第三章 潜艇潜浮的奥秘

潜现代军舰中最神秘、最令人难以捉摸的一种，而“潜什么能上浮下潜”、“潜艇在水下是如何航行的”等问题一直是对潜艇充满幻想的朋友们想知道的。在青岛海军博 3 物馆，人们参观过那艘已经退役的潜艇后，常常有很多稀奇古怪的问题提出来。这一章，我们就来介绍一下人们问得最多的问题： 潜艇是如何潜浮的呢？

说起潜艇潜浮的道理，这还得从 2000 多年前的阿基米德说起，因为，我们在中学物理课里学习的阿基米德定律就是潜艇潜浮的最基本的原理。

阿基米德出生于公元前 287 年，“阿基米德”是希腊语“出类拔萃的思想家”的意思，在当时，哲学和自然科学尚未分离，长大后的阿基米德终于没有违背父辈的愿望而成了一名“出类拨萃的思想家”。

阿基米德是一个勤于思考、善于思考的人，他制造成功了行星仪和其它各种测量仪器，并写出《行星仪制造》一书。为了能从坝外引水，他在海螺螺纹的启发下研制成功螺旋扬水器。他在国王命令检测王冠是否掺有杂物的情况下发现了闻名中外的阿基米德定律，并由此写出了《论浮休》一书。在书中，他将阿基米德定律更加完整地表述出来，主要包括两点：一、物体浸入液体时，液体被排开的体积等于物体所侵入的体积；二、任何物体在液体中都会受到浮力的作用，浮力的大小等于这个物体所排开的液体的重量；当物体重量大干浮力时，物体则下沉；当物体重量小于浮力时就浮起；当物体重量等于浮力时物体就在液体中悬俘着。

也许有人认为，这几乎人尽皆知的阿基米德定律怎么会与潜艇的潜浮有关系？确实，从表面上看，一个人尽可知，一个神秘莫侧，然而，这两者之间有着非常密切的关系，任何一个潜艇设计师都会这样对你说：阿基米德是潜艇沉浮理论的鼻祖，没有阿基米德定律，至少今天的潜艇不会发展成为如此重要的海战兵器。

根据呵基米德定律，我们知道，潜艇漂浮在水面和潜入海水深处时，它主要受到两个力的作用，其一就是由潜艇本身重量构成的重力，其方向向下； 另一个力就是潜艇侵入水中部位排开海水时受到的浮力，其方向向上。这两个力大小相等、方向相反，所以潜艇可以在水面漂浮或水下悬浮。

潜艇漂浮在海面上时所排开海水的重量称为水上排水量，其与潜艇在海面所受的浮力大小相等。根据阿基米德定律，要使潜艇下潜，只要使潜艇的重量大于它的浮力就行了。然而，潜艇的体积一定，怎样增加潜艇的重量呢？办法很简单。我们知道，潜艇上都设有水柜，只要向水柜中灌水，潜艇

本身的重量就增加了，潜艇的重量就大于它最初所排开水的重量，潜艇将逐渐下沉，当水柜中全部灌满水，潜艇就潜入水下了。

有人或许会间，潜艇水柜中灌满了水，会不会像铁块一样一直沉到海底呢？回答是否定的。因为，现代潜艇都是由专家们仔细设计、核算过的，当水柜全部装满水时，潜艇在水下的重量恰好等于潜艇整个艇体所排开海水的重量，我们把这个重量称为潜艇的水下排水量，它与潜艇在水下所受的浮力相等，进一步说，潜艇水下水量是和它同体积的海水的重量相等的，此时， 潜艇可悬浮于海水中任何位置。

我们不介绍，读者也会想得到，当我们需要潜艇上浮时，只要用高压气体将潜艇水柜中的水排出去，让潜艇本身的重量减轻，而此时，潜艇在水中

所受的浮力依然与潜艇所排开海水的重量相等，这时，潜艇本身的重量就比潜艇的浮力小，根据阿基米德定律，潜艇必然上浮。

以上我们仅从理论上介绍了潜艇潜浮的道理，我们再具体到潜艇的实际操作中去看看。

在潜艇上，供潜艇上浮下潜的水柜被称之为主水柜，由于现代潜艇一般都是两层壳体（内壳和外壳），所以，其主水柜一般就是潜艇内外两层壳体之间的空间。

由于潜艇从艇艏到艇艉的距离较长，所以，潜艇设计师们通常用隔板将内、外两层壳体之间分隔成若干个水柜，并在每个水柜的顶部没有通气阀、底部设有通海阀。通气阀和通海阀都是由艇员在舱内操纵，当潜艇需要下潜时，如果只打开通海阀，水柜里的空气无法排除，水就无法进到水柜中来， 只有同时打开通气阀和通海阀，水柜中的空气才能从通气阀中排出，艇外的海水也才能从通海阀流入水柜，这样，潜艇本身的重量增加了，开始下潜， 而一旦潜艇需要上浮，则关闭上部的通气阀，同时向水柜内供应高压气，在高压气的作用下，逐步将海水从水柜压向通海阀，最后压往艇外，这样，潜艇本身的重量轻了，潜艇就自然而然地上浮了。

然而，在潜艇悬浮在水中时，潜艇本身的重量和它所受的浮力却是经常变化的，比如粮食吃了、柴油烧了、武器发射了，这些都会使潜艇本身的重量变轻。那么，这种下断变化重量和浮力的情况下，如何保持潜艇在水中悬浮和平衡呢？特别的是，大海中海水的密度各不相同，当潜艇从一个海区驶往另一个海区时，浮力发生了变化，怎样保持平衡呢？

办法同样很简单，原来，潜艇上除了主水柜外，还有次一级的水柜，人们通常称其为调节水柜或俘力调整柜。通常，这个水相中储有 1/2—2/3 的海水，也留有一定的空间，而且这部分海水的重量早已包括在潜艇的重量里了。假若潜艇的重量减轻了，潜艇就会从一定的悬俘位置向上浮，而为了保持潜艇不上浮，就需要打开调节水柜的通海阀，让海水进到调节柜中，直至与潜艇所排开海水的重量（即潜艇的浮力）相同。如果是海水比重变化引起潜艇浮力的变化，同样也通过调节水柜来调整，当潜艇潜至海水比重较大处时. 潜艇所受浮力增大，打开通海阀向调节水柜里灌点水即可；而当潜艇潜至海水比重较小处时.则通过高压气体将调节水柜中的海水向艇外排出部分。

调节水柜除了以上介绍的“调节”这一主功能外，还有其他独特的功用。由于主水柜装满水后，潜艇的水下重量恰好等于潜艇整个艇体所排开海水的重量，所以，仅仅依靠潜艇的主水柜是无法使潜艇坐沉海底的，而潜艇又常常需要坐沉海底休整或修理，这时，在主水柜注满海水的同时，就要利用调节水柜了，只要向调节水柜各灌一些水，使潜艇的重量大于潜艇所排开海水的重量，潜艇就会像铁块一般沉入海底，从而坐沉海底。

潜艇坐沉海底后，不仅可用于人员休整和机械修理，因为，坐沉海底的潜艇可以停止一切机件的工作，此时，潜艇变得无声无息，敌方各种搜索器材都很难搜索得到。于是，如果潜艇远远地发现敌方的反潜兵器，沉坐海底则是潜艇安全的避躲方法之一，不过，话又得说回来，潜艇也不是在任何时候都可以沉坐海底的，因为，任何潜艇的艇体都有一定的耐压能力，当超过这个耐压能力后，艇体就有可能被压垮、压扁，所以，潜艇坐沉海底的深度， 必须是潜艇壳体本身所能承受的深度（简单说来，深水每增加 10 米大约增加一个大气压的压力）。即潜艇的水下潜航的极限深度以上，否则，就将会造

成惨案。

乖坐过小木船或在公园里划过舢板的人都会知道，如果人在小木船或舢板上不注意，很可能会造成翻船的危险，就如像是一杆天平，当天平的两端放上重量不等的砝码，平衡就会打破，重的一头向下扎去，轻的一头向上升起，潜艇在水下航行正像一杆天平，当人员在其中走动或某处物资、弹药消耗，潜艇本身的平衡系统一定会打破，特别是发射鱼雷和导弹时，由于一条鱼雷、导弹均重几吨，一下发射出去，潜艇的平衡将严重被打破，如果没有专门的平衡装置，潜艇肯定会一头重一头轻，顺着重的一端扎向深海。这种倾斜状态或趋势，造船学家们一般称其为纵倾，在现代潜艇上，均有一套称为“均衡系统”的调节机构。

均衡系统听起了很玄呼。其实也很简单，说开了就是由两个水柜、一根水管和一个水平仪组成的系统。两个水柜分别布置在潜艇的艇艏和艇艉，称为均衡柜，平时装有一定数量的海水，两个水柜用一根小管连接在一起，小管的中间位置装有一个水泵，而水平仪则装在操纵战位上。

操纵战位上有专司控制潜艇纵倾的操纵员，水平仪主要提示潜艇的平衡情况，根据水平仪的指示，如果是潜艇的艏部重了，就用水泵把潜艇艏部均衡水柜的水调节到潜艇艉部均衡水柜中，相反，如果潜艇的艉部重了，就用水泵将潜艇艉部均衡水柜中的海水调节到潜艇艏部的均衡水柜中。这样调节潜艇艏部和艉部调节水柜中的海水，在保证潜艇总重量不变的前提下保证潜艇前后重量相等，保证潜艇重心的位置不发生变化，控制纵倾现象的发生。然而，由人工操纵控制均衡水柜中的海水是一种较为粗笨的方法，现代

潜艇一般由专用电脑自动控制，调节海水也不再采用水泵调节，而采用速度更为迅速的压缩空气压水均衡法。所谓压缩空气压水均衡法就是在艇艏和艇艉的均衡水柜上方装有高压空气管路，当需要从艇艏均衡水柜（艇艉均衡水柜）向艇艉均衡水柜（艇艏均衡水柜）调水，在电脑的控制下，向艇艏均衡水柜（艇艉均衡水柜）中供压缩空气，艇艏（艇艉）均衡水柜中的海水在压缩空气的挤压下，顺着水管流向艇艉（艇艏）均衡水柜中。

不过，以上介绍的控制潜艇纵倾的方法还仅仅是控制纵倾的理论上最可信的方法，实际上，在潜艇一旦发生危险的纵倾时，仅靠均衡系统来调节还不够，还要同时采取其他一些有效的措施，如操纵升降舵，加大或降低航速， 其他专用水柜进行排水等，只有在这些措施的共同作用下，潜艇的纵倾之灾才能得到有效的控制。

或许有人会问，前面介绍的都是潜艇在正常潜航下的下潜和上浮，那么， 当潜艇遇到敌舰需要快速下潜时怎么办？当潜艇遇到危险需要快速上浮怎么办？

办法同样很简单，同样是利用艇体上的水柜。我们先介绍潜艇是如何快速下潜的。

根据阿基米德定律和其他物理学的知识，我们知道，要使潜艇快速下潜， 唯一的办法就是给潜艇在短时间内多增加重量，使潜艇本身的重量大大超过它入水体积所排开的海水重量，这样，潜艇就能迅速下潜。

如何最方便地增加潜艇的重量呢？当然是增加潜艇四周到处都存在的海水。怎样在潜艇艇体内短时间增加海水呢？原来，在潜艇上，不光设置有我们前面已经介绍过的主水柜、均衡水柜，而且还设计有用于潜艇快速下潜的速潜水柜。

在正常情况下，速潜水柜是不灌水的，潜艇下潜时，只使用主水柜，即只向主水柜供水，对大多数常规潜艇而言，使用主水柜使潜艇下潜，从水面潜至水下 8—15 米水深的时间大约为 3050 秒，而一旦潜艇遇到敌飞机、反潜舰艇时，或者有与其他船只相撞的危险时，那么，主水柜和速潜水柜将同时灌水，这样潜艇从水面下潜到水下的时间将大为缩短，从而避免遭敌攻击或与其他船舶相撞。

学过牛顿定律的读者也许会提出这样一个问题，在速潜过程中，由于潜艇总重量比潜艇体积排开海水的重量大得多，而且随着速潜柜海水的增加， 潜艇的总重量不断增大，就是说潜艇来身所受的不断增大的重力比浮力大得多，潜艇速潜过程中速度将越来越大，那么，潜艇会不会在速潜过程中一头扎进海底呢？

如果没有其他一些设施，潜艇速潜的过程当然会速度越来越快地一头扎入海底，然而，潜艇设计师们早就考虑到这一点，他们将速潜水柜也和高压气体接通了，在潜艇下潜到水下一定深度后，将及时用高压气体将速潜水柜中的水排出去，使潜艇的重量与潜艇艇体排开海水的重量相等，保证潜艇悬浮在水下一定深度潜艇是不是只有在海底坐沉海底时才能停止一切机件的工作呢？回答是否定的，实际上，在大海中，有许多液体海底，潜艇也可以潜坐在液体海底上关闭机械。

液体海底看不见、摸不着，但它却具有独特的作用。由于大多数人无法体会到潜坐液体海底的滋味，这里，我们稍详细地介绍一下液体海底及其对潜艇的作用。

液体海底是由于海水中各处密度不同而形成的密度跃层。海水密度与温度、盐度、深度及地理经纬度等诸多因素有关，但一般而言，在同一海域中一定温度范围内，温度低的海水密度比温度高的海水密度大，盐度高的海水密度比盐度低的海水密度大。所以，在江河入海口处，由于江河中淡水的冲入，常常会形成明显的密度跃层；在寒冷地区的夏季，由于海上浮冰的融化， 无盐的水层分布在高盐度高密度的海水上时，也易产生密度跃层：海水表面接受太阳光的照射，表面温度较高，海水的密度就较低，而同一海域深处的海水，由于太阳光难以透过那几百甚至几千米的海水，故深处海水温度较低， 又因盐度较高，水深压力大，因此，海水的密度就较高，这样也可能形成密度跃层，即产生液体海底。

目前，密度跃层已经被军事科学家们应用，潜艇在密度跃层上，因俘力跃变，各部位所受浮力不同，就有可能像停在真正的海底上一样，稳稳当当地停留在密度跃层上，而无需担忧出现诸如翻艇亡人等海难。此外，由于密度跃层上下界面流体密度的不同，光波、声波等经过此都会产生反射和折射等现象，潜艇一旦遇到较为强大的空中或水面来敌的追击，只需迅速地钻到液体海底的下面，敌飞机或水面军舰上的各种对潜搜索器材将失去效能，因为这些搜索器材所发出的声、光波大都被反射回来，即使有少量信号能透过液体海底，由于密度跃层上下密度的不同而产生折射现象，从而无法准确确定潜艇潜藏的位置。这样，潜艇便可借助于液体海底与水面舰艇和空中飞机在茫茫大海上“捉迷藏”了。

液体海底这一奇特现象的发现，还有一个有趣的故事。早在 100 多年前，

在太平洋西北的洋面上，一艘 50 吨级的渔轮正追赶着一群营养价值颇高的鱼群，当渔民们撒下鱼网准备开足马力拖鱼时，突然船速明显降了下来，后来

干脆就走不动了。此时，船的推进装置正常地运转着，可为什么会走不动呢？ 渔民们猜测可能是龟网拖到了什么笨重的东西，于是决定收鱼网，可鱼网却收不起来了，被卷成长长的一缕，很沉重。船长怕遇上海怪，连忙命令弃网， 可弃网后的渔船仍无法开动。这一下，船员都十分紧张，以为真的遇上了海怪，纷纷祈祷上帝。可奇迹突然出现了，海水发生了奇妙的抖动，渔船慢慢地动了起来，且越开越快，很快就恢复了正常速度。对这次“怪事”，由于当时对神秘的大海尚不熟悉，故一直以为是什么海怪作祟。

1893 年 6 月 19 日，挪威探险家南森也遇到了这样一件事，当探险船航行到了俄国的喀拉海的太尔半岛时，船也被海水“粘”住了。沉着冷静的南森遇上这种怪事不搞清缘由是绝不肯罢体的。后来，在海洋学家爱柯曼的帮助下，他终于弄清了船跑不动的原因——那里的海水是分层的，靠近海面处是一层不厚也不纯的淡水，远离海面的则是一层咸咸的海水。

那么，现在为什么没有听到过一次海水“粘”船的报道呢？原来，在月亮、太阳的引潮力或风、海流等的影响下，密度跃层的界面上会产生一种小波浪——内波，内波的速度一般在两节左右，当船的速度大大超过内波的速度时，内波就无法将船“粘”往，而当船的速度在两节左右而且与内波传播的方向相反时，就很有可能被海水“粘”住而无法动弹。现代船舶的速度已能达到 60—70 节右右，最低的也达 7—8 节左右（本处指在大海中航行的机动船舶），故根本不可能出现“粘”船的怪事，而古老船舶的航行速度一般在 2—4 节左右，出现“粘”船的怪事也就不足为奇了。

液体海底的用途还远未全部开发出来，特别是对于在大洋深处进行活动的潜艇而言。随着人类对液体海底认识的越加深入，液体海底在潜艇的远航、作战等活动中将会发挥越来越大的作用。