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手枪虾的秘密武器,舰船的噩梦,小小的气泡何以让万吨巨轮趴窝?

作者:塔姆科普趣闻

随着人类造的船越来越大,所需要的螺旋桨也越来越大,旋转的速度更快,螺旋桨的材料也越来越坚硬,比如美国航母福特号的四个螺旋桨直径为6.4米,重量达到了惊人的30吨。

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这些螺旋桨不可谓不坚固,对于众多海洋生物来说,它们简直就是噩梦般的存在,不仅能将小鱼小虾瞬间粉身碎骨,即便是几十吨上百吨的鲸鱼碰上了,也是重则死亡,轻则遍体鳞伤。因为有些大型海洋生物有跟随船只尾流的习惯,还有的掠食性鱼类会被螺旋桨上的血腥味吸引,所以船只伤害到海洋生物的事件并不罕见。

只不过,这些轻易秒杀各类海洋霸主的螺旋桨也有它们的天敌,而这个天敌竟然是小小的“气泡”。

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过去的时候因为人类的船只速度比较慢,所以人们并没有注意到这个问题,但是在1984年的时候,英国工程师发现“勇敢号”驱逐舰的主机功率、转速和航速等指标都比设计指标要慢了好多,他们反复修改设计依旧没能解决这一问题,直到增加了桨叶的盘面比。事后总结,人们终于发现了背后的罪魁祸首,竟然是螺旋桨高速旋转时产生的“气泡”。

在一百多年后,另一艘著名的大船“戴高乐”号航母上发生了同样的事情。“戴高乐”号航母作为法国唯一的现役航母,虽然为法国立下了赫赫战功,但是自出厂以来始终问题不断,其中就有几次著名的“断桨”事件。先是发现螺旋桨的声音太大,让官兵无法入睡,然后没过多久又发现螺旋桨桨叶变得坑坑洼洼,被腐蚀严重,回来换上新的之后出去海试的时候,走得好好的一个螺旋桨突然掉了,另外三个也熄火了,闹了很多笑话,

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要知道“戴高乐”号航母虽然不是什么大航母,但是也有几万吨,属于万吨巨轮的行列了,为什么会被小小的气泡给难倒了?

说船只的螺旋桨之前,我们先来说一种生物,这种生物名叫“手枪虾”,是一种生活在热带浅海的小型虾类。这种生物自带一种秘密武器,就是它那一支巨大的“螯”,它的身长仅有五厘米,这支螯却长达2.5厘米。不仅仅是外表大,它的特殊之处在于并不是被用来像其他虾蟹一样夹人的,而是发射一枚“水流子弹”击倒对方。原来,这种虾的大螯能够瞬间闭合,并且射出一枚时速达到100km/h的水流弹将对手击杀甚至直接贯穿。

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不要惊讶,它的巨螯在闭合的时候,能够发出高达210分贝的巨大声响,激起一阵高速水流,并且水流中附带着大量的毫米级气泡。这些毫米级气泡破裂的时候,能够释放巨大的能量,加上水流的冲击,足够伤害它的对手。

那么为什么一只小小的手枪虾释放的流水汽泡弹就有这么强大的杀伤力呢?这里面和伤害轮船桨叶的原理其实是一样的,作用在轮船桨叶上,它被称为“空蚀”。“空蚀”分为两个过程,一个是空化,一个是气蚀。

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我们先说“空化”现象。在我们的印象里,水似乎只有在被加热被烧开的时候,才会沸腾汽化,但是我们也知道,水的汽化温度,是受压强影响的。当压强很低的时候,水汽化所需要的温度非常低,这也就是为什么高原上的水比平原上容易沸腾。并且相对于水的沸腾,空化现象是一个更迅速、更猛烈的过程,短至几百到几千分之一秒。

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这个空化常数有一个公式,比较复杂,我这里就不写了,大致可以看上图,可以看到当压强非常低的时候,水的汽化温度也变得非常低。这就意味着如果在海里此海域的海水温度为20℃,那么压力只需要小于等于238帕,水就能汽化。

然后我们再说气蚀。按照著名的流体力学伯努利原理中最著名的推论,我们可以知道当等高流动时,液体流速越大,压力就越小。在我们的中学教材里,我们被告诉飞机的横截面能够形成压力差,从而将飞机抬起来(这个理论在今天看来并不全面),而船的螺旋桨的横截面,其实也是和飞机的翅膀差不多的。

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当轮船的螺旋桨高速转动的时候,桨叶的背面某处的压力因为迅速降低,低到了这个温度下水汽化所需要的压强,那么此处的海水就会迅速变成气体,在此形成”空域“。这个产生的气泡会跟随螺旋桨的水流迅速流动到高压力地区,并且被高压力瞬间挤破,这个压破的过程非常短,只有百分之一至千分之一秒的时间,因而能够产生时速高达几千公里的射流和冲击波,对桨叶产生高达4000千克力每立方厘米的冲击力,同时伴随着两百多分贝的噪音和几千摄氏度的局部水温。

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就像我们开头说的手枪虾,手枪虾也是加速了液体的速度,减少了液体局部的压强,从而导致水汽化,然后又被高压力迅速挤破,从而产生巨大的能量杀死对方。这种高速冲击不是一次性的,而是连绵不绝的,就好像有成百上千只手枪虾在不停地轰击着螺旋桨,如果螺旋桨的材料不够坚硬,长时间经受这种冲击的话,就会慢慢出现”腐蚀现象“。

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根据”空泡“产生的原因、形状和位置的不同,这些空泡会对螺旋桨产生不同的负面影响,有的能迅速”腐蚀剥离“螺旋桨,有的能让螺旋桨产生巨大的噪音,有的则是两者都有。比如产生于桨叶下游的涡空泡,就会显著增加桨叶的噪音,因此“戴高乐”号上的官兵无法入睡也是理所应当了。

其实不仅仅是轮船的螺旋桨,即便是拦水的大坝,在泄洪的时候,也会饱受其困扰。既然“空蚀”现象的危害这么严重,那么有什么应对措施吗?应对措施毫无疑问是有的,否则今天的高速巨轮就不得不经常更换螺旋桨了。

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首先我们能想到的措施,就是优化制作螺旋桨的材料和制作精度,或者在表面涂上抗剥蚀的油漆和特殊材料,比如俄罗斯就采用钛合金和碳纤维复合材料制作螺旋桨。

其次我们也可以减少单位面积推力,比如增大螺旋桨盘面积或者增加螺旋桨的桨叶数(过去很多潜艇就是采用的七叶桨),又或者改变桨叶剖面的形状,降低桨叶最大降压系数,延缓空泡的产生,还可以加设导流罩、泵喷、在桨叶叶根处打孔形成空泡垫等。

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当然,这些破坏桨叶的空泡也并非一无是处,它们现在也被用在武器上用以减少水下阻力,最著名的应用案例就是俄罗斯的“超空泡鱼雷”。这种鱼雷能够主动或被动地产生一层气泡并且附着在鱼雷表面,减少阻力(被动产生就是高速产生)。

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苏俄的VA-111“暴风”鱼雷能够达到200节甚至250节的惊人速度,是普通鱼雷的六倍,非常难以拦截,美国和德国也正在联合研制这类武器,但是俄罗斯一直是这类武器的集大成者。在民用领域,空泡减阻的优势也得到越来越多的重视,未来可能会出现相应的交通工具。

只能说,人类对于空泡的防御和利用,完美地印证了”水能载舟亦能覆舟“这句话。

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