▲人类历史上第一艘“潜水船”

此后一百多年中,各国科学家“脑洞大开”制造出各式各样的潜水器,有的像大箱子,有的像圆球,有的甚至像个烧水壶,但在技术和应用层面没什么大突破,直至18世纪末美国独立战争的打响,才为潜艇的发展注入了新推力。

▲“烧水壶”潜水艇

美国大卫·布什内尔研制出“海龟”号潜艇,外形像一个大圆球, 通过脚踏的方式向水仓注水,用手摇螺旋桨进行推进,可潜入水下6米,停留30分钟。


▲“海龟”号潜艇

1776年9月7日深夜,美国纽约港外,负责封锁港口的英国皇家海军“老鹰”号军舰附近水面突然传来一声巨响。听到爆炸声的英国军舰纷纷起锚,而之前潜入军舰龙骨下方的一位不速之客——“海龟”号潜艇,早已在美国陆军中士埃兹拉·李的驾驶下迅速撤离。

这次“偷袭”虽未取得成功,但揭开了潜艇实战的序幕,将人类当时的战场空间从陆地、水面拓展到了水下。随着工业革命的深入发展,蒸汽机被应用到潜艇上,装上了蒸汽机的潜艇机动性大大增强,潜艇也迎来了快速发展时期。

19世纪末,一位出生在爱尔兰的工程师约翰·菲利普·霍兰,将电动机、电池、内燃机三种技术结合起来应用于潜艇上,此后通过技术的不断改进,终于在1897年制造出以汽油机+蓄电池作动力的传奇潜艇——“霍兰6号”。此潜艇被公认为是现代潜艇的鼻祖,霍兰也被尊称为“现代潜艇之父”。

1900年,“霍兰”号成为美国海军第一艘正式服役潜艇,至1905年已有6艘潜艇服役。此后,霍兰潜艇被英国、日本购进仿造,开启了现代潜艇时代。



潜艇自由沉浮的秘密


潜艇在水中能自由下潜、上浮,甚至悬停,原理其实是仿生学的一种。在鱼的体内有一种叫鳔的器官,在肌肉的控制下能够收缩或膨胀。当鱼鳔充满空气呈膨胀状态的时候,鱼在水里受到的浮力大于重力,鱼就上浮;当鱼鳔缩小的时候,鱼受到的浮力小于重力,鱼就下沉。

受此启发,人们给潜艇也安装了一个类似鳔的舱体,它就是潜艇两侧被称为主压载水舱的舱体。主压载水舱的功能就是通过注水、排水实现潜艇的下潜、上浮。下潜时,主压载水舱注水,空气被排出舱外,潜艇的自重增加,舱体下沉。上浮时,用高压气体把主压载水舱的水压出艇外,潜艇的自重减少,潜艇便可浮出水面。

为了更好地控制潜艇的状态,人们还为潜艇装上了补重水舱、快潜水舱等辅助压载水舱。比如,发射鱼雷或导弹以后,潜艇的重量会发生改变,这时就需要补重水舱来补偿已发射的鱼雷和导弹的重量。在紧急情况下需要急速下潜时,仅靠主压载水舱是不够的,还需要快潜水舱的帮忙,以加快潜艇的下潜速度。此外,大部分潜艇上还安装了水平舵,又叫升降舵,它们可以在潜艇运动时与水作用,从而产生力矩,让潜艇上仰或下俯,向上方或下方前进。



潜艇如何对抗水压


潜艇通常都被设计成为圆形或者水滴形结构。这样的结构好处是,海水的压力可以均匀地分布在各个方向上,使其带来的水压达到一致,不容易出现受力不均匀的现象。同时,也可以很好地减少水中航行的阻力,降低与水摩擦产生的声音。

当然光是一个艇体外形是不足以对抗海水压力的,潜艇在建造时需要使用高强度钢材搭建潜艇环形肋骨骨架,再用耐压板将其艇身包裹上,以达到平衡水压的作用。

耐压板在建造时主要采用复合网状结构钢材进行制造,举个例子你可能就会明白了。如果我们用一张报纸去糊住一个窗洞,很容易就会被风吹破。那么我们要是在报纸后面加上一层纱窗,那么这就会好很多,而如果纱窗再用纵横交错的铁丝固定上,就可以任由风吹了。其实潜艇的耐压板的制造也是这个原理,而目前世界上的潜艇耐压艇体强度,一般可保证潜艇下潜到300米~1200米。



潜艇的定位工具


当潜艇在海面“仰泳”时,潜艇一般直接使用潜望镜来观察海面的状态。潜望镜的原理就是利用两个反射镜经过两次反射而折向眼中。潜望镜之所以可以从水下看到水面上,而且比较清楚,是因为两块平面镜互相平行,且都与水平方向成45度夹角,景象通过两次反射、成像,从而看到了海面上的景象。现在随着光电技术的发展,光电桅杆开始逐步取代传统的潜望镜,光电桅杆就是在桅杆的顶部设置一个类似于监控器的装置,可以直接在潜艇舱内的显示屏上查看监控器监视的地方,这使得潜艇的“眼睛”视力更上一层楼。

当潜艇在海洋中“潜泳”时,因为漆黑的海洋环境,无论是潜望镜还是光电桅杆都无法看清周围的环境,这个时候潜艇的“耳朵”:声纳就派上用场了。由于声音在海洋中传播的衰减相对较小,同时声音在海洋中遇到大型障碍物便会调头返回,声纳就是利用上述声音在水中的传播和反射的特性,通过一系列电子设备将声音进行转换处理后得到水下目标的存在、位置、性质、运动方向等信息。在深海中,声纳如同漆黑中的一双灵敏的“耳朵”一样,通过这双“耳朵”潜艇就能发现海洋中其它的大型目标,进行躲避和攻击。

潜艇作为现代海军的重要力量,其技术的发展和应用,不仅体现了人类智慧的结晶,更是国家安全和海洋权益的重要保障。随着科技的不断进步,未来的潜艇将更加先进,更加智能化,它们将继续在深海中守护着国家的安全和海洋的和平。

来源:中国日报、中国人民解放军海军博物馆、中国航海博物馆、央视军事等

编辑:段大卫



扫描或点击下方二维码

参与“2024京津冀公民科学素质大赛

科学“答”人就是你!



三步点亮“星标” 精彩内容不错过!

北京科技报
爱科学,懂科技,有未来。北京科技报出品。
 最新文章