超空泡（supercavitation）是水下高速運動時產生的一種物理現象。當物體在水下運動時，隨著物體速度的增加，液體內部局部壓力不斷降低，如果物體速度增大到某一點，液體內部局部壓力就低于飽和蒸汽壓，此時，液體或固體與液體的交界面上會形成蒸汽或氣體的氣泡，這一過程叫做空化，形成的氣泡就是空泡。一定條件下形成的完全或幾乎完全包圍運動物體的空泡就是超空泡。
第二次世界大戰期間，德國最早進行超空泡及其應用于水下武器的理論與試驗研究。蘇聯的烏克蘭流體力學研究所于1960年就開始研制超空泡武器，于20世紀70年代中期研制成功“暴風”魚雷。德國在20世紀80年代提出了改型超空泡射彈水雷項目。在20世紀80年代中期，開始“梭魚”超空泡射彈的研制工作，并在20世紀末進行了多次水下射彈試驗。20世紀90年代，美國海軍水下戰中心開發了兩種用途的超空泡技術，一種是高速水下彈藥系統，另一種是大型水下超空泡航行體。20世紀90年代，中國從哈薩克斯坦購買了40枚VA-111“暴風”號水下火箭；與此同時，中方還與俄羅斯就購買相應技術展開談判，并開始從事研制中國版“暴風集團”工作。在2006年的時候，中國已經成功研制出中國版“暴風”水下導彈。2011年8月10日，美國朱麗葉艦船系統公司公布世界上第一艘采用超空泡原理設計的艦船——“幽靈”號。2014年，哈爾濱工業大學熱工流體力學實驗室的專家團隊已經研發出一種新技術，使得潛航器或者魚雷能夠以極高的速度在水下前進。2020年，挪威DSG技術公司研發成功了一種名為“CAV－X”的超空泡彈藥。
超空泡減阻技術是一種革命性減阻技術，該技術是水下航行器提高航速、增大航程的重要技術手段。
發展歷程
第二次世界大戰期間，德國最早進行超空泡及其應用于水下武器的理論與試驗研究，隨著二戰結束，相關研究暫告停止。蘇聯的烏克蘭流體力學研究所于1960年就開始研制超空泡武器，于20世紀70年代中期研制成功“暴風”魚雷，并于1997年裝備部隊，速度可達100米/秒，是傳統魚雷速度的3-5倍。
德國在20世紀70年代立項研究SMG3型超空泡射彈式水雷，20世紀80年代提出了改型超空泡射彈水雷項目。在20世紀80年代中期，開始“梭魚”超空泡射彈的研制工作，并在20世紀末進行了多次水下射彈試驗。試驗表明：在一定深度下，射彈速度可保持在120m/s，試驗航程誤差僅為0.5~0.8m。
20世紀90年代，在美國國防部高級研究計劃局和海軍研究署的支持下，美國海軍水下戰中心開發了兩種用途的超空泡技術，一種是高速水下彈藥系統，另一種是大型水下超空泡航行體。
2011年8月10日，美國朱麗葉艦船系統公司公布世界上第一艘采用超空泡原理設計的艦船——“幽靈”號。
2020年，挪威DSG技術公司研發成功了一種名為“CAV－X”的超空泡彈藥?！癈AV－X”超空泡彈藥有數種型號，其中之一據稱射出后能在水中潛行60米遠，命中精度高、穿透力強，而且可以與標準武器一起用于多種環境下的作戰。
截至2022年，美國主要發展2類超空泡武器：超空泡射彈和超空泡魚雷?？焖贆C載水雷消除系統（RAMICS）能夠通過發射超空泡射彈摧毀水面和近水面水雷，該系統迄今進行了地面試驗和空中測試。同時還發展了一種水面艦艇艦載的RAMICS系統（能夠摧毀尾跡自導魚雷的近戰武器系統）和水下高速彈藥的全水下火炮系統（AHSUM，即超空泡動能炮彈）。
此外，德國還提出了帶自導和轉向功能的超空泡水下火箭式射彈開發計劃，并取得了關鍵技術的突破。挪威DSG防務公司發展了標準口徑設計、兼具空中及水下性能的“多環境彈藥”（MEA）。MEA彈藥采用常規來福紋自旋穩定方式，該系列彈藥有5.56mm、7.62mm、12.7mm、20mm、30mm等多種口徑子彈。平滑水面條件下，MEA彈藥出入水角達7°~10°，最小穩定出入水角小于2°。步槍口徑的MEA彈藥可為特種作戰提供有效的陸地及水下武器，較大口徑的MEA彈藥則可用于反水雷、反魚雷作戰。
截至2023年，俄羅斯在研制以60節速度搜索目標、再以300節速度攻擊目標的重型超高速魚雷。俄羅斯“波塞冬”核動力無人潛航器，能以100節速度航行，可裝備核彈藥或普通彈藥。美國在“阿斯洛克”火箭助飛魚雷基礎上研發攜帶自導系統的超空泡魚雷，水下速度可達到200節以上。
概念原理
液體分子逸出液體表面而成為氣體分子的過程稱為“汽化”，有蒸發和沸騰兩種形式，如果水溫不高（沒有達到沸點），但水面壓強降低到了某臨界值后水體內部原來含有的很小的氣泡（通稱氣核）將迅速膨脹，在水中形成含有水蒸氣或其它氣體的明顯氣泡，這一過程稱為空化。
流場條件和運動體的幾何形狀等的不同使空泡呈現出不同的典型狀態，決定性的相似準則是空泡數σ，其表達式為：
當空化數較高時，繞流物體表面只能形成一個個獨立的游離的空穴或氣泡，稱為游移型空泡；隨著空化數降低，形成帶有強烈振動和噪音的周期性脫落的云狀空泡；當空化數進一步降低后，分散的空泡相互貫通，依托繞流物體形成與繞流特征長度可比的空泡貫通區，稱為片狀空泡；一般當σ<0.1后，片狀空泡將覆蓋繞流物體的全部或大部分表面，即超空泡。
超空泡主要分為自然超空泡和通氣超空泡兩種，前者依靠提高航行體的速度或是降低環境壓強（僅適用于循環水洞試驗）生成超空泡，空泡內壓強p等于液體的飽和蒸汽壓強pv；后者依靠人工通氣增加空泡內壓強生成超空泡，此時空泡內壓強p不再等于pv，而是隨著通氣壓強變化，記為 pc。
相關技術
超高速潛水器技術主要利用超空泡減阻技術實現潛水器水下100m/s級的超高速航行技術，具體技術包括：超空泡生成和空泡控制技術、超功率推進技術、制導技術等。超空泡生成采用通氣空化的方式實現超空化，空泡控制技術指抑制空泡脫體、變形等流體動力突變采用的技術；超功率推進技術指采用水沖壓噴氣發動機推進技術；制導技術按照特定基準彈道，控制和導引潛水器航行或實現對目標攻擊的綜合性技術。
超空泡的介入將固液界面的受力轉換成了液氣之間的受力，因此能大幅降低航行器的阻力，即超空泡減阻。超空泡減阻對航行器的速度要求極高，因此主要應用于魚雷技術。因為超空泡的存在，將魚雷包在一個巨大氣膜的內部，其減阻率可達80%，大幅提升了魚雷的續航和速度，雖然超空泡的減阻效果很好，但是要形成和維持超空泡則是巨大的難題。
為了保證超空泡的存在，主要有3種方法：降低液體壓強、提高航行器速度和人工持續注入氣泡。對自然環境而言，顯然改變液體壓強不具有可行性，因此提高航行器速度和人工注氣成為了研究重點?？茖W家對水下運動物體的超空泡的形成、演化和消失進行了數值模擬，并利用高速攝像機記錄了超空泡實驗中氣泡的軌跡，發現當速度降低至60m/s時，超空泡界面開始消失。可見在不補充氣體的情況下，超空泡的形成極其依賴于航行器的速度，在通氣超空泡中，可將速度降低至20m/s。采用高速水洞對比自然超空泡和通氣超空泡的減阻效果，2種方式均產生超空泡現象，但通氣狀態下的空泡長度和超空泡擴散時間要更長。低流速下通過人工通氣產生超空泡的研究，分析了空泡長度和阻力系數之間的關系，發現當空泡長度與航行體長度相等時，減阻效果達到最佳。超空泡的形成和維持需要良好的結構設計，通過對帶圓盤空化器射彈模型的阻力特性進行數值模擬，從多角度分析了影響阻力的因素，得出增加射彈的長徑比將有利于阻力的減小，可實現95%以上的減阻率。表面疏水性也會影響超空泡的作用效果，科學家利用高速攝像機對表面帶有疏水和親水涂層的彈丸的超空泡減阻進行了實驗研究，在相同條件下，疏水彈丸的空泡長度和直徑均大于親水彈丸，減阻性能較親水彈丸可增大20%~40%。
技術應用
超空泡技術不斷發展，世界軍事強國的科研人員紛紛將其作為研發下一代新概念武器的方向，形成了以超空泡水面航行器、超空泡水下航行器、超空泡彈藥、超空泡導彈、超空泡鉆地彈等為代表的一系列“超空泡武器”。
超空泡水面航行器
超空泡水面航行器主要指超空泡艦船，即通過利用氣泡覆蓋艦船的整個船體表面，使船體不直接與水接觸，進而減少水的阻力，提高艦船航速。2011年8月10日，美國朱麗葉艦船系統公司公布世界上第一艘采用超空泡原理設計的艦船——“幽靈”號。“幽靈”號艦船的發動機由兩個裝載在浮筒中的T53-L-703渦軸發動機組成，驅動位于船體前部吊艙中的旋轉螺旋槳，使螺旋槳產生“超空泡”效應，最高航速可達50節。其具備雷達隱身性能，可攜載魚雷，并且具有全電腦控制功能可不需要任何船員執行操作任務。
超空泡水下航行器
美國國防高級研究計劃局提出超空泡“水下快車”計劃，研制一種直徑2.43米、質量60噸，能夠下潛到6米深度，以100公里/小時的速度持續航行的超空泡水下運輸艇，用于運送高價值物資和作戰小分隊，通用動力電船和諾斯羅普·格魯門共同參與項目研制。通用動力電船公司因在海軍潛艇和水下武器研制方面的悠久歷史，使其過去數十年間一直處于超空泡技術的研究前沿。諾斯羅普·格魯曼公司也在研究超空泡技術，并生產了多種水下航行器。
超空泡彈藥
超空泡彈藥包括超空泡水下子彈和超空泡炮彈。為進行水下襲擊，美國海軍水下作戰中心研制超空泡水下子彈，其頭部扁平，從水下機關槍發射，初速接近常規槍彈在空氣中發射初速。超空泡炮彈是一種平頭炮彈，由改進型速射炮發射，它可以在空氣和水中平穩航行，并且具有先進的目標定位能力，可用于消滅水面的漂浮水雷和近水面的觸發式水雷。美國海軍考慮部署一種裝備于水面艦甲板的RAMICS近程航空武器系統，用于消滅致命的尾波制導魚雷。
超空泡炮彈是一種即將采購的直升機載武器，利用它們可以消滅水面和近水面水雷。這種平頭炮彈是利用一種改型速射炮發射的，它被設計得能夠在空氣和水中平穩航行，并且具有先進的目標定位能力。超空泡炮彈技術下一步將發展利用自適應高速水下彈藥（AHSUM，即超空泡“動能”炮彈）的全水下火炮系統。該系統裝備在潛艇、水面艦或拖曳式反水雷器的水下船體內，有流線型炮塔，通過聲納指揮。就像美國海軍通過雷達指揮的“密集陣近程防御武器系統”近程速射航空武器系統保護水面艦艇免遭反艦導彈攻擊一樣，?AHSUM為艦艇可以構筑起水下防線。
2020年，挪威DSG技術公司就研發成功了一種名為“CAV－X”的超空泡彈藥。其設計原理為超空泡彈藥在水中潛行時，可以用氣泡將自己包圍起來，大幅減小子彈受到的阻力，更快地在水中移動。“CAV－X”超空泡彈藥有數種型號，其中之一據稱射出后能在水中潛行60米遠，命中精度高、穿透力強，而且可以與標準武器一起用于多種環境下的作戰。
超空泡導彈
20世紀70年代，蘇聯研發出370公里/時的超空泡?“暴風”魚雷，并裝備在各型核潛艇上。這款魚雷與眾不同之處是在水中運動時，有氣體從魚雷頭部排出，魚雷表面被氣泡覆蓋，可以在400米的水深處攻擊以50節航速航行的潛艇。當時蘇聯研發的“暴風”魚雷針對的目標主要是美國大型艦艇。由于體型大，機動性差，在超空泡魚雷的高速打擊下，航母等大型艦艇很難有效規避。如在魚雷上裝備了戰術核彈頭，“暴風”魚雷殺傷力更是驚人。俄羅斯研制的第二代“暴風”魚雷，具有較強的機動性能，采用發動機推力向量控制，發動機的燃氣回流頭部進行超空泡補氣，其速度可以達到200米/秒，射程可以達到100公里。德國研制Barracuda導彈長2.2米，直徑120毫米，重量50公斤，航速120米/秒，主要用于保護艦船和潛艇免遭魚雷的攻擊。伊朗研制成功的高速魚雷“鯨”，可從水面艦艇上發射，入水后航速可達100米/秒，從該魚雷的外形、速度、發射尾焰和氣泡軌跡來看，采用了超空泡技術。
超空泡鉆地彈
超空泡技術不僅可在液體介質中使用，也可用在固體介質中。只要物體的運動速度足夠快，它就可以將行進過程中的任何介質，包括水、土壤或是混凝土“推向”兩邊，使其周圍形成空氣泡，從而在“空氣”中“飛行”。美國海軍水面作戰中心和洛克希德·馬丁公司利用超空泡技術研制出一種高性能鉆地炸彈。這種被譽為“鉆地之王”的炸彈一改傳統鉆地彈的流線形彈頭和厚壁式彈體設計，采用了全新的鈍頭和薄殼技術，其鉆地深度可達到300米，比美國軍隊武器庫中最強大的BLU-113型混凝土破壞彈的侵徹能力高出10倍，而且其裝藥量也大幅增多。五角大樓透露，這種全新概念的超空泡鉆地炸彈將主要用于摧毀深層地下掩體，其燃燒型彈頭將燒毀敵方地下武器庫中的生化制劑。
技術難點
誕生數十年之久的超空泡魚雷從未用于實戰，一定程度上與其技術存在缺陷有關。“暴風”魚雷的射程近7~13公里，只能采取直來直去的直航式攻擊手段，在被發射后尾部還會產生長長的白色水蒸氣泡，很容易暴露潛艇的位置。此外，超空泡技術對海戰裝備的外形設計和結構強度也有很高的工藝要求，否則一旦在航行時產生晃動，很容易將包裹在外部的超空泡層破壞掉。同時，如何有效解決噪聲、實時控制以及動力不足等問題，都是擺在超空泡武器應用面前亟須突破的問題。
噪聲大
一般來說，水動力噪聲是艦艇、魚雷的主要噪聲源，其強度隨著航速的增加而迅速增加。超空泡武器為了獲得強大的動能，需要采用火箭發動機推進，因而噪聲也更為突出和明顯，這會暴露武器裝備的位置，引發嚴重后果。
控制難
超空泡武器因其工作于流體力學和空氣動力學兩種不同特性的環境中，所以對超空泡導彈的航行控制也有著極為嚴格的要求。由于超空泡航空武器系統上的壓力很大，因而在機動過程中存在的任何制導錯誤，都將使超空泡武器撞擊氣穴內墻造成徹底的毀壞。因此，超空泡武器系統必須具有一個實時控制系統，以便針對武器撞擊氣穴內墻的情況及時調整超空泡武器的彈道。超空泡艦船由于氣泡的大小難以控制，因而航行器很難轉彎，當以超空泡技術高速航行時，艦船螺旋槳葉片可能會受到過大的液體密度壓力而折斷。?
動力不足
超空泡武器必須依靠火箭發動機產生所需的推力，但是常規火箭發動機在水中具有兩大技術缺陷：一是航程有限。維持超空泡裝備的行進需要采用高能量密度的動力裝置，并能保持超強的耐久度，動力裝置尚達不到這一要求。二是燃料推力伴隨深度增加而下降。下潛深度增加時，水的壓力會增大，這時，就會造成航行器速度減慢，繼而使包裹著潛艇的“氣泡”難以在深海中保持穩定狀態。一旦“氣泡”破裂，航行器在深海中就喪失了超空泡技術優勢。
技術前景
超空泡減阻技術是一種革命性減阻技術，在超空化狀態下，航行體壁面附近的流體由水變為氣體，由于氣體的密度遠遠小于水的密度，因此航行體的航行阻力大幅降低，航行體入水后能夠保持高速航行狀態。該技術是水下航行器提高航速、增大航程的重要技術手段。
從超空泡武器的技術優勢和未來海上作戰需求兩個方面來看，超空泡技術必將會用于完成海軍的大量任務。如載有水下機關槍的小型近程水下航行器，彼此利用高速“水下子彈”在水中進行射擊；遠程多級超空泡導彈可使導彈防御系統失效，在水下快速航行數十海里接近目標，天基和空基防御手段都難以有效應對；高速反魚雷超空泡魚雷的良好性能將能夠完成反魚雷平臺的防御任務；稍作改動的輕型超空泡武器能夠增強機載平臺對付水下目標的能力，該武器可在較遠的防區外發射；超空泡武器在未來還可以與水下無人航行器這樣的遠程長續航能力的隱形平臺一起使用，在高風險區執行任務。
下一代超空泡武器需要具有更加靈活的氣泡發生系統，能夠使超空泡航空武器系統在超空泡狀態和正常狀態中轉換，并能夠通過減少空泡尺寸達到“剎車”或加速目的。
隨著世界各國對超空泡技術的不斷認知，超空泡武器能夠用于對付水雷、自導魚雷、小型船舶、高速反艦導彈，甚至低空飛行的飛機和直升機，預計利用超空泡技術，還可能研制出小型超高速水面艦艇、能使整個航母戰斗群失效的水下核導彈、以及用于潛艇戰的中程無制導摧毀性武器，因此專家認為，這些超空泡系統可能會大大改變海上作戰模式。
參考資料 >
超空泡技術出世 海戰模式將改觀.新浪網.2024-08-28
海戰模式的顛覆者.科技日報.2024-08-29
超空泡武器——未來海戰場上的超級神器.中國軍網.2024-08-28
俄媒:中國已成功研發超空泡魚雷 是神話般項目.環球網.2024-08-29
港媒：中國給超空泡潛艇“貼膜” 高速時能拐彎.環球網.2024-08-28
超空泡兵器：自己造路水下行.今日頭條.2024-08-28
透視水下作戰發展趨勢.國家國防科技工業局.2024-09-10
超空泡:傳統海戰模式的“踢館人”|超空泡|魚雷|海戰.新浪科技.2024-08-31
超空泡武器——未來海戰場上的超級神器.中國軍網.2024-08-28