孫偉瑋

（海軍裝備部，山西 太原 030027）

0 引 言

現(xiàn)代軍事行動(dòng)的成敗很大程度上取決于所用武器的效能。新型武器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)，速度和機(jī)動(dòng)性是重點(diǎn)考慮因素。水中兵器領(lǐng)域，對(duì)高速度的追求多年以來(lái)因水介質(zhì)的物理特性受到了限制；直到全新一代超空泡技術(shù)的出現(xiàn)，這種局面才有了改觀的可能。超空泡水中兵器是以超空泡物理特性為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)研制的，是以人為擴(kuò)充使其被包圍于一個(gè)超空泡之內(nèi)而不沾水，從根本上改變了水中兵器的阻力特性，實(shí)現(xiàn)了水下高速運(yùn)動(dòng)[1]。

1 超空泡技術(shù)簡(jiǎn)介

超空泡是一種物理現(xiàn)象。水中運(yùn)動(dòng)的物體，其速度加快時(shí)所承受的水壓力會(huì)減小，當(dāng)水壓力減小到與水蒸氣壓力相等時(shí)，水就會(huì)氣化成空泡。超空泡就是空泡的一種極端形式，當(dāng)物體在水中的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)185 km/h以后，在其尾部會(huì)形成一個(gè)奇異的大型水蒸氣溝，將物體與水接觸的部分包住[2]，這樣物體接觸的介質(zhì)就由水變成了空氣，物體表面會(huì)形成大型空氣泡，空泡長(zhǎng)度與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，物體能在自己產(chǎn)生的長(zhǎng)氣泡內(nèi)部以最小的阻力高速前進(jìn)。

流場(chǎng)條件和運(yùn)動(dòng)體的幾何形狀等的不同，會(huì)使空泡呈現(xiàn)不同狀態(tài)，其中決定性的相似準(zhǔn)則是空化數(shù)?？栈瘮?shù)σ是航行體的速度、空泡的內(nèi)部壓力、外部壓力的函數(shù)：

式中：σ為空化數(shù)；ρ為流體密度；ρ0為空泡外部壓力；ρBL為空泡內(nèi)部壓力；V為航行體速度。

當(dāng)空化數(shù)較高時(shí)，繞流物體表面只能形成多個(gè)獨(dú)立的游離的空穴或氣泡，稱為游離型空泡。隨著空化數(shù)降低，形成了帶有強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲的周期性脫落的云狀空泡。當(dāng)空化數(shù)進(jìn)一步降低后，分散的空泡相互貫通，依托繞流物體形成了與繞流物體特征長(zhǎng)度可比的空泡貫通區(qū)，稱為片狀空泡。一般當(dāng)空化數(shù)小于0.1后，片狀空泡將覆蓋繞流物體的大部分表面，形成了超空泡。

超空泡主要分為：自然超空泡、通氣超空泡。前者依靠提高航行體的速度或是降低環(huán)境壓強(qiáng)生成，空泡內(nèi)壓強(qiáng)等于液體的飽和蒸汽壓。后者依靠人工通氣增加空泡內(nèi)壓強(qiáng)生成，此時(shí)空泡內(nèi)壓強(qiáng)不再恒定，而是隨著通氣壓強(qiáng)的變化而變化。

2 超空泡水中兵器的基本結(jié)構(gòu)

超空泡水中兵器是20世紀(jì)末出現(xiàn)的，是用超空泡減阻技術(shù)發(fā)展的新型水下超高速武器；它在水下能以超高速接近目標(biāo)，作戰(zhàn)效能大大提高，因而受到各國(guó)廣泛重視。

目前世界各國(guó)正在研制的超空泡魚(yú)水雷裝置主要包括以下部件[3]：1）空化器。內(nèi)部裝有傳感器，主要功能是誘導(dǎo)生成空泡，提供升力和姿態(tài)控制，可影響航行體的阻力，海水可以通過(guò)空化器上的孔道進(jìn)入航行體內(nèi)部。2）通氣管口。通過(guò)通氣管口使空泡伸長(zhǎng)，并覆蓋航行體整個(gè)表面，以降低航行體在水中的阻力。3）導(dǎo)引系統(tǒng)。安裝有微型傳感器，可進(jìn)行先進(jìn)的信號(hào)處理、波形優(yōu)化、收發(fā)聲納信號(hào)。4）推進(jìn)及通氣系統(tǒng)?？刹捎盟磻?yīng)推進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)航行體進(jìn)行推力矢量控制，同時(shí)利用噴嘴噴射氣體以穩(wěn)定空泡的形態(tài)。5）控制尾翼。大部分表面穿過(guò)空泡壁而暴露在水中，提供航行體尾部升力、滾轉(zhuǎn)、姿態(tài)控制。

3 超空泡水中兵器的關(guān)鍵技術(shù)

世界各國(guó)對(duì)超空泡水中兵器投入了大量的資金精力，研發(fā)超空泡發(fā)生系統(tǒng)、航行體水下控制和制導(dǎo)技術(shù)、推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，若其一旦得到突破，超空泡水中兵器必將得到很大拓展。

3.1 空化器的技術(shù)

超空泡武器航行體的頭部一般設(shè)計(jì)成利于誘導(dǎo)生成空泡的特殊形狀，稱為空化器。一般按其形狀可為：圓盤(pán)空化器、圓錐空化器、內(nèi)凹錐形空化器等?？栈鞯男螒B(tài)特性很大程度上決定了產(chǎn)生空泡的難易程度及控制程度。

當(dāng)空化數(shù)一定時(shí)，空化器直徑增大時(shí)，空泡的長(zhǎng)度和直徑相應(yīng)增大，然而流體阻力系數(shù)值是隨空化器形態(tài)改變而變化的；因此在空化數(shù)和空化器直徑不變時(shí)，可以設(shè)計(jì)一種形態(tài)可變的空化器，通過(guò)控制空化器形態(tài)來(lái)改變阻力系數(shù)值，進(jìn)而控制超空泡的形態(tài)變化。

3.2 通氣超空泡的生成技術(shù)

通氣超空泡生成技術(shù)，是最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)研究技術(shù)之一。超空泡武器加速過(guò)程中，必須人工通氣產(chǎn)生超空泡，使阻力降低以過(guò)渡到巡航狀態(tài)。在較低巡航速度時(shí)，需要通氣以使超空泡維持在特定形態(tài)，保持特定的流體動(dòng)力特性。未來(lái)的超空泡武器，航行體應(yīng)有入水、轉(zhuǎn)彎、浮沉等機(jī)動(dòng)能力，這就需要通過(guò)調(diào)節(jié)通氣量控制超空泡的形態(tài)生成。

通氣超空泡生成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)在于通氣系統(tǒng)，包括：通氣氣源、通氣控制系統(tǒng)、通氣管路、通氣孔、導(dǎo)流裝置等。通氣氣體來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣、氣體發(fā)生器或內(nèi)置壓力容器。通氣控制系統(tǒng)用以控制通氣流量、通氣時(shí)間和壓力等。導(dǎo)流裝置改變通入到空泡內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)，可以降低通氣擾動(dòng)對(duì)空泡形態(tài)的影響。改變通氣率是控制超空泡的形態(tài)及其變化的最主要方式。實(shí)際研制中，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和設(shè)計(jì)指標(biāo)給出初步的通氣規(guī)律，并在模型試驗(yàn)及原型試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，才能最終確定較合適的通氣規(guī)律，并研制相應(yīng)的通氣控制系統(tǒng)。

3.3 超空泡的穩(wěn)定技術(shù)

不穩(wěn)定的超空泡的表現(xiàn)形式可能為：界面模糊不清、空泡長(zhǎng)度及脫體點(diǎn)劇烈變化、空泡容積和泡內(nèi)壓力振蕩等。引起超空泡不穩(wěn)定的機(jī)理主要有：通氣不穩(wěn)定性、自由剪切層不穩(wěn)定性、氣泡振蕩不穩(wěn)定性。

通氣不穩(wěn)定性主要與通氣率和自然空化數(shù)有關(guān)。給定航行速度時(shí)，不能無(wú)限增大通氣率以降低通氣空化數(shù)，否則將引起通氣不穩(wěn)定。自由剪切層不穩(wěn)定性是在兩種互不滲透液體通過(guò)一個(gè)界面進(jìn)行接觸時(shí)發(fā)生；當(dāng)兩種介質(zhì)在界面處的相對(duì)速度較大時(shí)更為明顯；氣泡振蕩不穩(wěn)定性是由于環(huán)境壓力的波動(dòng)引起的[4]。

為了更好利用超空泡的減阻效果，須使環(huán)繞于航行體周?chē)某张荼３窒鄬?duì)的穩(wěn)定。超空泡穩(wěn)定技術(shù)的目標(biāo)在于選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)參數(shù)和穩(wěn)定措施，例如設(shè)計(jì)航行體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和通氣規(guī)律、盡力避開(kāi)氣泡振蕩不穩(wěn)定區(qū)域、控制通氣速度和角度等，以保持超空泡的相對(duì)穩(wěn)定，使其幾何形狀及尺度的振蕩控制在允許范圍之內(nèi)。

3.4 航行體的穩(wěn)定控制技術(shù)

超空泡的存在雖然顯著減小了航行阻力，但使航行體喪失了大部分浮力；余下的浮力一部分集中作用在航行體前端的空化器上，另一部分受航行體尾部空泡閉合情況的不同而呈現(xiàn)出不同的形式和變化規(guī)律；較難實(shí)現(xiàn)力和力矩的平衡，這使航行體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及其控制成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

一般采用主動(dòng)控制與被動(dòng)控制結(jié)相合的方式。主動(dòng)控制是先對(duì)航行體的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，再利用主動(dòng)調(diào)控措施產(chǎn)生反饋的閉環(huán)控制比如調(diào)整噴氣量和噴射方向等。被動(dòng)控制指的是靠航行體設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的流體動(dòng)力學(xué)布局及若干非人工控制的穩(wěn)定措施保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，比如空化器、尾翼等的形態(tài)及流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。

3.5 航行體的推進(jìn)技術(shù)

目前，大多數(shù)超空泡航行器都靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生所需推力。但是達(dá)到超空泡航行速度需要很大能量，常規(guī)燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)航程有限；且當(dāng)深度增加時(shí)，推力會(huì)隨壓力增加而下降。

為實(shí)現(xiàn)航行體的最大航程，必須要有最大比推力的高密度燃料。在對(duì)多種動(dòng)力裝置分析之后，專(zhuān)家們的結(jié)論是：只有燃燒金屬燃料（鋁、錳、鋰），并用海水作為氧化劑和冷卻劑的高效燃?xì)廨啓C(jī)或噴氣推進(jìn)系統(tǒng)，才是推進(jìn)超空泡水中兵器實(shí)現(xiàn)最高速度的最佳途徑。再者，有關(guān)超空泡推進(jìn)螺旋槳技術(shù)的試驗(yàn)表明，與火箭推進(jìn)器相比，螺旋槳葉提供的潛在推力要高大20%左右。

4 超空泡水中兵器的研究現(xiàn)狀

世界主要海軍國(guó)家（俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、中國(guó)等）都從事過(guò)基于超空泡發(fā)展新型水中兵器的研究，。美國(guó)已研制成功水下超空泡射彈；俄國(guó)正在進(jìn)行第二代超空泡魚(yú)雷的研制；德國(guó)已完成了超空泡魚(yú)雷的試驗(yàn)。俄羅斯在此領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。世界上第一枚采用超空泡技術(shù)的高速魚(yú)雷就來(lái)自前蘇聯(lián)海軍，1997年裝備部隊(duì)[5]，取名為風(fēng)暴（Shkval）。

風(fēng)暴魚(yú)雷由位于烏克蘭的流體力學(xué)研究所研制，長(zhǎng)8.23 m，直徑533 mm，重2 697 kg，航速200節(jié)，航程15 000 m，最大潛入深度400 m。一般的魚(yú)雷以50 km/h速度前進(jìn)2 000 m的距離要耗時(shí)2.4 min，而風(fēng)暴則以300 km/h速度航行2 000 m僅需要0.4 min。西方軍事評(píng)論認(rèn)為，風(fēng)暴魚(yú)雷甚至不需戰(zhàn)斗部，僅憑其高速度和自身質(zhì)量就可摧毀敵方潛艇。據(jù)說(shuō)，俄羅斯風(fēng)暴系列的新型號(hào)Shkval II已研制成功，雖沒(méi)證實(shí)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但西方情報(bào)界猜測(cè)，Shkval II的速度將達(dá)到450 mile/h，射程超過(guò)60 mile。可以說(shuō)，一旦被其鎖定，目前尚無(wú)某種武器能夠躲避攻擊！

5 結(jié)束語(yǔ)

一旦超空泡武器的關(guān)鍵性技術(shù)得到突破，就能發(fā)揮超空泡的減阻優(yōu)勢(shì)，從而研制出超高速的、能主宰未來(lái)海洋戰(zhàn)爭(zhēng)的超空泡水中兵器。比如：安裝核彈頭的遠(yuǎn)程多級(jí)超空泡魚(yú)雷，可在水下長(zhǎng)距離快速航行直至對(duì)目標(biāo)實(shí)施毀滅性打擊；高速超空泡反魚(yú)雷的魚(yú)雷，其良好性能將能完成水面艦艇反魚(yú)雷的防御任務(wù)?？梢?jiàn)，隨著世界各國(guó)對(duì)超空泡技術(shù)的不斷認(rèn)知，未來(lái)超空泡技術(shù)的應(yīng)用前景十分可觀，許多專(zhuān)家認(rèn)為，超空泡武器必將大大改變未來(lái)海洋作戰(zhàn)的模式。

[1] RAMICSdevelopment[J].International Defense Review,2002(10):27-29.

[2] 曹偉，魏英杰，王聰，等.超空泡技術(shù)現(xiàn)狀、問(wèn)題與應(yīng)用[J].力學(xué)進(jìn)展,2006,36(4):571-578.

[3] 張勁生，張嘉鐘，魏英杰，等.超空泡水下航行體的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2010,36(4):411-414.

[4] 陳兢.新概念武器——超空泡水下高速武器[J].飛航導(dǎo)彈,2004(10):34-37.

[5] Ruzzene M,Soranna F.Impact dynamics of elastic stiffened supercavitating underwater vehicle[J].Janal of Vibration and Contral,2004（10）：243-267.