让潜艇在水下“飞”

康琳

阻力来自水下

在海平面条件下，水的密度是空气的800多倍，而在15 000米以上的高空，水的密度是空气密度的5000多倍。可见，要达到相同的速度，舰船和水下武器需克服的阻力远远大于航空器。当舰船（包括潜艇）在水面上航行时，船体同时受空气和水两种阻力，空气阻力是指空气对船体水上部分的反作用力，水阻力是水对船体水下部分的反作用力。如果再细分，水阻力可分成静水阻力和波浪中的阻力增加值（也称汹涛阻力）两部分，而静水阻力又可进一步分成裸船体阻力和附体阻力两部分。裸船体在静水中航行时所受到的阻力，包括兴波阻力、破波阻力、摩擦阻力、黏滞阻力等，此外再加上空气阻力、附体阻力和汹涛阻力等，基本上就是舰船在水面航行时所受到的全部阻力了。需要强调的是，潜艇以低速航行时，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为快。这是因为潜艇在水面低速航行时，其兴波阻力和空气阻力都相当小，所面对的主要是摩擦阻力、黏滞阻力和附体阻力。而潜艇在水下低速航行时的主要航行阻力虽然也是摩擦阻力、黏滞阻力和附体阻力，但因潜艇在水下“湿面积”大增，会使摩擦力较水面增大许多，同时由于潜艇在水下时一些附体（如指挥台围壳）入水后会加大附体阻力，所以潜艇水下低速航行时的阻力要大于水面低速航行时的阻力。而当潜艇高速航行时，则会出现完全相反的阻力状态。随着航速的增加，潜艇在水面上的兴波阻力和空气阻力将大增，使其总阻力值大于在水下高速航行的总阻力值。当潜艇速度达到一定值时，水面阻力甚至是水下阻力的2倍。

到目前为止，人类历史上速度最快的潜艇苏联的“阿尔法级”攻击核潜艇为42节。究其原因，主要还是上述的摩擦阻力、黏滞阻力（潜艇还有附体阻力）。要想大幅提高水下武器的航速，就需要有效克服摩擦阻力、黏滞阻力，其中克服摩擦阻力又是重中之重，因为其构成了水下总阻力的主要部分，大约占80%。由于摩擦阻力主要与表面面积及边界层内的流动状态有关，层流边界层的摩擦阻力远小于湍流边界层的摩擦阻力，所以在设计时尽可能保持层流状态即可有效降低摩擦阻力。

现代潜艇采取降低摩擦阻力的方法大致有：采用拉长水滴型或过渡型艇型；提高表面光滑度、减小开孔数量和间隙；表面敷设橡胶瓦；微气泡降阻等。如微气泡降阻，就是在紧贴潜艇壁界层引入大量的微气泡可以显著降低摩擦阻力，据报道降阻效果可达30%，但如何形成微气泡是当前主要研究的问题。

什么是超空泡技术？

超空泡实际上是空泡的一种极端存在方式。人们最早发现的是空泡现象，即当水下物体在水中运动速度加快，其所承受的水压反而会减小，一旦水压减小到一定程度时，与水下物体接触的水就会汽化，形成空泡。这些空泡不但会改变水的流动形态，而且会降低螺旋桨或喷水推进器的推进效率。更严重的是，空泡还会发生爆裂，产生强烈冲击。如果长期作用，还会使接触面出现凹坑，并产生严重剥蚀，大大缩短使用寿命。到了上世纪60年代，人们又发现当水下物体的运动速度超过50米/秒时，表面就会出现超空泡现象，即在其后部形成大型水蒸气沟，将物体与水接触的部分包住，物体接触的介质就由水变成了空气。由于海平面条件下，水的密度是空气密度的800多倍，因而就能大幅减少物体在水中所受的阻力。如果利用一定的技术手段使气泡把整个物体包裹起来，形成一种“气体外衣”，就可使物体始终航行在自己制造的超空泡内部，从而实现高速航行。另外，超空泡现象不仅会使水的阻力大大降低，还不会因气泡爆裂而对水下物体表面产生冲击。

苏联最早注意到超空泡现象在军事上的应用前景，在上世纪70年代率先研制代号“暴风雪”的超空泡鱼雷。苏联解体后，俄罗斯继续研制并最终成功，1997年起装备部队。该型鱼雷长8.23米，直径533毫米，重2.697吨。鱼雷尾部中心为大孔径固体火箭发动机喷管，周围有8个小型圆柱形启动火箭，它们将“暴风雪”加速至超空泡速度，然后主发动机开始工作。头部安装有空泡发生器，向前倾斜形成一个“攻角”，以产生支持雷体前部的升力；空泡发生器后面是几个环状通气管，能将火箭排气注入空穴气泡，使气泡涨大。鱼雷航行时，首先由平盘式空泡发生器产生局部空穴，然后由通气管向局部空穴注入气体，使之膨胀成超空泡。此外，“暴风雪”鱼雷在尾部还有1个制导导线线轴，当鱼雷发射入水运行时导线放出，通过该导线可以控制鱼雷的运动轨迹或进行引爆。

研制到现实还很遥远

由于超空泡潜艇航行时水阻力小，它的水下速度可超过音速。这样，超空泡潜艇可以像子弹一样在水中飞行。此后，美、法、德、伊朗等国也纷纷加入到超空泡武器的研制行列，其中美国的项目最多，不仅有超空泡鱼雷，还有超空泡机载武器、舰载超空泡近防武器、超空泡水下火炮系统、超空泡潜艇“水下快车”、超空泡隐身水面艇“幽灵”号等。法国从俄罗斯采购了几枚“暴风雪”鱼雷进行评估，并实施了“空泡协调行动”计划，进行一种机载反水雷超空泡武器的试验。德国研制出了“梭鱼”超空泡鱼雷。伊朗也在2006年试射了自己研制的超空泡鱼雷。

从目前情况看，很明显是超空泡鱼雷技术进展最快，如德国的“梭鱼”就解决了俄罗斯“暴风雪”只能直航攻击、且无制导能力的缺陷，而且航速更快，达240节。今后，超空泡鱼雷可能会进一步解决射程近、噪声大的技术问题。

至于超空泡潜艇所面临的技术问题，要比超空泡鱼雷多得多，而且解决难度也更大。例如，在高速航行中如何控制运动方向；如何能使超空泡长时间、全尺寸地包罩住比鱼雷大得多的潜艇；如何提供支持超空泡潜艇长距离航行的水下火箭；如何保证潜艇在高速航行时不增加噪声；如何消除产生超空泡所需的设备占用潜艇内部宝贵空间的问题；如何减轻形成的气泡干扰潜艇声呐工作的问题等等。美国的“水下快车”仅仅是排水量60吨的技术验证艇，预定航速也只有100节，而其他国家还没有类似发展计划。由此可见，所谓超声速潜艇已经研制成功，距离现实还非常遥远。