目前速度最快的人造設備是什麼?人們自然而然會想到火箭或者是飛到外太空的探測器。
實際在地球上,還有一種人造設備的時速也很快,每小時甚至能達到6000公裡。至少在理論上,科學傢相信能達到這樣的時速。
更讓人難以置信的是,這樣的高速度,還可以在水下辦到。究竟是信口雌黃還是真的可以,咱們接著往下看。
兩小時橫渡太平洋,中美都在研制
人們的認知裡,水下的阻力比在空氣中的阻力還要大,讓時速接近6000公裡,聽上去是天方夜譚。但根據2016年的公開報道,確實有科研人員在進行研究,而且該技術還是運用在潛艇上的。
根據英國媒體的報道,我國正在這一領域進行研究,媒體形容這是“神話般的項目”。
因為潛艇一旦進入水下,行進中和水產生摩擦力,這一強大的阻力很難讓潛艇的速度提很高。解決這項難題,運用到瞭一項名為超空泡的技術。
潛艇在水下行進時,全身會被包裹在一個巨大的氣泡中,這樣就能很好解決水流引起的阻力問題。理論上,超空泡潛艇能夠以超音速的速度在水下航行,最慢的時速也將達到5800公裡。以這樣的速度行駛,潛艇兩個小時就能橫穿太平洋,一個小時就能洞穿大西洋。
(美國利用超空泡技術研發的高速水面艦艇)
我國在該領域研發,美國也不甘落後。美海軍資助瞭相關的研究項目,科研人員借助超空泡技術,試圖開發一種全新的系統。
除瞭高速外,無論是我國還是美國,在該領域的研究都是全方位的。潛艇的減震降噪、武器系統、轉向系統等各個方面都要重新研制。
所以一旦超空泡潛艇真的從理論走入現實,就意味著潛艇開啟瞭全面的更新換代。外界認為,我國和美國在這一領域的研發是競爭性的,一旦獲得這套最先進的水下技術,代差優勢就會碾壓其他武器。
雖然聽上去很厲害,但在實際的研究中還存在很多問題需要一一解決。
要讓潛艇在水下高速行駛,需要在它的周圍形成空泡,通常是在潛艇的前方註入空氣,而後氣泡形成會擴散到整個潛艇周圍。
可氣泡雖然能形成,但它卻會不穩定收縮,這種現象被稱為脈動模式。一旦收縮不能完全覆蓋住潛艇,速度就會由高轉低,進而將會增加航行的不穩定性。
為瞭解決這一問題,科研人員此前已進行瞭多種試驗,結果如何後來並沒有公開的消息。除此之外,理論上的超空泡可以減小阻力讓速度提高,但潛艇本身也得具備高效的推進系統才行。
目前,這一領域的研究如何外界還不得而知。不過在推進武器領域,超空泡技術其實已經在應用瞭。
比直升機還要快的水下魚雷
2015年,伊朗曾展示過一款超空泡魚雷,發射出去後最大時速可達370公裡,這比一架直升機的速度還要快。
這並非伊朗的首創,蘇聯時期的“暴風雪”魚雷就運用瞭超空泡技術。相比於傳統魚雷,超空泡魚雷的速度快瞭3到4倍,相比一般的水上艦艇,速度更是高出瞭7倍。
實戰中,在沒有制導系統的幫助下,超空泡魚雷可以在3分鐘左右擊中目標。據說,彈頭裡哪怕不裝炸藥,光是高速都能在各種艦艇的外殼撞出一個大洞來。
蘇聯在該領域的研究最早,當年超空泡魚雷問世後,美國的潛艇碰到蘇聯潛艇都是繞行,就是忌憚超空泡魚雷的威懾力。
聽上去也相當厲害,不過超空泡魚雷也有明顯的缺點。
首先,利用瞭該技術的魚雷,射程就會大大縮短。常規魚雷的射程可以達到20到30公裡,但超空泡魚雷的射程最大還不到15公裡。
射程太短,限制瞭發射平臺潛艇的機動力。因為不能遠距離攻擊,要盡可能靠近目標才能發射,對方很容易就能發現自己,從而失去瞭隱蔽性和突然性。
此外,由於速度太快,魚雷本身不能使用制導系統,如此一來魚雷不會在水下拐彎,隻能單純的直射進行攻擊。這不一定能命中目標,隻要移動目標稍稍偏離位置,速度再快魚雷也會跟目標擦肩而過。
再者,超空泡技術一旦使用,發射後的魚雷就是大張旗鼓進攻的,沒有絲毫隱蔽性可言。
原來在發射之後,魚雷的尾部會出現拖拽的白色氣泡,如此明顯的海水變化,不要說對方能發現魚雷,就是發射魚雷的潛艇的位置也很容易暴露。
也難怪有人調侃說,超空泡魚雷,適合像小日子這樣喜歡自殺式攻擊的國傢。它速度夠快,對方來不及躲避就可能被擊中。可與此同時,對方在被擊中之時,也能發射武器對潛艇進行反制,最終兩方同歸於盡。
最後,超空泡魚雷在使用的過程中,魚雷周圍的氣泡要面臨很大的壓強,但氣泡本身同樣會出現不穩定的脈動模式。
一旦氣泡破裂的話,強大的壓力也會給魚雷帶來破壞,很可能還沒有接近目標,魚雷因為突然出現的壓強變化就自爆瞭。
正因為上述幾項明顯的缺點,使得超空泡魚雷雖然被投入應用瞭,可還從沒有進行過實戰。這就意味著,研究領域以及概念上的優勢,到實際層面並不一定會體現出來。
那麼圍繞超空泡技術,科學傢在研發中間經歷瞭怎樣的歷程變化呢?
超空泡的概念是什麼
超空泡,又叫超空蝕效應,它是在水下利用空穴效應,制造出來的氣泡膜。它能夠阻隔被包裹物和水的直接接觸,所以在水下就能以超高速度行駛。
常規物體在水下移動,其阻力是空氣阻力的850倍,正因為如此,所有水下武器像魚雷,它們的速度很難超過每秒35米。
使用超空泡技術後,這一阻力就能減少90%以上,如果再配合使用更高速的推進系統,物體在水下的速度就能以高速狀態行駛瞭。
在具體的應用上,超空泡技術分為自然超空泡和通氣超空泡兩種類型。
自然超空泡形成,靠的是水下行駛物體自身的速度或者是環境壓強的變化。比如魚雷,隻要提高其速度,或者是降低魚雷周圍的壓強,自然超空泡就能形成。
通氣超空泡,則需要人為操作才能形成。利用人工的通氣,增加空泡內的壓強,內外壓力發生變化後就會形成超空泡。
以俄羅斯此前研發的超空泡魚雷為例,其超空泡裝置主要有五部分構成。
在魚雷的最前端有一個空化器,該裝置內部安裝有傳感器,通過監測魚雷外部的壓力變化,空化器能誘導生成空泡。
同時,它還可以提供升力和姿態控制,影響和改變魚雷行進過程中的阻力。海水還可以通過空化器上的孔道進入魚雷結構的內部。
在空化器的後方是通氣管口,這一裝置主要是讓形成的空泡拉伸擴大的,當空泡變得足夠大,才能將整個魚雷給包裹起來。
通氣管口的旁邊又是導引系統,該裝置上安裝有微型傳感器,它可以輔助魚雷進行信號處理、波形優化、收發聲納信號。
在魚雷的中間部位,則是推進和通氣系統。這個裝置采用瞭水反應推進系統,可以對魚雷進行推力矢量控制。裝置上的噴嘴也能噴射氣體,進而提高空泡的穩定性。
魚雷尾部還有控制尾翼,它的絕大部分表面穿過瞭空泡表面,能夠提供魚雷尾部的升力,也可以控制魚雷的姿態和滾轉等等。此外,尾部還有海水入口以及制導導線的連接出口。
上述幾種主要部件,構成瞭超空泡裝置的全部。
各國的研發進展如何
蘇聯時期,超空泡的研究主要由莫斯科大學和烏克蘭科學院來推動,相關的試驗也都在烏克蘭進行。
莫斯科大學的主要試驗設備是大型高速水洞,烏克蘭方面則擁有多個大型超空泡試驗設備。這些設備都建設於上世紀80年代以前。蘇聯時期的研究,在理論和試驗上,將水下的行駛速度提升到瞭每秒30到140米。
美國方面,超空泡技術的研究起始於上世紀50年代。主要研究的領域是高速推進器和水翼,到21世紀初,又開始研究超空泡高速射彈和超空泡魚雷。
我國在超空泡領域的研究開始於上世紀60年代,前期主要進行空化和空蝕問題的研究,水翼、螺旋槳等水下物體的空化噪聲和空蝕是主要研究方向。
從上世紀80年代開始,研究逐步聚焦空泡的穩定性和升力、阻力特性、對水下兵器的水動力特性影響等問題。
進入21世紀後,又面向瞭超空泡技術領域,相關的模型試驗,主要在空泡水洞、拖拽水池和射彈實驗水槽裡進行。
此外,德國方面在二戰期間就進行超空泡研究瞭。彼時主要進行超空泡射彈和超空泡火箭武器研究。上世紀70年代後,德國繼續在該領域進行研究,並開發出瞭超空泡固體火箭發動機等。與此同時,德國在超空泡火箭的制導、控制和發射方面也有深入研究。
結語
就目前的情況看,像魚雷這樣的推進武器,已經能夠應用超空泡技術。理論層面,未來的潛艇乃至於車輛和飛機等,也能使用超空泡技術。
不過,由於涉及到瞭多領域的復雜技術,關鍵性的突破目前應該還沒有出現。比如運行過程中的穩定性,機動控制和導航,適用於水下的高性能推進系統等,都還需要一一去攻克。
超空泡的本質就是減小阻力提升速度,隻有解決瞭一系列配套問題,超空泡武器才能取得實質性進展。
參考資料:
《外媒稱中國正研制"超音速"潛艇:兩小時穿越太平洋》 參考消息網 2016年6月30日《超空泡技術現狀、問題與應用》 力學進展 2006年11月