本期特別關(guān)注

　　近日，外媒一篇有關(guān)超空泡潛航器的報道引起了軍事愛好者的普遍關(guān)注。為了適應(yīng)未來海戰(zhàn)的需要，各軍事強(qiáng)國都在極力發(fā)展能夠主宰海上戰(zhàn)場的先進(jìn)武器。在這種背景下，超空泡技術(shù)受到了世界主要軍事大國的高度重視，他們投入大量的精力和資金將超空泡技術(shù)應(yīng)用于武器系統(tǒng)。請看科技日報特約專稿——

　　超空泡技術(shù)是提高海洋軍事實力，尤其是提高攻擊航母編隊能力的關(guān)鍵技術(shù)。美國國防部已將超空泡高速武器列入需要在全世界范圍內(nèi)密切關(guān)注的24項重大武器技術(shù)之一，俄羅斯、德國也始終在進(jìn)行超空泡導(dǎo)彈的研制與改進(jìn)。許多專家預(yù)測，一旦超空泡武器的一些關(guān)鍵技術(shù)得以解決，未來海上作戰(zhàn)模式將大大改變。

　　溯源：水下航行器減阻增速

　　常言道：“兵貴神速”，航速在很大程度上影響著海戰(zhàn)裝備的作戰(zhàn)性能。由于水的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣密度，使得海戰(zhàn)裝備在水中的阻力數(shù)百倍于其在空氣中的阻力，航行速度只有空中飛行器速度的十分之一。而且由于推進(jìn)一個水下物體所需的能量與航速的立方成正比，即要使航速提高一倍，推進(jìn)系統(tǒng)必須提供8倍的能量，因此想通過常規(guī)的方法使航速明顯提高顯然有些無力。

　　為有效降低水下航行器的阻力，世界各國采用了各種技術(shù)方法，包括在物體表面布置纖維分子，在物體表面涂覆粘彈性材料，通過多孔表面擴(kuò)散氣體，向物體與水之間的邊界層注入氣泡等等，其中，超空泡技術(shù)受到了世界各國的廣泛關(guān)注。

　　超空泡是物體在水下高速運(yùn)動時產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象，當(dāng)物體在水下運(yùn)動時，隨著物體速度的增加，液體內(nèi)部局部壓力不斷降低，如果物體速度增大到某一點(diǎn)，液體內(nèi)部局部壓力就低于飽和蒸汽壓，此時，液體或固體與液體的交界面上會形成蒸汽或氣體的氣泡，這一過程叫做空化，形成的氣泡就是空泡。一定條件下形成的完全或幾乎完全包圍運(yùn)動物體的空泡就是超空泡。超空泡形成后，運(yùn)動物體完全或幾乎完全被空泡包圍，這樣，運(yùn)動物體接觸的介質(zhì)就由水變成空氣，物體類似于在空氣中運(yùn)動，利用超空泡技術(shù)可以使水下物體的阻力減少90%以上。

　　二戰(zhàn)期間，德國最早進(jìn)行超空泡及其應(yīng)用于水下武器的理論與試驗研究，隨著二戰(zhàn)結(jié)束，相關(guān)研究暫告停止。前蘇聯(lián)的烏克蘭流體力學(xué)研究所于1960年就開始研制超空泡武器，于20世紀(jì)70年代中期研制成功“暴風(fēng)”魚雷，并于1997年裝備部隊，速度可達(dá)100米/秒，是傳統(tǒng)魚雷速度的3—5倍。德國在上世紀(jì)70年代立項研究SMG3型超空泡射彈式水雷，上世紀(jì)80年代提出了改型超空泡射彈水雷項目。20世紀(jì)90年代，在美國國防部高級研究計劃局和海軍研究署的支持下，美國海軍水下戰(zhàn)中心開發(fā)了兩種用途的超空泡技術(shù)，一種是高速水下彈藥系統(tǒng)，另一種是大型水下超空泡航行體。

　　從超空泡武器的技術(shù)優(yōu)勢和未來海上作戰(zhàn)需求兩個方面來看，超空泡技術(shù)必將會用于完成海軍的大量任務(wù)。如載有水下機(jī)槍的小型近程水下航行器，彼此利用高速“水下子彈”在水中進(jìn)行射擊；遠(yuǎn)程多級超空泡導(dǎo)彈可使導(dǎo)彈防御系統(tǒng)失效，在水下快速航行數(shù)十海里接近目標(biāo)，天基和空基防御手段都難以有效應(yīng)對；高速反魚雷超空泡魚雷的良好性能將能夠完成反魚雷平臺的防御任務(wù)；稍作改動的輕型超空泡武器能夠增強(qiáng)機(jī)載平臺對付水下目標(biāo)的能力，該武器可在較遠(yuǎn)的防區(qū)外發(fā)射；超空泡武器在未來還可以與水下無人航行器這樣的遠(yuǎn)程長續(xù)航能力的隱形平臺一起使用，在高風(fēng)險區(qū)執(zhí)行任務(wù)。

　　現(xiàn)狀：運(yùn)載工具與攻擊武器并重

　　超空泡技術(shù)不斷發(fā)展，世界軍事強(qiáng)國的科研人員紛紛將其作為研發(fā)下一代新概念武器的方向，形成了以超空泡水面航行器、超空泡水下航行器、超空泡彈藥、超空泡導(dǎo)彈、超空泡鉆地彈等為代表的一系列“超空泡武器”。

　　超空泡水面航行器

　　超空泡水面航行器主要指超空泡艦船，即通過利用氣泡覆蓋艦船的整個船體表面，使船體不直接與水接觸，進(jìn)而減少水的阻力，提高艦船航速。2011年8月10日，美國朱麗葉艦船系統(tǒng)公司公布世界上第一艘采用超空泡原理設(shè)計的艦船——“幽靈”號?！坝撵`”號艦船的發(fā)動機(jī)由兩個裝載在浮筒中的T53-L-703渦軸發(fā)動機(jī)組成，驅(qū)動位于船體前部吊艙中的旋轉(zhuǎn)螺旋槳，使螺旋槳產(chǎn)生“超空泡”效應(yīng)，最高航速可達(dá)50節(jié)。其具備雷達(dá)隱身性能，可攜載魚雷，并且具有全電腦控制功能可不需要任何船員執(zhí)行操作任務(wù)。

　　超空泡水下航行器

　　美國國防高級研究計劃局提出超空泡“水下快車”計劃，研制一種直徑2.43米、質(zhì)量60噸，能夠下潛到6米深度，以100公里/小時的速度持續(xù)航行的超空泡水下運(yùn)輸艇，用于運(yùn)送高價值物資和作戰(zhàn)小分隊，通用動力電船公司和諾斯羅普?格魯曼公司共同參與項目研制。通用動力電船公司因在海軍潛艇和水下武器研制方面的悠久歷史，使其過去數(shù)十年間一直處于超空泡技術(shù)的研究前沿。諾斯羅普·格魯曼公司也在研究超空泡技術(shù)，并生產(chǎn)了多種水下航行器。

　　超空泡彈藥

　　超空泡彈藥包括超空泡水下子彈和超空泡炮彈。為進(jìn)行水下襲擊，美國海軍水下作戰(zhàn)中心研制超空泡水下子彈，其頭部扁平，從水下機(jī)槍發(fā)射，初速接近常規(guī)槍彈在空氣中發(fā)射初速。超空泡炮彈是一種平頭炮彈，由改進(jìn)型速射炮發(fā)射，它可以在空氣和水中平穩(wěn)航行，并且具有先進(jìn)的目標(biāo)定位能力，可用于消滅水面的漂浮水雷和近水面的觸發(fā)式水雷。美國海軍正在考慮部署一種裝備于水面艦甲板的RAMICS近程武器系統(tǒng)，用于消滅致命的尾波制導(dǎo)魚雷。超空泡炮彈技術(shù)下一步將發(fā)展利用自適應(yīng)高速水下彈藥的全水下火炮系統(tǒng)，為艦艇構(gòu)筑起水下防線。

　　超空泡導(dǎo)彈

　　典型的超空泡導(dǎo)彈包括俄羅斯的“暴風(fēng)”魚雷、德國的Barracuda導(dǎo)彈和伊朗的“鯨”魚雷等。目前，俄羅斯研制的第二代“暴風(fēng)”魚雷，具有較強(qiáng)的機(jī)動性能，采用發(fā)動機(jī)推力矢量控制，發(fā)動機(jī)的燃?xì)饣亓黝^部進(jìn)行超空泡補(bǔ)氣，其速度可以達(dá)到200米/秒，射程可以達(dá)到100公里。德國研制Barracuda導(dǎo)彈長2.2米，直徑120毫米，重量50公斤，航速120米/秒，主要用于保護(hù)艦船和潛艇免遭魚雷的攻擊。伊朗研制成功的高速魚雷“鯨”，可從水面艦艇上發(fā)射，入水后航速可達(dá)100米/秒，從該魚雷的外形、速度、發(fā)射尾焰和氣泡軌跡來看，采用了超空泡技術(shù)。

　　超空泡鉆地彈

　　超空泡技術(shù)不僅可在液體介質(zhì)中使用，也可用在固體介質(zhì)中。只要物體的運(yùn)動速度足夠快，它就可以將行進(jìn)過程中的任何介質(zhì)，包括水、土壤或是混凝土“推向”兩邊，使其周圍形成空氣泡，從而在“空氣”中“飛行”。據(jù)報道，美國海軍水面作戰(zhàn)中心和洛克希德·馬丁公司利用超空泡技術(shù)研制出一種高性能鉆地炸彈。這種被譽(yù)為“鉆地之王”的炸彈一改傳統(tǒng)鉆地彈的流線形彈頭和厚壁式彈體設(shè)計，采用了全新的鈍頭和薄殼技術(shù)，其鉆地深度可達(dá)到300米，比目前美軍武器庫中最強(qiáng)大的BLU-113型侵徹彈的侵徹能力高出10倍，而且其裝藥量也大幅增多。五角大樓透露，這種全新概念的超空泡鉆地炸彈將主要用于摧毀深層地下掩體，其燃燒型彈頭將燒毀敵方地下武器庫中的生化制劑。

　　突破：氣泡產(chǎn)生、航行控制、推進(jìn)系統(tǒng)等技術(shù)攻關(guān)

　　盡管超空泡武器已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，但是超空泡武器的下一步發(fā)展仍需突破包括氣泡產(chǎn)生、航行控制和推進(jìn)系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)的制約，以進(jìn)一步拓展超空泡武器的未來應(yīng)用。

　　只有在超空泡武器周圍形成并保持形態(tài)良好的超空泡， 才能實現(xiàn)巨大的減阻效果。下一代超空泡武器需要具有更加靈活的氣泡發(fā)生系統(tǒng)，能夠使超空泡武器系統(tǒng)在超空泡狀態(tài)和正常狀態(tài)中轉(zhuǎn)換，并能夠通過減少空泡尺寸達(dá)到“剎車”或加速目的。

　　超空泡武器因其工作于流體力學(xué)和空氣動力學(xué)兩種極端不同特性的兩相環(huán)境中，因此對于超空泡導(dǎo)彈的航行控制也有著極其嚴(yán)格的要求。超空泡武器系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，要求超空泡系統(tǒng)前部配有刺穿空泡壁的翼或“矢量推力”系統(tǒng)，如能夠提供超空泡武器機(jī)動能力的火箭噴管。然而，由于超空泡武器系統(tǒng)上的壓力確實很大，以至于在機(jī)動過程中存在的任何制導(dǎo)錯誤，都將使超空泡武器撞擊氣穴內(nèi)墻造成徹底毀壞。因此，超空泡武器系統(tǒng)必須具有一個實時的控制系統(tǒng)，以便針對武器撞擊氣穴內(nèi)墻的情況及時調(diào)整超空泡武器的彈道。

　　超空泡武器必須依靠火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生所需的推力，但是常規(guī)火箭發(fā)動機(jī)在水中具有兩大嚴(yán)重技術(shù)缺陷，即航程有限和伴隨深度增加時推力隨壓力的增加而下降。航程有限問題可以通過采用高能量密度動力裝置技術(shù)來解決，因此確定具有最大比沖的高密度燃料成為研究關(guān)鍵。經(jīng)研究，使用金屬燃料（鋁、錳或鋰），并利用海水作為氧化劑與燃燒生成物的冷卻劑的高效燃?xì)廨啓C(jī)或噴氣推進(jìn)系統(tǒng)，可能是推進(jìn)超空泡航行器實現(xiàn)最高速度的最佳途徑。推力隨壓力增加而下降問題可利用專門的超空泡推進(jìn)螺旋槳技術(shù)來加以防止。超空泡推進(jìn)螺旋槳技術(shù)試驗表明，與火箭相比較，螺旋槳葉提供的潛在推力要高20％，但只有準(zhǔn)確了解螺旋漿與空穴之間如何相互作用，有關(guān)推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作才能取得真正的進(jìn)展。

　　可以預(yù)見，隨著世界各國對超空泡技術(shù)的不斷認(rèn)知，未來超空泡技術(shù)的應(yīng)用將會大大改變海上作戰(zhàn)模式。

　　（作者單位：國防科技大學(xué)）