讓潛艇在水下“飛”

康琳

阻力來(lái)自水下

在海平面條件下，水的密度是空氣的800多倍，而在15 000米以上的高空，水的密度是空氣密度的5000多倍?？梢?jiàn)，要達(dá)到相同的速度，艦船和水下武器需克服的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于航空器。當(dāng)艦船（包括潛艇）在水面上航行時(shí)，船體同時(shí)受空氣和水兩種阻力，空氣阻力是指空氣對(duì)船體水上部分的反作用力，水阻力是水對(duì)船體水下部分的反作用力。如果再細(xì)分，水阻力可分成靜水阻力和波浪中的阻力增加值（也稱(chēng)洶濤阻力）兩部分，而靜水阻力又可進(jìn)一步分成裸船體阻力和附體阻力兩部分。裸船體在靜水中航行時(shí)所受到的阻力，包括興波阻力、破波阻力、摩擦阻力、黏滯阻力等，此外再加上空氣阻力、附體阻力和洶濤阻力等，基本上就是艦船在水面航行時(shí)所受到的全部阻力了。需要強(qiáng)調(diào)的是，潛艇以低速航行時(shí)，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為快。這是因?yàn)闈撏г谒娴退俸叫袝r(shí)，其興波阻力和空氣阻力都相當(dāng)小，所面對(duì)的主要是摩擦阻力、黏滯阻力和附體阻力。而潛艇在水下低速航行時(shí)的主要航行阻力雖然也是摩擦阻力、黏滯阻力和附體阻力，但因潛艇在水下“濕面積”大增，會(huì)使摩擦力較水面增大許多，同時(shí)由于潛艇在水下時(shí)一些附體（如指揮臺(tái)圍殼）入水后會(huì)加大附體阻力，所以潛艇水下低速航行時(shí)的阻力要大于水面低速航行時(shí)的阻力。而當(dāng)潛艇高速航行時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)完全相反的阻力狀態(tài)。隨著航速的增加，潛艇在水面上的興波阻力和空氣阻力將大增，使其總阻力值大于在水下高速航行的總阻力值。當(dāng)潛艇速度達(dá)到一定值時(shí)，水面阻力甚至是水下阻力的2倍。

到目前為止，人類(lèi)歷史上速度最快的潛艇蘇聯(lián)的“阿爾法級(jí)”攻擊核潛艇為42節(jié)。究其原因，主要還是上述的摩擦阻力、黏滯阻力（潛艇還有附體阻力）。要想大幅提高水下武器的航速，就需要有效克服摩擦阻力、黏滯阻力，其中克服摩擦阻力又是重中之重，因?yàn)槠錁?gòu)成了水下總阻力的主要部分，大約占80%。由于摩擦阻力主要與表面面積及邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，層流邊界層的摩擦阻力遠(yuǎn)小于湍流邊界層的摩擦阻力，所以在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能保持層流狀態(tài)即可有效降低摩擦阻力。

現(xiàn)代潛艇采取降低摩擦阻力的方法大致有：采用拉長(zhǎng)水滴型或過(guò)渡型艇型；提高表面光滑度、減小開(kāi)孔數(shù)量和間隙；表面敷設(shè)橡膠瓦；微氣泡降阻等。如微氣泡降阻，就是在緊貼潛艇壁界層引入大量的微氣泡可以顯著降低摩擦阻力，據(jù)報(bào)道降阻效果可達(dá)30%，但如何形成微氣泡是當(dāng)前主要研究的問(wèn)題。

什么是超空泡技術(shù)？

超空泡實(shí)際上是空泡的一種極端存在方式。人們最早發(fā)現(xiàn)的是空泡現(xiàn)象，即當(dāng)水下物體在水中運(yùn)動(dòng)速度加快，其所承受的水壓反而會(huì)減小，一旦水壓減小到一定程度時(shí)，與水下物體接觸的水就會(huì)汽化，形成空泡。這些空泡不但會(huì)改變水的流動(dòng)形態(tài)，而且會(huì)降低螺旋槳或噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率。更嚴(yán)重的是，空泡還會(huì)發(fā)生爆裂，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊。如果長(zhǎng)期作用，還會(huì)使接觸面出現(xiàn)凹坑，并產(chǎn)生嚴(yán)重剝蝕，大大縮短使用壽命。到了上世紀(jì)60年代，人們又發(fā)現(xiàn)當(dāng)水下物體的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)50米/秒時(shí)，表面就會(huì)出現(xiàn)超空泡現(xiàn)象，即在其后部形成大型水蒸氣溝，將物體與水接觸的部分包住，物體接觸的介質(zhì)就由水變成了空氣。由于海平面條件下，水的密度是空氣密度的800多倍，因而就能大幅減少物體在水中所受的阻力。如果利用一定的技術(shù)手段使氣泡把整個(gè)物體包裹起來(lái)，形成一種“氣體外衣”，就可使物體始終航行在自己制造的超空泡內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)高速航行。另外，超空泡現(xiàn)象不僅會(huì)使水的阻力大大降低，還不會(huì)因氣泡爆裂而對(duì)水下物體表面產(chǎn)生沖擊。

蘇聯(lián)最早注意到超空泡現(xiàn)象在軍事上的應(yīng)用前景，在上世紀(jì)70年代率先研制代號(hào)“暴風(fēng)雪”的超空泡魚(yú)雷。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯繼續(xù)研制并最終成功，1997年起裝備部隊(duì)。該型魚(yú)雷長(zhǎng)8.23米，直徑533毫米，重2.697噸。魚(yú)雷尾部中心為大孔徑固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，周?chē)?個(gè)小型圓柱形啟動(dòng)火箭，它們將“暴風(fēng)雪”加速至超空泡速度，然后主發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作。頭部安裝有空泡發(fā)生器，向前傾斜形成一個(gè)“攻角”，以產(chǎn)生支持雷體前部的升力；空泡發(fā)生器后面是幾個(gè)環(huán)狀通氣管，能將火箭排氣注入空穴氣泡，使氣泡漲大。魚(yú)雷航行時(shí)，首先由平盤(pán)式空泡發(fā)生器產(chǎn)生局部空穴，然后由通氣管向局部空穴注入氣體，使之膨脹成超空泡。此外，“暴風(fēng)雪”魚(yú)雷在尾部還有1個(gè)制導(dǎo)導(dǎo)線線軸，當(dāng)魚(yú)雷發(fā)射入水運(yùn)行時(shí)導(dǎo)線放出，通過(guò)該導(dǎo)線可以控制魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)軌跡或進(jìn)行引爆。

研制到現(xiàn)實(shí)還很遙遠(yuǎn)

由于超空泡潛艇航行時(shí)水阻力小，它的水下速度可超過(guò)音速。這樣，超空泡潛艇可以像子彈一樣在水中飛行。此后，美、法、德、伊朗等國(guó)也紛紛加入到超空泡武器的研制行列，其中美國(guó)的項(xiàng)目最多，不僅有超空泡魚(yú)雷，還有超空泡機(jī)載武器、艦載超空泡近防武器、超空泡水下火炮系統(tǒng)、超空泡潛艇“水下快車(chē)”、超空泡隱身水面艇“幽靈”號(hào)等。法國(guó)從俄羅斯采購(gòu)了幾枚“暴風(fēng)雪”魚(yú)雷進(jìn)行評(píng)估，并實(shí)施了“空泡協(xié)調(diào)行動(dòng)”計(jì)劃，進(jìn)行一種機(jī)載反水雷超空泡武器的試驗(yàn)。德國(guó)研制出了“梭魚(yú)”超空泡魚(yú)雷。伊朗也在2006年試射了自己研制的超空泡魚(yú)雷。

從目前情況看，很明顯是超空泡魚(yú)雷技術(shù)進(jìn)展最快，如德國(guó)的“梭魚(yú)”就解決了俄羅斯“暴風(fēng)雪”只能直航攻擊、且無(wú)制導(dǎo)能力的缺陷，而且航速更快，達(dá)240節(jié)。今后，超空泡魚(yú)雷可能會(huì)進(jìn)一步解決射程近、噪聲大的技術(shù)問(wèn)題。

至于超空泡潛艇所面臨的技術(shù)問(wèn)題，要比超空泡魚(yú)雷多得多，而且解決難度也更大。例如，在高速航行中如何控制運(yùn)動(dòng)方向；如何能使超空泡長(zhǎng)時(shí)間、全尺寸地包罩住比魚(yú)雷大得多的潛艇；如何提供支持超空泡潛艇長(zhǎng)距離航行的水下火箭；如何保證潛艇在高速航行時(shí)不增加噪聲；如何消除產(chǎn)生超空泡所需的設(shè)備占用潛艇內(nèi)部寶貴空間的問(wèn)題；如何減輕形成的氣泡干擾潛艇聲吶工作的問(wèn)題等等。美國(guó)的“水下快車(chē)”僅僅是排水量60噸的技術(shù)驗(yàn)證艇，預(yù)定航速也只有100節(jié)，而其他國(guó)家還沒(méi)有類(lèi)似發(fā)展計(jì)劃。由此可見(jiàn)，所謂超聲速潛艇已經(jīng)研制成功，距離現(xiàn)實(shí)還非常遙遠(yuǎn)。