寄居蟹的潜艇小课堂③——潜艇的静稳性 、动稳性和操纵性

图1 船体横稳定性受力情况

对于水面舰船，无论是横稳性还是纵稳性，即使是船的重心不可避免地比浮心高，但影响静稳性的几何特征是其水线面，即静水面与船壳外表面的交界面。因为当水线面产生横摇或纵摇时，浮心也会相应地偏移，这时船的一舷或一端也会更深地浸入水中，于是产生一个作用于船上的恢复力矩。由于纵摇时浮心的偏移距离比横摇时大得多，所以纵稳心比横稳心高得多。

图2 潜艇潜航时的稳性

一艘潜航潜艇是不存在水线的，因此对纵倾和横倾力矩而言，为了保证潜艇的静水力稳性，重心就得在浮心以下;在给定力矩作用下，无论是横倾还是纵倾，其恢复力矩是一样的。潜艇在布置设计过程中必须遵照一定准则，以便重心在对称轴以下。但对圆形截面而言，其浮心肯定十分接近其对称轴。这样，为了确保其静水力稳性，通常设计中在艇的底部放置足够的固定（固体）压载，力求使重心在浮心以下一定距离。有时固定压载也用于纵倾调整，这在浮心偏前的"大青花鱼"形潜艇上就遇到过。

图3 潜艇水面航行时的稳性

浮出水面的潜艇，就存在水线面。这时，其静稳性特征与水面舰船相似。然而，当潜艇的储备浮力小时，主压载水舱也小，水线面也相对小些，在水面状态下的横稳性，甚至纵稳性与水面舰船相比便显得很适中。当潜艇在浮出水面过程中，外部非水密区，如指挥台围壳和上层建筑等部位有许多积水，且其重心很高、所以此时潜艇的横稳性有较大下降。为了让积水能较快流走，老式潜艇的轻外壳上开有许多流水孔。然而，现代潜艇很少在水面航行，为了减小流水孔的阻力和噪声，宁可让其在浮出水面过程中的短时间内存在静水力稳性损失。

图4 潜艇可以在水中进行三维运动

潜艇在水面上运动的动稳性考虑因素类似于水面舰艇。虽然从设计角度来看，并不十分强调这种运行方式。如果在水下，情况则完全不同;潜艇具有三维操纵自由度。设计时必须考虑在海上船舶中这一独一无二的能力。然而，它在垂直方向上的运动和在水平方向上的运动有很大的不同。在水平方向上的运动不存在方位上有任何优先考虑的次序，而在垂直方向上的运动，由于重心是在浮心以下，纵摇时存在着静稳性，对水平位置固有地加以优先考虑。

图5 潜深过大时会出现严重事故

值得注意的是，在垂直方向上的运动有另一个非常重要的特征，它与在水平方向上的运动也是决然不同的，运动空间受限制，即潜艇运动深度从水面以下直到最大安全极限深度。然而在设计和操艇过程中，应该考虑避免与其他潜器或障碍物相撞，这就如同水面舰船在水平方向操纵时需考虑的一样。潜艇在垂直方向上力求避免超过极限深度，这一点至关重要。如果稍有疏忽而超过其极限深度的话，便有灾难发生，所以设计人员和操艇人员在实际设计或操纵过程中，必须采取措施避免这种情况的发生。

为了保证潜艇在改变深度的潜浮过程中的安全性，给潜艇配上尾水平稳定翼，使其在垂直方向上平稳运动。图6示出不同潜艇尾形所配备的几种不同稳定翼的布置形式。然而应该认识到，其真正的目的不仅是用于平衡潜艇在某一垂直方向上的运动，当潜艇发生纵倾时，也可以由它来进行调整。此时，即使是水动力（力矩）占优势，潜艇的恢复力矩也对纵倾调整有一定作用。潜艇的首、尾水平舵能够改变和控制其深度。