潜艇真能两个小时横渡太平洋吗?


南华早报的消息说中国研制了新型潜艇,可以一百分钟横渡太平洋。这可能吗?

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21个答案
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瘦驼科学松鼠会成员

2014-08-26 22:05

这是典型的
某研究方向取得某种突破+该研究方向理论最大值=突破天际
的报道。

检索了一下,当事人应该是哈尔滨工业大学热工流体实验室的李凤臣教授。它的研究方向包括“超空泡流体控制”。看来,最近李教授的研究取得了一些突破。

超空泡是怎么回事?先要从空泡说起。

上面是一支AK步枪在水里射击的超高速镜头。开始从枪口喷出来的气体是子弹火药产生的,在这团气体前面窜出来一颗子弹,子弹似乎是包裹在一个巨大的气泡里。然后子弹迅速减速,气泡急剧收缩,压缩到一定程度再次膨胀,如此反复。(子弹射入人体也会产生类似现象,杀伤力颇大。)
包裹子弹的那层气体,就是空泡,也叫空穴。
空泡是怎么产生的?

上面是水的相图,也就是表明固、液、气三种形态的存在条件的。这图不太好,可以结合下面的英文图补补课。

在常温常压下水是液体,但是如果常温低压,它就会变成气体。另外如果你还记得伯努利定律,就会知道,流体速度越快,压强就越小。如果物体在水中运动的足够快,它的表面就会有一层水满足气化的条件变成气体,就像高速子弹表面的那样。
以前人们对空泡效应了解的最多的是在船舶螺旋桨设计上。因为螺旋桨的转速快,在桨叶的末端很可能达到产生空泡的临界速度。

正如在子弹的gif里看到的那样,这些小气泡会压缩膨胀破裂,释放出很高的能量,最终严重破坏螺旋桨。下图就是空泡侵蚀的效果。

设计师们想了很多办法来避免和减少空泡造成的危害。
有些人却来了个脑筋急转弯。水的密度是空气的800多倍,在水里运动的阻力比在空气中大得多。目前潜艇航行速度的世界纪录还是苏联人在1971年用K222号核潜艇(北约代号P级)创造的,为44.85节(83.06km/h),而且只是冲刺速度,无法长时间维持。
既然高速运动的物体会有空泡包裹,就相当于脱离了水的束缚,来到了自由的气体中。何乐而不为呢?
螺旋桨产生的那种叫片状空泡,当片状空泡连接成了一个整体,像子弹外面那样,就叫超空泡。
难就难在,要维持一个稳定的超空泡实在是不容易。在超空泡中的物体,实际上是在气体和液体的边界上运动,各种扰动都会造成失稳。正像第一个GIF中的子弹一样,迅速翻滚失去速度,仅仅掉在一两米外的地方。另外,你还要想办法维持物体的高速,否则超空泡就无法形成。
苏联人最早在这一黑科技领域进行了有成效的探索。要研究超空泡,你首先要有高速水洞。风洞大家可能更熟悉,在水里玩,就要有水洞。下图是前苏联在高速水洞中进行超空泡实验的镜头。

这个研究的最终结果,就是暴风雪超空泡鱼雷(VA-111 Shkval)。为了让鱼雷达到产生超空泡的速度,苏联人用了液体火箭发动机作为动力。这样做的结果就是,鱼雷一不小心就会变成火箭。下面是当年试验时的镜头。


上世纪70年代末,暴风雪鱼雷服役。这是一种533毫米的重型鱼雷,极速200节(370千米/时),是普通鱼雷速度的4-5倍。当然,它的缺点是航程只有不到10千米,也是同口径普通鱼雷的1/4-1/5。更要命的是,早期的暴风雪没有制导系统,是直航鱼雷,不过超高速加上一枚核战斗部可以解决精度不佳的问题。后期型号加装了制导系统,但是据称仍几乎是枚直航鱼雷。即便有制导系统,暴风雪的短射程和藏不住的发射航迹,也可以使本方遭到敌人毁灭性的的火力报复。所以,目前,还把暴风雪当杀手锏的,只有伊朗海军了。


大家可以看到它有一个造型奇特的头部。那是超空泡航行器的核心技术之一——空化器。

德国也有公司在搞超空泡鱼雷,下面就是它们的作品。

美国人则在研究超空泡子弹。传统的子弹你看见了,根本无法在水中有效使用,而专门为水下步枪设计的子弹,又不能在空气中有效使用。下面是俄罗斯的水下步枪,你可以看到那种长长的箭形子弹。

如何能让子弹在水/气两相穿梭自如?下面是美国人的解决办法。

这种设计主要的为了灭雷。比如飞机或者直升机探测锁定了水中的水雷,就可以发射这种子弹毁伤水雷。而不用浪费昂贵笨重的深水炸弹。
我国从上世纪六十年代开始从空化腐蚀入手研究空泡效应。后来也跟随潮流研究超空泡航行器。据未经证实的消息,我国也曾引进过一些暴风雪鱼雷,也建设了自己的超空泡水洞。
理论上,超空泡航行器因为在气体中运动,它的提速障碍是音障。而水中的音速比空气中高的多,25℃水中大约为1500m/s,差不多5400km/h,这也是前头新闻说的100分钟横渡太平洋的来历。
但是,同学,那只是理论上而已,目前世界上最大尺寸的实用超空泡航行器,仍然是三十几年前诞生的每小时370千米,航程10千米的暴风雪鱼雷而已。
横渡太平洋?音速?不知道李凤臣教授在梦里有没有见过呢。

参考文献:
1、超空泡技术现状、问题与应用,曹伟 等,《力学进展》第36卷第4期
2、超空泡水下航行器运动学与动力学模型,李代金 等,《系统工程理论与实践》2013年第91期
3、wiki

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Yulywong啥都想知道

2014-08-27 16:26

北冰洋和太平洋接壤的边界,两小时横跨还是有希望的,尤其秋冬冰架延展 的时候

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fengfeixue0219植物分子生物学博士

2014-08-26 19:03

用到的就是超空泡技术了,不过100分钟横跨太平洋真是呵呵。
上海到旧金山直线距离9800多公里,稍微绕一下路就按照10000公里算吧,跑100分钟,相当于一分钟100公里,时速6000公里——这是人间大炮吧?我倒觉得是100小时差不多(每小时100公里,这对于潜艇来说的确很快了。)

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已经被李凤臣教授辟谣了,声明不是他发表的.....
人家也不是傻瓜。其他方面也就罢了,技术方面是不犯这种错误的,毕竟也是个教授

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理论什么就不说了
该学英语了,少年,仔细翻译第一段,尤其是那个step closer

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scythe7三只脚的猫

2014-08-28 16:34
支持者: 鱼头焖豆腐 燃玉

从白令海峡行不行?

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这是理论构架下的理想值吗?简直是偷换概念的人间大炮!

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Tache_Yi生物力学硕士 编程爱好者 cosplay道具师 ...

2014-08-27 18:50

用火箭把潜艇推到亚轨道上去估计有戏...

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如果全程空泡巡航的速度,两小时是没问题的。

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感觉以后军舰上不会再有大炮了

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为什么没有观光或者旅游载客的潜水艇的呢?

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公孙智深眼睛雪亮的无知群众

2014-08-28 11:11

看翻译后的,貌似是里面有一句超空泡技术理论上能达到音速5800多少多少,差不多2小时横渡太平洋什么的。结果213记者们就发散思维了。把理论上的极限当成结果了……

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要是有这项技术并且早点商业化的话就不要那么累着坐飞机了,高铁之后出高艇了。唉可惜是假的。。。

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超空泡高速潜艇本身就是一个毫无意义的东西。如果是军事用途,巨大的空泡航迹在没发动攻击前就被敌方发现并击沉了。如果是民用?我们干嘛非要在水下制造超空泡?直接在水面上或空中阻力不是更小么?

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流体的阻力有两个部分,一个可以通俗的说成是挖开前方的液体和填上后方的空洞——造成的压强差。另一个就是液体本身的粘性,摩擦表面的阻力。所以显而易见,一个东西越是细长,他受到的第一种阻力就越小(细所以挖开的水量小)、第二种阻力就越大(长所以接触面积大)。超空泡技术可以解决掉第二种阻力,把第二种阻力从水变成气体,相比水中所以可以忽略不计了。而第一种阻力,也就是具体来说在水中运动产生阻力的最大一部分,是毫无疑问无法消除的。也就是说,这种技术下的潜艇受到的阻力是远远大于飞机的。

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喷射推进的发动机没有例外受到动量守恒和能量守恒两个定律的限制,高中物理课都学过的。通俗地说,推进时反方向射出去的物质,动量都是一致的,但这部分物质的质量越大,越沉,他们带走的能量就越小。
好比说你坐在滑板上向身后zhuai乒乓球,你需要扔出极高的速度才能得到一定的推进力使自己向前运动(速度比等于质量反比),这时乒乓球带走的能量远远大于你获取的动能(能量比等于速度的平方比);如果你扔一个篮球,不需多费力,你就能获得可观的速度,而篮球带走的能量并不太多;甚至如果你推动的是地球(蹬地嘛不就是),地球可以说纹丝未动(几乎),那么所有的能量都被你自己获得了。
想必大家已经看懂,如果推进时喷水,发动机的效能是远高于喷气的。

综上所述,最快的交通工具毫无疑问是飞翼船:在水面上飞行,在水面下推进

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一个文科生的疑惑:从上海到旧金山是一条弧线吧?以这么快的速度走一个弧线,不会受到离心力的影响从海里面飞出来么?

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支持者: ming88208 大蚊蚊

自从发明了火箭后,人类就开始到处乱用了,绑在汽车上,就成超音速汽车了;绑在火车上,就成超音速火车了;绑在潜艇上,就成超音速潜艇了。。。这些地方阻力太大,明显不划算。真想快,直接挖隧道好了,就是电影《全面回忆》中的那种,到地球上任何地方都只需要42分钟,比这潜艇快多了。。。

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毛骡金属材料学博士

2014-08-28 06:51

我不懂空泡,最佳答案的讲解很好。只是,370公里时速还比不上一般的民航客机。飞机都要飞十几个小时……潜艇凭啥就能2小时到达对岸?就算走切圆的直线路径(假设有的话)也不行啊。370公里的时速,2小时连夏威夷都到不了。属于小学生级别的计算错误。

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应该叫超强动力技术,不应该叫超空泡技术,本末倒置嘛

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