超空泡是那种物理现象？

超空泡是那种物理现象？

超空泡（supercavitation）是一种物理现象。当物体在水中的运动速度超过 100节时，后部就会形成奇异的水蒸气泡，从而产生“超空泡”流体———机械效应。 液体绕物体快速运动时压力会下降，而随着速度的增加，当液体压力等于水蒸气压力时，液体便由水相变为气相，形成水蒸气。空泡会使水流发生畸变，从而损失水泵、涡轮水翼和推进器的使用效率，还可能导致强冲击波的出现，并引起金属表面的腐蚀。舰船设计师经常要与制造麻烦的空泡打交道，试图避免出现空泡现象，如将船体设计成流线型等。 物体在水中运动时，还需要克服与水的摩擦力所造成的黏性阻力，这种阻力大约是空气阻力的1000倍。科学家们为改进设计绞尽了脑汁，谁知最后却惊喜地发现，一个有效的办法竟然是可以利用讨厌的空泡，形成一种可更新的气体包络，使流体对物体表面的浸湿面积最少，从而大大降低黏性阻力，这种低密度气泡就是超空泡。 超空泡是空泡的一种极端形式，当物体在水中的运动速度超过50米／秒时，钝头航行器或安装在头部的气体注入系统就可能产生低密度气穴。空泡长度与物体的运动速度有关，物体能够在自己产生的长气泡内部，以最小的阻力飞速前进。 竞相角逐军事应用新领域 当前，世界主要海军国家正在基于超空泡现象发展创新的高速潜艇和鱼雷。前苏联海军很早就发展了火箭推进的“风雪”超空泡鱼雷，航速已达到370公里／小时（约200节），并有报道说已出售给他国。另据有关报道，美国也推出了一项发展超空泡武器全面计划；法国对超空泡技术一直有强烈兴趣，已经从俄罗斯采购了几枚“风雪”鱼雷进行评估，并正在实施“空泡协调行动”计划，进行一种机载反水雷超空泡弹的试验；德国与美国海军研究部门合作，就新型空泡发生器设计和鱼雷自导系统建模开展一项联合计划，还完成了一种超空泡鱼雷样机，不久将预期进行试验。 各国对超空泡研究的内容都很广泛。超空泡武器能够用于对付水雷、自导鱼雷、小型船舶、高速反舰导弹，甚至低空飞行的飞机和直升机，预计利用超空泡技术，还可能研制出小型超高速水面舰艇、能使整个航母战斗群失效的水下核导弹、以及用于潜艇战的中程无制导摧毁性武器，因此专家认为，这些超空泡系统可能会大大改变海上作战模式。 在某些海军专家的描述中，大型隐身潜艇之间“猫抓老鼠”的对抗有点像空战，小型、近程的“水下战斗机”从巨大的“水下航母”起飞，彼此利用高速“ 水下子弹”进行射击；而超空泡武器更可能是对抗导弹防御系统的“撒手锏”— ——安装核弹头的远程多级超空泡鱼雷和导弹，能够在海洋水下快速航行数十海里接近目标，而空基或天基的任何防御手段对它们都无可奈何。 “风雪”超空泡鱼雷技高一筹 俄罗斯的“风雪”火箭动力鱼雷已名震天下，是目前已知的超空泡武器，前苏联海军在历经10多年的秘密研究与发展之后，于1997年装备部队。“风雪”鱼雷由位于乌克兰流体力学研究所研制，长8.23米，重2697公斤，壳体由尾部至头部逐渐变细，头部装有战斗部，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“风雪”加速至超空泡速度，然后主发动机开始工作。在尾部还有1个制导导线线轴，当鱼雷在水中运行时释放出导线，该导线被用来控制鱼雷的运动及战斗部的引爆。 鱼雷头部是极重要的空泡发生器，它呈圆形或者椭圆形平盘状，向前倾斜形成一个“攻角”，以产生支持雷体前部的升力。紧靠空泡发生器后面是几个环状通气管，它将火箭排气注入空穴气泡以使其涨大。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，使之膨胀成为超空泡。小型启动火箭使鱼雷航行直至形成一个空穴，随后中央大型火箭工作。 空泡发生器边缘往往是尖锐的，能够产生最清晰的或至少是扰动的气／水界面，即“透明”气穴。“风雪”实际上围绕着气穴周边慢慢地“进动”，当它在水中前进时反复地掠过水墙。 着力推进炮弹、鱼雷新计划 据外刊报道，虽然美国在20世纪50年代就开始高速推进器和水翼方面的超空泡研究，但目前还没有部署超空泡武器。美国超空泡武器的工作由海军研究处（ ONR）领导，主要发展两类超空泡武器：炮弹和鱼雷。 超空泡炮弹是一种即将采购的直升机载武器，利用它们可以消灭水面和近水面水雷。这种平头炮弹是利用一种改型速射炮发射的，它被设计得能够在空气和水中平稳航行，并且具有先进的目标定位能力。美国海军正在考虑部署一种装备于水面舰甲板的 R AMICS近程武器系统，用于消灭致命的尾波自导鱼雷。超空泡炮弹技术下一步将发展利用自适应高速水下弹药（AHSUM，即超空泡“动能”炮弹）的全水下火炮系统。该系统装备在潜艇、水面舰或拖曳式反水雷器的水下船体内，有流线型炮塔，通过声纳指挥。就像美国海军通过雷达指挥的“密集阵”近程速射武器系统保护水面舰艇免遭反舰导弹攻击一样， A HSUM为舰艇可以构筑起水下防线。 美国海军感兴趣的另一项超空泡技术是最大速度200节（与俄罗斯的“风雪” 相似）的鱼雷，其研究工作在发射、流体动力学、声学、制导和控制以及动力装置领域，还存在许多技术难题。 发展中不断突破关键技术 实现超空泡武器最重要之处是必须有先进的控制系统和先进的推进系统。 先进的控制系统“风雪”鱼雷曾被认为是不怎么精确的武器，因为它只能直航，但是未来的超空泡装置是可以设计成在水中机动航行的。这可以通过利用诸如尾翼之类的穿穴控制面和推力矢量系统（发动机排气的定向喷嘴）进行控制。但是在转弯航行时必须小心，以使鱼雷保持在气穴之内。研究人员还考虑，通过同时在两个平面内移动或转动头部空泡发生器来实现偏航和俯仰机动，以及利用鸭式翼进行控制。如果控制面能够正确的协调，超空泡航行器就可能是高度灵巧的。 当超空泡系统在低密度气泡内进行无支援运行时，后部常常撞击气穴内墙，而从正常的水下航行过渡到超空泡状态和再返回成原态，可以通过对部分气穴进行人工通气来实现，通过改变速度来保持和扩大气穴。将气体注入气泡使之扩大并保持运动状态，然后慢慢地减小其尺度以降低其速度，从而可以很容易地实现水下武器控制。 先进的推进系统大多数现有的和预期的自主式超空泡航行器还必须依靠火箭发动机产生所需的推力。但是常规火箭必然伴生某些严重的缺陷：航程有限和当深度增加时推力随着压力的增加而下降。前者应以一种高能量密度动力装置技术来解决；后者可利用专门的超空泡推进螺旋桨技术来加以防止。 达到超空泡速度需要很大的能量，为实现火箭的最大航程必须燃烧有最大比推力的高密度燃料。在对多种动力装置进行比较之后，俄罗斯专家的结论是：“ 只有燃烧金属燃料（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，才是推进超空泡航行器实现最高速度的最佳途径。据悉，宾夕法尼亚大学应用研究实验室正在运行一种燃烧铝的“水冲压” 系统，它是海军水面舰艇的一种辅助动力装置。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％。今天，人们已经明了，关键技术一旦取得突破，海战模式势必大改观。