超空泡技术及其在水中兵器中的应用研究

孙伟玮

（海军装备部，山西 太原 030027）

0 引 言

现代军事行动的成败很大程度上取决于所用武器的效能。新型武器设计和开发时，速度和机动性是重点考虑因素。水中兵器领域，对高速度的追求多年以来因水介质的物理特性受到了限制；直到全新一代超空泡技术的出现，这种局面才有了改观的可能。超空泡水中兵器是以超空泡物理特性为基础开发研制的，是以人为扩充使其被包围于一个超空泡之内而不沾水，从根本上改变了水中兵器的阻力特性，实现了水下高速运动[1]。

1 超空泡技术简介

超空泡是一种物理现象。水中运动的物体，其速度加快时所承受的水压力会减小，当水压力减小到与水蒸气压力相等时，水就会气化成空泡。超空泡就是空泡的一种极端形式，当物体在水中的运动速度超过185 km/h以后，在其尾部会形成一个奇异的大型水蒸气沟，将物体与水接触的部分包住[2]，这样物体接触的介质就由水变成了空气，物体表面会形成大型空气泡，空泡长度与物体的运动速度有关，物体能在自己产生的长气泡内部以最小的阻力高速前进。

流场条件和运动体的几何形状等的不同，会使空泡呈现不同状态，其中决定性的相似准则是空化数。空化数σ是航行体的速度、空泡的内部压力、外部压力的函数：

式中：σ为空化数；ρ为流体密度；ρ0为空泡外部压力；ρBL为空泡内部压力；V为航行体速度。

当空化数较高时，绕流物体表面只能形成多个独立的游离的空穴或气泡，称为游离型空泡。随着空化数降低，形成了带有强烈振动和噪声的周期性脱落的云状空泡。当空化数进一步降低后，分散的空泡相互贯通，依托绕流物体形成了与绕流物体特征长度可比的空泡贯通区，称为片状空泡。一般当空化数小于0.1后，片状空泡将覆盖绕流物体的大部分表面，形成了超空泡。

超空泡主要分为：自然超空泡、通气超空泡。前者依靠提高航行体的速度或是降低环境压强生成，空泡内压强等于液体的饱和蒸汽压。后者依靠人工通气增加空泡内压强生成，此时空泡内压强不再恒定，而是随着通气压强的变化而变化。

2 超空泡水中兵器的基本结构

超空泡水中兵器是20世纪末出现的，是用超空泡减阻技术发展的新型水下超高速武器；它在水下能以超高速接近目标，作战效能大大提高，因而受到各国广泛重视。

目前世界各国正在研制的超空泡鱼水雷装置主要包括以下部件[3]：1）空化器。内部装有传感器，主要功能是诱导生成空泡，提供升力和姿态控制，可影响航行体的阻力，海水可以通过空化器上的孔道进入航行体内部。2）通气管口。通过通气管口使空泡伸长，并覆盖航行体整个表面，以降低航行体在水中的阻力。3）导引系统。安装有微型传感器，可进行先进的信号处理、波形优化、收发声纳信号。4）推进及通气系统。可采用水反应推进系统，对航行体进行推力矢量控制，同时利用喷嘴喷射气体以稳定空泡的形态。5）控制尾翼。大部分表面穿过空泡壁而暴露在水中，提供航行体尾部升力、滚转、姿态控制。

3 超空泡水中兵器的关键技术

世界各国对超空泡水中兵器投入了大量的资金精力，研发超空泡发生系统、航行体水下控制和制导技术、推进系统技术改进等一系列关键技术，若其一旦得到突破，超空泡水中兵器必将得到很大拓展。

3.1 空化器的技术

超空泡武器航行体的头部一般设计成利于诱导生成空泡的特殊形状，称为空化器。一般按其形状可为：圆盘空化器、圆锥空化器、内凹锥形空化器等。空化器的形态特性很大程度上决定了产生空泡的难易程度及控制程度。

当空化数一定时，空化器直径增大时，空泡的长度和直径相应增大，然而流体阻力系数值是随空化器形态改变而变化的；因此在空化数和空化器直径不变时，可以设计一种形态可变的空化器，通过控制空化器形态来改变阻力系数值，进而控制超空泡的形态变化。

3.2 通气超空泡的生成技术

通气超空泡生成技术，是最为关键的基础研究技术之一。超空泡武器加速过程中，必须人工通气产生超空泡，使阻力降低以过渡到巡航状态。在较低巡航速度时，需要通气以使超空泡维持在特定形态，保持特定的流体动力特性。未来的超空泡武器，航行体应有入水、转弯、浮沉等机动能力，这就需要通过调节通气量控制超空泡的形态生成。

通气超空泡生成技术的实现重点在于通气系统，包括：通气气源、通气控制系统、通气管路、通气孔、导流装置等。通气气体来源于发动机尾气、气体发生器或内置压力容器。通气控制系统用以控制通气流量、通气时间和压力等。导流装置改变通入到空泡内的气体流动状态，可以降低通气扰动对空泡形态的影响。改变通气率是控制超空泡的形态及其变化的最主要方式。实际研制中，首先根据经验公式和设计指标给出初步的通气规律，并在模型试验及原型试验中进行验证和改进，才能最终确定较合适的通气规律，并研制相应的通气控制系统。

3.3 超空泡的稳定技术

不稳定的超空泡的表现形式可能为：界面模糊不清、空泡长度及脱体点剧烈变化、空泡容积和泡内压力振荡等。引起超空泡不稳定的机理主要有：通气不稳定性、自由剪切层不稳定性、气泡振荡不稳定性。

通气不稳定性主要与通气率和自然空化数有关。给定航行速度时，不能无限增大通气率以降低通气空化数，否则将引起通气不稳定。自由剪切层不稳定性是在两种互不渗透液体通过一个界面进行接触时发生；当两种介质在界面处的相对速度较大时更为明显；气泡振荡不稳定性是由于环境压力的波动引起的[4]。

为了更好利用超空泡的减阻效果，须使环绕于航行体周围的超空泡保持相对的稳定。超空泡稳定技术的目标在于选择适当的运动参数和稳定措施，例如设计航行体运动规律和通气规律、尽力避开气泡振荡不稳定区域、控制通气速度和角度等，以保持超空泡的相对稳定，使其几何形状及尺度的振荡控制在允许范围之内。

3.4 航行体的稳定控制技术

超空泡的存在虽然显著减小了航行阻力，但使航行体丧失了大部分浮力；余下的浮力一部分集中作用在航行体前端的空化器上，另一部分受航行体尾部空泡闭合情况的不同而呈现出不同的形式和变化规律；较难实现力和力矩的平衡，这使航行体的运动稳定性及其控制成为一个关键问题。

一般采用主动控制与被动控制结相合的方式。主动控制是先对航行体的姿态进行实时监控，再利用主动调控措施产生反馈的闭环控制比如调整喷气量和喷射方向等。被动控制指的是靠航行体设计阶段进行的流体动力学布局及若干非人工控制的稳定措施保证运动稳定性，比如空化器、尾翼等的形态及流体动力学设计。

3.5 航行体的推进技术

目前，大多数超空泡航行器都靠火箭发动机产生所需推力。但是达到超空泡航行速度需要很大能量，常规燃料的火箭发动机航程有限；且当深度增加时，推力会随压力增加而下降。

为实现航行体的最大航程，必须要有最大比推力的高密度燃料。在对多种动力装置分析之后，专家们的结论是：只有燃烧金属燃料（铝、锰、锂），并用海水作为氧化剂和冷却剂的高效燃气轮机或喷气推进系统，才是推进超空泡水中兵器实现最高速度的最佳途径。再者，有关超空泡推进螺旋桨技术的试验表明，与火箭推进器相比，螺旋桨叶提供的潜在推力要高大20%左右。

4 超空泡水中兵器的研究现状

世界主要海军国家（俄罗斯、美国、法国、德国、中国等）都从事过基于超空泡发展新型水中兵器的研究，。美国已研制成功水下超空泡射弹；俄国正在进行第二代超空泡鱼雷的研制；德国已完成了超空泡鱼雷的试验。俄罗斯在此领域独领风骚。世界上第一枚采用超空泡技术的高速鱼雷就来自前苏联海军，1997年装备部队[5]，取名为风暴（Shkval）。

风暴鱼雷由位于乌克兰的流体力学研究所研制，长8.23 m，直径533 mm，重2 697 kg，航速200节，航程15 000 m，最大潜入深度400 m。一般的鱼雷以50 km/h速度前进2 000 m的距离要耗时2.4 min，而风暴则以300 km/h速度航行2 000 m仅需要0.4 min。西方军事评论认为，风暴鱼雷甚至不需战斗部，仅凭其高速度和自身质量就可摧毁敌方潜艇。据说，俄罗斯风暴系列的新型号Shkval II已研制成功，虽没证实准确数据，但西方情报界猜测，Shkval II的速度将达到450 mile/h，射程超过60 mile。可以说，一旦被其锁定，目前尚无某种武器能够躲避攻击！

5 结束语

一旦超空泡武器的关键性技术得到突破，就能发挥超空泡的减阻优势，从而研制出超高速的、能主宰未来海洋战争的超空泡水中兵器。比如：安装核弹头的远程多级超空泡鱼雷，可在水下长距离快速航行直至对目标实施毁灭性打击；高速超空泡反鱼雷的鱼雷，其良好性能将能完成水面舰艇反鱼雷的防御任务。可见，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前景十分可观，许多专家认为，超空泡武器必将大大改变未来海洋作战的模式。

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

[2] 曹伟，魏英杰，王聪，等.超空泡技术现状、问题与应用[J].力学进展,2006,36(4):571-578.

[3] 张劲生，张嘉钟，魏英杰，等.超空泡水下航行体的结构动力响应特性[J].北京航空航天大学学报,2010,36(4):411-414.

[4] 陈兢.新概念武器——超空泡水下高速武器[J].飞航导弹,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.