浅谈潜水艇的沉浮原理

冉卫凌 杨尚林

摘 要：潜水艇是一种水下舰艇设备，包括军用潜艇与民用潜艇两大类型，是通过控制其浮力来开展水下作业的，现阶段各种军用与民用潜水艇的研发与生产越来越多，因此本文对于潜水艇的沉浮原理进行探究，首先对潜水艇进行相应简要阐述，进而从仿生学原理与物理学原理两个层面来分析潜水艇的沉浮原理。

关键词：潜水艇；沉浮原理；阿基米德浮力原理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0386-01

前 言

水及其他流体会对其表面会内部的物体产生一种向上的作用力，这种力就被称作“浮力”，而地球自身的引力会在物体上产生一种向下的重力，通过浮力与重力的调节，物体就可以改变其悬浮的状态，当浮力大于重力的时候，物体就是上浮的；当重力大于浮力的时候，物体则会下潜或下落，浮力的存在使得船舶、飞艇、气球、潜水艇等装置或物体的悬浮成为可能。

1 潜水艇的简要概述

潜水艇也可以简称为潜艇，是一种可以进行水下活动的舰艇设备，具有较多的种类与形态，小型潜水艇可以满足一两人操作与潜水的需求，大型潜水艇甚至可以容纳数百人。一般小型潜水艇通常是民用潜水艇与自动水下舰艇装置等，是用来进行水下搜救、打捞、维修、观光、调查、侦测、开采等工程的，诸如SeabreacherX鲨鱼型潜艇等，是用以满足人们的娱乐与运动需求的，其外形设计为鲨鱼形状，并模仿鲨鱼等海洋生物的尾部关节，可供1～2人乘坐，这种潜艇采用了260马力的增压发动机，矢量推进系统，最高时速可以达到80km左右，可以进行水下潜行，或者跃出水面。由于这种潜艇是用来作为一种私人水下交通工具来使用的，因此其发动机并不支持长时间潜航。

大型潜水艇通常都是军用舰艇，是常见的战略性武器。而军用潜水艇的生产与研发需要投入大量的技术与工业成本，因此许多国家并不具备自行设计与生产的能力。随着科学技术的不断发展，无人潜艇作为一种水下尖端军事武器而受到了各国的广泛关注，并且其技术水平飞速发展，目前已经逐渐突破了智能化技术的壁垒，研发出来遥控潜水艇型无人潜艇、半沉浮型智能潜艇等。

2 潜水艇的沉浮原理

2.1 潜水艇沉浮的仿生学原理

潜水艇是现代海军与民间作业的重要装备与舰艇之一，可以潜到水下进行自由活动，也可以上浮到水面上袭击海面或地面目标，并且担负着布雷、侦查、运输等重要任务。在执行任务的过程中，潜水艇的隐蔽性与潜水艇袭击的突然性而愈发被人们所关注。潜水艇可以在海中进行长时间的航行，而潜水艇之所以可以下潜上浮与突然袭击，在很大程度上得以与其仿生学设计。潜水艇的外形设计，一定程度上模仿了鳟鱼的外形，这种流线型的设计可以有效减少潜水艇在水中潜行所遭受的阻力，同时由于其流线型外形，在水中潜行的时候，潜水艇所发出的噪音可以很大程度降低，因此其隐蔽性也得以大大提升。另外，潜水艇的沉浮是基于阿基米德的浮力原理，在内部设计了一个“水舱”，而这个“水舱”的设计，也是一种仿生学设计，是参考鱼类、乌贼与僧帽水母等海洋生物的“浮鳔”，通过“水舱”的充水、排水来控制潜水艇的沉浮。

2.2 潜水艇沉浮的物理学原理

2.2.1 潜水艇的沉浮

如上文所述，潜水艇的沉浮是人类通过观察海洋生物的沉浮，总结其经验与特性而得出的设计方法，而潜水艇沉浮本身也是遵循阿基米德的浮力原理，早在初中阶段，我们就通过物理学科对潜水艇的沉浮原理有了初步的认知，即潜水艇通过改变自身重量的方式实现沉浮，其改变自身重量是通过水舱的充水与排水，当水舱中注满水的时候，潜水艇重量增加，因而下沉；当水舱水排出之后，潜水艇重量减轻，因而上浮。因此在中小学中，“潜水艇实验”成为解释阿基米德浮力原理的重要实验。事实上，实际的潜水艇在下潜和上浮的时候，为了保证潜水艇的沉浮速度，除了依靠水舱的充水与排水之外，还会采用升降舵来提高潜水艇沉浮的灵活性。

许多潜水艇上会设计操纵水柜、专业水柜与生活水柜等，用以进行充水与排水，这些空间的使用目的就是对潜水艇上浮与下潜进行控制，采用壓缩空气来进行控制，下潜时即进行充水，上浮时则以高压气体进行排水，以减轻潜水艇的自身重量。为了更好地控制潜水艇的平衡性，通常还会涉及小水柜来控制水量，通过在潜水艇尾部安装的方向舵来控制潜水艇的水平方向，通过潜水艇前部及尾部的升降舵来控制潜水艇的垂直方向。许多潜水艇为了避免对声呐等水下声音导航与测距设备的正常工作，还会在潜水艇舰首指挥台围壳上安装升降装置。

2.2.2 潜水艇的悬浮

当潜水艇在水中所受到的浮力与与其自身重力相同时，潜水艇在水中就呈现出“悬浮”的状态，这种情况下的潜水艇无论是上浮还是下潜，都必须通过充放水或者升降舵来推动其沉浮运行。如果在不开启升降舵的情况下，潜水艇在悬浮状态下想要下沉，其水舱中必须留下充水的空间，避免由于水舱已满而出现无法下潜的窘境。另外，潜水艇也承担着运输物资的重要任务，但不可能每一次潜水艇运送的物质质量相同，因而在每一次运送货物的过程中，潜水艇都必须调整其水舱中的水量，因此可以确定的是，悬浮状态下的潜艇通常水舱并不充满。

在设计潜水艇时，出于减少材料使用的需要，通常会根据潜水艇主要承担的功能与实际需要来设计水舱的大小，如果潜水艇为军用舰艇，所需要承载的货物较少，则其自身重量与所受到的浮力都比较小，水舱需要的充水防水就比较少，的设计也可以适当减小。一般来说，当潜水艇自重较小，其水舱已经充满的情况下，潜水艇想要下潜，就必须通过升降舵来实现，但大多数时间内，潜水艇的水舱都是不满的。

3 结 语

潜水艇的沉浮主要是通过改变其自身重量的方式来实现的，大多数潜水艇会设计水柜或水舱，通过向水舱中注水来控制潜水艇下潜，通过压缩气体并向水舱中注入高压气体将水压出来减少自身重量，控制潜水艇上浮。而当潜水艇的浮力与重力相同的时候，潜水艇就实现了“悬浮”，因此大多数时刻潜水艇的水舱或水柜都不是充满水的状态。

项目基金：大学生国家级创新项目“基于STM32的嵌入式多功能水下作业潜艇”（201711407037）。

参考文献

[1]宋馨瑶.潜水艇浮沉原理的一个新观点[J].中学物理，2015，33（02）：45～46.

[2]赵嘉宇.潜水艇和鱼上浮和下沉的原理一样吗？[J].农村青少年科学探究，2014（12）：31.

收稿日期：2018-6-20

指导老师：杨尚林