超空泡

    9天前发布

基本解释

  超空泡是一种奇特的物理现象,随着水下物体运动速度的加快,其上所承受的水压反而会减小,一旦水压减小到一定程度时,与水下物体接触的水就会汽化,形成空泡。通过一定的技术手段使“气泡”把整个航行物包裹起来,形成一种“气体外衣”,就可使物体始终航行在自己制造的超空泡内部,从而最大限度地避免水的黏性阻力,实现高速航行。

  

详细解释

超空泡 – 产生原因

  潜艇、鱼雷等水中兵器在水中跑不快是由于水的阻力作用,水的密度为空气的800倍,所以,水阻力要比空气阻力大800倍。这样使得潜艇、鱼雷等水中兵器在水中跑不快。但是,随着鱼雷等水下物体在水中运动速度的加快,其上所承受的水压反而会减小,一旦水压减小到一定程度时,与水下物体接触的水就会汽化,形成空泡。[1]

  如果利用一定的技术手段使“气泡”把整个航行物包裹起来,形成一种“气体外衣”,就可使物体始终航行在自己制造的超空泡内部,从而最大限度地避免水的黏性阻力,实现高速航行。另外,超空泡现象不仅会使水的阻力大大降低,而且不会因气泡爆裂而对水下物体表面产生冲击。

  超空泡 – 技术优势

  超空泡是空泡的一种极端形式,空泡长度与物体的运动速度有关,物体能够在自己产生的长气泡内部以最小的阻力高速前进。此后,美国海军水下作战中心发现,在一定条件下,水中运动的物体的表面可实现“超空泡”。此时,水中物体运动的速度可达到50米/秒。如果采用合适的首部形状,速度还可提高,甚至超过音速。他们设计了超空泡螺旋桨。超空泡螺旋桨的叶片表面完全被气化的水分子所覆盖,推进效率大大提高,叶片表面也不会受剥蚀。

  “超空泡现象”的发现是一个重要发现。此后,美国海军水下作战中心对“超空泡现象”进行了试验,发现在一定条件下,水中运动物体表面可实现“超空泡”,此时水中运动物体的速度可达到每秒50米,要是采用合适的首部形状,速度还可提高,甚至超过音速。[1]

  超空泡 – 技术应用

  “超空泡现象”的发现和应用,诞生了一代新概念武器—“超空泡武器”。世界上一些国家的科研人员在研究“超空泡”,进行“超空泡武器”试验,出现了一批“超空泡武器”。

  潜载高速鱼雷

  在20世纪90年代,俄罗斯科技人员研制成“暴风”鱼雷。这是一种潜载高速鱼雷,它是前苏联海军在历经10多年的秘密研究与发展之后,才得到成功的一种“超空泡武器”,于1997年装备俄罗斯潜艇部队。这是最早出现的“超空泡武器”。

  超空泡炮弹

  超空泡炮弹是一种即将采购的直升机载武器,利用它们可以消灭水面和近水面水雷。这种平头炮弹是利用一种改型速射炮发射的,它被设计得能够在空气和水中平稳航行,并且具有先进的目标定位能力。超空泡炮弹技术下一步将发展利用自适应高速水下弹药(AHSUM,即超空泡“动能”炮弹)的全水下火炮系统。该系统装备在潜艇、水面舰或拖曳式反水雷器的水下船体内,有流线型炮塔,通过声纳指挥。就像美国海军通过雷达指挥的“密集阵”近程速射武器系统保护水面舰艇免遭反舰导弹攻击一样, AHSUM为舰艇可以构筑起水下防线。

  “幽灵”号舰船

  2011年8月10日,美国朱丽叶舰船系统公司正式公开了之前被美海军专利局保密管理的“幽灵”号舰船,并发布了“幽灵”号的照片,这是迄今为止世界上第一艘对外公布的采用超空泡原理设计的舰船。该艇采用超空泡技术,可在水面上高速航行——最高速可达97千米/小时,具备雷达波隐身性能,并可携载鱼雷。

  其他

  另外还有超空泡潜艇,超空泡快艇,超空泡反水雷射弹,超空泡钻地炸弹。

  超空泡 – 技术难点

  实现超空泡武器最重要之处是必须有先进的控制系统和先进的推进系统。

  控制系统

  先进的控制系统“风雪”鱼雷曾被认为是不怎么精确的武器,因为它只能直航,但是未来的超空泡装置是可以设计成在水中机动航行的。这可以通过利用诸如尾翼之类的穿穴控制面和推力矢量系统(发动机排气的定向喷嘴)进行控制。但是在转弯航行时必须小心,以使鱼雷保持在气穴之内。研究人员还考虑,通过同时在两个平面内移动或转动头部空泡发生器来实现偏航和俯仰机动,以及利用鸭式翼进行控制。如果控制面能够正确的协调,超空泡航行器就可能是高度灵巧的。

  当超空泡系统在低密度气泡内进行无支援运行时,后部常常撞击气穴内墙,而从正常的水下航行过渡到超空泡状态和再返回成原态,可以通过对部分气穴进行人工通气来实现,通过改变速度来保持和扩大气穴。将气体注入气泡使之扩大并保持运动状态,然后慢慢地减小其尺度以降低其速度,从而可以很容易地实现水下武器控制。

  推进系统

  先进的推进系统大多数现有的和预期的自主式超空泡航行器还必须依靠火箭发动机产生所需的推力。但是常规火箭必然伴生某些严重的缺陷:航程有限和当深度增加时推力随着压力的增加而下降。前者应以一种高能量密度动力装置技术来解决;后者可利用专门的超空泡推进螺旋桨技术来加以防止。

  达到超空泡速度需要很大的能量,为实现火箭的最大航程必须燃烧有最大比推力的高密度燃料。在对多种动力装置进行比较之后,俄罗斯专家的结论是:“ 只有燃烧金属燃料(铝、锰或锂),并利用海水作为氧化剂与燃烧生成物的冷却剂的高效燃气轮机或喷气推进系统,才是推进超空泡航行器实现最高速度的最佳途径。据悉,宾夕法尼亚大学应用研究实验室正在运行一种燃烧铝的“水冲压” 系统,它是海军水面舰艇的一种辅助动力装置。超空泡推进螺旋桨技术试验表明,与火箭相比较,螺旋桨叶提供的潜在推力要高20%。

  超空泡 – 技术前景

  世界各国对超空泡研究的内容都很广泛。超空泡武器能够用于对付水雷、自导鱼雷、小型船舶、高速反舰导弹,甚至低空飞行的飞机和直升机,预计利用超空泡技术,还可能研制出小型超高速水面舰艇、能使整个航母战斗群失效的水下核导弹、以及用于潜艇战的中程无制导摧毁性武器,因此专家认为,这些超空泡系统可能会大大改变海上作战模式。

  在某些海军专家的描述中,大型隐身潜艇之间“猫抓老鼠”的对抗有点像空战,小型、近程的“水下战斗机”从巨大的“水下航母”起飞,彼此利用高速“ 水下子弹”进行射击;而超空泡武器更可能是对抗导弹防御系统的“撒手锏”— ——安装核弹头的远程多级超空泡鱼雷和导弹,能够在海洋水下快速航行数十海里接近目标,而空基或天基的任何防御手段对它们都无可奈何。

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