随着人類造的船越來越大,所需要的螺旋槳也越來越大,旋轉的速度更快,螺旋槳的材料也越來越堅硬,比如美國航母福特号的四個螺旋槳直徑為6.4米,重量達到了驚人的30噸。

這些螺旋槳不可謂不堅固,對于衆多海洋生物來說,它們簡直就是噩夢般的存在,不僅能将小魚小蝦瞬間粉身碎骨,即便是幾十噸上百噸的鲸魚碰上了,也是重則死亡,輕則遍體鱗傷。因為有些大型海洋生物有跟随船隻尾流的習慣,還有的掠食性魚類會被螺旋槳上的血腥味吸引,是以船隻傷害到海洋生物的事件并不罕見。
隻不過,這些輕易秒殺各類海洋霸主的螺旋槳也有它們的天敵,而這個天敵竟然是小小的“氣泡”。
過去的時候因為人類的船隻速度比較慢,是以人們并沒有注意到這個問題,但是在1984年的時候,英國工程師發現“勇敢号”驅逐艦的主機功率、轉速和航速等名額都比設計名額要慢了好多,他們反複修改設計依舊沒能解決這一問題,直到增加了槳葉的盤面比。事後總結,人們終于發現了背後的罪魁禍首,竟然是螺旋槳高速旋轉時産生的“氣泡”。
在一百多年後,另一艘著名的大船“戴高樂”号航母上發生了同樣的事情。“戴高樂”号航母作為法國唯一的現役航母,雖然為法國立下了赫赫戰功,但是自出廠以來始終問題不斷,其中就有幾次著名的“斷槳”事件。先是發現螺旋槳的聲音太大,讓官兵無法入睡,然後沒過多久又發現螺旋槳槳葉變得坑坑窪窪,被腐蝕嚴重,回來換上新的之後出去海試的時候,走得好好的一個螺旋槳突然掉了,另外三個也熄火了,鬧了很多笑話,
要知道“戴高樂”号航母雖然不是什麼大航母,但是也有幾萬噸,屬于萬噸巨輪的行列了,為什麼會被小小的氣泡給難倒了?
說船隻的螺旋槳之前,我們先來說一種生物,這種生物名叫“手槍蝦”,是一種生活在熱帶淺海的小型蝦類。這種生物自帶一種秘密武器,就是它那一支巨大的“螯”,它的身長僅有五厘米,這支螯卻長達2.5厘米。不僅僅是外表大,它的特殊之處在于并不是被用來像其他蝦蟹一樣夾人的,而是發射一枚“水流子彈”擊倒對方。原來,這種蝦的大螯能夠瞬間閉合,并且射出一枚時速達到100km/h的水流彈将對手擊殺甚至直接貫穿。
不要驚訝,它的巨螯在閉合的時候,能夠發出高達210分貝的巨大聲響,激起一陣高速水流,并且水流中附帶着大量的毫米級氣泡。這些毫米級氣泡破裂的時候,能夠釋放巨大的能量,加上水流的沖擊,足夠傷害它的對手。
那麼為什麼一隻小小的手槍蝦釋放的流水汽泡彈就有這麼強大的殺傷力呢?這裡面和傷害輪船槳葉的原理其實是一樣的,作用在輪船槳葉上,它被稱為“空蝕”。“空蝕”分為兩個過程,一個是空化,一個是氣蝕。
我們先說“空化”現象。在我們的印象裡,水似乎隻有在被加熱被燒開的時候,才會沸騰汽化,但是我們也知道,水的汽化溫度,是受壓強影響的。當壓強很低的時候,水汽化所需要的溫度非常低,這也就是為什麼高原上的水比平原上容易沸騰。并且相對于水的沸騰,空化現象是一個更迅速、更猛烈的過程,短至幾百到幾千分之一秒。
這個空化常數有一個公式,比較複雜,我這裡就不寫了,大緻可以看上圖,可以看到當壓強非常低的時候,水的汽化溫度也變得非常低。這就意味着如果在海裡此海域的海水溫度為20℃,那麼壓力隻需要小于等于238帕,水就能汽化。
然後我們再說氣蝕。按照著名的流體力學伯努利原理中最著名的推論,我們可以知道當等高流動時,液體流速越大,壓力就越小。在我們的中學教材裡,我們被告訴飛機的橫截面能夠形成壓力差,進而将飛機擡起來(這個理論在今天看來并不全面),而船的螺旋槳的橫截面,其實也是和飛機的翅膀差不多的。
當輪船的螺旋槳高速轉動的時候,槳葉的背面某處的壓力因為迅速降低,低到了這個溫度下水汽化所需要的壓強,那麼此處的海水就會迅速變成氣體,在此形成”空域“。這個産生的氣泡會跟随螺旋槳的水流迅速流動到高壓力地區,并且被高壓力瞬間擠破,這個壓破的過程非常短,隻有百分之一至千分之一秒的時間,因而能夠産生時速高達幾千公裡的射流和沖擊波,對槳葉産生高達4000千克力每立方厘米的沖擊力,同時伴随着兩百多分貝的噪音和幾千攝氏度的局部水溫。
就像我們開頭說的手槍蝦,手槍蝦也是加速了液體的速度,減少了液體局部的壓強,進而導緻水汽化,然後又被高壓力迅速擠破,進而産生巨大的能量殺死對方。這種高速沖擊不是一次性的,而是連綿不絕的,就好像有成百上千隻手槍蝦在不停地轟擊着螺旋槳,如果螺旋槳的材料不夠堅硬,長時間經受這種沖擊的話,就會慢慢出現”腐蝕現象“。
根據”空泡“産生的原因、形狀和位置的不同,這些空泡會對螺旋槳産生不同的負面影響,有的能迅速”腐蝕剝離“螺旋槳,有的能讓螺旋槳産生巨大的噪音,有的則是兩者都有。比如産生于槳葉下遊的渦空泡,就會顯著增加槳葉的噪音,是以“戴高樂”号上的官兵無法入睡也是理所應當了。
其實不僅僅是輪船的螺旋槳,即便是攔水的大壩,在洩洪的時候,也會飽受其困擾。既然“空蝕”現象的危害這麼嚴重,那麼有什麼應對措施嗎?應對措施毫無疑問是有的,否則今天的高速巨輪就不得不經常更換螺旋槳了。
首先我們能想到的措施,就是優化制作螺旋槳的材料和制作精度,或者在表面塗上抗剝蝕的油漆和特殊材料,比如俄羅斯就采用钛合金和碳纖維複合材料制作螺旋槳。
其次我們也可以減少機關面積推力,比如增大螺旋槳盤面積或者增加螺旋槳的槳葉數(過去很多潛艇就是采用的七葉槳),又或者改變槳葉剖面的形狀,降低槳葉最大降壓系數,延緩空泡的産生,還可以加設導流罩、泵噴、在槳葉葉根處打孔形成空泡墊等。
當然,這些破壞槳葉的空泡也并非一無是處,它們現在也被用在武器上用以減少水下阻力,最著名的應用案例就是俄羅斯的“超空泡魚雷”。這種魚雷能夠主動或被動地産生一層氣泡并且附着在魚雷表面,減少阻力(被動産生就是高速産生)。
蘇俄的VA-111“暴風”魚雷能夠達到200節甚至250節的驚人速度,是普通魚雷的六倍,非常難以攔截,美國和德國也正在聯合研制這類武器,但是俄羅斯一直是這類武器的集大成者。在民用領域,空泡減阻的優勢也得到越來越多的重視,未來可能會出現相應的交通工具。
隻能說,人類對于空泡的防禦和利用,完美地印證了”水能載舟亦能覆舟“這句話。