美製定“水下快車”計劃 開發超高速潛艇

美製定“水下快車”計劃 開發超高速潛艇


為了研發速度為100海裏每小時的超空泡潛艇，美國國防部與諾思勞普和通用動力兩家公司合作。國防部研究人員希望給海軍海陸空三棲部隊（海豹突擊隊）配備時速達100海裏而且不會像海豹突擊隊現役的Mark V水麵艦艇(特別行動快艇)那樣產生顛簸的潛艇，以便將來麵對危急任務時能夠快速到達敵方海岸而不被發現。國防部高級研究計劃局(DARPA)製定了一項大膽計劃，可能實現那個目標。該計劃被稱為“水下快車”，旨在使水下航行器克服水的巨大阻力達到普通水麵艦艇不能達到的速度。

這些對未來的期望以超空化為基礎。超空化依賴於水下航行器衝開水體時在其周圍形成的氣泡。這些氣泡能夠隔開水體，從而減少60-70%的摩擦力。“超空化”技術幾十年前就出現了，但是過去僅僅應用於直徑隻有幾寸的武器上，比如說魚雷。在80年代，前蘇聯開發出了被稱為“暴風雪”的魚雷，據說速度可以達到200海裏每小時。但是， DARPA的“水下快車”計劃的目標是把“超空化”技術應用在直徑為8英尺、重量為60噸的水下航行器上麵。DARPA在其提案中指出：“該計劃的目的是確定‘超空化’技術能否應用於新型號的高速水下航行器，以在將來完成運輸貴重物資和/或少量人員的近海任務。”該實驗性計劃必須以大量可信的實例證明速度達到100海裏每小時的超空泡水下航行器的可控性。

為了這個目標，DARPA於去年11月與通用動力公司電船分公司簽訂價值為570萬美元的研發合同，與諾斯羅普-格魯門電子係統部簽訂價值為540萬美元的研發合同。關於DARPA追求的這個技術飛躍，諾斯羅普負責該計劃的業務開發主管Gene Cumm這樣說：“超空化對於水下航行器如同噴氣發動機對於螺槳式飛機。”上述兩份合同的資金用於前13個月開發。加上可能後續的為期15個月的兩個開發階段，總合同價值將達到4580萬美元。在DARPA交給待選承包商的說明中指出，第2階段可能隻由一個承包商進行開發。

據DARPAD的提案，第1階段的重點是“ 測驗‘超空化’物理現象和空泡/航行器相互作用以獲得穩定持續的空泡”。承包商將給出直徑為8英尺的超高速水下航行器的係統概念，“以便設計出適當的成比例模型”用於最後的測試和演示。另外，對能夠適應任何航行條件的控製係統的設計要有一個初步概念。概念一經確定，就開始實施第2階段。第2階段的重點是“繼續測驗‘超空化’物理現象和空泡/航行器相互作用並開發航行器控製方法，以獲得穩定的動力”。用“水下快車”運輸小負荷的貴重物資或人員與設備無疑是非常昂貴的。按照目前的規定，DARPA不會提供任何專家解釋這項計劃的出發點或潛在軍事目的。

然而，DARPA的發言人Jan Walker在一份書麵報告中指出：超高速水下航行器的軍事優勢還未開發到最大程度，尚有重大的操作性技術需要突破。目前小型高速水麵艦艇具有局限性，遇到海浪時性能會大打折扣並容易曝露，而目前的水下艦艇又非常慢。已經領導海軍研究所進行超空化研究達9年的Kamm Ng透漏了更多信息。他在接受訪問時說：“其中一個用途將是取代海豹突擊隊現役的Mark V水麵艦艇”。Mark V 是一種82英尺的鋁質單體水麵艦艇。它有上下顛簸的缺陷，高速行駛時會給艇員和海豹突擊隊隊員造成巨大的物理壓力。他補充說：“另外，它的速度非常低，隻能達到40海裏每小時”。他還透漏，“水下快車”計劃可以讓海豹突擊隊以兩倍於以前的速度到達目標處。這樣將來物資運輸就由海豹突擊隊負責了。

在60年代，為了與前蘇聯的“暴風雪”魚雷抗衡，美國海軍開始研究高速水下航行器，但後來他們認為低音比高速更為重要，最終放棄了這方麵的研究。1997年，海軍研究所以此為基礎，重新開始研究“超空化”技術。海軍研究所最近的新研究已經是以武器為導向了，並幫助開發了使用超空泡射彈摧毀淺水雷的係統。去年，DARPA要求海軍研究所提供其“超空化”技術研究成果，以快速起動DARPA的高速水下運輸計劃。但是在水下運輸航行器上應用“超空化”技術仍麵臨著巨大的挑戰，這些挑戰在武器研發曆史上從未遇到過。例如，驅動直徑隻有12英寸魚雷高速前進與驅動直徑達8英尺的物體高速前進（100海裏每小時）之間需要的巨大突破。有兩種方法可以使水下航行器的周圍產生超空泡。一、利用一個高速行駛鈍頭物體的首波把水體衝離航行器；二、在航行器前麵噴射空氣或其他氣體。

通用動力公司電船分公司的有效載荷&傳感器&戰略係統部負責人Franz Edson說，前蘇聯用火箭推進“暴風雪”魚雷，但是火箭推進不適用於載人航行器，因為載人航行器必須慢起動，然後逐漸加速到一定速度，維持這個速度一段時間後可能又要減速。承包商們不會公開討論他們各自應對這種推進難題的方法，原因很明顯，他們之間是競爭關係。但是Kamm Ng說，一旦人工製造出超空泡，由類似熱機的裝置驅動的噴水式推進器就可以推動上述的大型水下航行器以100海裏每小時的速度行進。有專家指出，更大的挑戰是被超空泡包圍的水下航行器以100海裏每小時的速度行駛時的障礙物檢測和控製，因為此時聲納或其他水下傳感裝置都無法工作。承包商們表示，在DARPA合同的起步階段，隻要求他們提高DARPA預想大小的航行器的速度到100海裏每小時。傳感和控製問題在後續階段解決。

按照Kamm Ng的說法，要想航行器高速行駛時能夠避開障礙物和得到有效控製，將需要一個控製行進和監控航道前方水體的母艦。這意味著航行器與母艦的連接裝置要具有確定深度、檢測障礙物和引導航行器的功能。DARPA的提案要求，在水下快車演示中航行器的潛水深度應在20英尺，不能超過100英尺，並且在以100海裏每小時的速度行駛時不可以產生任何可察覺的“水麵跡象”。各承包方的領導都表示自己公司的技術能夠應對該計劃麵臨的巨大挑戰。前海軍潛艇指揮官、電船分公司負責業務開發的副董事長John B. Padgett指出，電船分公司長期致力於製造海軍潛艇和水下作戰係統。他還表示，電船分公司擁有很多專家，包括其合同項目首席工程師Jennifer Panosky。在過去幾十年裏，他一直在從事“超空化”技術研究。電船分公司擁有的團隊可以和任何其他團隊媲美。

諾斯羅普的項目經理Larry Lieberrnan表示說，諾斯羅普公司多年來一直在研究“超空化”技術，並且生產出了很多水下航行器，包括遙控獵雷裝置。諾斯羅普還為海豹突擊隊生產出了65英尺的小型潛艇，大小與“水下快車”計劃要開發的運輸工具相似。但是由於多年未解決的技術問題和不斷攀升的成本，此項目後來被放棄了。 兩個承包商的“水下快車”團隊都擁有來自賓州州立大學應用物理實驗室的專家。此實驗室為海軍研究所研究“超空化”技術已達10年之久。此實驗室沒有就其卷入“水下快車”計劃做任何評論。但據Panosky透漏，此實驗室已將其為承包商服務的專家隔離。

相關資料：超空泡現象

超空泡（supercavitation）是一種物理現象。當物體在水中的運動速度超過 100節時，後部就會形成奇異的水蒸氣泡，從而產生“超空泡”流體———機械效應。 液體繞物體快速運動時壓力會下降，而隨著速度的增加，當液體壓力等於水蒸氣壓力時，液體便由水相變為氣相，形成水蒸氣。空泡會使水流發生畸變，從而損失水泵、渦輪水翼和推進器的使用效率，還可能導致強衝擊波的出現，並引起金屬表麵的腐蝕。艦船設計師經常要與製造麻煩的空泡打交道，試圖避免出現空泡現象，如將船體設計成流線型等。

物體在水中運動時，還需要克服與水的摩擦力所造成的黏性阻力，這種阻力大約是空氣阻力的1000倍。科學家們為改進設計絞盡了腦汁，誰知最後卻驚喜地發現，一個有效的辦法竟然是可以利用討厭的空泡，形成一種可更新的氣體包絡，使流體對物體表麵的浸濕麵積最少，從而大大降低黏性阻力，這種低密度氣泡就是超空泡。超空泡是空泡的一種極端形式，當物體在水中的運動速度超過50米／秒時，鈍頭航行器或安裝在頭部的氣體注入係統就可能產生低密度氣穴。空泡長度與物體的運動速度有關，物體能夠在自己產生的長氣泡內部，以最小的阻力飛速前進。