dive and eco: 潛艇與動物奇兵，海洋動物給人類建造潛艇以靈感

潛艇與動物奇兵海洋動物給人類建造潛艇以靈感
DWNEWS.COM-- 2007年10月17日20:25:2(京港臺時間) --
多維新聞網來源﹕(chinesenewsnet.com)

梭子魚級潛艇假想圖（資料）

潛艇是能潛入水下活動和作戰的艦艇﹐又稱潛水艇。潛艇從發明到現在﹐已經有200多年的歷史。同導彈的發明一樣﹐潛艇的發明和發展﹐也與動物有著密切的聯系。從17世紀初葉開始﹐為了探索海底世界的奧秘﹑提高水面艦艇的生存能力﹐人們就想建造一種像魚和海獸一樣﹐既能潛入海底又能浮出水面的艦艇。于是﹐海龜的潛水能力﹐引起人們的注意﹐那麼﹐像海龜這樣能自如下潛上行的海洋動物能給人們建造潛艇什麼靈感呢﹖

美國《防務新聞》10月15日撰文稱﹐印度正在加緊推進國產核動力潛艇的研發進程。印度海軍方面消息來源指出﹐在俄羅斯幫助下﹐被稱為“先進技術艇（ATV）”的印度國產核潛艇的艇殼正在L&T造船廠建造之中﹐並已經完成了艇上部分系統的陸上測試工作。按照印度海軍規劃﹐將于2009年對“先進技術艇”進行海上測試工作。印度防務專家表示﹐實戰經驗表明﹐裝備潛射彈道導彈的核潛艇最不易被敵方摧毀﹐戰場生存能力最強。眾所周知﹐水面艦艇的發明和改進﹐使軍隊取得了在水面航行的自由。

但是﹐水面艦艇的最大弱點是容易暴露目標。為了探索海底世界的奧秘﹑提高水面艦艇的生存能力﹐人們就想建造一種像魚和海獸一樣﹐既能潛入海底又能浮出水面的艦艇。因此﹐潛艇便應運而生。初出茅廬便大顯神威專家﹕要建造潛艇﹐首先必須解決潛艇如何下潛和上浮兩個難題。人們在經過研究過程中﹐就發現水母具有能夠充氣的“浮鰾”﹐可以根據感覺細胞的控制而充以足量的氣體﹐使水母浮于水面。另外﹐人們還發現烏賊也是靠改變體內水的密度實現沉浮﹔而魚類則是靠魚鰾充氣和排氣進行沉浮。于是﹐人們從這些水生生物的沉浮機制中得到了啟示。

因此﹐最初研制出的潛艇是一種通過人力搖動﹐通過往水櫃裡注水﹑排水﹐使其自身下潛﹑上浮的船。1775年﹐在美國獨立戰爭中﹐為了對付英國的軍艦﹐美國人戴維特‧布什內爾用橡木制造了一個一艘單人駕駛的﹑以手搖螺旋槳為動力的木殼小艇﹐這個潛艇只能容納1個人﹐並可以攜帶一枚水雷﹐布什內爾給它取名“海龜”。“海龜”投入實戰後﹐雖然未取得什麼戰果﹐但英國以為美國發明了一種秘密武器﹐匆匆撤軍。可以說﹐“海龜”不僅是第一艘從事海戰的潛艇﹐也是世界上最早的潛艇。盡管潛艇是海戰中的新勁敵﹐但是它初出茅廬就大顯神威﹐並且逐步在海軍兵力中佔據了重要位置。

1914年9月﹐德國的U9潛艇只用了90多分鐘就擊沉了3艘英國巡洋艦。在第二次世界大戰中﹐德國潛艇就先後擊沉英美運輸艦船約5000艘﹐大型水面艦艇129艘。美國潛艇人員雖然只佔它所有參戰人員的1.6%%﹐但它的潛艇擊沉敵方的艦船卻佔美國擊沉敵方艦船總數的55%。

模仿海豚航速成倍提高盡管各國總是把最新科技成果應用到軍事上﹐但是由于最初潛艇的結構不夠科學﹐因此﹐潛艇受水的阻力很大﹐速度慢﹑功率低。科學家們把目光轉向了海洋中的動物﹐試圖從它們身上找到改進潛艇的方法。人們發現﹐海豚在受到驚擾或追捕其他動物時﹐速度可以高達100公裡/小時﹐在人造潛艇要耗去90％的推力來克服大海的阻力前進時﹐海豚只需要憑借流線型的身體就能以13米/秒的速度沖刺。為了研究海豚高速前進的奧秘﹐有人做了一只鋼質的海豚模型﹐用無線電控制它的活動﹐各種動作都像極了真海豚﹐可是海豚模型的游泳速度只能游36公里/小時。

人們從這個試驗中認識到﹐海豚之所以游得快﹐一是它有很好的流線體形﹐二是它的皮膚有著特殊的結構。海豚身體上﹐滑溜溜的皮膚並不是緊繃繃的﹐而是富有彈性。在游動時﹐海豚收縮皮膚﹐使上面形成很多小坑﹐把水存進來﹐這樣﹐在身體的周圍就形成了一層“水罩”。當海豚快速游動時﹐“水罩”包住了它的身體﹐和它的身體同時移動。借助這個水的保護層﹐海豚游動時幾乎沒有摩擦力﹐也不造成漩渦。海豚皮膚的秘密揭開後﹐美國海軍研究部門根據海豚皮膚的結構特點﹐找到一種接近海豚皮膚的人造材料﹐模仿海豚真皮層功能﹐仿制的“人工海豚皮”用于潛艇表面﹐還模仿蟵魚表面分泌的粘液﹐制成高分子化合物﹐用來涂在艦艇﹑船殼上﹐可減少阻力50%﹐使潛艇的航速成倍提高。

藍鯨提高潛艇效率如果說海豚在汪洋的大海中是以速度快見長﹐那麼體重達到100多噸的藍鯨則是海洋中效率大師。雖說藍鯨游泳的速度雖然不算快﹐正常時速5─7公裡﹐然而﹐按照它的游泳速度﹐從技術上衡量﹐一般需要448匹馬力的動力﹐可實際上它大約只有60匹馬力的動力。專家﹕研究人員在對鯨的體形進行了力學分析﹐發現鯨之所以動力效率高﹐是因為它的體形讓其自身的所受到的阻力變得最小﹐已經達到了流體力學中所說的層流的奧秘。

層流是粘性流體的層狀運動。由于層流一般比湍流的摩擦阻力小﹐因此﹐人們按照鯨體的輪廓比例建造的新式核潛艇───梭子魚級核潛艇﹐它的航速比普通的潛艇提高了20％─25％。此外﹐藍鯨通過釋放肺部的空氣來控制下潛的深度﹐盡管它具有超強的潛水本領﹐但如果潛在厚厚的冰層下面時﹐藍鯨會每隔10分鐘破冰呼吸一次﹐而藍鯨這個看似本能的舉動卻給了潛艇專家一個很重要的啟示。

專家指出﹐當代核潛艇能長時間潛航于冰海之下﹐但如果要在冰下發射導彈﹐就必須破冰上浮﹐這就碰到了力學上的難題。因此﹐潛艇專家在潛艇頂部突起的指揮臺圍殼和上層建筑方面﹐做了加強材料力度和外形仿鯨背處理﹐成功做到了潛艇的破冰上浮﹐這就是所謂的“鯨背效應”。

虎鯨推進水下定位對于在水下進行長時間潛伏的潛艇來說﹐如何越過海洋的阻隔﹐時時保持和其它艦艇﹑地面指揮等通信系統的暢通﹐則是更為重要的。在這項技術問題的解決方面﹐海豚和鯨再一次給予了潛艇設計者一個啟示。虎鯨和海豚是在水下進行回聲定位的能手。聲波從空氣進入海水後﹐就像脫韁的野馬﹐飛速馳騁﹐其傳波速度由在空氣中的340米/秒猛增到1700米/秒﹐水越深﹐聲波的傳播速度就越快﹐而且損耗小﹐傳得遠。虎鯨和海豚與陸上的獸類不同﹐它沒有聲帶﹐聲音不是從喉嚨中發出來的。虎鯨發出的聲音﹐是它頭部氣囊系統產生的。

當虎鯨把空氣吸入氣囊系統後﹐就關閉其上的瓣膜﹐空氣在裡面流動時使瓣膜振動發出聲音來。即使在水裡沒有空氣的情況下﹐它還是可以照樣發出聲音來。在氣囊系統的前面還有一個脂肪瘤起“聲速鏡”的作用﹐能把聲音聚焦後定向發出來﹐幫助虎鯨更准確地探測目標和分辨障礙物。

根據蝙蝠超聲波定位原理和聲波的特性﹐在第一次世界大戰期間﹐法國物理學家P‧郎之萬研制成回聲定位儀（即聲納）﹐現在已成了戰艦的基本裝備。依然要向動物學習人們通過仿生海豚﹑鯨等這些海洋動物獨特的運動和生理特點﹐使得潛艇無論在速度還是潛能都有了飛速的發展。尤其在二戰之後﹐核動力和戰略導彈武器在潛艇上的運用﹐使潛艇的發展進入了一個嶄新階段﹐核動力潛艇更被譽為“劃時代的戰神”。有意思的是世界上第一艘核動力潛艇───美國“鸚鵡螺”號核潛艇﹐就是以動物的名字命名的。

如今的潛艇結構已經相當完善﹐多數潛艇的外形都像一只巨大的鯨或者海豚。船體為鋼制圓形固殼﹐內部分若干艙室﹐艇的上層除了指揮塔之外﹐都是狹長平行滑甲板。現在常規潛艇水下的速度一般為十幾節﹐核潛艇的水下速度則可以達到25─50節。從某種角度來說﹐是海豚和鯨成就了潛艇今天的輝煌。盡管現在最新式的核動力潛艇能夠在它99.5％的時間中在水下潛行﹐並可以連續潛在海底長達數月﹐對地球上任何目標進行攻擊。但是﹐潛艇在許多結構和航行上﹐仍然不如海洋動物那樣高明。在未來的發展中﹐潛艇依然需要在海洋中的動物身上找尋其繼續前進的奧秘。（CCTV7《軍事科技》提供主創人員﹕龐瑋趙萍余樂）( 新華網 )