美制定“水下快车”计划 开发超高速潜艇

美制定“水下快车”计划 开发超高速潜艇


为了研发速度为100海里每小时的超空泡潜艇，美国国防部与诺思劳普和通用动力两家公司合作。国防部研究人员希望给海军海陆空三栖部队（海豹突击队）配备时速达100海里而且不会像海豹突击队现役的Mark V水面舰艇(特别行动快艇)那样产生颠簸的潜艇，以便将来面对危急任务时能够快速到达敌方海岸而不被发现。国防部高级研究计划局(DARPA)制定了一项大胆计划，可能实现那个目标。该计划被称为“水下快车”，旨在使水下航行器克服水的巨大阻力达到普通水面舰艇不能达到的速度。

这些对未来的期望以超空化为基础。超空化依赖于水下航行器冲开水体时在其周围形成的气泡。这些气泡能够隔开水体，从而减少60-70%的摩擦力。“超空化”技术几十年前就出现了，但是过去仅仅应用于直径只有几寸的武器上，比如说鱼雷。在80年代，前苏联开发出了被称为“暴风雪”的鱼雷，据说速度可以达到200海里每小时。但是， DARPA的“水下快车”计划的目标是把“超空化”技术应用在直径为8英尺、重量为60吨的水下航行器上面。DARPA在其提案中指出：“该计划的目的是确定‘超空化’技术能否应用于新型号的高速水下航行器，以在将来完成运输贵重物资和/或少量人员的近海任务。”该实验性计划必须以大量可信的实例证明速度达到100海里每小时的超空泡水下航行器的可控性。

为了这个目标，DARPA于去年11月与通用动力公司电船分公司签订价值为570万美元的研发合同，与诺斯罗普-格鲁门电子系统部签订价值为540万美元的研发合同。关于DARPA追求的这个技术飞跃，诺斯罗普负责该计划的业务开发主管Gene Cumm这样说：“超空化对于水下航行器如同喷气发动机对于螺桨式飞机。”上述两份合同的资金用于前13个月开发。加上可能后续的为期15个月的两个开发阶段，总合同价值将达到4580万美元。在DARPA交给待选承包商的说明中指出，第2阶段可能只由一个承包商进行开发。

据DARPAD的提案，第1阶段的重点是“ 测验‘超空化’物理现象和空泡/航行器相互作用以获得稳定持续的空泡”。承包商将给出直径为8英尺的超高速水下航行器的系统概念，“以便设计出适当的成比例模型”用于最后的测试和演示。另外，对能够适应任何航行条件的控制系统的设计要有一个初步概念。概念一经确定，就开始实施第2阶段。第2阶段的重点是“继续测验‘超空化’物理现象和空泡/航行器相互作用并开发航行器控制方法，以获得稳定的动力”。用“水下快车”运输小负荷的贵重物资或人员与设备无疑是非常昂贵的。按照目前的规定，DARPA不会提供任何专家解释这项计划的出发点或潜在军事目的。

然而，DARPA的发言人Jan Walker在一份书面报告中指出：超高速水下航行器的军事优势还未开发到最大程度，尚有重大的操作性技术需要突破。目前小型高速水面舰艇具有局限性，遇到海浪时性能会大打折扣并容易曝露，而目前的水下舰艇又非常慢。已经领导海军研究所进行超空化研究达9年的Kamm Ng透漏了更多信息。他在接受访问时说：“其中一个用途将是取代海豹突击队现役的Mark V水面舰艇”。Mark V 是一种82英尺的铝质单体水面舰艇。它有上下颠簸的缺陷，高速行驶时会给艇员和海豹突击队队员造成巨大的物理压力。他补充说：“另外，它的速度非常低，只能达到40海里每小时”。他还透漏，“水下快车”计划可以让海豹突击队以两倍于以前的速度到达目标处。这样将来物资运输就由海豹突击队负责了。

在60年代，为了与前苏联的“暴风雪”鱼雷抗衡，美国海军开始研究高速水下航行器，但后来他们认为低音比高速更为重要，最终放弃了这方面的研究。1997年，海军研究所以此为基础，重新开始研究“超空化”技术。海军研究所最近的新研究已经是以武器为导向了，并帮助开发了使用超空泡射弹摧毁浅水雷的系统。去年，DARPA要求海军研究所提供其“超空化”技术研究成果，以快速起动DARPA的高速水下运输计划。但是在水下运输航行器上应用“超空化”技术仍面临着巨大的挑战，这些挑战在武器研发历史上从未遇到过。例如，驱动直径只有12英寸鱼雷高速前进与驱动直径达8英尺的物体高速前进（100海里每小时）之间需要的巨大突破。有两种方法可以使水下航行器的周围产生超空泡。一、利用一个高速行驶钝头物体的首波把水体冲离航行器；二、在航行器前面喷射空气或其他气体。

通用动力公司电船分公司的有效载荷&传感器&战略系统部负责人Franz Edson说，前苏联用火箭推进“暴风雪”鱼雷，但是火箭推进不适用于载人航行器，因为载人航行器必须慢起动，然后逐渐加速到一定速度，维持这个速度一段时间后可能又要减速。承包商们不会公开讨论他们各自应对这种推进难题的方法，原因很明显，他们之间是竞争关系。但是Kamm Ng说，一旦人工制造出超空泡，由类似热机的装置驱动的喷水式推进器就可以推动上述的大型水下航行器以100海里每小时的速度行进。有专家指出，更大的挑战是被超空泡包围的水下航行器以100海里每小时的速度行驶时的障碍物检测和控制，因为此时声纳或其他水下传感装置都无法工作。承包商们表示，在DARPA合同的起步阶段，只要求他们提高DARPA预想大小的航行器的速度到100海里每小时。传感和控制问题在后续阶段解决。

按照Kamm Ng的说法，要想航行器高速行驶时能够避开障碍物和得到有效控制，将需要一个控制行进和监控航道前方水体的母舰。这意味着航行器与母舰的连接装置要具有确定深度、检测障碍物和引导航行器的功能。DARPA的提案要求，在水下快车演示中航行器的潜水深度应在20英尺，不能超过100英尺，并且在以100海里每小时的速度行驶时不可以产生任何可察觉的“水面迹象”。各承包方的领导都表示自己公司的技术能够应对该计划面临的巨大挑战。前海军潜艇指挥官、电船分公司负责业务开发的副董事长John B. Padgett指出，电船分公司长期致力于制造海军潜艇和水下作战系统。他还表示，电船分公司拥有很多专家，包括其合同项目首席工程师Jennifer Panosky。在过去几十年里，他一直在从事“超空化”技术研究。电船分公司拥有的团队可以和任何其他团队媲美。

诺斯罗普的项目经理Larry Lieberrnan表示说，诺斯罗普公司多年来一直在研究“超空化”技术，并且生产出了很多水下航行器，包括遥控猎雷装置。诺斯罗普还为海豹突击队生产出了65英尺的小型潜艇，大小与“水下快车”计划要开发的运输工具相似。但是由于多年未解决的技术问题和不断攀升的成本，此项目后来被放弃了。 两个承包商的“水下快车”团队都拥有来自宾州州立大学应用物理实验室的专家。此实验室为海军研究所研究“超空化”技术已达10年之久。此实验室没有就其卷入“水下快车”计划做任何评论。但据Panosky透漏，此实验室已将其为承包商服务的专家隔离。

相关资料：超空泡现象

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。