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当代先进潜艇的流行款:X形尾舵

一般来说,X形舵在一两千吨的中小型常规潜艇上比较流行,像德国212A级、日本“苍龙”级、澳大利亚“科林斯”级、以色列“海豚”级等常规潜艇都用的是X形舵。但大型核潜艇却基本都采用的是十字形舵或其变种。

采用这种设计主要是可靠性方面的问题。十字形舵由水平操纵面控制上浮下潜,垂直操纵面控制转向,技术成熟可靠,符合通常的操纵习惯,产生的扭力相对直接,控制起来也比较简单。而X形舵的全部4个舵面都兼有垂直舵和水平舵的双重功能,要靠4个舵面的协调工作来完成潜艇的操纵控制,复杂程度很高。4个舵面必须在集中控制操纵系统的管理下才能正常工作,对操纵系统的计算机化、自动化提出了很高的要求,单凭人工是很难操作的。

一旦X形舵的操纵系统失灵,改为备份手操后,舵信人员需要同时手控4个舵面,并在高度协调下才能完成操舵工作。另外,美国战略核潜艇处于隐蔽的需要,经常要在北冰洋的冰下活动,而十字形尾舵的垂直舵面在破冰时受力面积小,和冰面垂直,能够承受的力更大,在破冰时相比X形尾舵更不容易破损。所以,即使X形舵是美国发明的,并早在1959年就在“大青花鱼”号潜艇上试验了这一技术,对其操纵性能十分欣赏,但出于可靠性和安全性考虑,一直没应用在其核潜艇上。

近年来由于科技发展、技术改进,X形舵的可靠性和安全性有了长足的进步。在克服诸多缺点的基础上,X形舵的优势更加明显了。

首先,X形舵的舵效明显高于十字形舵。X形舵的4个舵面布置在潜艇尾部的对角线上,因此在不超出艇身尺寸的情况下,舵面可以做得更长。再加上X形舵每个舵面的摆动都能在水平面和垂直面产生操纵力,因此其舵效要比十字舵高出30%~40%。以水平回转为例,X形舵要比“十字”舵回转半径小14%左右,回转周期减小6%左右。

这意味着在航速相同、舵角相同的情况下,装备X形舵的潜艇纵倾角和深度变化率要更大,在各种航速下的垂直面和水平面机动性也更优秀。而十字形舵要想达到和X形舵相同的舵效,就要“超限”,也就是水平舵超出艇体的最大宽度,下方向舵则超出潜艇的底座基线。这样做会使潜艇在离靠码头、多艇并靠或者在潜艇坐沉海底、坐墩船坞时,导致尾舵受损。由于常规潜艇经常在近海活动,水下环境复杂,海底的突出物较多,而且作战时会经常采用坐底战术(将潜艇动力关闭,静沉在海底),所以X形舵更为适合。

其次,X形舵在高速条件下的机动性更好。由于X形舵比十字形舵的舵叶面积更大、四叶联动,潜艇在高速机动时舵叶受力更均匀,急剧变向、变深的效率更高,潜艇攻防战术运用更加得力。同时,X形舵的稳定横倾角小,在大速度回转时可以通过差动舵进一步控制整艇的横倾,实现无纵倾定深回转。这对于潜艇在水下航行,特别是高速回转时保证潜艇的横倾平衡十分有利,也在很大程度上提高了潜艇高速机动下的安全性。另外,X形舵潜艇纵倾角的过渡时间比十字形舵短,振荡幅值也更小。这对帮助潜艇舵信人员提高操舵正确率、改善潜艇操纵安全性都有较大好处。

再者,X形舵的安全冗余高。十字形舵潜艇在高速航行时,一旦发生卡舵现象,特别是尾水平舵出现卡舵,容易使潜艇在短时内超深(超出极限深度),或者让潜艇在高速上浮中与水面物体撞击,从而造成严重的安全事故。而X形舵的4个尾操纵面都可以独立转动,并都有操纵潜艇垂直、水平面机动的能力,这就提高了X形舵潜艇发生卡舵时的安全冗余。比如,当X形舵发生单舵卡时,还有3个舵面可以控制潜艇的航向,对潜艇的安全性影响不大。当发生概率极低的双舵卡时,舵信人员可通过操纵反向舵面产生与卡舵舵面相反的力和力矩,实现潜艇的直线定深航行,避免潜艇出现高速超深的现象,保证潜艇在安全深度和安全范围内可控航行。只有当X形舵的3个舵面同时发生卡舵才会彻底失效,但这样的失效概率极低,几乎可以忽略不计。所以,与十字形舵相比,X形舵的安全冗余高,发生卡舵时的失效概率低,在安全性上的优势非常突出。

随着计算机技术和自动控制技术的发展,X形舵早先操纵复杂的问题也已经得到解决,比如美国在“海狼”级和“弗吉尼亚”级攻击核潜艇上就部分采用了X形舵技术。之所以说是部分采用,是因为“海狼”级和“弗吉尼亚”级攻击核潜艇的尾舵是在十字形舵基础上增加了2片X形舵的斜角舵面,形成一个独特的“木”字形结构,算是取两家之长,但也带来结构重量和系统复杂度增加的问题。       

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