潜艇为什么是圆头？这样不是增大阻力，降低速度了吗？
错了，潜艇使用圆头，在水中受到的阻力反而更小。因为潜艇在水中航行时，受到的阻力主要有两种，分别是摩擦阻力（或者叫粘性阻力）和粘压阻力，前者摩擦阻力好理解，顾名思义，就是物体表面和流体之间存在的一种阻碍物体运动的摩擦力，那么什么又是粘压阻力呢？就是当物体在流体中运动时，由于流体的尾部出现涡流运动而形成的一种首尾之间的压力差，这种压力差带来的阻力就叫做粘压阻力，且这种阻力的大小与尾流的形成有很大的关系，看下图：
▲粘压阻力形成原理简图
如图所示，当物体在水中运动时，水流也会沿着物体表面运动的，且运动方向与物体的相反，而当水流流过物体尾部时，就会出现一个低压涡流区，也就是我们大家平时见到的尾流，关于这个低压涡流区（尾流）的形成，我们可以这样理解：正常情况下，液体会填充满静止物体的周围空间的，而当物体运动时，液体会与一定的速度流过物体尾部的大折角区域，此时就会导致流过的液体“来不及”填充满物体尾部的那个空间，从而形成一个涡流区，而相对来讲，这个涡流区的水要“少于”物体前端区域的水，所以压力也就小于物体前端，因此就会在物体的首、尾两处出现一个压力差（前端大、尾部小，等同于阻碍物体向前运动），这个压力差就是物体在流体中运动时遇到的粘压阻力。
▲流线型和钝型物体的所受阻力示意简图
而物体在水中究竟由哪种阻力主导，则是跟物体的形状有关，首、尾成流线型（比如水滴形）的物体，在水中受到的阻力主要是摩擦阻力；首尾成钝型（圆头、平头等）的物体，在水中受到的阻力则主要时粘压阻力。如上图所示，流线型的物体，首、尾的锥度较小，当前端破开水流时，水流可以沿着带锥度的尾部运动，从而在尾端空间汇合，所以，产生的低压涡流区很小或者是几乎是不产生低压涡流区，也就不会出现粘压阻力，因此才说流线型物体的主导阻力为摩擦阻力；而钝型物体的首、尾两端的锥度很大，液体很容易被物体的前端排开，所以与液体接触面积相对更小，摩擦阻力没那么明显，但是因为水流被排开的原因，会导致更难及时地填充慢尾部空间，所以，形成的低压涡流区就更明显，同时粘压阻力越大，因此，钝型物体在水中的阻力以粘压阻力为主导。
▲现代潜艇的结构示意图
所以，对于潜艇来说，使用尖头还是使用钝头（圆头），就取决于这两种结构的在书中受到的阻力谁更加小，答案很明显了，现在的潜艇基本上都是钝头的，所以钝头结构的潜艇在水中受到的综合阻力要更小，为什么？因为增大潜艇的长径比（长度和直径的比值）以及减小尾部锥度（即尾部弄成流线型的）就可以有效地减小粘压阻力，同时，使用圆头来取代尖头又可以减小摩擦阻力，所以，大家发现了没，现在的潜艇她的外形结构都是这样的：前面为圆头，接着中间是一段圆柱体，最后的尾部则是尖尖的流线型，如上图所示，那么，为什么前端用钝头时潜艇受到的阻力反而会更小呢？如果用尖头又会是怎样一种情况呢？我再给大家画一个简图来帮助大家理解，如下：▲尖头和钝头结构的潜艇优缺点对比
从图中我们可以看到，因为潜艇加大了长径比，以及尾部弄成了流线型，所以，不管是前端使用尖头还是钝头，尾部都已经不会产生低压涡流了，也就是说钝头带来的粘压阻力缺陷已经被弥补了，然后我们再看潜艇的前端，如果使用尖头结构，那么带来摩擦阻力没有得到解决，而如果换成把尖头换成钝头，那么当潜艇向前运动时，钝头就会起到一个把水排开的作用，也就相当于在一定程度上减小了水和潜艇表面之间的摩擦阻力，然后因为长径比增大了，被排开的水有足够的时间来回流，再加上潜艇的尾部也是流线型的，所以钝头也一样可以忽略粘压阻力。因此，在同样的长径比、同样是流线型尾部的情况情况下，使用钝头结构的潜艇受到的水的摩擦阻力相对于尖头结构会更小，在忽略粘压阻力的情况下，钝头结构在水中受到的总阻力也就越小，这就是为什么现在的潜艇都使用圆头而不是尖头的原因。
▲水滴形的“青花鱼号”潜艇，现代潜艇外形设计的先驱
最后再提一点，对于潜艇来说，圆头结构对空间的利用率明显要高于尖头结构，如果潜艇的前面是尖头的，那么很多设备就装不下了，会影响整个潜艇的内部布局，所以，使用钝头除了可以减小阻力之外，还是为了尽可能的提高潜艇的内部空间利用率。其实一艘从设计到研发，这个过程是需要花费很多人力物力的，因此，在定型之前，潜艇的任何一项设计都必须达到现有技术条件下的最优解，而现在的潜艇既然都是圆头的，就说明了圆头才是最适合潜艇的，不然的话不就是在浪费研发经费么？
早期的潜艇不是圆头的，而是像水面舰艇那样的尖头破浪型艇艏，比如著名的德国U型潜艇。大家好，欢迎关注兵器知识谱，今天我们聊一聊潜艇的脑袋。现代潜艇按艇体线型的形状可分为三种，即常规型、水滴型和过渡型。常规型潜艇是第一次世界大战前后潜艇采用的线型，这种潜艇的侧面形状与水面舰艇相似，为了降低航行时的兴波阻力，脑袋做成类似水面舰船那样的刀型破浪艇艏，而且为了使潜艇在有风浪的海面上有较好的适航性，首部有很大的脊弧并设有浮力舱，依靠浮力舱提供的浮力来改善潜艇在风浪中的埋首现象，这种艇型适宜于水面航行，但对提高水下航速是不利的，这也是二战时期潜艇总是跑不过驱逐舰的主要原因。下图为影视剧中体现潜艇遇到驱逐舰时无奈的表现，二战时期的潜艇由于水下航行速度极慢，驱逐舰对于潜艇来说就是天敌般的存在。
随着对潜艇水下航速要求的不断提高，人们对常规型潜艇的艇型进行了一系列改进。比如取消了艇艏部位的脊弧和浮力舱以及艇艏的刀型前倾角，改成了直首柱，这就是现在常见的滴水型艇艏。水滴型潜艇的线型特点是首部呈圆钝的纺锤形，潜艇的横剖面几乎都为圆截面，艇身从中部开始向后逐渐变细，尾部呈尖尾状。水滴型潜艇的水下阻力小，有利于提高水下航速，但水滴型潜艇的水面航行性能较差，破浪效果远远不及常规型的刀型前倾角艇艏，而且易出现埋首现象。有的水滴型潜艇为了提高水面航行性能，采用了艇首浮力舱，比如俄罗斯的“基洛”级潜艇。不过现代滴水型（也就是题主所说的圆头啦）潜艇能长时间潜航，比如AIP常规潜艇的最长潜航时间为45天，而核动力潜艇则长达90天，因此水面航行时极差的适航性反倒不重要了。下图为阿尔及利亚海军装备的俄制基洛”级潜艇，它就是“圆头”潜艇的典型代表。
过渡型潜艇是把常规型的直首和水滴型的尖尾相结合的一种潜艇线型，这种潜艇的水面航行性能优于水滴型，而水下航行性能优于常规型潜艇。然而鱼和熊掌不可兼得，过渡型潜艇由于兼顾了水面和水下两方面的适航性，必须把艇身造得十分修长，从而导致潜艇内部空间非常狭小，人员作训条件极差不说，还严重影响潜艇的性能发挥，比如我国已经全部退役的035型“明”级潜艇。因此过渡型潜艇和常规型潜艇逐渐被淘汰，目前除了相对落后的国家仍然在采用这种设计以外，过渡型潜艇设计早已被世界各个军事强国摒弃。下图为过渡型艇艏设计的035型“明”级潜艇。
二战时期潜艇采用常规前倾角刀型破浪艇艏设计的原因当潜艇上浮到水面以后，它的航行状态就与水面舰船无异，因此也会受到像水面舰船那样的水面适航性的制约。我们就以水面舰船的适航性为切入点来讨论潜艇水面航行阻力吧，舰船航行阻力是指船舶航行时，作用于船体上阻止船舶运动的力，包括空气阻力和水阻力，空气阻力在低航速或良好天气环境下影响比较小，仅为总阻力的2% ~4%；而水在为舰船产生浮力的同时也产生阻力，水的阻力成为舰船航行时主要阻力，占比为总阻力的80%~90%（淡水区域与海水区域各有不同），比如在风平浪静的海域航行时，舰船的航行阻力有80%来自于水，当海浪超过2米时水产生的阻力就达到90%以上；剩下的3%~10%为其他阻力，比如没有关闭的鱼雷舱门、未回收到位的船锚以及舰船超重等等。下图为采用传统前倾角破浪舰艏设计的055大型驱逐舰。
为了减小航行阻力人们设计出了两种船首，即前倾角的刀型破浪船首和后倾角的剑型穿浪船首，比如我国的055大驱以及所有水面舰艇一律采用刀型破浪舰艏设计；而美国DDG-1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰则采用剑型穿浪舰艏设计，两种舰艏设计都能在风浪中取得非常好的适航性，同时也能起到减小航行阻力的作用，只不过刀型破浪舰艏设计的大风大浪适航性较高，减阻效果率低；而剑型穿浪舰艏设计适合在风浪较小的滨海海域活动，远洋适航性较差，然而减阻效果却十分明显，这种设计能让10000吨级的驱逐舰以40节的速度高速航行。下图为舰艏采用后倾角穿浪设计的“朱姆沃尔特”级驱逐舰，这种设计使其成为世界上速度最快的驱逐舰，但是遇到风浪时就糟了，它将比任何一种军舰都慢，因此猪舰一般不出远海，只在滨海欺负小国弱国。
基于长期在远洋蛰伏作战的需求，再加上蓄电技术相对落后，水面航行的时间要比潜航时间长，因此二战时期各个国家的潜艇一律选择像水面舰船那样的前倾角的刀型破浪艇艏设计。还是以德国U型潜艇为例，水面航行时使用柴油机驱动，最大速度为13节（23.4公里/小时），水下航行时使用电动机驱动，最大航行速度为6.8节（12.3公里/小时），续航力为水面1600海里（即2960km），水下水下35海里（即65km）。可见二战时期的潜艇在75%的时间里都在水面航行，只有25%的时间在潜航，因此为了水面适航性而牺牲水下适航性以减小航行阻力是当时技术水平条件下最正确的选择，这就是是二战时期所有国家潜艇有一个像船一样的刀型前倾角破浪艇艏的原因。下图为从海底打捞上岸并复原的德国U型潜艇，前倾角的刀型破浪艇艏设计使其在水下巡航时速度仅比自行车快一点点。
现代潜艇采用水滴型“圆头”艇艏设计的原因随着科技的进步，潜艇的隐蔽需求更加显得刚性，因此要求潜艇能在大部分时间都处于隐蔽的潜航状态，只有在需要对外联系或者回到本国安全领海区域时才能上浮道水面航行。我们就以美国“俄亥俄”级战略核潜艇为例来说明吧：迄今为止美国一共建造了18艘“俄亥俄”级战略核潜艇，其中12艘常年在深海中执行核威慑战略值班，其余6艘则轮换做为修整和保养的备份艇。每艘“俄亥俄”级战略核潜艇自持力为45天，其中有40天的时间一直在水下潜航，不论是水面还是水下航行都使用核反应堆发电来驱动电动机，水面航行时的最高航速为12节（21.6公里/小时），水下最高航速为25节（45公里/小时）。下图为“俄亥俄”级战略核潜艇的“圆头”艇艏特写。
可见现代战略核潜艇在水下的航行时间占88%，而水面航行的时间仅为12%，而且水滴形“圆头”艇艏设计明显改善了水下适航性，减阻效果显著提高，水下航行速度甚至是水面航行速度的近2倍，因此现代潜艇没有理由不选择水下适航性优异的水滴型“圆头”舰艏设计，而对于自持力达90天的美国“海狼”级攻击核潜艇而言，水面航行甚至可有可无了，它的作用仅限于在离港时供官兵们站在甲板上与家人或者战友挥手告别，水面航行时间恐怕连12%的占比都没有了。下图为正在水面航行的“海狼”级攻击核潜艇，航行中艇艏被激起的海浪不断掩埋，说明水面航行阻力非常大，但是到了水底这种阻力就会消失。
综上所述，潜艇的滴水型“圆头”艇艏设计不但不会增大航行阻力，反而能明显降低阻力。看到这个结论时各位读者是不是觉得很意外却不怎么惊喜？其实心里有这种感觉是很正常的，毕竟要一朝扭转长时间形成的错误意识是一样很不容易的事，相信为数不少的读者甚至读到文章结尾到这里了依旧接受不了潜艇的“圆脑袋”在水下航行阻力明显小于“尖脑袋”或“扁脑袋”的事实。没关系，我们可以再举一个例子——鱼雷！可以说世界上自鱼雷诞生之日起就一直使用圆脑袋设计，因为没有其它设计能比圆脑袋的航行阻力更低了，如果不是因为潜航技术落后，德国U型早就使用“圆脑袋”设计了。可能会有一些读者想用“尖脑袋”的空泡超高速鱼雷来抬杠，作者打算把讲述所谓“空泡超高速鱼雷”的机会留给读者朋友们，希望大家踊跃在评论区发表评论，记得关注兵器知识谱，让我们一起探讨有趣的军事领域话题。下图为传说中最高速度可达200节（370公里/小时）的空泡超高速鱼雷。
