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潜艇水下飞

发布时间: 2020-05-15 14:10:00   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

港媒曝光中国“超音速潜艇”2.jpg

水的密度是空气密度的800多倍,而在15 000米以上的高空,水的密度是空气密度的5 000多倍。可见,要达到相同的速度,舰船和水下武器需克服的阻力远远大于航空器。当舰船(包括潜艇)在水面上航行时,船体同时受空气和水两种阻力,空气阻力是指空气对船体水上部分的反作用力,水阻力是水对船体水下部分的反作用力。

如果再细分,水阻力可分成静水阻力和波浪中的阻力增加值(也称汹涛阻力)两部分,而静水阻力又可进一步分成裸船体阻力和附体阻力两部分。裸船体在静水中航行时所受到的阻力,包括兴波阻力、破波阻力、摩擦阻力、黏滞阻力等,此外再加上空气阻力、附体阻力和汹涛阻力等,基本上就是舰船在水面航行时所受到的全部阻力了。需要强调的是,潜艇以低速航行时,其在水面所受到的阻力要小于水下受到的阻力,航行速度也是以水面为快。这是因为潜艇在水面低速航行时,其兴波阻力和空气阻力都相当小,所面对的主要是摩擦阻力、黏滞阻力和附体阻力。而潜艇在水下低速航行时的主要航行阻力虽然也是摩擦阻力、黏滞阻力和附体阻力,但因潜艇在水下“湿面积”大增,会使摩擦力较水面增大许多,同时由于潜艇在水下时一些附体(如指挥台围壳)入水后会加大附体阻力,所以潜艇水下低速航行时的阻力要大于水面低速航行时的阻力。而当潜艇高速航行时,则会出现完全相反的阻力状态。随着航速的增加,潜艇在水面上的兴波阻力和空气阻力将大增,使其总阻力值大于在水下高速航行的总阻力值。当潜艇速度达到一定值时,水面阻力甚至是水下阻力的2倍。

阻力大多来自水下

人类历史上速度最快的潜艇一苏联的“阿尔法级”攻击核潜艇为 42节。究其原因,主要还是上述的摩擦阻力、黏滞阻力(潜艇还有附体阻力)。要想大幅提高水下武器的航速,就需要有效克服摩擦阻力、黏滞阻力,其中克服摩擦阻力又是重中之重,因为其构成了水下总阻力的主要部分,大约占80%。由于摩擦阻力主要与表面面积及边界层内的流动状态有关,层流边界层的摩擦阻力远小于湍流边界层的摩擦阻力,所以在设计时尽可能保持层流状态即可有效降低摩擦阻力。

现代潜艇采取降低摩擦阻力的方法大致有:采用拉长水滴型或过渡型艇型;提高表面光滑度、减小开孔数量和间隙;表面敷设橡胶瓦;微气泡降阻等。如微气泡降阻,就是在紧贴潜艇壁界层引入大量的微气泡可以显著降低摩擦阻力,据报道降阻效果可达30%,但如何形成微气泡是当前主要研究的问题。

超空泡实际上是空泡的一种极端存在方式。人们最早发现的是空泡现象,即当水下物体在水中运动速度加快,其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。这些空泡不但会改变水的流动形态,而且会降低螺旋桨或喷水推进器的推进效率。更严重的是,空泡还会发生爆裂,产生强烈冲击。如果长期作用,还会使接触面出现凹坑,并产生严重剥蚀,大大缩短使用寿命。到了20世纪60年代,人们又发现当水下物体的运动速度超过50米/秒时,表面就会出现超空泡现象,即在其后部形成大型水蒸气沟,将物体与水接触的部分包住,物体接触的介质就由水变成了空气。由于海平面条件下,水的密度是空气密度的800多倍,因而就能大幅减少物体在水中所受的阻力。如果利用一定的技术手段使气泡把整个物体包裹起来,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,还不会因气泡爆裂而对水下物体表面产生冲击。

研制到现实还很遥远

苏联最早注意到超空泡现象在军事上的应用前景,在上世纪70年代率先研制代号“暴风雪”的超空泡鱼雷。苏联解体后,俄罗斯继续研制并最终成功,1997年起装备部队。该型鱼雷长8.23米,直径533毫米,重2.697吨。鱼雷尾部中心为大孔径固体火箭发动机喷管,周围有8个小型圆柱形启动火箭,它们将“暴风雪”加速至超空泡速度,然后主发动机开始工作。头部安装有空泡发生器,向前倾斜形成一个“攻角”,以产生支持雷体前部的升力;空泡发生器后面是几个环状通气管,能将火箭排气注入空穴气泡,使气泡涨大。鱼雷航行时,首先由平盘式空泡发生器产生局部空穴,然后由通气管向局部空穴注入气体,使之膨胀成超空泡。此外,“暴风雪”鱼雷在尾部还有1个制导导线线轴,当鱼雷发射入水运行时导线放出,通过该导线可以控制鱼雷的运动轨迹或进行引爆。

由于超空泡潜艇航行时水阻力小,它的水下速度可超过音速。这样,超空泡潜艇可以像子弹一样子在水中飞行。此后,美、法、德、伊朗等国也纷纷加入到超空泡武器的研制行列,其中美国的项目最多,不仅有超空泡鱼雷,还有超空泡机载武器、舰载超空泡近防武器、超空泡水下火炮系统、超空泡潜艇“水下快车”、超空泡隐身水面艇“幽灵”号等。法国从俄罗斯采购了几枚“暴风雪”鱼雷进行评估,并实施了“空泡协调行动”计划,进行一种机载反水雷超空泡武器的试验。德国研制出了“梭鱼”超空泡鱼雷。伊朗也在2006年试射了自己研制的超空泡鱼雷。

目前情况来看,很明显是超空泡鱼雷技术进展最快,如德国的“梭鱼”就解决了俄罗斯“暴风雪”只能直航攻击、且无制导能力的缺陷,而且航速更快,髙达240节。今后,超空泡鱼雷可能会进一步解决射程近、噪声大的技术问题。

至于超空泡潜艇所面临的技术问题,要比超空泡鱼雷多得多,而且解决难度也更大。例如,在髙速航行中如何控制运动方向;如何能使超空泡长时间、全尺寸地包罩住比鱼雷大得多的潜艇;如何 提供支持超空泡潜艇长距离航行的水下火箭;如何保证潜艇在髙速航行时不增加噪声;如何消除产生超空泡所需的设备占用潜艇内部宝贵空间的问题;如何减轻形成的气泡干扰潜艇声呐工作的问题等等。美国的“水下快车”仅仅是排水量60吨的技术验证艇,预定航速也只有100节,而其他国家还没有类似发展计划。