超空泡减阻技术简介详解

超空泡技术概述
当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近 的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部 表面的超空泡。形成超空泡之后，航行体将在气体中航 行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻 力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体 的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体 的速度提高到100M/S的量级，使水下射弹等小尺度水下 航行体的航速提高到1000M/S的量级
现有的减阻技术
• 脊装表面减阻 起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在研究对象外表 面加工具有一定形状尺寸的脊状结构，就能达到很好的减阻效 果。根据脊状结构的分布规律与流体流速方向的不同，该减阻 方法又可分为随性波表面减阻和沟槽表面减阻。 • 微气泡减阻 微气泡减阻是通过某种方式在壁面形成一层薄的微气泡与流体 的混合层，改变边界层的内部结构，亦即改变近壁区流体流动 的运动学和动力学特性，达到降低摩擦阻力的目的。 • 复合材料减阻 当流体流经疏水表面时产生了壁面滑移，使得边界面上的速度 梯度减小，从而减小了边界上的剪切力；由于边界面上的速度 梯度减小，推迟了层流附着面流态的转变，使得附着面的层流 流态更加稳定，也使得层流边界层的厚度增加；同时疏水表面 微凸柱间的流体剖面形状证实了确实存在无剪切空气-水面。
俄罗斯暴风鱼雷
超空泡减阻发展现状——美国
美国从20世纪50年代开始高速推进器和水翼方面的 超空泡研究，目前主要致力于发展超空泡高速射弹 和超空泡鱼雷两类超空泡武器，其中机载快速灭雷 系统（ RAMICS ）已于 1995 年研制成功，该系统使 用 20MM 的超空泡射弹，可穿透水下 15M 处的水雷。
• 前不久，美国朱丽叶舰船系统公司正式公开了之前被美 海军专利局保密管理的“幽灵”号舰船，并发布了“幽 灵”号的照片，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。 • 朱丽叶舰船系统公司的设计者表示，该艇采用超空泡技 术，可在水面上高速航行——最高速可达97千米/小时， 具备雷达波隐身性能，并可携载鱼雷。美国高调公布 “幽灵”号，使利用超空泡技术制造的武器再度引起人 们的关注。
超空泡发展过程
当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流 体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临 界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就 会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。 随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行 体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。其 发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、 云状空泡、片状空泡和超空泡。
超空泡减阻技术
水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原 理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对 抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。目前， 俄罗斯 ( 乌克兰 ) 在超空泡领域的研究处于世界领先地位，但 是直到2000年8月俄罗斯最先进的奥斯卡Ⅱ级库尔斯克号核 潜艇在演习时发生神秘爆炸，人们才真正了解到俄罗斯正在 研制的超空泡技术目前达到的水平。
自然超空泡形态特性
弹体入水时速度最大，空泡数最小，超空泡稍微滞后达 到最大尺寸；随着速度逐渐降低，空泡数逐渐增大，超 空泡的尺寸逐渐减小；当弹体速度降低到较小值时，超 空泡的边界逐渐模糊、蜕化为局部空泡；速度继续降低， 则空泡进一步剥离溃灭气泡融入尾流，直至消失。
通气超空泡形态特性
通气开始时在空化器后形成一个有大量气泡组成的游移型空泡，当通 气量足够大以至气泡密度达到某一临界值时，游移型空泡转变为椭球 形的附着空泡，在附着空泡内部可以看到剧烈的回注射流向前发展并 与通入的气体相互作用形成雾状多相流区域，使得附着空泡看上去比 较混浊。继续增加通气量使得通气空泡数降低到某一阀值后，空泡长 度和厚度突然明显增加，由混浊的局部空泡转变为覆盖模型大部分表 面的透明的超空泡。
超空泡技术应用
• 鱼雷
• 炮弹
• 舰艇
• 潜艇
“暴风”号超高速鱼雷
• 第一代“暴风”鱼雷的优缺点同样明显，其优点是高速、强打 击能力和抗干扰能力；而缺点则是射程短（10公里），只能作 直线航行，目标搜寻能力有限，打击敌人的同时，自身潜艇也 难以逃脱敌舰的报复。因此第一代“暴风”鱼雷不久就退出了 现役。但苏军及其后的俄军一直没有放弃对这种鱼雷的技术改 进，改进后的“暴风”鱼雷长8.29M，质量2697KG，头部装有空 化器和战斗部，靠火箭动力推进，水下行进速度达到230节，比 西方国家最先进鱼雷的速度要快几倍。 • 据报道，俄正在研制配有声纳制导，可以60节速度搜索目标， 当发现目标后，以300节高速攻击目标的专用重型超高速鱼雷及 速度可达500节的新型超高速鱼雷，这就是第二代“暴风”鱼雷。 传言其速度可达720 KM/H以上，射程进一步扩大，达100KM以上， 而且是可以制导的，在加速攻击之前，如果需要可以减速和重 新选择攻击。
水翼表面产生的空泡形态
导弹表面产生的空泡形态
超空泡形态特性
超空泡形成方法
超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种， 形成超空泡一般有三种途径：
1）提高航行体的速度； 2）降低流场压力； 3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加 空泡内部压力。前两种方法形成的为自然超 空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通 气超空泡。
超空泡减阻技术简介
• 收集资料：钟业
• PPT制作：周友伟 • 展示：朱联栋
ຫໍສະໝຸດ Baidu
周文韵
超空泡现象
• 超空泡是一种物理现象，当物体在水中的运动速度超过185千米/ 小时后，其尾部就会形成奇异的大型水蒸气沟，将物体与水接触 的部分包住，物体接触的介质就由水变成了水蒸气，由于空气密 度只有水的1/800，因而就能大幅减少物体所受阻力，物体表面会 形成大型空气泡，这就是“超空泡化现象”。
自然超空泡与通气超空泡区别
需要指出的是虽然通气空泡由超空泡、附着空泡到游移空泡的溃灭 过程与生成过程类似，但是两者并非可逆的，溃灭过程与生成过 程相比存在滞后效应。如上所述，当局部空泡转变为超空泡时存 在某一临界空泡数，与之相对应存在某一临界通气量。所谓滞后 效应是指生成过程中形成超空泡所需的临界通气量大于溃灭过程 中超空泡消失时的临界通气量。滞后效应的形成原因可能与通气 超空泡产生的自激振有关。