“幽灵”号“超空泡”舰船

2011-09-16 08:02 | 新民晚报 舰船风云


美国朱丽叶舰船系统公司8月10日首次对外公布了为美海军研制的“幽灵”号舰船的消息与照片,这是迄今为止世界上第一艘对外公布的采用“超空泡”原理设计的舰船。它的外形有点类似巨型蝙蝠,船体前部由几块驾驶舱玻璃和折板错落有致地组合拼接,船头有一个微翘的“大鸭嘴”,两舷折叠护板斜插搭于海面。
从技术层面上讲,“超空泡”舰船首先需要在船体水下部分形成“空泡”,从而大幅减小水的阻力;其次,由于“超空泡”舰船需要搭载人员,航行时的上下俯仰与转弯时的稳定性和安全性就显得非常重要,需要重点研究解决。
奇特的“超空泡”现象
说来挺有意思,最初水下武器或水下作战平台,如鱼雷、潜艇等,都曾遇到过“空泡”问题,且均产生过负面效应。
随着这些水下物体在水中运动速度的加快,其上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。但是,随着速度进一步提高,当水中航行物的运动速度超过50米/秒时,航行物体表面就会出现“超空泡”现象,即在其后部形成水蒸气泡。
海水密度约是空气的900倍,海水阻力也比空气阻力大900倍,而在“超空泡”中航行的物体所受阻力只有水中的九百分之一。如果利用一定的技术手段使“气泡”把整个航行物包裹起来,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,从而最大限度地避免水的黏性阻力,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,而且不会因气泡爆裂而对水下物体表面产生冲击。
美国海军曾经为舰艇设计了一种超空泡螺旋桨;这种超空泡螺旋桨的叶片表面完全被汽化的水分子所覆盖,推进效率大大提高,叶片的寿命也大大延长。
海军强国青睐新武器
由于“超空泡”现象发生在水中,各种“超空泡”武器通常由一些海军强国率先研制,目前比较成功的“超空泡”武器项目是鱼雷、炮弹和水下火炮系统。
前苏联海军很早就研制出代号“风雪”的超空泡鱼雷,并于1997年装备部队。该型鱼雷长8.23米,重2.697吨。鱼雷头部安装有空泡发生器(圆形或椭圆形盘状),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,它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”。它的最大航速达到370千米/小时(约200节)。这种鱼雷的尾部装有1个制导导线线轴,当鱼雷发射入水运行时导线释出,通过该导线可以控制鱼雷的运动轨迹或进行引爆。
美国海军在“超空泡”武器研制方面也颇有建树。多年来,美国海军始终致力于研发一种与俄罗斯“风雪”鱼雷相似,且最大速度达200节的鱼雷,但由于在动力、流体力学、声学、控制等方面的技术难题一直没能克服,进展一直不大。反而是由直升机装设的“超空泡”炮弹已接近实战应用阶段。这是一种由改型速射炮发射的平头炮弹,能在两种介质(空气和水)中平稳运行,具有先进的目标定位能力,可打击水面和水中的水雷。
此外,美国海军还在研制一种可装设在水面舰艇甲板上的“近程武器系统”,用来打击敌方发射的尾波自导鱼雷。下一步,美国海军还将研制可安装在潜艇或水下拖曳船内的“全水下火炮系统”。这种水下火炮系统内有流线形炮塔,通过声纳搜索目标,自动完成目标锁定后,可以发射水下高速“超空泡”炮弹。
“超空泡”武器难题多
事实上,眼下“超空泡”武器需要克服的技术难点还有很多:
首先,要使水中航行物达到“超空泡”速度,必须具有很大的动能。
“超空泡”航行器主要依靠火箭发动机来产生推力,而要使航行器的速度和航程达到规定要求,就必须使用高能量密度的燃料。通过对多种动力装置进行比较试验,俄海军专家认为:只有燃烧铝、锰或锂等金属燃料,并使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,才能使“超空泡”航行器实现最高速度。但是,这种设计方案也有很明显的缺陷:
第一,受燃料容量限制,航程非常有限;第二,深度增加时,推力会随着水压的增加而下降。前者可通过提高燃料的能量密度来解决;后者则需要设计专门的“超空泡”推进螺旋桨来减小水压变化的影响。
其次,要对高速航行的“超空泡”航行器进行灵活有效的控制。
目前俄罗斯“风雪”鱼雷基本只能直线航行,但未来的“超空泡”航行器应能做到在水中机动航行。如今,有些国家正试图利用穿过“空泡”的尾翼等舵面或改变火箭发动机的喷嘴方向来控制航行方向;也有些国家正在研究通过转动航行器头部的“空泡发生器”来实现偏航和俯仰机动,或者利用鸭式翼来进行控制等问题。
总的来说,要想使“超空泡”航行器具备高度灵活的转向控制能力,还需要进行大量研究。
第三,由于水面舰艇一部分在水中运行,另一部分在空气中运行,要让水面舰艇具备“超空泡”航行能力,就需要解决两种介质(空气和水)相互干扰的问题。要想使舰艇在两种介质中运动时,始终能够做到高速、平稳,其中的难度相当大。
此外,目前的相关研究和试验,只是在鱼雷和小艇等小型航行物上进行,如何能使“超空泡”长时间、全尺寸地包罩住大型舰艇,将是另一个有待攻克的难题。
END

关键词: 幽灵


国际船舶网微信公众号