超空泡:物理現象-中文百科頻道

現象

超空泡是一種物理現象，當物體在水中的運動速度超過185千米/小時後，其尾部就會形成奇異的大型水蒸氣溝，将物體與水接觸的部分包住，物體接觸的介質就由水變成了水蒸氣，由于空氣密度隻有水的1/800，因而就能大幅減少物體所受阻力，物體表面會形成大型空氣泡，這就是“超空泡化現象”。這一原理的最先運用者是前蘇聯的研究人員，其水下速度可達傳統魚雷的3倍多。

超空泡現象很長時間一直是令造船工程師們頭痛的事，因為超空泡現象經常會在高速旋轉的螺旋槳葉片表面産生而使螺旋槳高速“空轉”從而損壞螺旋槳葉片。

産生原因

潛艇、魚雷等水中兵器在水中跑不快是由于水的阻力作用，水的密度為空氣的800倍，所以，水阻力要比空氣阻力大800倍。這樣使得潛艇、魚雷等水中兵器在水中跑不快。但是，随着魚雷等水下物體在水中運動速度的加快，其上所承受的水壓反而會減小，一旦水壓減小到一定程度時，與水下物體接觸的水就會汽化，形成空泡。

如果利用一定的技術手段使“氣泡”把整個航行物包裹起來，形成一種“氣體外衣”，就可使物體始終航行在自己制造的超空泡内部，從而最大限度地避免水的黏性阻力，實現高速航行。另外，超空泡現象不僅會使水的阻力大大降低，而且不會因氣泡爆裂而對水下物體表面産生沖擊。

技術優勢

超空泡是空泡的一種極端形式，空泡長度與物體的運動速度有關，物體能夠在自己産生的長氣泡内部以最小的阻力高速前進。此後，美國海軍水下作戰中心發現，在一定條件下，水中運動的物體的表面可實現“超空泡”。此時，水中物體運動的速度可達到50米/秒。如果采用合适的首部形狀，速度還可提高，甚至超過音速。他們設計了超空泡螺旋槳。超空泡螺旋槳的葉片表面完全被氣化的水分子所覆蓋，推進效率大大提高，葉片表面也不會受剝蝕。

“超空泡現象”的發現是一個重要發現。此後，美國海軍水下作戰中心對“超空泡現象”進行了試驗，發現在一定條件下，水中運動物體表面可實現“超空泡”，此時水中運動物體的速度可達到每秒50米，要是采用合适的首部形狀，速度還可提高，甚至超過音速。

技術應用

“超空泡現象”的發現和應用，誕生了一代新概念武器—“超空泡武器”。世界上一些國家的科研人員在研究“超空泡”，進行“超空泡武器”試驗，出現了一批“超空泡武器”。

潛載高速魚雷

在20世紀90年代，俄羅斯科技人員研制成“暴風”魚雷。這是一種潛載高速魚雷，它是前蘇聯海軍在曆經10多年的秘密研究與發展之後，才得到成功的一種“超空泡武器”，于1997年裝備俄羅斯潛艇部隊。這是最早出現的“超空泡武器”。“暴風”最初是20世紀60年代作為一種快速攻擊北約的核導彈潛艇的武器來設計的，可以以此前從未聽說過的速度發射核彈頭。這種魚雷的直徑是标準的533毫米，攜帶460磅的彈頭。其最大航程為7500碼（約為6800米）。“暴風”1978年開始大規模生産，同年開始入列蘇聯海軍。

超空泡炮彈

超空泡炮彈是一種即将采購的直升機載武器，利用它們可以消滅水面和近水面水雷。這種平頭炮彈是利用一種改型速射炮發射的，它被設計得能夠在空氣和水中平穩航行，并且具有先進的目标定位能力。超空泡炮彈技術下一步将發展利用自适應高速水下彈藥（AHSUM，即超空泡“動能”炮彈）的全水下火炮系統。該系統裝備在潛艇、水面艦或拖曳式反水雷器的水下船體内，有流線型炮塔，通過聲納指揮。就像美國海軍通過雷達指揮的“密集陣”近程速射武器系統保護水面艦艇免遭反艦導彈攻擊一樣，AHSUM為艦艇可以構築起水下防線。

挪威DSG技術公司就研發成功了一種名為“CAV-X”的超空泡彈藥。其設計原理為超空泡彈藥在水中潛行時，可以用氣泡将自己包圍起來，大幅減小子彈受到的阻力，更快地在水中移動。“CAV-X”超空泡彈藥有數種型号，其中之一據稱射出後能在水中潛行60米遠，命中精度高、穿透力強，而且可以與标準武器一起用于多種環境下的作戰。

“幽靈”号艦船

2011年美國朱麗葉艦船系統公司8月10日首次對外公布了為美海軍研制的“幽靈”号艦船的消息與照片，這是迄今為止世界上第一艘對外公布的采用“超空泡”原理設計的艦船。它的外形有點類似巨型蝙蝠，船體前部由幾塊駕駛艙玻璃和折闆錯落有緻地組合拼接，船頭有一個微翹的“大鴨嘴”，兩舷折疊護闆斜插搭于海面。

其他

另外還有，超空泡快艇，超空泡反水雷射彈，超空泡鑽地炸彈等。

技術弊端

超空泡潛艇的主要問題有兩個，一是控制運動方向困難，二是燃料容量有限。

控制運動方向困難

先進的控制系統“風雪”魚雷曾被認為是不怎麼精确的武器，因為它隻能直航，但是未來的超空泡裝置是可以設計成在水中機動航行的。這可以通過利用諸如尾翼之類的穿穴控制面和推力矢量系統（發動機排氣的定向噴嘴）進行控制。但是在轉彎航行時必須小心，以使魚雷保持在氣穴之内。研究人員還考慮，通過同時在兩個平面内移動或轉動頭部空泡發生器來實現偏航和俯仰機動，以及利用鴨式翼進行控制。如果控制面能夠正确的協調，超空泡航行器就可能是高度靈巧的。

超空泡武器研究方興未艾，但要想真正實現“淩波微步”仍需要高功夫。即便是誕生數十年之久的超空泡魚雷也從未用于實戰，一定程度上與其技術存在缺陷有關。“暴風”魚雷的射程近7~13公裡，隻能采取直來直去的直航式攻擊手段，在被發射後尾部還會産生長長的白色水蒸氣泡，很容易暴露潛艇的位置。

燃料容量有限

先進的推進系統大多數現有的和預期的自主式超空泡航行器還必須依靠火箭發動機産生所需的推力。但是常規火箭必然伴生某些嚴重的缺陷：航程有限和當深度增加時推力随着壓力的增加而下降。前者應以一種高能量密度動力裝置技術來解決；後者可利用專門的超空泡推進螺旋槳技術來加以防止。

達到超空泡速度需要很大的能量，為實現火箭的最大航程必須燃燒有最大比推力的高密度燃料。在對多種動力裝置進行比較之後，俄羅斯專家的結論是：“隻有燃燒金屬燃料（鋁、錳或锂），并利用海水作為氧化劑與燃燒生成物的冷卻劑的高效燃氣輪機或噴氣推進系統，才是推進超空泡航行器實現最高速度的最佳途徑。據悉，賓夕法尼亞大學應用研究實驗室正在運行一種燃燒鋁的“水沖壓”系統，它是海軍水面艦艇的一種輔助動力裝置。超空泡推進螺旋槳技術試驗表明，與火箭相比較，螺旋槳葉提供的潛在推力要高20％。

技術前景

世界各國對超空泡研究的内容都很廣泛。超空泡武器能夠用于對付水雷、自導魚雷、小型船舶、高速反艦導彈，甚至低空飛行的飛機和直升機，預計利用超空泡技術，還可能研制出小型超高速水面艦艇、能使整個航母戰鬥群失效的水下核導彈、以及用于潛艇戰的中程無制導摧毀性武器，因此專家認為，這些超空泡系統可能會大大改變海上作戰模式。

在某些海軍專家的描述中，大型隐身潛艇之間“貓抓老鼠”的對抗有點像空戰，小型、近程的“水下戰鬥機”從巨大的“水下航母”起飛，彼此利用高速“水下子彈”進行射擊；而超空泡武器更可能是對抗導彈防禦系統的“撒手锏”———安裝核彈頭的遠程多級超空泡魚雷和導彈，能夠在海洋水下快速航行數十海裡接近目标，而空基或天基的任何防禦手段對它們都無可奈何。