讓潛艇在水下“飛”

康琳

阻力來自水下

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。可見，要達到相同的速度，艦船和水下武器需克服的阻力遠遠大于航空器。當艦船（包括潛艇）在水面上航行時，船體同時受空氣和水兩種阻力，空氣阻力是指空氣對船體水上部分的反作用力，水阻力是水對船體水下部分的反作用力。如果再細分，水阻力可分成靜水阻力和波浪中的阻力增加值（也稱洶濤阻力）兩部分，而靜水阻力又可進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所受到的全部阻力了。需要強調的是，潛艇以低速航行時，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。這是因為潛艇在水面低速航行時，其興波阻力和空氣阻力都相當小，所面對的主要是摩擦阻力、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，會使摩擦力較水面增大許多，同時由于潛艇在水下時一些附體（如指揮臺圍殼）入水后會加大附體阻力，所以潛艇水下低速航行時的阻力要大于水面低速航行時的阻力。而當潛艇高速航行時，則會出現完全相反的阻力狀態。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。當潛艇速度達到一定值時，水面阻力甚至是水下阻力的2倍。

到目前為止，人類歷史上速度最快的潛艇蘇聯的“阿爾法級”攻擊核潛艇為42節。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，因為其構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的流動狀態有關，層流邊界層的摩擦阻力遠小于湍流邊界層的摩擦阻力，所以在設計時盡可能保持層流狀態即可有效降低摩擦阻力。

現代潛艇采取降低摩擦阻力的方法大致有：采用拉長水滴型或過渡型艇型；提高表面光滑度、減小開孔數量和間隙；表面敷設橡膠瓦；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，據報道降阻效果可達30%，但如何形成微氣泡是當前主要研究的問題。

什么是超空泡技術？

超空泡實際上是空泡的一種極端存在方式。人們最早發現的是空泡現象，即當水下物體在水中運動速度加快，其所承受的水壓反而會減小，一旦水壓減小到一定程度時，與水下物體接觸的水就會汽化，形成空泡。這些空泡不但會改變水的流動形態，而且會降低螺旋槳或噴水推進器的推進效率。更嚴重的是，空泡還會發生爆裂，產生強烈沖擊。如果長期作用，還會使接觸面出現凹坑，并產生嚴重剝蝕，大大縮短使用壽命。到了上世紀60年代，人們又發現當水下物體的運動速度超過50米/秒時，表面就會出現超空泡現象，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手段使氣泡把整個物體包裹起來，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部，從而實現高速航行。另外，超空泡現象不僅會使水的阻力大大降低，還不會因氣泡爆裂而對水下物體表面產生沖擊。

蘇聯最早注意到超空泡現象在軍事上的應用前景，在上世紀70年代率先研制代號“暴風雪”的超空泡魚雷。蘇聯解體后，俄羅斯繼續研制并最終成功，1997年起裝備部隊。該型魚雷長8.23米，直徑533毫米，重2.697噸。魚雷尾部中心為大孔徑固體火箭發動機噴管，周圍有8個小型圓柱形啟動火箭，它們將“暴風雪”加速至超空泡速度，然后主發動機開始工作。頭部安裝有空泡發生器，向前傾斜形成一個“攻角”，以產生支持雷體前部的升力；空泡發生器后面是幾個環狀通氣管，能將火箭排氣注入空穴氣泡，使氣泡漲大。魚雷航行時，首先由平盤式空泡發生器產生局部空穴，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，“暴風雪”魚雷在尾部還有1個制導導線線軸，當魚雷發射入水運行時導線放出，通過該導線可以控制魚雷的運動軌跡或進行引爆。

研制到現實還很遙遠

由于超空泡潛艇航行時水阻力小，它的水下速度可超過音速。這樣，超空泡潛艇可以像子彈一樣在水中飛行。此后，美、法、德、伊朗等國也紛紛加入到超空泡武器的研制行列，其中美國的項目最多，不僅有超空泡魚雷，還有超空泡機載武器、艦載超空泡近防武器、超空泡水下火炮系統、超空泡潛艇“水下快車”、超空泡隱身水面艇“幽靈”號等。法國從俄羅斯采購了幾枚“暴風雪”魚雷進行評估，并實施了“空泡協調行動”計劃，進行一種機載反水雷超空泡武器的試驗。德國研制出了“梭魚”超空泡魚雷。伊朗也在2006年試射了自己研制的超空泡魚雷。

從目前情況看，很明顯是超空泡魚雷技術進展最快，如德國的“梭魚”就解決了俄羅斯“暴風雪”只能直航攻擊、且無制導能力的缺陷，而且航速更快，達240節。今后，超空泡魚雷可能會進一步解決射程近、噪聲大的技術問題。

至于超空泡潛艇所面臨的技術問題，要比超空泡魚雷多得多，而且解決難度也更大。例如，在高速航行中如何控制運動方向；如何能使超空泡長時間、全尺寸地包罩住比魚雷大得多的潛艇；如何提供支持超空泡潛艇長距離航行的水下火箭；如何保證潛艇在高速航行時不增加噪聲；如何消除產生超空泡所需的設備占用潛艇內部寶貴空間的問題；如何減輕形成的氣泡干擾潛艇聲吶工作的問題等等。美國的“水下快車”僅僅是排水量60噸的技術驗證艇，預定航速也只有100節，而其他國家還沒有類似發展計劃。由此可見，所謂超聲速潛艇已經研制成功，距離現實還非常遙遠。