超空泡技術(shù)及其在水中兵器中的應用研究

孫偉瑋

（海軍裝備部，山西 太原 030027）

0 引 言

現(xiàn)代軍事行動的成敗很大程度上取決于所用武器的效能。新型武器設計和開發(fā)時，速度和機動性是重點考慮因素。水中兵器領(lǐng)域，對高速度的追求多年以來因水介質(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)開發(fā)研制的，是以人為擴充使其被包圍于一個超空泡之內(nèi)而不沾水，從根本上改變了水中兵器的阻力特性，實現(xiàn)了水下高速運動[1]。

1 超空泡技術(shù)簡介

超空泡是一種物理現(xiàn)象。水中運動的物體，其速度加快時所承受的水壓力會減小，當水壓力減小到與水蒸氣壓力相等時，水就會氣化成空泡。超空泡就是空泡的一種極端形式，當物體在水中的運動速度超過185 km/h以后，在其尾部會形成一個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，物體表面會形成大型空氣泡，空泡長度與物體的運動速度有關(guān)，物體能在自己產(chǎn)生的長氣泡內(nèi)部以最小的阻力高速前進。

流場條件和運動體的幾何形狀等的不同，會使空泡呈現(xiàn)不同狀態(tài)，其中決定性的相似準則是空化數(shù)。空化數(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。

當空化數(shù)較高時，繞流物體表面只能形成多個獨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，形成了帶有強烈振動和噪聲的周期性脫落的云狀空泡。當空化數(shù)進一步降低后，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度可比的空泡貫通區(qū)，稱為片狀空泡。一般當空化數(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)境壓強生成，空泡內(nèi)壓強等于液體的飽和蒸汽壓。后者依靠人工通氣增加空泡內(nèi)壓強生成，此時空泡內(nèi)壓強不再恒定，而是隨著通氣壓強的變化而變化。

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，作戰(zhàn)效能大大提高，因而受到各國廣泛重視。

目前世界各國正在研制的超空泡魚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，海水可以通過空化器上的孔道進入航行體內(nèi)部。2）通氣管口。通過通氣管口使空泡伸長，并覆蓋航行體整個表面，以降低航行體在水中的阻力。3）導引系統(tǒng)。安裝有微型傳感器，可進行先進的信號處理、波形優(yōu)化、收發(fā)聲納信號。4）推進及通氣系統(tǒng)。可采用水反應推進系統(tǒng)，對航行體進行推力矢量控制，同時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)

世界各國對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技術(shù)、推進系統(tǒng)技術(shù)改進等一系列關(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計成利于誘導生成空泡的特殊形狀，稱為空化器。一般按其形狀可為：圓盤空化器、圓錐空化器、內(nèi)凹錐形空化器等。空化器的形態(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。

當空化數(shù)一定時，空化器直徑增大時，空泡的長度和直徑相應增大，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，可以設計一種形態(tài)可變的空化器，通過控制空化器形態(tài)來改變阻力系數(shù)值，進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。超空泡武器加速過程中，必須人工通氣產(chǎn)生超空泡，使阻力降低以過渡到巡航狀態(tài)。在較低巡航速度時，需要通氣以使超空泡維持在特定形態(tài)，保持特定的流體動力特性。未來的超空泡武器，航行體應有入水、轉(zhuǎn)彎、浮沉等機動能力，這就需要通過調(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)的實現(xiàn)重點在于通氣系統(tǒng)，包括：通氣氣源、通氣控制系統(tǒng)、通氣管路、通氣孔、導流裝置等。通氣氣體來源于發(fā)動機尾氣、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、通氣時間和壓力等。導流裝置改變通入到空泡內(nèi)的氣體流動狀態(tài)，可以降低通氣擾動對空泡形態(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。實際研制中，首先根據(jù)經(jīng)驗公式和設計指標給出初步的通氣規(guī)律，并在模型試驗及原型試驗中進行驗證和改進，才能最終確定較合適的通氣規(guī)律，并研制相應的通氣控制系統(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、空泡長度及脫體點劇烈變化、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，不能無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一個界面進行接觸時發(fā)生；當兩種介質(zhì)在界面處的相對速度較大時更為明顯；氣泡振蕩不穩(wěn)定性是由于環(huán)境壓力的波動引起的[4]。

為了更好利用超空泡的減阻效果，須使環(huán)繞于航行體周圍的超空泡保持相對的穩(wěn)定。超空泡穩(wěn)定技術(shù)的目標在于選擇適當?shù)倪\動參數(shù)和穩(wěn)定措施，例如設計航行體運動規(guī)律和通氣規(guī)律、盡力避開氣泡振蕩不穩(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；較難實現(xiàn)力和力矩的平衡，這使航行體的運動穩(wěn)定性及其控制成為一個關(guān)鍵問題。

一般采用主動控制與被動控制結(jié)相合的方式。主動控制是先對航行體的姿態(tài)進行實時監(jiān)控，再利用主動調(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。被動控制指的是靠航行體設計階段進行的流體動力學布局及若干非人工控制的穩(wěn)定措施保證運動穩(wěn)定性，比如空化器、尾翼等的形態(tài)及流體動力學設計。

3.5 航行體的推進技術(shù)

目前，大多數(shù)超空泡航行器都靠火箭發(fā)動機產(chǎn)生所需推力。但是達到超空泡航行速度需要很大能量，常規(guī)燃料的火箭發(fā)動機航程有限；且當深度增加時，推力會隨壓力增加而下降。

為實現(xiàn)航行體的最大航程，必須要有最大比推力的高密度燃料。在對多種動力裝置分析之后，專家們的結(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氣輪機或噴氣推進系統(tǒng)，才是推進超空泡水中兵器實現(xiàn)最高速度的最佳途徑。再者，有關(guān)超空泡推進螺旋槳技術(shù)的試驗表明，與火箭推進器相比，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

世界主要海軍國家（俄羅斯、美國、法國、德國、中國等）都從事過基于超空泡發(fā)展新型水中兵器的研究，。美國已研制成功水下超空泡射彈；俄國正在進行第二代超空泡魚雷的研制；德國已完成了超空泡魚雷的試驗。俄羅斯在此領(lǐng)域獨領(lǐng)風騷。世界上第一枚采用超空泡技術(shù)的高速魚雷就來自前蘇聯(lián)海軍，1997年裝備部隊[5]，取名為風暴（Shkval）。

風暴魚雷由位于烏克蘭的流體力學研究所研制，長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。一般的魚雷以50 km/h速度前進2 000 m的距離要耗時2.4 min，而風暴則以300 km/h速度航行2 000 m僅需要0.4 min。西方軍事評論認為，風暴魚雷甚至不需戰(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，俄羅斯風暴系列的新型號Shkval II已研制成功，雖沒證實準確數(shù)據(jù)，但西方情報界猜測，Shkval II的速度將達到450 mile/h，射程超過60 mile。可以說，一旦被其鎖定，目前尚無某種武器能夠躲避攻擊！

5 結(jié)束語

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，從而研制出超高速的、能主宰未來海洋戰(zhàn)爭的超空泡水中兵器。比如：安裝核彈頭的遠程多級超空泡魚雷，可在水下長距離快速航行直至對目標實施毀滅性打擊；高速超空泡反魚雷的魚雷，其良好性能將能完成水面艦艇反魚雷的防御任務。可見，隨著世界各國對超空泡技術(shù)的不斷認知，未來超空泡技術(shù)的應用前景十分可觀，許多專家認為，超空泡武器必將大大改變未來海洋作戰(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、問題與應用[J].力學進展,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)動力響應特性[J].北京航空航天大學學報,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.