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1 # 老鷹航空
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2 # 兔哥哨位
兔哥回答:潛艇大多數都是靠螺旋槳推進,而且通常都採用一個螺旋槳,如我們熟悉的大側葉螺旋槳,具說轉速低,效率高,噪音小。因此,也出現了一個疑問就是潛艇在螺旋槳轉動時潛艇為什麼不會翻滾,必竟潛艇給人的感覺圓圓的,很容易出現鱷魚式的翻滾。從力學的理論上說,螺旋槳在水中轉動,漿葉划水產生反作用力推動潛艇前進。螺旋槳的轉動力矩是由潛艇主機透過傳動軸作用到螺旋槳上,螺旋槳會受到水的阻力,這個力就是反扭力。反扭力會給潛艇一個傾覆的力矩,造潛艇的翻滾。潛艇是如何抵消這個反扭力矩的呢。
(一)重心穩性的作用:潛艇在水下航行,而且裡面有人員工作生活,就必須解決穩性的問題,因此潛艇的重心都集中到下部,如潛艇的蓄電池,發動機,等等,凡是重量大的裝置都設計在潛艇的下部,這樣潛艇自身的艇體結構就構成了一個抵消反扭力的作用,也就是說,潛艇的重心始終處於潛艇的浮力之下,當螺旋槳轉動產生反扭力潛艇發生傾斜時,重心和浮力不在一個垂直線上,這時重心和浮力就產生了一個力偶,也就是復原力矩。這個力偶會使潛艇的重心和浮力回到垂直線上,因此,在潛艇開動螺旋槳划水時,潛艇的重心穩效能夠抵消螺旋槳代來了扭力矩,也就是復原力矩大於螺旋槳產生的反扭力潛艇就不會打滾。
(二)潛艇本身的質量和壓載水艙的作用;潛艇的重量是非常大的,而螺旋槳產生的反作用力一定小於潛艇的質量,因此水的阻力無法使螺旋槳停止轉動而讓潛艇轉圈打滾。另外一點就是潛艇設計結構,潛艇在水中靠水來平衡航行姿態,也是用水來控制下潛上浮,潛艇都有壓載水艙,這個壓載水艙處於潛艇的下部和耐壓體的兩側,潛艇下沉時,壓載水艙的進水量是平衡的,當潛艇翻滾時,壓載水也會起到平衡潛艇力矩的作用。這樣潛艇的重心和浮力垂直線就能很快的復正。
(三)舵面的作用;潛艇都有舵,而且不止一個,僅尾部就有大X型的,也有十字型的舵,這個舵除了轉向作用,就是平衡力矩的作用,這也是為什麼潛艇的舵都非常大,而且多。另外,除了尾部舵,潛艇通常在潛前部,或是潛艇塔臺上也會安裝舵,塔臺上的舵可以說是潛艇保持力矩平衡專門用舵。這些舵對潛艇的平衡會產生一個力矩配平作用,抵消螺旋槳產生的反扭力作用,使潛艇平穩不會翻滾。
(四)潛艇有的螺旋槳採用了同軸雙向旋轉漿設計,就是為了抵消螺旋槳轉動產生的反扭力,但缺點是噪音大,目前已不在採用。魚雷上經常採用這樣的雙向漿,因為魚雷質量輕,無重心垂直線。現在潛艇採用的泵推也有利於消除螺旋槳帶來的反扭力,而更先進的無軸推進器技術更是未來潛艇的理想動力。總之,潛艇在以上的多重反扭力錯施的作用下。不但作到不翻滾,而且不會因螺旋槳轉動產生傾斜或震動,使潛艇無論是水面還是水下都平穩的航行。
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3 # 魑魅涅磐
我們知道任何物體在旋轉的時候都會產生一個同向的旋轉力矩,比如我們常見的單旋翼帶尾槳的直升機就是利用尾撐上的尾槳旋轉產生的反向力來抵消主旋翼產生的力矩來保持機身方向,當然有的直升機也會採用雙旋翼的兩副槳葉反向旋轉來互相抵消力矩。那麼海里的潛艇呢?它們又是如何抵消尾部的螺旋槳旋轉產生的力矩的呢?首先潛艇和直升機一樣如果不處理尾部螺旋槳產生的扭轉力矩,那潛艇也會側翻。所以潛艇在設計之初就會把潛艇重心設計的很低,這樣不光有利於潛艇自身姿態的穩定,同時在螺旋槳產生扭轉力矩的時候,潛艇自身的重心力也會抵消這個力矩至平衡狀態(就像不倒翁一樣),但是這個依靠潛艇重心的力矩抵消並不足以抵消所有狀態的扭轉力矩,所以就需要調整潛艇壓載水艙的壓載水來調整配平。其次像有的雙螺旋槳的潛艇的兩副螺旋槳在工作時旋轉方向是相反的,比如颱風級核潛艇就有兩幅螺旋槳,這兩幅螺旋槳相互旋轉,所以就不存在扭轉力矩了。還有像一些尾部是共軸雙槳的潛艇來說兩幅螺旋槳相互旋轉也能抵消這個扭轉力矩。但是雙螺旋槳潛艇畢竟少,而且現在很多潛艇都是單螺旋槳,所以對於單螺旋槳潛艇來說,其艉舵或者艏舵也會產生一個配平力矩來抵消一部分扭轉力矩,但是這種抵消方式是不利於潛艇正常航行的,因為艉舵會造成潛艇以低頭或者仰頭的方式航行,而且伴隨著潛艇在降低噪音和提高推進效率的方式方法上,採用了轉速更低的大傾斜七葉螺旋槳後,這個扭轉力矩持續的時間會更長。因為降低螺旋槳轉速就能減小螺旋槳的振動和噪音,所以現在很多潛艇的螺旋槳轉速越來越低,但是在潛艇輸出功率一定的時候,螺旋槳轉去越低,扭矩越大,而扭矩越大的同時反扭矩也更大,也就意味著採用七葉大側斜潛艇的扭轉力矩會更大,但是當轉速很低的時候(現在潛艇螺旋槳轉速一般在120-150轉左右),其產生的扭轉力矩並不會將潛艇側翻(畢竟潛艇艇身體積很大),只會影響潛艇產生偏航,所以就不需要特別調整了(像有些魚雷就只能採用共軸雙螺旋槳設計了)。大側斜槳葉雖然透過轉速降低能夠降低噪音但是也帶來推進效率的降低,所以槳葉得長度也會變得比較細長,但是槳葉長度長了以後槳葉末端因為線速度更高所以會產生空泡,空泡不光會降低推進效率也會增加噪音。所以現在很多潛艇開始採用泵噴推進器,就是把螺旋槳槳葉用罩子套起來不外露,這樣螺旋槳就不用降低轉速來降低噪音了,而且轉速升高產生的扭轉力矩也會隨轉速上升而降低。泵噴推進器裡面的轉子葉片個靜葉片也會把高速流過的水流“捋順”了再排出來(就是透過靜葉片的導流作用將水的旋轉方向轉換成向後得平流水),這樣不光降低就噪音個減少了推進損失,同時還捎帶著解決了扭轉力矩的問題。現在有些魚雷也開始採用泵噴推進器來提高航速和推進效率。總結一下就是潛艇在克服螺旋槳高速旋轉的扭轉力矩時,既可以透過採用平行/共軸雙螺旋槳的相互旋轉來相互抵消扭轉力矩,同時潛艇自身的重心設計和壓艙水的調整、艏艉舵也會抵消一部分扭轉力矩。並且後期出現的轉速更低的螺旋槳和各方面表現都很優秀的泵噴推進器都能解決潛艇自身的反扭矩,讓潛艇能夠正常航行。
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4 # 核彈與戰轟
以螺旋槳軸線為中心軸來分析,潛艇主體重心在下半部成為“不倒翁”狀態,上部指揮塔二側又有水平翼,當螺旋槳推進時會產生圍繞中軸線的旋轉力矩,而艦體下部重心如同“秤砣”產生反向力矩有效克服了螺旋槳推進時的旋轉力矩,指揮塔水平翼也產生巨大力矩有效克服螺旋槳力矩,所以艦體是穩定平衡的。
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這個問題其實涉及到力學上的一個名詞——轉動慣量,這裡就不用專業性名詞來解釋,而是用通俗的方式來解釋一下吧。當一個螺旋槳進行高速旋轉時,比如正在進行順時針的旋轉,那麼如果此時這個螺旋槳連線到一個物體上,那麼這個物體必然會在其中軸線上產生一個順時針的旋轉運動,這就是轉動慣量的作用。為了消除這種旋轉作用力矩,就必須額外的產生一個相反方向的轉動慣量,大小相等,這樣就可以平衡螺旋槳的轉動慣量,俗稱之為“配平”。
以二戰時期最為常見的單發螺旋槳戰鬥機為例,為了平衡螺旋槳旋轉而帶來的轉動慣量,那麼就要依靠機翼上的副翼偏轉一定的角度,從而飛行過程中產生相反的橫滾力矩,這就有效平衡了。
當然,如果是雙發螺旋槳飛機,那麼彼此旋轉方向相反,那麼就可以互相平衡,這就不需要副翼的作用了;不過一旦一側發動機失效或者故障導致推力下降,也需要進行副翼偏轉來維持平衡。如果是四發螺旋槳飛機,也是如此,一樣可以實現自我平衡。
對於潛艇而言,情況就有點特殊,雖然也是採用螺旋槳驅動方式,但是由於潛艇自身的質量實在是太大了,都是幾千噸到幾萬噸的體量,遠遠高於螺旋槳飛機(幾噸-幾十噸量級),因此,螺旋槳旋轉所產生的轉動慣量對於潛艇自身的姿態影響很小很小,已經達到可以忽略的程度了,所以,就不必要像飛機那樣進行配平了,當然在實際航行過程中隨著時間的積累如果發現航向出現小的偏航,也完全可以偏轉舵面來進行糾正,都是很容易的事情。
當然,如果是雙槳雙舵的潛艇,那就更不用考慮這一點了,兩個螺旋槳之間本身就可以實現平衡。