超空泡武器将颠覆海战模式?
2015-01-04 15:29:00   来源:中国科技网
内容摘要
为有效降低水下航行器的阻力,世界各国采用了各种技术方法,包括在物体表面布置纤维分子,在物体表面涂覆粘弹性材料,通过多孔表面扩散气体,向物体与水之间的边界层注入气泡等等,其中,超空泡技术受到了世界各国的广泛关注。

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为了适应未来海战的需要,各军事强国都在极力发展能够主宰海上战场的先进武器。在这种背景下,超空泡技术受到了世界主要军事大国的高度重视,他们投入大量的精力和资金将超空泡技术应用于武器系统。

超空泡技术是提高海洋军事实力,尤其是提高攻击航母编队能力的关键技术。美国国防部已将超空泡高速武器列入需要在全世界范围内密切关注的24项重大武器技术之一,俄罗斯、德国也始终在进行超空泡导弹的研制与改进。许多专家预测,一旦超空泡武器的一些关键技术得以解决,未来海上作战模式将大大改变。

 

溯源:水下航行器减阻增速

常言道:“兵贵神速”,航速在很大程度上影响着海战装备的作战性能。由于水的密度远远高于空气密度,使得海战装备在水中的阻力数百倍于其在空气中的阻力,航行速度只有空中飞行器速度的十分之一。而且由于推进一个水下物体所需的能量与航速的立方成正比,即要使航速提高一倍,推进系统必须提供8倍的能量,因此想通过常规的方法使航速明显提高显然有些无力。

为有效降低水下航行器的阻力,世界各国采用了各种技术方法,包括在物体表面布置纤维分子,在物体表面涂覆粘弹性材料,通过多孔表面扩散气体,向物体与水之间的边界层注入气泡等等,其中,超空泡技术受到了世界各国的广泛关注。

超空泡是物体在水下高速运动时产生的一种物理现象,当物体在水下运动时,随着物体速度的增加,液体内部局部压力不断降低,如果物体速度增大到某一点,液体内部局部压力就低于饱和蒸汽压,此时,液体或固体与液体的交界面上会形成蒸汽或气体的气泡,这一过程叫做空化,形成的气泡就是空泡。一定条件下形成的完全或几乎完全包围运动物体的空泡就是超空泡。超空泡形成后,运动物体完全或几乎完全被空泡包围,这样,运动物体接触的介质就由水变成空气,物体类似于在空气中运动,利用超空泡技术可以使水下物体的阻力减少90%以上。

二战期间,德国最早进行超空泡及其应用于水下武器的理论与试验研究,随着二战结束,相关研究暂告停止。前苏联的乌克兰流体力学研究所于1960年就开始研制超空泡武器,于20世纪70年代中期研制成功“暴风”鱼雷,并于1997年装备部队,速度可达100米/秒,是传统鱼雷速度的3—5倍。德国在上世纪70年代立项研究SMG3型超空泡射弹式水雷,上世纪80年代提出了改型超空泡射弹水雷项目。20世纪90年代,在美国国防部高级研究计划局和海军研究署的支持下,美国海军水下战中心开发了两种用途的超空泡技术,一种是高速水下弹药系统,另一种是大型水下超空泡航行体。

从超空泡武器的技术优势和未来海上作战需求两个方面来看,超空泡技术必将会用于完成海军的大量任务。如载有水下机枪的小型近程水下航行器,彼此利用高速“水下子弹”在水中进行射击;远程多级超空泡导弹可使导弹防御系统失效,在水下快速航行数十海里接近目标,天基和空基防御手段都难以有效应对;高速反鱼雷超空泡鱼雷的良好性能将能够完成反鱼雷平台的防御任务;稍作改动的轻型超空泡武器能够增强机载平台对付水下目标的能力,该武器可在较远的防区外发射;超空泡武器在未来还可以与水下无人航行器这样的远程长续航能力的隐形平台一起使用,在高风险区执行任务。

 

现状:运载工具与攻击武器并重

超空泡技术不断发展,世界军事强国的科研人员纷纷将其作为研发下一代新概念武器的方向,形成了以超空泡水面航行器、超空泡水下航行器、超空泡弹药、超空泡导弹、超空泡钻地弹等为代表的一系列“超空泡武器”。

 

超空泡水面航行器

超空泡水面航行器主要指超空泡舰船,即通过利用气泡覆盖舰船的整个船体表面,使船体不直接与水接触,进而减少水的阻力,提高舰船航速。2011年8月10日,美国朱丽叶舰船系统公司公布世界上第一艘采用超空泡原理设计的舰船——“幽灵”号。“幽灵”号舰船的发动机由两个装载在浮筒中的T53-L-703涡轴发动机组成,驱动位于船体前部吊舱中的旋转螺旋桨,使螺旋桨产生“超空泡”效应,最高航速可达50节。其具备雷达隐身性能,可携载鱼雷,并且具有全电脑控制功能可不需要任何船员执行操作任务。

 

超空泡水下航行器

美国国防高级研究计划局提出超空泡“水下快车”计划,研制一种直径2.43米、质量60吨,能够下潜到6米深度,以100公里/小时的速度持续航行的超空泡水下运输艇,用于运送高价值物资和作战小分队,通用动力电船公司和诺斯罗普?格鲁曼公司共同参与项目研制。通用动力电船公司因在海军潜艇和水下武器研制方面的悠久历史,使其过去数十年间一直处于超空泡技术的研究前沿。诺斯罗普·格鲁曼公司也在研究超空泡技术,并生产了多种水下航行器。

 

超空泡弹药

超空泡弹药包括超空泡水下子弹和超空泡炮弹。为进行水下袭击,美国海军水下作战中心研制超空泡水下子弹,其头部扁平,从水下机枪发射,初速接近常规枪弹在空气中发射初速。超空泡炮弹是一种平头炮弹,由改进型速射炮发射,它可以在空气和水中平稳航行,并且具有先进的目标定位能力,可用于消灭水面的漂浮水雷和近水面的触发式水雷。美国海军正在考虑部署一种装备于水面舰甲板的RAMICS近程武器系统,用于消灭致命的尾波制导鱼雷。超空泡炮弹技术下一步将发展利用自适应高速水下弹药的全水下火炮系统,为舰艇构筑起水下防线。

 

超空泡导弹

典型的超空泡导弹包括俄罗斯的“暴风”鱼雷、德国的Barracuda导弹和伊朗的“鲸”鱼雷等。目前,俄罗斯研制的第二代“暴风”鱼雷,具有较强的机动性能,采用发动机推力矢量控制,发动机的燃气回流头部进行超空泡补气,其速度可以达到200米/秒,射程可以达到100公里。德国研制Barracuda导弹长2.2米,直径120毫米,重量50公斤,航速120米/秒,主要用于保护舰船和潜艇免遭鱼雷的攻击。伊朗研制成功的高速鱼雷“鲸”,可从水面舰艇上发射,入水后航速可达100米/秒,从该鱼雷的外形、速度、发射尾焰和气泡轨迹来看,采用了超空泡技术。

 

超空泡钻地弹

超空泡技术不仅可在液体介质中使用,也可用在固体介质中。只要物体的运动速度足够快,它就可以将行进过程中的任何介质,包括水、土壤或是混凝土“推向”两边,使其周围形成空气泡,从而在“空气”中“飞行”。据报道,美国海军水面作战中心和洛克希德·马丁公司利用超空泡技术研制出一种高性能钻地炸弹。这种被誉为“钻地之王”的炸弹一改传统钻地弹的流线形弹头和厚壁式弹体设计,采用了全新的钝头和薄壳技术,其钻地深度可达到300米,比目前美军武器库中最强大的BLU-113型侵彻弹的侵彻能力高出10倍,而且其装药量也大幅增多。五角大楼透露,这种全新概念的超空泡钻地炸弹将主要用于摧毁深层地下掩体,其燃烧型弹头将烧毁敌方地下武器库中的生化制剂。

 

突破:气泡产生、航行控制、推进系统等技术攻关

尽管超空泡武器已经取得显著进展,但是超空泡武器的下一步发展仍需突破包括气泡产生、航行控制和推进系统等一系列关键技术的制约,以进一步拓展超空泡武器的未来应用。

只有在超空泡武器周围形成并保持形态良好的超空泡, 才能实现巨大的减阻效果。下一代超空泡武器需要具有更加灵活的气泡发生系统,能够使超空泡武器系统在超空泡状态和正常状态中转换,并能够通过减少空泡尺寸达到“刹车”或加速目的。

超空泡武器因其工作于流体力学和空气动力学两种极端不同特性的两相环境中,因此对于超空泡导弹的航行控制也有着极其严格的要求。超空泡武器系统的进一步发展,要求超空泡系统前部配有刺穿空泡壁的翼或“矢量推力”系统,如能够提供超空泡武器机动能力的火箭喷管。然而,由于超空泡武器系统上的压力确实很大,以至于在机动过程中存在的任何制导错误,都将使超空泡武器撞击气穴内墙造成彻底毁坏。因此,超空泡武器系统必须具有一个实时的控制系统,以便针对武器撞击气穴内墙的情况及时调整超空泡武器的弹道。

超空泡武器必须依靠火箭发动机产生所需的推力,但是常规火箭发动机在水中具有两大严重技术缺陷,即航程有限和伴随深度增加时推力随压力的增加而下降。航程有限问题可以通过采用高能量密度动力装置技术来解决,因此确定具有最大比冲的高密度燃料成为研究关键。经研究,使用金属燃料(铝、锰或锂),并利用海水作为氧化剂与燃烧生成物的冷却剂的高效燃气轮机或喷气推进系统,可能是推进超空泡航行器实现最高速度的最佳途径。推力随压力增加而下降问题可利用专门的超空泡推进螺旋桨技术来加以防止。超空泡推进螺旋桨技术试验表明,与火箭相比较,螺旋桨叶提供的潜在推力要高20%,但只有准确了解螺旋浆与空穴之间如何相互作用,有关推进系统的研究工作才能取得真正的进展。

可以预见,随着世界各国对超空泡技术的不断认知,未来超空泡技术的应用将会大大改变海上作战模式。