核潜艇在哪里跑得更快？

　　早期的潜艇，它们的水下速度远小于水面速度，然而，现代核潜艇却恰恰相反。它们在水下蹦得更欢，跑得更快，这是为何？又是怎么做到的？

　　早期技术制约

　　二战时，绝大多数潜艇的水下时速在18公里以下（10节左右），而水面航速大多在每小时28公里左右（15节）。之所以这样，并非外形设计能力不足，而是由于其他技术制约。

　　那时的潜艇，大部分时间是在水面航行，遇敌时才会下潜。在水面时，潜艇的柴油发动机工作时所需要的氧气是无限的。而在水下时，存储的氧气就不能敞开用了，因此，那时的绝大多数潜艇主要依靠蓄电池提供动力。

　　为此，早期的潜艇，其外形被设计成更有利于水面航行，努力提高水面航速以便于有能力追上敌方船队。

　　图为U-995潜艇，其最大水面速度为每小时32.8公里，最大水下速度为14.1公里。

　　可以看到，U-995潜艇的船首设计成类似驱逐舰的刀片状，利于减小水面航行的阻力。

　　图为U-995的鱼雷室。U-995属于德国VIIC型潜艇，为二战德国主力型号，也是最著名的潜艇，从1940年第一艘下水服役到1945年战争结束时共生产了568艘。

　　即使使出吃奶的力，其水下速度都不会很快，以不到10节的速度去追击敌方商船难以实现。所以，那时的潜艇更在乎水面速度，虽然安装舰炮会大大增加水下航行时的阻力，但那个时期的潜艇大都安装舰炮，遇到没有护卫舰保护的商船时，能用大炮轰沉，就不使用鱼雷，鱼雷数量有限，很宝贵。

　　德国VIIC型潜艇上的舰炮。

　　潜艇想开得快？减小航行阻力

　　为便于我们理解核潜艇如何做到水下航速大于水面航速，我们先来简单了解一下潜艇航行时的主要阻力。

　　总的来说，潜艇航行时主要受到兴波阻力、形状阻力、空气阻力和摩擦阻力等。

　　兴波阻力示意图。

　　无风不起浪。船行于海，激起大片波浪，而波浪的能量是由谁提供的？当然是船，反过来，激起的波浪越大越多，则船消耗的能量就越多，这也意味着阻力越大——这就是兴波阻力。

　　兴波阻力跟船的外形、速度有关，高速船的兴波阻力占到总阻力的一半，甚至更高。

　　为减少兴波阻力，美国LCS-2独立号濒海战斗舰采用三体设计，最大时速高达81公里。

　　形状阻力示意图。

　　不同的形状阻力也不同，上图中，最下方的形状阻力最小，它被称为水滴型。

　　水与空气都分别是一种介质，穿行于空气和水都会产生摩擦阻力，我们可以用协和客机以2马赫速度下空气摩擦产生的机体高温来感受摩擦阻力。

　　摆脱束缚的核潜艇

　　核潜艇一问世，氧气的问题得以彻底解决。此时，为了最大限度地发挥潜艇第一大优势——隐蔽性，需要长时间在水下潜航，而水面航行只是少部分时间。为此，需要把潜艇设计得更有利于水下潜航，即使牺牲水面速度也在所不惜。

　　显然，潜航时，核潜艇的兴波阻力没有了，空气阻力也消失。只剩下形状阻力和摩擦阻力。

　　如上文所言，水滴型潜艇能最大限度地减少形状阻力。

　　水滴型跟海豚的身体相似，这也是仿生学的一种应用。

　　建于1953年的青花鱼号潜艇是美军首次采用水滴型的潜艇，水下最大航速61公里每小时，水上最大航速只有46公里每小时，因水面时兴波阻力很大。

　　为什么非得是水滴状？像剑鱼一样，剑一样的鼻子不也能减少阻力吗？这跟接下来要说的摩擦阻力有关。

　　摩擦阻力跟接触面密切相关，潜艇与水的接触面越大，摩擦阻力越大。而相同的横截面积，圆的周长最小，也就是说，相同横截面时，如果潜艇做成浑圆状艇身，则它与水的接触面是最少的。

　　上图中，顶部两张图为二战时的潜艇外形，潜航时，与水的接触面很大，这限制了水下航速，且这种扁平状外形不利于潜艇内部安装更多设备。而底部为现代水滴型潜艇。

　　前苏联K-222是世界上速度最快的核潜艇，水面航速35公里每小时，而水下时速高达82.8公里，这比上文所说的美国三体濒海战斗舰还要快。要知道，这可是一艘长106.9米，宽11.5米，并可下潜到400米深的大家伙。

　　核潜艇破冰而出。

　　增加核潜艇的水下航速除了增大功率、采取水滴型外形外，其表面艇体的光滑程度也是因素之一，随着技术的发展，未来核潜艇的水下航速有望突破100公里每小时。

　　这真的是很刺激呢，比一线城市的行车速度快多了。当然，这主要是深海不限速，也永不会拥堵，和平年代，随时可狂飙。

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品。

　　出品：科普中国

　　制作：寒木钓萌

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心