超空泡鱼雷

超空泡鱼雷（英文名：Supercavitating torpedo^[1]），是利用减阻技术发展的一类水下超高速武器。超空泡鱼雷实现机动控制的途径包括利用头部空化器的偏转、中后部弹出式滑杆(尾舵)穿出空泡壁面的控制面产生控制力、利用尾部固体火箭发动机的推力矢量产生控制所需的机动力等。^[1]

德国是世界上最早从事水下超空泡技术研究的国家，早在二战期间，德国就已着手开展超空泡技术在水下兵器领域的理论和实验研究。^[2]20世纪50年代中后期，苏联开始研制超空泡武器，20世纪70年代中期开始有具体型号装备部队。^[3][注1]20世纪80年代开始，德国进行了多项超空泡技术的研究工作，其中重点是可能作为未来反鱼雷或反潜战系统基础的超空泡火箭的研制和试验。^[2]在美国国防高级研究计划局和海军研究局领导下，休斯公司于20世纪90年代中后期研制出低成本超空泡射弹。^[3][注1]中国对于超空泡技术的研究起步较晚，20世纪90年代初才开始研制超空泡高速水下兵器。^[2]

一般的“超空泡鱼雷”可以分为以下几个子系统：通气装置，空化器，导引系统，控制和推进系统。^[2]鱼雷发射入水以后，首先利用启动发动机将自身的速度提高到50m/s或者更高，这时安放在壳体头部的空泡发生器的边缘开始出现空泡，为了使空泡进一步扩展成为超空泡，需要向发生空泡的部位注入气体，并利用合适的气体填充方式，使空泡规模逐渐扩大，最后将整个壳体包裹在气体泡中，形成超空泡。然后主发动机开始工作，为物体在水中航行提供持续推力。因为在超空泡中运动的鱼雷，仅头部的空泡发生器处与水有着直接的接触，其余部分都是在气体的包络下，所以基本上不受水的粘性阻力的影响。因而，超空泡鱼雷在火箭发动机的推动下，能够以100m/s甚至更高的速度航行。由于在航行过程中存在尾部气体的泄漏，所以要进行气体的补充，来保证空泡的形状、参数不会发生变化，从而保证航行的稳定性。^[2]

20世纪50年代中后期，苏联开始研制超空泡武器，70年代中期开始有具体型号装备部队，其研制水平处于世界前列，已成功研制出航速100米/秒、航程10千米的“狂风”超空泡鱼雷。“狂风”鱼雷长8.2米，直径533毫米，重2697千克（非核弹头，战斗部至少装有210千克高能炸药）。它可由水面舰艇、岸上或潜艇发射，潜艇发射深度为100米。攻击距离7千米时，其命中概率至少为80%。鱼雷壳体从尾部至头部逐渐变细，头部为战斗部，尾部中心为大口径固体火箭发动机喷管，周围有8个小的圆柱形启动火箭，启动火箭将鱼雷加速至能产生超空泡的速度，再点燃主发动机。其改进型鱼雷尾部装备线导装置，在水中运动时，释放出导线用于控制鱼雷运动及战斗部引爆。“狂风”鱼雷至少已装备在三种攻击型核潜艇上，即945型S级、685型M级和971型“阿库拉”级。俄罗斯不但拥有速度200节的“狂风”，而且还在研制300~400节的超空泡鱼雷，并开展以60节速度搜索目标，再以300节速度攻击目标的重型超高速鱼雷的研究。莫斯科里昂科研生产联合体是超空泡武器的主要研制单位，所研制的超空泡武器包括两类：一类是可从水中或水面发射器发射的超高速射弹；另一类是超空泡鱼雷。可按用户要求生产出不同口径的超空泡武器。^[3][注1]

美国在20世纪50年代就开始了高速推进器和水翼方面的超空泡研究，主要工作由美国国防研究计划局(DARPA)和美国海军研究所(ONR)领导，致力于探索和发展两种超空泡技术：一项是开发先进高速水下弹药系统；另一项是设计、制造和评价水下航行体超空泡技术的试验台，其中重点在于发展炮弹和鱼雷两类超空泡武器。截至2006年，美国已经成功研制出了一型机载高速反水雷射弹。在水温10°C、水深1m、声速为1495m/s时，其最大水下速度可达3011节。此外，美国也研制出了超空泡鱼雷样机，外观上和俄罗斯“风雪”鱼雷很相像，最大速度可达200节。^[2]

在美国国防高级研究计划局和海军研究局领导下，休斯公司于20世纪90年代中后期研制出低成本超空泡射弹。这种射弹是美国正在研制的“机载快速灭雷系统”的核心，用改进的SH-60直升机载20毫米或30毫米火炮发射，用于摧毁水面12米以下的水雷。射弹由重金属制成，弹径15.16毫米，带有塑料弹壳，弹壳在射弹出管后与弹头脱离，初速1000~1300米／秒。1997年7月，美国海军水下战中心研制的采用超空泡技术设计的射弹，可由水下特殊炮发射，射弹水中速度达到1549米／秒，超过水声速度。另外，美国海军也在考虑部署一种由水面舰艇携带、装在甲板上的超空泡射弹型近战武器系统，用来摧毁尾流制导鱼雷。^[3][注1]

除自主研制之外，美国还与德国合作开发携带自导系统的超空泡鱼雷，该鱼雷在“阿斯洛克”反潜导弹的基础上改进而成，能够将鱼雷导向目标。它包括安装在锥形空泡器外面的声呐基阵、固体火箭发动机以及由活动鳍和推进控制装置组成的弹道控制系统。“阿斯洛克”导弹发动机可提供200节以上的水下速度和约3千米的航程。这种超空泡鱼雷将用于反鱼雷和反潜作战。^[3][注1][3]

德国是世界上最早从事水下超空泡技术研究的国家，早在二战期间，德国就已着手开展超空泡技术在水下兵器领域的理论和实验研究。20世纪80年代开始，德国进行了多项超空泡技术的研究工作，其中重点是可能作为未来反鱼雷或反潜战系统基础的超空泡火箭的研制和试验。德国超空泡火箭方案的备主要功能和构件都在德国的梅尔多夫和杰滕堡的试验场进行了演示试验。^[2]

德国在超空泡武器的研究方面进行了大量基础性研究和实验工作，并在20世纪90年代初提出以高速艇和气垫船为目标的G3型射弹式水雷的预研课题。^[3][注1]

德国对适用于超空泡武器的多种发动机进行了研究，并研究了超空泡武器的发射方式，包括空中、水面和水下发射，证实了超空泡武器的最高速度可达300米/秒。对超空泡武器的运动稳定性的研究也取得重要成果。^[3][注1]

法国对超空泡技术一直有强烈的兴趣，已从俄罗斯采购几枚“狂风”超空泡鱼雷进行评估；对水下射弹的流体性能进行研究，试图使用超空泡射弹反水雷。^[3][注1]

英国也在发展超空泡武器，已开发出非制导高速水下武器，采用火箭推进和燃气涡轮机推进，但无法与俄罗斯相比。^[3][注1]

中国对于超空泡技术的研究起步较晚，20世纪90年代初才开始研制超空泡高速水下兵器。因此，很长一段时间里关于空泡技术的研究都是在于防止与减缓局部空化现象和高速水中兵器的出入水等方面。中国在这方面开展的研究工作集中在通过试验和数值模拟研究如何产生稳定的超空泡，以及在此基础上进行相关问题的流体动力学方面的分析。^[2]

一般的“超空泡鱼雷”可以分为以下几个子系统：通气装置，空化器，导引系统，控制和推进系统。其中，通气装置是通过充入一定量的气体使空泡延伸至航行体表；空化器是空泡起始处，直接影响航行体阻力，同时由于其是唯一和水接触的部位，将用来安装传感器并提供升力和姿态控制；导引系统是通过安装微型传感器，进行信号处理和波形优化；推进与通气系统是用以形成稳定空泡，并实现推力矢量控制；控制鳍穿过空泡壁，提供尾部升力，实现滚转及姿态控制，以及航行体动力学控制。^[2]

鱼雷发射入水以后，首先利用启动发动机将自身的速度提高到50m/s或者更高，这时安放在壳体头部的空泡发生器的边缘开始出现空泡，为了使空泡进一步扩展成为超空泡，需要向发生空泡的部位注入气体，并利用合适的气体填充方式，使空泡规模逐渐扩大，最后将整个壳体包裹在气体泡中，形成超空泡。然后主发动机开始工作，为物体在水中航行提供持续推力。因为在超空泡中运动的鱼雷，仅头部的空泡发生器处与水有着直接的接触，其余部分都是在气体的包络下，所以基本上不受水的粘性阻力的影响。因而，超空泡鱼雷在火箭发动机的推动下，能够以100m/s甚至更高的速度航行。由于在航行过程中存在尾部气体的泄漏，所以要进行气体的补充，来保证空泡的形状、参数不会发生变化，从而保证航行的稳定性。^[2]

为了生成所要求的超空泡，需要设计一种合理的外形，并进行总体结构布局，超空泡鱼雷各部分的组成及基本功能如下。^[4]

空化器。空化器有各种形式，如圆锥型、圆盘型、椭圆盘型等，其作用除了生成超空泡流场外，还可以充当水平舵，该舵在鱼雷航行时能平衡掉一部分重力并产生相应的力矩，参与雷体控制。^[4]导流器。导流器是超空泡鱼雷通气系统的重要组成部分，主要作用是气体由气体发生器射向导流器内腔，气流经壁面导流，被合理地喷射进空泡内，形成覆盖雷体大部分表面积的空泡气囊，使雷体大部分表面与水流隔开，达到显著降低阻力的目的。^[4]圆锥段。圆锥段是导流器与雷体圆柱段之间的过渡段，该段壳体内部包含有气体发生器、控制及内测系统。其中气体发生器的作用是鱼雷形成自然空泡后，以一定的供气规律向空泡内供气，以支撑气泡网，保证空泡的稳定性。^[4]圆柱段。圆柱段主要装有鱼雷的动力推进装置和“十”字型舵。动力推进装置采用的是2级火箭发动机，即助推发动机和主发动机，其中助推发动机布置在圆柱段尾部外层，该发动机工作完毕后自动从雷体上分离，此时雷体尾部将会呈一凸台，2个发动机在鱼雷不同的运动阶段提供不同的推力。^[4]

上述特殊结构决定了超空泡鱼雷在总体上具有以下特点：①流体阻力小，比常规鱼雷降低1~2个数量级；②速度高，是常规鱼雷的4~5倍；③衡重参数时变，如鱼雷重量、重心、转动惯量等；④几何外形变化，如圆柱段尾部变为凸台；⑤浮力时变，如由全沾湿时浮力状态可变为被空泡包裹时零浮力状态；⑥流体动力时变，如由全沾湿时正常流体动力布局变为空泡包裹时的“鸭式”布局；⑦无自导系统，5个舵参与鱼雷的控制等。^[4]

由于超空泡鱼雷被空泡包裹，雷体与水不直接接触，常规螺旋桨无法使用，所以一般采用火箭发动机作为动力，这样不但能提供很大的推力，使自然超空泡快速形成，而且火箭发动机排出的废气可被气体发生器再利用，喷气能消除空泡产生的回射流，起到稳定空泡尾部的作用。^[4]

为了满足超空泡鱼雷的航程和速度要求，其动力推进装置采用2级火箭发动机即助推发动机和主发动机。助推发动机一般布置在鱼雷尾部最外层，其作用是将鱼雷从发射深度推进到所设定的深度，并使鱼雷达到一定速度，燃烧完毕自动与雷分离。主发动机除了在极短时间内快速将鱼雷速度提高到能产生自然超空泡时的速度外，还要维持鱼雷在高速航行时所需的推力，并保持推力稳定。通过分析，超空泡鱼雷的动力推进系统有以下特点：①采用多级组合、不同方式(固体和液体)的火箭发动机；②采用高功率、高密度等性能的金属燃料(铝、锰或锂)；③利用海水作为氧化剂和燃烧生成物的冷却剂；④采用高效能的“水冲压”发动机；⑤提供满足不同需求的多级推力。^[4]

超空泡鱼雷的控制系统一般采用随雷集成控制系统，该系统具有传统控制系统所没有的优势，可实现任意结构的控制规律和算法，与一般鱼雷不同的是，超空泡鱼雷的控制系统组成中包括5个舵机，即4个尾舵和1个前置舵(空化器)，5个舵可同时工作，也可根据需求自动伸缩参与工作。敏感元件中包括2个压力传感器，即静压传感器和动压传感器，其中静压传感器在鱼雷航行不同状态测量不同压力，例如：:全沾湿时测鱼雷航深产生的静压，被空泡包裹时测空泡内的压力；动压传感器用于测量鱼雷的总压力，该压力除用于控制外，还用于计算鱼雷的航速。^[4]

根据分析，超空泡鱼雷控制系统具有以下几个特点：①由内置计算机程序控制，具有很强的抗干扰性；②在弹道的不同阶段，不仅控制规律不同，而且控制系数也不同；③在超空泡快速形成的过程中，鱼雷运动参数变化很大，而允许的控制参数范围很窄，控制系统对鱼雷实际上是不可控的，鱼雷会瞬时丧失稳定性和操纵性；④在空泡稳定后的主要航行阶段，前置舵的微小变化，既可控制鱼雷的俯仰和深度变化；⑤鱼雷运动的稳定建立在空泡稳定的基础上，控制系统的任务是对空泡和雷体进行综合控制。^[4]

由于超空泡鱼雷在超空泡流场中产生的声阻碍和声屏蔽作用，以及火箭发动机产生的强噪声，致使鱼雷无法使用声自导装置，所以超空泡鱼雷一般无自导系统，其弹道是预先设计的，完全由控制系统实现。另外，航行中若弹道变化过大，将产生不均匀气流层，使鱼雷表面超空泡复面层的连续性被破坏，故一般采用直航弹道。^[4]

超空泡鱼雷的弹道基本上为定深直航，共分为4段，每段的特点：①初始段(ab段)，从鱼雷出管至达到设定深度范围，鱼雷的受力状态与一般全沾湿鱼雷相同，主要任务是完成空间机动。②加速段(bc段)。空泡形成阶段，对鱼雷进行加速，各系统协同工作，空泡由局部空泡发展到超空泡，由自然超空泡发展到通气超空泡，雷体的流体动力特性将发生很大改变，控制系统要切换控制规律，改变控制系数。③巡航段(cd段)。鱼雷全弹道中的主要阶段，发动机推力和气体发生器压力恒定，鱼雷在超空泡中高速运动，要求控制系统保证空泡稳定存在。④攻击段(de段和df段)。下潜/上浮段，此段鱼雷按照设定弹道直航至命中目标。^[4]

苏联研制的“暴风雪”鱼雷航行速度可达370千米/时，比传统鱼雷高出3~4倍，是一般舰艇航速的7倍，普通核潜艇航速的5倍。据称，在没有制导的情况下，该鱼雷仍可以在100秒之内击中目标，即使其弹头不装药，仅凭巨大的动能也足以在任何舰船的壳体上撞出一个对穿的孔洞。其速度相当于在水下跑出了一般高速铁路的速度，比一般的民用直升机飞得还要快。难怪当年苏联部分核潜艇传说装备这种超空泡鱼雷后，一度令美军核潜艇和航母都对苏军的核潜艇退避三舍，就是因为忌惮这种武器的强大打击能力。^[5]

俄罗斯科研人员在此基础上进行了大量的研究，终于在90年代中期，研制成了“暴风”鱼雷，“暴风”鱼雷雷体长度8.23米，直径533毫米，重量2600千克，战斗部装药250千克，航速200节，航程15000米，最大深度400米，于1997年装备俄罗斯潜艇部队。^[6]

2014年8月，美国一家海洋系统公司开发出一种高速航行的船舶“幽灵”号，该船采用了类似超空泡鱼雷技术，最高航行速度可达50节，这种航速可以追踪目前任何一种舰艇。^[7]

2006年，伊朗正式披露了“鲸鱼”超空泡鱼雷的存在，并公布了在一处水上平台发射鱼雷场景的视频，虽然这段视频画质低劣，但向外界展现了伊朗自主研发“鲸鱼”超空泡鱼雷的巨大信心。^[8]

截至2016年，中国已经装备了被外界称为“鱼-11”的高速重型鱼雷，在基于鱼-11重型鱼雷开发新型的超空泡攻击鱼雷。^[9]

“超空泡鱼雷”采用了“超空泡”+“高推力”的技术。所谓“超空泡”，是指物体在水中高速运动时产生的物理现象。当物体在水中的运动速度超过50米/秒后，其后部就会形成水蒸气气泡，从而产生“超空泡”流体——机械效应。通过一定的技术手段使“超空泡”现象产生的“气泡”把鱼雷体包裹起来，形成一种“气体外衣”，使鱼雷体始终航行在自己制造的“超空泡”内部，最大限度地避免了水的黏性阻力(这种阻力大约是空气阻力的1000倍)，从而使鱼雷达到100米/秒的速度。对于航母等大型水面舰艇来说，由于体形巨大、机动作较为迟缓，在“超空泡鱼雷”那闪电般的速度前，根本无法做出任何有效的规避。所谓“高推力”，据俄罗斯“暴风”的有关数据，“超空泡鱼雷”配备两台发动机，一台是固体火箭发动机，另一台是金属水燃料喷水式涡轮发动机。固体火箭发动机先点火实施双平面程序控制，将鱼雷导致攻击深度，然后启动另一台发动机，以超高速直航弹道攻击目标，发射深度为10~150米，攻击深度可在4~400米范围内。^[10]

由于速度快，“超空泡鱼雷”的动能十分强大，加上“超空泡”技术对鱼雷体本身的结构强度要求很高，这样就使“超空泡鱼雷”的雷体几乎就像一个钢铁炮弹一样，即使不安装战斗部也能对目标船体造成严重伤害。如果再打携带有高效能的爆破弹头，对航母有更加巨大杀伤作用。^[10]

“超空泡鱼雷”采用无自导、直航攻击弹道设计，大大区别于当前流行的自导技术鱼雷，具有很强的抗干扰能力，美国所有针对鱼雷自导装置设计的鱼雷防御系统及干扰器材，对它都无法构成威胁。^[10]

超空泡鱼雷自诞生以来还没有被应用于实战，一定程度上也是因为其技术仍存在缺陷。缺点就是直航、射程短和容易暴露潜艇位置。一般鱼雷射程为20～30千米，超空泡鱼雷射程要短很多，甚至不到10千米。“暴风雪”超空泡鱼雷射程仅为7～13千米。如此短的作战距离，必然极大限制了潜艇的作战能力。另外由于其速度太快，很难采用制导技术，因此超空泡鱼雷只能采取直来直去的直航式攻击手段。^[7]

超空泡鱼雷还有另外一个致命缺点，即太容易被发现。这是因为超空泡鱼雷在被发射出去后，其尾部会产生长长的白色水蒸气泡尾随其后，这样一串明显的泡泡很容易暴露潜艇位置。因此，在实战中若使用超空泡鱼雷，发射鱼雷的潜艇或水面舰艇很可能被发现，造成与敌方同归于尽的局面。此外，超空泡技术对鱼雷的外形设计和结构强度有很高的工艺要求，鱼雷的外形必须均匀且结实，否则鱼雷在航行时产生晃动，很容易将包裹在鱼雷外部的超空泡层破坏掉，而这些气泡的压强很大，一旦破裂产生的巨大压力会对鱼雷造成巨大破坏。因此超空泡鱼雷要求十分结实，但这一要求并不容易达到。^[7]

“超空泡鱼雷”在“超空泡”中的特殊运动方式能对声音产生较大的阻碍和屏蔽作用，并且火箭发动机噪声巨大，致使“超空泡鱼雷”无法使用声自导装置，只能采用直航式攻击。这样，就为敌手对它进行有效拦截、规避提供了可能。^[10]

各国还加强对超空泡武器的其他研究。美国就推出了一项发展超空泡武器的全面计划。法国则进行一种机载反水雷超空泡弹的试验。德国与美国的海军研究部门合作，就新型空泡发生器设计和鱼雷自导系统建模开展一项联合计划，还完成了一种超空泡鱼雷样机。由此不难看出，未来的超空泡鱼雷技术大有成为一种新的海军通用武器技术的趋势。^[7][注2]