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。

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

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