人类建造潜艇的灵感来自动物 海豚和鲸是功臣

　　潜艇是能潜入水下活动和作战的舰艇，又称潜水艇。潜艇从发明到现在，已经有200多年的历史。同导弹的发明一样，潜艇的发明和发展，也与动物有着密切的联系。从17世纪初叶开始，为了探索海底世界的奥秘、提高水面舰艇的生存能力，人们就想建造一种像鱼和海兽一样，既能潜入海底又能浮出水面的舰艇。于是，海龟的潜水能力，引起人们的注意，那么，像海龟这样能自如下潜上行的海洋动物能给人们建造潜艇什么灵感呢？

　　美国《防务新闻》10月15日撰文称，印度正在加紧推进国产核动力潜艇的研发进程。印度海军方面消息来源指出，在俄罗斯帮助下，被称为“先进技术艇（ATV）”的印度国产核潜艇的艇壳正在L&T造船厂建造之中，并已经完成了艇上部分系统的陆上测试工作。按照印度海军规划，将于2009年对“先进技术艇”进行海上测试工作。印度防务专家表示，实战经验表明，装备潜射弹道导弹的核潜艇最不易被敌方摧毁，战场生存能力最强。众所周知，水面舰艇的发明和改进，使军队取得了在水面航行的自由。但是，水面舰艇的最大弱点是容易暴露目标。为了探索海底世界的奥秘、提高水面舰艇的生存能力，人们就想建造一种像鱼和海兽一样，既能潜入海底又能浮出水面的舰艇。因此，潜艇便应运而生。初出茅庐便大显神威专家：要建造潜艇，首先必须解决潜艇如何下潜和上浮两个难题。人们在经过研究过程中，就发现水母具有能够充气的“浮鳔”，可以根据感觉细胞的控制而充以足量的气体，使水母浮于水面。另外，人们还发现乌贼也是靠改变体内水的密度实现沉浮；而鱼类则是靠鱼鳔充气和排气进行沉浮。于是，人们从这些水生生物的沉浮机制中得到了启示。因此，最初研制出的潜艇是一种通过人力摇动，通过往水柜里注水、排水，使其自身下潜、上浮的船。1775年，在美国独立战争中，为了对付英国的军舰，美国人戴维特·布什内尔用橡木制造了一个一艘单人驾驶的、以手摇螺旋桨为动力的木壳小艇，这个潜艇只能容纳1个人，并可以携带一枚水雷，布什内尔给它取名“海龟”。“海龟”投入实战后，虽然未取得什么战果，但英国以为美国发明了一种秘密武器，匆匆撤军。可以说，“海龟”不仅是第一艘从事海战的潜艇，也是世界上最早的潜艇。尽管潜艇是海战中的新劲敌，但是它初出茅庐就大显神威，并且逐步在海军兵力中占据了重要位置。1914年9月，德国的U9潜艇只用了90多分钟就击沉了3艘英国巡洋舰。在第二次世界大战中，德国潜艇就先后击沉英美运输舰船约5000艘，大型水面舰艇129艘。美国潜艇人员虽然只占它所有参战人员的1.6%%，但它的潜艇击沉敌方的舰船却占美国击沉敌方舰船总数的55%。

　　模仿海豚航速成倍提高

　　尽管各国总是把最新科技成果应用到军事上，但是由于最初潜艇的结构不够科学，因此，潜艇受水的阻力很大，速度慢、功率低。科学家们把目光转向了海洋中的动物，试图从它们身上找到改进潜艇的方法。人们发现，海豚在受到惊扰或追捕其他动物时，速度可以高达100公里/小时，在人造潜艇要耗去90％的推力来克服大海的阻力前进时，海豚只需要凭借流线型的身体就能以13米/秒的速度冲刺。为了研究海豚高速前进的奥秘，有人做了一只钢质的海豚模型，用无线电控制它的活动，各种动作都像极了真海豚，可是海豚模型的游泳速度只能游36公里/小时。人们从这个试验中认识到，海豚之所以游得快，一是它有很好的流线体形，二是它的皮肤有着特殊的结构。海豚身体上，滑溜溜的皮肤并不是紧绷绷的，而是富有弹性。在游动时，海豚收缩皮肤，使上面形成很多小坑，把水存进来，这样，在身体的周围就形成了一层“水罩”。当海豚快速游动时，“水罩”包住了它的身体，和它的身体同时移动。借助这个水的保护层，海豚游动时几乎没有摩擦力，也不造成漩涡。海豚皮肤的秘密揭开后，美国海军研究部门根据海豚皮肤的结构特点，找到一种接近海豚皮肤的人造材料，模仿海豚真皮层功能，仿制的“人工海豚皮”用于潜艇表面，还模仿鲇鱼表面分泌的粘液，制成高分子化合物，用来涂在舰艇、船壳上，可减少阻力50%，使潜艇的航速成倍提高。蓝鲸提高潜艇效率如果说海豚在汪洋的大海中是以速度快见长，那么体重达到100多吨的蓝鲸则是海洋中效率大师。虽说蓝鲸游泳的速度虽然不算快，正常时速5—7公里，然而，按照它的游泳速度，从技术上衡量，一般需要448匹马力的动力，可实际上它大约只有60匹马力的动力。专家：研究人员在对鲸的体形进行了力学分析，发现鲸之所以动力效率高，是因为它的体形让其自身的所受到的阻力变得最小，已经达到了流体力学中所说的层流的奥秘。层流是粘性流体的层状运动。由于层流一般比湍流的摩擦阻力小，因此，人们按照鲸体的轮廓比例建造的新式核潜艇———梭子鱼级核潜艇，它的航速比普通的潜艇提高了20％—25％。此外，蓝鲸通过释放肺部的空气来控制下潜的深度，尽管它具有超强的潜水本领，但如果潜在厚厚的冰层下面时，蓝鲸会每隔10分钟破冰呼吸一次，而蓝鲸这个看似本能的举动却给了潜艇专家一个很重要的启示。

　　专家指出，当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但如果要在冰下发射导弹，就必须破冰上浮，这就碰到了力学上的难题。因此，潜艇专家在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面，做了加强材料力度和外形仿鲸背处理，成功做到了潜艇的破冰上浮，这就是所谓的“鲸背效应”。虎鲸推进水下定位对于在水下进行长时间潜伏的潜艇来说，如何越过海洋的阻隔，时时保持和其它舰艇、地面指挥等通信系统的畅通，则是更为重要的。在这项技术问题的解决方面，海豚和鲸再一次给予了潜艇设计者一个启示。虎鲸和海豚是在水下进行回声定位的能手。声波从空气进入海水后，就像脱缰的野马，飞速驰骋，其传波速度由在空气中的340米/秒猛增到1700米/秒，水越深，声波的传播速度就越快，而且损耗小，传得远。虎鲸和海豚与陆上的兽类不同，它没有声带，声音不是从喉咙中发出来的。虎鲸发出的声音，是它头部气囊系统产生的。

　　当虎鲸把空气吸入气囊系统后，就关闭其上的瓣膜，空气在里面流动时使瓣膜振动发出声音来。即使在水里没有空气的情况下，它还是可以照样发出声音来。在气囊系统的前面还有一个脂肪瘤起“声速镜”的作用，能把声音聚焦后定向发出来，帮助虎鲸更准确地探测目标和分辨障碍物。

　　根据蝙蝠超声波定位原理和声波的特性，在第一次世界大战期间，法国物理学家 P·郎之万研制成回声定位仪（即声纳），现在已成了战舰的基本装备。依然要向动物学习人们通过仿生海豚、鲸等这些海洋动物独特的运动和生理特点，使得潜艇无论在速度还是潜能都有了飞速的发展。尤其在二战之后，核动力和战略导弹武器在潜艇上的运用，使潜艇的发展进入了一个崭新阶段，核动力潜艇更被誉为“划时代的战神”。有意思的是世界上第一艘核动力潜艇———美国“鹦鹉螺”号核潜艇，就是以动物的名字命名的。如今的潜艇结构已经相当完善，多数潜艇的外形都像一只巨大的鲸或者海豚。船体为钢制圆形固壳，内部分若干舱室，艇的上层除了指挥塔之外，都是狭长平行滑甲板。现在常规潜艇水下的速度一般为十几节，核潜艇的水下速度则可以达到25—50节。

　　从某种角度来说，是海豚和鲸成就了潜艇今天的辉煌。尽管现在最新式的核动力潜艇能够在它99.5％的时间中在水下潜行，并可以连续潜在海底长达数月，对地球上任何目标进行攻击。但是，潜艇在许多结构和航行上，仍然不如海洋动物那样高明。在未来的发展中，潜艇依然需要在海洋中的动物身上找寻其继续前进的奥秘。

　　来源: 科技日报