鱼雷在水里行驶的时候,为何很难被发现?

打水漂,是一种常见的娱乐活动,就是向水面上扔扁平的石头,以被水面弹起的次数取胜。不同的民族都有他们自己的名字,例如在美国叫做Stone Skipping,在英国叫Skimming Stone。 这个词在汉语和英语中同时都有一个引申义。但是并不相同。在汉语中是投资失败,在英语中是挥霍财产。

弹跳炸弹(Bouncing Bomb)是一种特殊设计的炸弹,透过外形以及精密计算的投掷时间和高度,在水面上反复的跳跃一段距离后才与目标撞击并且引爆。在弹跳的过程当中,炸弹可以避开像是鱼雷保护网的障碍物而成功破坏目标。第一种实际使用的弹跳炸弹是英国皇家空军于1943年5月对德国鲁尔区水坝进行惩罚作战(Operation Chastise)时所使用的保养(Upkeep)炸弹。

打水漂是人类最古老的游戏之一,这种游戏规则相当简单:看谁的石子在水面跳跃的次数多。

科尔曼·麦吉,美国得克萨斯州人,一直保持着在1992年创造的打水漂吉尼斯世界纪录。当时麦吉抛出的石子穿过得克萨斯中部布兰克河,并在河上一直跳跃了38下。怎么才能击败麦基呢?

一天法国里昂大学利德里克·博凯博士和八岁的儿子出去散步。在一条河边两个人玩起了打水漂,儿子问他,怎样打水漂可以打得更远呢?像千千万万回答儿子问题的父亲一样,博凯博士将自己在小时候就精通的打水漂游戏亲身示范给儿子。比如要使用扁平略圆的石块抛向水面,越用力就越能让石子在水面有更多弹跳;而且石块在抛掷时必须旋转,同时石块要尽可能以较小掠射水面的角度沿水面飞行等等。

父子一同打水漂(网络图)

看着石块在水面上留下的朵朵涟漪,物理学家的脑袋冒出了一个离奇的想法:为什么不用物理学的知识把打水漂的过程搞清楚呢?于是这位物理学家开始了艰苦的研究。日后当记者采访他时,他说:“我把打水漂作为一种有趣的业余爱好,而物理学能够帮助我们更好的理解日常生活。”

后来这位科学家的业余爱好变成了一组研究打水漂的方程式发表在2002年的《美国物理学季刊》上。根据他的方程式,要想达到麦吉所创造的打水漂世界吉尼斯纪录的顶峰——38下,要求一块石头以25英里/小时(每小时40公里),每秒14转的方式抛出。而真正的秘诀在于你扔的石头应当在20度的“黄金角度”撞击水面。

博凯的方程式还预言,石块弹跳,只有在抛掷的初速超过某个临界值时才会发生,旋转的石块能使飞行稳定,而且提高弹跳几率;而且,弹跳的次数多寡取决于入射水面石块的速度有多快,当然,这也取决于石块抛掷的初速。但在实际上,弹跳次数受角度不稳定因素限制,角度不稳定因素与运动速度无关,因而弹跳次数取决于对继续飞行至关重要的第一次弹跳。

这篇论文得到了马塞大学失去平衡现象研究所戈兰妮特的注意,他和他的学生从这篇论文中汲取了灵感制造了一台自动投掷机,利用自动投掷机将直径5公分,厚度2.75mm的铝制圆盘投入2公尺长的水池,用以模拟打水漂的过程,并用高速相机将整个实验记录下来——飞碟接触水面的时间通常不到百分之一秒。实验印证了博凯的发现是正确的。

“天鹅座”货运飞船坠入大气层瞬间(网络图)

科学家所做的打水漂试验有着十分重要的实际意义。它可以帮助物理学家模拟航天器重返地球时进入大气的过程:当航天器从空气稀薄的太空重返地球,进入“浓密的”大气层,他的运动方式就与打水漂有几分类似,也有一个在大气中“弹跳”的过程。若航天器与大气的接触角度太小,航天器就会像水漂一样被弹回太空。因此打水漂实验将帮助物理学家更精确地模拟航天器回收过程,根据模拟的结果更精确的设定航天器进入大气层的角度和速度,提高回收成功率。

打水漂是人类最古老的游戏之一,据推测从石器时代就开始了,如何将水漂打得既多又远,一直是人们感兴趣的问题。杰丹·科尔曼,美国得克萨斯州人,一直保持着在1992年创造的当今吉尼斯世界纪录。当时他抛出的石子穿过得克萨斯中部布兰克河,并在河上一直跳跃了38下。

现在来简单分析一下打水漂背后的物理学原理。根据流体力学的原理,流速越大压强越小。当物体(密度比水大)掠过水面时,带动它下面的水在非常短的时间内快速流动,从而压强减小,而更下面的水是静止不动的,产生的压强大,如此就对物体产生一个压力,当压力大于物体的重力时,物体就会弹起,这样的情况重复多次,物体就会出现在水面上跳跃的情况。当压力小于重力时,物体就沉入水中。此外,当物体旋转时,能更加带动水的流动,跳跃的次数会更多。

其实科学家们还没有能揭示出石头为什么能在水面滑行的更加科学的奥秘。人们设想这其中应该包括诸多因素;如,万有引力,空气动力学,流体力学,固体与液体之间的磨擦作用,作用力与反作用力,水面的张力,石头的表面构造、石头的大小与形态、角度,加上动力的“正常”法则——质量、速度、摩擦与惯性,线性动力和角度等等。

关于打水漂的研究,法国科学家于2005年下半年取得了非常大的进展。

马赛大学失去平衡现象研究所的克里斯托弗·克兰尼特和他的两位同事制作了一个“打水漂机”,实际上就是个机械化弹弓,用来发射不同大小的铝制飞碟。科学家向一水池发射飞碟,同时用高速摄像机将飞碟在水面弹跳的过程拍下来——飞碟接触水面的时间通常不到百分之一秒。

在试验中,研究人员改变了飞碟的直径、厚度、速度以及入水角度和旋转等因素,经过反复尝试,他们终于发现了打水漂的奥秘:关键在于角度。如果石块入水的角度大于45度,它根本弹不起来,会直接沉入水中;当石块与水面的夹角为20度时,它在水面上弹跳的次数最多,“这就是打水漂的黄金角度”,克兰尼特补充说,旋转的石块要比不旋转的弹跳次数更多,因为旋转可以使石块更稳定,并减少消耗的动能。水漂的数量还与石块的速度成正比,直径5厘米的铝片以20度夹角接触水面时,速度必须达到每秒2.5米以上,否则就会落水。而扁平、圆形的石块则是打水漂最理想的材料。

克兰尼特的打水漂实验有着非常大的实际意义,当航天飞机从太空返回地球时,进入大气层的过程与打水漂有几分类似,也是一个“弹跳”的过程。若航天器与大气的接触角度太小,航天器就会像水漂一样被弹回太空。科学家们根据打水漂实验的结论,能更准确的模仿航天飞机的回收,据此更精确的设定航天器进入大气层的角度和速度,从而提高了回收的成功率。

PAGE PAGE 1 水下的暗战(四)      涂林峰         艇身敷设有消声瓦的英国“前卫”级战略核潜艇   前篇讲了目标舰艇在采取了有效的水声侦察措施后,通过对信号分析,就能采取有针对性的水声对抗措施了。按照工作原理,水声对抗器材主要分为两类:压制类和诱骗类。前者一般是利用水声对抗器材发射大功率声波信号,覆盖一定范围的频段,通过无用噪声信号掩盖被保护舰艇的目标信号,从而破坏或降低对方水声探测设备的正常探测能力。压制性水声干扰可以使对方舰艇的声呐系统难以在远距离外发现和定位我方目标,使对方发射的声自导鱼雷无法捕获或跟踪我方舰艇,作用距离下降甚至无法正常工作。诱骗类水声对抗则是通过模仿我方真实舰艇的声场特征,伪造一个声学假目标出来,使对方声呐系统或声自导鱼雷跟踪的是假目标,从而起到隐真示假的目的,这类器材也被称为水声诱饵。当水声诱饵在模仿真实舰艇的声场特征时,对付主动声呐和被动声呐时模仿的是不同的信号特征,对抗的原理截然不同。在对付被动声呐时,水声诱饵模仿的是被保护舰艇的自辐射噪声,不同舰艇的自辐射噪声的信号强度是不同的,比如潜艇的辐射噪声就比水面舰艇要小。水声诱饵在对付主动声呐时则模仿的是对方主动声呐“照射”被保护舰艇后产生的回波信号,我们可以称之为“声RCS”,因为它类似于空中目标(如战斗机)的雷达散射截面积(Rcs),“声RCS”值的大小主要取决于舰艇的外形设计,以及是否涂覆有吸波材料等。      噪声干扰器类似于一个在水中不停制造无用噪声的水下“大喇叭”,是一种技术水准相对较低的水声干扰器材   目前来说,不管是水面舰艇还是水下的潜艇,其采取的声隐身技术(降噪措施)主要针对的是舰艇的自辐射噪声,对舰艇的“声RCS”值的控制较为困难。不过某些声隐身措施如潜艇上敷设的消声瓦,既可降低舰艇的自辐射噪声,也可降低“声RCS”特征。此外,对于无源水声干扰器材来说,它主要是通过阻断水下声信号的正常传播路线,从而破坏对方声呐系统或声自导鱼雷的探测性能,可同时对主动声呐和被动声呐进行。   水声干扰器材按种类可分为噪声干扰器、声诱饵和气幕弹。前两者属于有源干扰设备,气幕弹则属于无源干扰器材。其中,噪声干扰器的作用原理即为“压制”,声诱饵为“诱骗”,而气幕弹则是“阻断”。噪声干扰器的工作原理是通过向水中发射强噪声信号来压制敌方声呐系统和声自导鱼雷的正常探测,降低其探测和跟踪性能,甚至导致其无法正常工作而丢失目标。噪声干扰器既可以干扰主动声呐也可以干扰被动声呐。对于主动声呐和主动声自导鱼雷,噪声干扰器通过发射大功率杂波信号进行宽带大功率压制性干扰;对于被动声呐和被动声自导鱼雷,在远距离上,对方被动声呐系统会将噪声干扰信号当作目标舰艇的噪声辐射信号,而在近距离上,噪声干扰器可以造成对方被动声自导鱼雷的接收机饱和阻塞,从而掩盖目标舰艇的噪声信号,使目标舰艇不被鱼雷所接收和识别。噪声干扰器可以分为高频噪声干扰器和低频噪声干扰器。前者主要用于对抗来袭的声自导鱼雷,低频噪声干扰器主要用于对抗舰载声呐系统,这是因为声自导鱼雷和舰载声呐系统通常都工作于不同的声频段,因此需要进行区别对待。不过,现在已经出现了宽带噪声干扰器,可同时具备对抗声呐系统和声自导鱼雷的能力。在用于干扰来袭声自导鱼雷时,噪声干扰器的工作时间需要大于15分钟,而在用于干扰舰载声呐系统时,其工作时间需大于40分钟。   由于噪声干扰器发射的是随机的噪声干扰信号,类似于一个在水中不停制造无用噪声信号的水下“大喇叭”,因此它属于一种技术水准相对较低的水声干扰器材,在实际使用中也有一定的限制。现代先进的舰载主动声呐系统发射的声脉冲信号具有特定的功率和信号形式,因而通常都具备一定的抗宽带噪声干扰能力,所以噪声干扰器在对抗对方先进主动声呐系统时的效果恐怕并不如人意。噪声干扰器在用于对抗对方的被动声呐系统时,只要有足够的发射功率和工作时间,再配合以被保护舰艇的机动措施,一般都可以取得较为理想的对抗效果。不过噪声干扰器的主要作用还是用于抑制对方主动声呐系统的探测,这主要是因为噪声干扰器一旦使用,即会暴露我方舰艇的存在,而这往往是对方的被动声呐所求之不得的。由于噪声干扰器的作用原理是通过施加大量的无用噪声信号来“淹没”对方声呐的有用探测信号,才能“掩盖”有用信号。从某种角度上讲,噪声干扰器是在和对方的声呐系统比拼发射能量,发射功率越高,则对方主动声呐的有效作用距离就被压缩的越小,越有利于我方舰艇摆脱对方声Ⅱ内系统和声自导鱼雷的探测与跟踪,当发射功率足够大时,甚至会使对方舰艇的主动声呐或鱼雷的主动声自导系统致盲,丧失探测能力。而且,既然是“淹没”对方的有用声信号,也要求噪声干扰器应当具备较宽的频率覆盖范围,并且要有一定的持续工作时间,以保证被保护舰艇有足够的时间通过机动摆

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