可使潜艇变身无声杀手,旨在降低能源成本

作者: 军事纪实  发布:2019-11-22

  据美国《大众机械》月刊网站7月6日报道称,美国密歇根大学正在开发的一种新型防水涂层,可能为美国海军舰艇降低燃油成本。该涂层使舰艇更易分水行进,从而提高燃油经济性。这种新涂层也可以让各种舰艇,尤其是潜艇更快更安静。

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  报道称,得到美国海军研究办公室资助的密歇根大学研究人员正尝试为船体开发耐用的“超疏水”涂层。水在流经气泡时遇到的摩擦力小于经过船体时的摩擦力,因此解决方案是用数以百万计的微小气泡覆盖船体。这能降低阻力,也能减少驱动一艘舰艇所需的能量。这意味着军舰燃油效率得到提高,航程变得更远。

为了让舰艇和潜水艇能变得更加灵活,美国海军研究办公室(ONR)资助了一项“疏液”涂层研究。它将不仅具备防水的能力而且还能阻挡像石油、酒精甚至花生酱等其他物质。密歇根大学研究生助理Mathew Boban将十六烷油倒入覆有一层多糖膜的载玻片上。石油基高粘度油很容易地从玻璃上滑落下来。这项研究旨在减少舰船、潜艇和无人驾驶水下舰船上的摩擦阻力(船体在水中运动时产生的阻力)。

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该涂料可排斥水、油、酒精甚至花生酱。它可为美国海军节省数百万美元的船舶燃料成本,同时还可减少船只能源消耗量并提高船只运行效率。

  图为美海军装备的核潜艇。这型潜艇可能因新型船体涂层而提升安静性能

澳门官方游戏平台网址,海军研究办公室正在资助密歇根大学材料科学与工程学副教授Anish Tuteja博士关于新型“多功能”涂层的研究。这种化学涂层清洁、耐用,可应用于许多表面,并可排斥几乎所有液体。

  密歇根大学材料科学与工程副教授阿尼什·图特贾称,舰艇60%或更多的燃油消耗是为了克服阻力。即使阻力仅减少20%,也能大幅节省燃油。密歇根大学这一团队试验了数百种涂层,才找到正确的混合物——其配方显然是机密。下一步是使这种涂层足够耐用,可在水下使用多年,以便海军不必持续不断地对涂层进行维护。

海军特别感兴趣的是,在船舶、潜艇和无人水下航行器的水下航行中,该涂料是如何减少由船体运动所产生的摩擦阻力。

  报道称,除了可提升燃油效率外,超疏水涂层还具有两大潜在益处。一是覆盖有这种涂层的舰艇速度得到略微提升,因为阻力有所降低。另一个潜在益处是,舰艇变得更安静,这也是阻力降低的结果。在海面下,安静意味着一切,它使得潜艇能够悄悄接近目标,在发动袭击后悄然撤离。美国海军目前在潜艇上覆盖着无回声涂层、橡胶涂层或聚合物消声瓦,这些材料被用胶固定在船体上,降低舰艇被特定声呐频段发现的可能性。

我们可以把摩擦阻力比作在游泳池里面慢跑。由于水的阻力,每前进一步都会更加得困难,需要消耗更多的精力和体力。

  报道评论称,虽然这些做法一直到2017年都有效,但美国海军面临无回声涂层在海上脱落的难题。另一方面,超疏水涂层可能是一个更长久的解决方案,它还具有使潜艇更难被所有类型声呐探测到的额外好处。

“在船舶燃料消耗量中,相当大的比例将用于保持速度并克服摩擦阻力,”ONR海战部与武器部项目官员Ki-Han Kim博士如是说到。“如果我们能找到一种可大幅降低摩擦阻力的方法,船只将消耗更少的燃料或电池能量,并可在更大范围内施工作业。”

  除了军事用途,超疏水涂层也对航运业意义重大。这种涂层可以减少在全球运输货物所需要的燃油,降低商业航运的燃油成本。

Tuteja博士的超疏液涂料也许是一个解决方案。想象一下,两艘船以同样的速度航行—一艘需要克服摩擦阻力,而另一艘船体表面覆有一层涂层,使水极易形成水珠并滑离船体。理论上,涂有涂料的船体可明显降低燃料消耗。因为在保持速度的同时,它不需抵抗那么多的水阻力。

尽管防水涂料并不是什么新产品,但目前很难制造出能够排斥大多数液体的涂料,而且足够坚韧以长时间粘在各种表面上。比如说,采用涂有聚四氟乙烯的平底锅。水会成珠并滚下锅,而烹饪油则会蔓延至各处。

“研究人员可能会采用非常耐用的聚合物基质和非常具有排斥性的填料,并将它们混合在一起,”Tuteja博士说道。“但这并不一定就能生成耐用的防水涂料,不同聚合物和填料具有不同的可混合性。只是机械地将最耐用的单独成分混合在一起,最终并不会形成最耐用的复合涂料。

为了设计他们的创新涂层,Tuteja博士和他的研究团队研究了大量已知化学物质的计算机数据库。然后,他们根据每种物质的分子属性输入复杂的数学方程,以预测在两种物质混合时,任何两个物体的行为。在分析了数百种组合后,研究人员终于找到了正确的组合。

分子间的联姻在实验室测试中受到了打击。类似橡胶的组合可以喷涂、刷涂、浸渍或旋涂到多个表面上,并紧密结合。涂层还可以承受刮擦、凹陷和其他日常使用危害。分子分离的方式使涂层光学上清晰可见。

除了减少摩擦阻力之外,Tuteja博士还考虑到海军关于多功能涂层的其他需求—包括保护传感器、雷达和天线等昂贵设备免受天气影响。

除了可减少摩擦阻力的超疏不粘液涂层之外,ONR还资助其他类型的涂层研究,以防止船舶和飞机腐蚀以及防止生物污染。类似的涂层也可防止船只在寒冷地区行进时结冰,或许比传统方法如刮削更易除冰。

Tuteja博士的团队正在进行关于超疏液涂层的进一步测试,但他们计划在未来几年内就为小规模的军事和民用应用做好准备。

原文来自:PHYS ORG,原文题目:Repellent research: Navy developing ship coatings to reduce fuel, energy costs。

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