目前速度最快的人造设备是什么?人们自然而然会想到火箭或者是飞到外太空的探测器。
实际在地球上,还有一种人造设备的时速也很快,每小时甚至能达到6000公里。至少在理论上,科学家相信能达到这样的时速。
更让人难以置信的是,这样的高速度,还可以在水下办到。究竟是信口雌黄还是真的可以,咱们接着往下看。
人们的认知里,水下的阻力比在空气中的阻力还要大,让时速接近6000公里,听上去是天方夜谭。但根据2016年的公开报道,确实有科研人员在进行研究,而且该技术还是运用在潜艇上的。
根据英国媒体的报道,我国正在这一领域进行研究,媒体形容这是“神话般的项目”。
因为潜艇一旦进入水下,行进中和水产生摩擦力,这一强大的阻力很难让潜艇的速度提很高。解决这项难题,运用到了一项名为超空泡的技术。
潜艇在水下行进时,全身会被包裹在一个巨大的气泡中,这样就能很好解决水流引起的阻力问题。理论上,超空泡潜艇能够以超音速的速度在水下航行,最慢的时速也将达到5800公里。以这样的速度行驶,潜艇两个小时就能横穿太平洋,一个小时就能洞穿大西洋。
(美国利用超空泡技术研发的高速水面舰艇)
除了高速外,无论是我国还是美国,在该领域的研究都是全方位的。潜艇的减震降噪、武器系统、转向系统等各个方面都要重新研制。
所以一旦超空泡潜艇真的从理论走入现实,就意味着潜艇开启了全面的更新换代。外界认为,我国和美国在这一领域的研发是竞争性的,一旦获得这套最先进的水下技术,代差优势就会碾压其他武器。
虽然听上去很厉害,但在实际的研究中还存在很多问题需要一一解决。
要让潜艇在水下高速行驶,需要在它的周围形成空泡,通常是在潜艇的前方注入空气,而后气泡形成会扩散到整个潜艇周围。
可气泡虽然能形成,但它却会不稳定收缩,这种现象被称为脉动模式。一旦收缩不能完全覆盖住潜艇,速度就会由高转低,进而将会增加航行的不稳定性。
为了解决这一问题,科研人员此前已进行了多种试验,结果如何后来并没有公开的消息。除此之外,理论上的超空泡可以减小阻力让速度提高,但潜艇本身也得具备高效的推进系统才行。
目前,这一领域的研究如何外界还不得而知。不过在推进武器领域,超空泡技术其实已经在应用了。
2015年,伊朗曾展示过一款超空泡鱼雷,发射出去后最大时速可达370公里,这比一架直升机的速度还要快。
这并非伊朗的首创,苏联时期的“暴风雪”鱼雷就运用了超空泡技术。相比于传统鱼雷,超空泡鱼雷的速度快了3到4倍,相比一般的水上舰艇,速度更是高出了7倍。
实战中,在没有制导系统的帮助下,超空泡鱼雷可以在3分钟左右击中目标。据说,弹头里哪怕不装炸药,光是高速都能在各种舰艇的外壳撞出一个大洞来。
苏联在该领域的研究最早,当年超空泡鱼雷问世后,美国的潜艇碰到苏联潜艇都是绕行,就是忌惮超空泡鱼雷的威慑力。
听上去也相当厉害,不过超空泡鱼雷也有明显的缺点。
首先,利用了该技术的鱼雷,射程就会大大缩短。常规鱼雷的射程可以达到20到30公里,但超空泡鱼雷的射程最大还不到15公里。
射程太短,限制了发射平台潜艇的机动力。因为不能远距离攻击,要尽可能靠近目标才能发射,对方很容易就能发现自己,从而失去了隐蔽性和突然性。
此外,由于速度太快,鱼雷本身不能使用制导系统,如此一来鱼雷不会在水下拐弯,只能单纯的直射进行攻击。这不一定能命中目标,只要移动目标稍稍偏离位置,速度再快鱼雷也会跟目标擦肩而过。
再者,超空泡技术一旦使用,发射后的鱼雷就是大张旗鼓进攻的,没有丝毫隐蔽性可言。
原来在发射之后,鱼雷的尾部会出现拖拽的白色气泡,如此明显的海水变化,不要说对方能发现鱼雷,就是发射鱼雷的潜艇的位置也很容易暴露。
也难怪有人调侃说,超空泡鱼雷,适合像小日子这样喜欢自杀式攻击的国家。它速度够快,对方来不及躲避就可能被击中。可与此同时,对方在被击中之时,也能发射武器对潜艇进行反制,最终两方同归于尽。
最后,超空泡鱼雷在使用的过程中,鱼雷周围的气泡要面临很大的压强,但气泡本身同样会出现不稳定的脉动模式。
一旦气泡破裂的话,强大的压力也会给鱼雷带来破坏,很可能还没有接近目标,鱼雷因为突然出现的压强变化就自爆了。
正因为上述几项明显的缺点,使得超空泡鱼雷虽然被投入应用了,可还从没有进行过实战。这就意味着,研究领域以及概念上的优势,到实际层面并不一定会体现出来。
那么围绕超空泡技术,科学家在研发中间经历了怎样的历程变化呢?
超空泡,又叫超空蚀效应,它是在水下利用空穴效应,制造出来的气泡膜。它能够阻隔被包裹物和水的直接接触,所以在水下就能以超高速度行驶。
常规物体在水下移动,其阻力是空气阻力的850倍,正因为如此,所有水下武器像鱼雷,它们的速度很难超过每秒35米。
使用超空泡技术后,这一阻力就能减少90%以上,如果再配合使用更高速的推进系统,物体在水下的速度就能以高速状态行驶了。
在具体的应用上,超空泡技术分为自然超空泡和通气超空泡两种类型。
自然超空泡形成,靠的是水下行驶物体自身的速度或者是环境压强的变化。比如鱼雷,只要提高其速度,或者是降低鱼雷周围的压强,自然超空泡就能形成。
通气超空泡,则需要人为操作才能形成。利用人工的通气,增加空泡内的压强,内外压力发生变化后就会形成超空泡。
以俄罗斯此前研发的超空泡鱼雷为例,其超空泡装置主要有五部分构成。
在鱼雷的最前端有一个空化器,该装置内部安装有传感器,通过监测鱼雷外部的压力变化,空化器能诱导生成空泡。
同时,它还可以提供升力和姿态控制,影响和改变鱼雷行进过程中的阻力。海水还可以通过空化器上的孔道进入鱼雷结构的内部。
在空化器的后方是通气管口,这一装置主要是让形成的空泡拉伸扩大的,当空泡变得足够大,才能将整个鱼雷给包裹起来。
通气管口的旁边又是导引系统,该装置上安装有微型传感器,它可以辅助鱼雷进行信号处理、波形优化、收发声纳信号。
在鱼雷的中间部位,则是推进和通气系统。这个装置采用了水反应推进系统,可以对鱼雷进行推力矢量控制。装置上的喷嘴也能喷射气体,进而提高空泡的稳定性。
鱼雷尾部还有控制尾翼,它的绝大部分表面穿过了空泡表面,能够提供鱼雷尾部的升力,也可以控制鱼雷的姿态和滚转等等。此外,尾部还有海水入口以及制导导线的连接出口。
上述几种主要部件,构成了超空泡装置的全部。
莫斯科大学的主要试验设备是大型高速水洞,乌克兰方面则拥有多个大型超空泡试验设备。这些设备都建设于上世纪80年代以前。苏联时期的研究,在理论和试验上,将水下的行驶速度提升到了每秒30到140米。
美国方面,超空泡技术的研究起始于上世纪50年代。主要研究的领域是高速推进器和水翼,到21世纪初,又开始研究超空泡高速射弹和超空泡鱼雷。
我国在超空泡领域的研究开始于上世纪60年代,前期主要进行空化和空蚀问题的研究,水翼、螺旋桨等水下物体的空化噪声和空蚀是主要研究方向。
从上世纪80年代开始,研究逐步聚焦空泡的稳定性和升力、阻力特性、对水下兵器的水动力特性影响等问题。
此外,德国方面在二战期间就进行超空泡研究了。彼时主要进行超空泡射弹和超空泡火箭武器研究。上世纪70年代后,德国继续在该领域进行研究,并开发出了超空泡固体火箭发动机等。与此同时,德国在超空泡火箭的制导、控制和发射方面也有深入研究。
就目前的情况看,像鱼雷这样的推进武器,已经能够应用超空泡技术。理论层面,未来的潜艇乃至于车辆和飞机等,也能使用超空泡技术。
不过,由于涉及到了多领域的复杂技术,关键性的突破目前应该还没有出现。比如运行过程中的稳定性,机动控制和导航,适用于水下的高性能推进系统等,都还需要一一去攻克。
超空泡的本质就是减小阻力提升速度,只有解决了一系列配套问题,超空泡武器才能取得实质性进展。