本期特別關注

　　近日，外媒一篇有關超空泡潛航器的報道引起了軍事愛好者的普遍關注。為了適應未來海戰的需要，各軍事強國都在極力發展能夠主宰海上戰場的先進武器。在這種背景下，超空泡技術受到了世界主要軍事大國的高度重視，他們投入大量的精力和資金將超空泡技術應用於武器系統。請看科技日報特約專稿——

　　超空泡技術是提高海洋軍事實力，尤其是提高攻擊航母編隊能力的關鍵技術。美國國防部已將超空泡高速武器列入需要在全世界範圍內密切關注的24項重大武器技術之一，俄羅斯、德國也始終在進行超空泡導彈的研製與改進。許多專家預測，一旦超空泡武器的一些關鍵技術得以解決，未來海上作戰模式將大大改變。

　　溯源：水下航行器減阻增速

　　常言道：“兵貴神速”，航速在很大程度上影響著海戰裝備的作戰性能。由於水的密度遠遠高於空氣密度，使得海戰裝備在水中的阻力數百倍于其在空氣中的阻力，航行速度只有空中飛行器速度的十分之一。而且由於推進一個水下物體所需的能量與航速的立方成正比，即要使航速提高一倍，推進系統必須提供8倍的能量，因此想通過常規的方法使航速明顯提高顯然有些無力。

　　為有效降低水下航行器的阻力，世界各國採用了各種技術方法，包括在物體表面佈置纖維分子，在物體表面涂覆粘彈性材料，通過多孔表面擴散氣體，向物體與水之間的邊界層注入氣泡等等，其中，超空泡技術受到了世界各國的廣泛關注。

　　超空泡是物體在水下高速運動時産生的一種物理現象，當物體在水下運動時，隨著物體速度的增加，液體內部局部壓力不斷降低，如果物體速度增大到某一點，液體內部局部壓力就低於飽和蒸汽壓，此時，液體或固體與液體的交界面上會形成蒸汽或氣體的氣泡，這一過程叫做空化，形成的氣泡就是空泡。一定條件下形成的完全或幾乎完全包圍運動物體的空泡就是超空泡。超空泡形成後，運動物體完全或幾乎完全被空泡包圍，這樣，運動物體接觸的介質就由水變成空氣，物體類似于在空氣中運動，利用超空泡技術可以使水下物體的阻力減少90%以上。

　　二戰期間，德國最早進行超空泡及其應用於水下武器的理論與試驗研究，隨著二戰結束，相關研究暫告停止。前蘇聯的烏克蘭流體力學研究所于1960年就開始研製超空泡武器，于20世紀70年代中期研製成功“暴風”魚雷，並於1997年裝備部隊，速度可達100米/秒，是傳統魚雷速度的3—5倍。德國在上世紀70年代立項研究SMG3型超空泡射彈式水雷，上世紀80年代提出了改型超空泡射彈水雷項目。20世紀90年代，在美國國防部高級研究計劃局和海軍研究署的支援下，美國海軍水下戰中心開發了兩種用途的超空泡技術，一種是高速水下彈藥系統，另一種是大型水下超空泡航行體。

　　從超空泡武器的技術優勢和未來海上作戰需求兩個方面來看，超空泡技術必將會用於完成海軍的大量任務。如載有水下機槍的小型近程水下航行器，彼此利用高速“水下子彈”在水中進行射擊；遠端多級超空泡導彈可使導彈防禦系統失效，在水下快速航行數十海裏接近目標，天基和空基防禦手段都難以有效應對；高速反魚雷超空泡魚雷的良好性能將能夠完成反魚雷平臺的防禦任務；稍作改動的輕型超空泡武器能夠增強機載平臺對付水下目標的能力，該武器可在較遠的防區外發射；超空泡武器在未來還可以與水下無人航行器這樣的遠端長續航能力的隱形平臺一起使用，在高風險區執行任務。

　　現狀：運載工具與攻擊武器並重

　　超空泡技術不斷發展，世界軍事強國的科研人員紛紛將其作為研發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、超空泡彈藥、超空泡導彈、超空泡鑽地彈等為代表的一系列“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艦船，即通過利用氣泡覆蓋艦船的整個船體表面，使船體不直接與水接觸，進而減少水的阻力，提高艦船航速。2011年8月10日，美國朱麗葉艦船系統公司公佈世界上第一艘採用超空泡原理設計的艦船——“幽靈”號。“幽靈”號艦船的發動機由兩個裝載在浮筒中的T53-L-703渦軸發動機組成，驅動位於船體前部吊艙中的旋轉螺旋槳，使螺旋槳産生“超空泡”效應，最高航速可達50節。其具備雷達隱身性能，可攜載魚雷，並且具有全電腦控制功能可不需要任何船員執行操作任務。

　　超空泡水下航行器

　　美國國防高級研究計劃局提出超空泡“水下快車”計劃，研製一種直徑2.43米、品質60噸，能夠下潛到6米深度，以100公里/小時的速度持續航行的超空泡水下運輸艇，用於運送高價值物資和作戰小分隊，通用動力電船公司和諾斯羅普?格魯曼公司共同參與項目研製。通用動力電船公司因在海軍潛艇和水下武器研製方面的悠久歷史，使其過去數十年間一直處於超空泡技術的研究前沿。諾斯羅普·格魯曼公司也在研究超空泡技術，並生産了多種水下航行器。

　　超空泡彈藥

　　超空泡彈藥包括超空泡水下子彈和超空泡炮彈。為進行水下襲擊，美國海軍水下作戰中心研製超空泡水下子彈，其頭部扁平，從水下機槍發射，初速接近常規槍彈在空氣中發射初速。超空泡炮彈是一種平頭炮彈，由改進型速射炮發射，它可以在空氣和水中平穩航行，並且具有先進的目標定位能力，可用於消滅水面的漂浮水雷和近水面的觸髮式水雷。美國海軍正在考慮部署一種裝備于水面艦甲板的RAMICS近程武器系統，用於消滅致命的尾波制導魚雷。超空泡炮彈技術下一步將發展利用自適應高速水下彈藥的全水下火炮系統，為艦艇構築起水下防線。

　　超空泡導彈

　　典型的超空泡導彈包括俄羅斯的“暴風”魚雷、德國的Barracuda導彈和伊朗的“鯨”魚雷等。目前，俄羅斯研製的第二代“暴風”魚雷，具有較強的機動性能，採用發動機推力向量控制，發動機的燃氣回流頭部進行超空泡補氣，其速度可以達到200米/秒，射程可以達到100公里。德國研製Barracuda導彈長2.2米，直徑120毫米，重量50公斤，航速120米/秒，主要用於保護艦船和潛艇免遭魚雷的攻擊。伊朗研製成功的高速魚雷“鯨”，可從水面艦艇上發射，入水後航速可達100米/秒，從該魚雷的外形、速度、發射尾焰和氣泡軌跡來看，採用了超空泡技術。

　　超空泡鑽地彈

　　超空泡技術不僅可在液體介質中使用，也可用在固體介質中。只要物體的運動速度足夠快，它就可以將行進過程中的任何介質，包括水、土壤或是混凝土“推向”兩邊，使其周圍形成空氣泡，從而在“空氣”中“飛行”。據報道，美國海軍水面作戰中心和洛克希德·馬丁公司利用超空泡技術研製出一種高性能鑽地炸彈。這種被譽為“鑽地之王”的炸彈一改傳統鑽地彈的流線形彈頭和厚壁式彈體設計，採用了全新的鈍頭和薄殼技術，其鑽地深度可達到300米，比目前美軍武器庫中最強大的BLU-113型侵徹彈的侵徹能力高出10倍，而且其裝藥量也大幅增多。五角大樓透露，這種全新概念的超空泡鑽地炸彈將主要用於摧毀深層地下掩體，其燃燒型彈頭將燒燬敵方地下武器庫中的生化製劑。

　　突破：氣泡産生、航行控制、推進系統等技術攻關

　　儘管超空泡武器已經取得顯著進展，但是超空泡武器的下一步發展仍需突破包括氣泡産生、航行控制和推進系統等一系列關鍵技術的制約，以進一步拓展超空泡武器的未來應用。

　　只有在超空泡武器周圍形成並保持形態良好的超空泡， 才能實現巨大的減阻效果。下一代超空泡武器需要具有更加靈活的氣泡發生系統，能夠使超空泡武器系統在超空泡狀態和正常狀態轉机換，並能夠通過減少空泡尺寸達到“剎車”或加速目的。

　　超空泡武器因其工作于流體力學和空氣動力學兩種極端不同特性的兩相環境中，因此對於超空泡導彈的航行控制也有著極其嚴格的要求。超空泡武器系統的進一步發展，要求超空泡系統前部配有刺穿空泡壁的翼或“向量推力”系統，如能夠提供超空泡武器機動能力的火箭噴管。然而，由於超空泡武器系統上的壓力確實很大，以至於在機動過程中存在的任何制導錯誤，都將使超空泡武器撞擊氣穴內墻造成徹底毀壞。因此，超空泡武器系統必須具有一個實時的控制系統，以便針對武器撞擊氣穴內墻的情況及時調整超空泡武器的彈道。

　　超空泡武器必須依靠火箭發動機産生所需的推力，但是常規火箭發動機在水中具有兩大嚴重技術缺陷，即航程有限和伴隨深度增加時推力隨壓力的增加而下降。航程有限問題可以通過採用高能量密度動力裝置技術來解決，因此確定具有最大比衝的高密度燃料成為研究關鍵。經研究，使用金屬燃料（鋁、錳或鋰），並利用海水作為氧化劑與燃燒生成物的冷卻劑的高效燃氣輪機或噴氣推進系統，可能是推進超空泡航行器實現最高速度的最佳途徑。推力隨壓力增加而下降問題可利用專門的超空泡推進螺旋槳技術來加以防止。超空泡推進螺旋槳技術試驗表明，與火箭相比較，螺旋槳葉提供的潛在推力要高20％，但只有準確了解螺旋漿與空穴之間如何相互作用，有關推進系統的研究工作才能取得真正的進展。

　　可以預見，隨著世界各國對超空泡技術的不斷認知，未來超空泡技術的應用將會大大改變海上作戰模式。

　　（作者單位：國防科技大學）