超空泡射彈的發(fā)展與應(yīng)用

超空泡射彈的發(fā)展與應(yīng)用

1水下超空泡射彈超空氣泡法是一種創(chuàng)造性的抗疲勞動(dòng)劑法，可以達(dá)到90%的水下速度。利用這種技術(shù)研制水下超空泡射彈,可以突破普通射彈水中運(yùn)動(dòng)極限,顯著減小水中射彈的速度,大大增加射彈的行程和殺傷力,從而為艦(潛)艇提供有效的防御能力。超高速超空泡射彈所具有的重要戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用價(jià)值,吸引了眾多國(guó)家紛紛投入大量的人員和資金對(duì)其進(jìn)行研究。2試驗(yàn)研究階段70年代,為提高水中兵器的速度,俄美曾設(shè)計(jì)了不同的水中兵器,它們都以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為推進(jìn)動(dòng)力,這就是早期的超空泡射彈的雛形,并為設(shè)計(jì)超空泡射彈打下了技術(shù)基礎(chǔ)。首次公開(kāi)展出超空泡射彈樣機(jī)的國(guó)家是俄羅斯。1994年10月在雅典防務(wù)展覽會(huì)上,俄羅斯展示了“疾風(fēng)”超空泡射彈樣品。同樣,在1995年3月阿布扎比國(guó)際防務(wù)展覽會(huì)上也陳列了該樣品,并從6月的技術(shù)報(bào)告得知,“疾風(fēng)”高速反潛彈是一種采用超空泡原理的水中兵器,彈徑533毫米、彈長(zhǎng)8230毫米,可攻擊水深400米范圍內(nèi)的潛艇目標(biāo),水下運(yùn)動(dòng)速度約為83.3米/秒。1999年阿布扎比國(guó)際防務(wù)展覽會(huì)上向國(guó)際社會(huì)公開(kāi)了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的E型Shkval(見(jiàn)圖1),速度高達(dá)90-100米每秒,不僅可以高速攻擊敵方潛艇,而且能夠反擊敵方發(fā)射的魚(yú)雷武器,是目前已知唯一的定型并裝備部隊(duì)的武器,并已經(jīng)向少數(shù)國(guó)家出售,如印度和法國(guó)等。據(jù)傳俄羅斯目前正在研究帶自導(dǎo)和更高速的水下導(dǎo)彈,以及超空泡高速潛艇。另外,有報(bào)道說(shuō)俄羅斯還利用超空泡減阻原理設(shè)計(jì)了水下步槍,可以有效殺傷20m以外的生物,并已經(jīng)裝備了俄羅斯的蛙人部隊(duì)。隨著俄羅斯超空泡武器的面世,超高速航行體逐漸揭開(kāi)其神秘的面紗,成為各國(guó)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn),并引起了全世界對(duì)超空泡技術(shù)研究的濃厚興趣。美國(guó)在1995年7月法國(guó)嘎納水下防務(wù)技術(shù)研討會(huì)上展示了機(jī)載快速滅雷系統(tǒng),它利用20毫米的超空泡射彈,可擊穿由機(jī)載藍(lán)綠激光探雷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的水深50英尺范圍內(nèi)的錨雷和沉底雷。近幾十年來(lái),美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心(NUWC)在高級(jí)國(guó)防研究計(jì)劃局(DARPA)和美國(guó)海軍研究所(ONR)的支持下,探索研究了兩種實(shí)用的超空泡技術(shù):高速水下彈藥系統(tǒng)(AHSUM)系統(tǒng)和超空泡魚(yú)雷。最新研發(fā)的AHSUM系統(tǒng)包括先進(jìn)的發(fā)射裝置和可以在水下以超音速運(yùn)動(dòng)的射彈,這套高速發(fā)射水下射彈系統(tǒng)可以為水面艦艇和潛艇提供有效的末端防御。圖2為實(shí)驗(yàn)用垂直真空發(fā)射水柜(VVLT)和一組高速照片記錄,照片記錄了當(dāng)與水的自由表面成一定入水角度時(shí)超空泡物體入水時(shí)的運(yùn)動(dòng)。VVLT由圓柱形水柜組成,水柜可以安裝與水平面成各種不同角度,水柜中有射彈器、觀察窗和射彈捕獲器。超空泡魚(yú)雷的研究在發(fā)射、水動(dòng)力特性、聲學(xué)、制導(dǎo)和控制以及推進(jìn)裝置等領(lǐng)域,還存在許多技術(shù)難題有待解決。德國(guó)在超空泡水中兵器的研究方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究工作,二戰(zhàn)期間,德國(guó)就開(kāi)始進(jìn)行超空泡射彈的試驗(yàn),70年代曾立項(xiàng)研究SHG3型超空泡射彈式水雷。90年代末,由于安全形勢(shì)的變化,這項(xiàng)水雷的研究工作未繼續(xù)下去。該型水雷的主要特點(diǎn)是不帶推進(jìn)裝置和制導(dǎo)系統(tǒng)。除此之外,80年代初,德國(guó)還研究了超空泡水下導(dǎo)向射彈在運(yùn)動(dòng)中的性能,在射彈上配置慣性測(cè)量裝置,為控制此類射彈打下基礎(chǔ),此后,德國(guó)又在高速水中兵器的導(dǎo)向方法方面進(jìn)行了深入研究。2003年,德國(guó)超空泡水下兵器的研究進(jìn)入試驗(yàn)研究階段。德國(guó)超空泡武器的試驗(yàn)研究任務(wù)由德國(guó)WTD71技術(shù)中心承擔(dān),該技術(shù)中心主要研究國(guó)防艦艇與海軍武器技術(shù)。德國(guó)很早就建立了可在試驗(yàn)室條件下對(duì)1:l的超空泡水下射彈進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)施?？沙袚?dān)所有試驗(yàn)的場(chǎng)地有兩處與操縱、控制和聲吶有關(guān)的試驗(yàn)在WTD71中心分部的水下試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于石勒蘇益格·荷爾斯泰因州梅爾多夫市附近的埃爾泊比特爾,有一個(gè)長(zhǎng)500米、寬150米,與波羅的海相通的水下試驗(yàn)場(chǎng)。在試驗(yàn)場(chǎng)的海底布設(shè)了122個(gè)(原為244個(gè))傳感器陣的固定磁測(cè)量系統(tǒng)和聲跟蹤系統(tǒng)。試驗(yàn)用超空泡水下武器從水下發(fā)射裝置中發(fā)射.在發(fā)射裝置附近設(shè)有機(jī)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和車間。另一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)位于巴伐利亞州的上野騰堡,屬于WTD52技術(shù)中心管轄。在該中心有一個(gè)深水垂直水筒,直徑5米,深度為60米,德國(guó)人將其稱為水下彈道模擬器。垂直水筒內(nèi)裝滿水,其中設(shè)有可上下移動(dòng)的水下攝影和攝像平臺(tái)以及磁軌跡跟蹤系統(tǒng),可高分辨率地記錄射彈的彈道與運(yùn)動(dòng)特性,視頻系統(tǒng)是一臺(tái)高分辨率的高速攝像機(jī)。所使用的試驗(yàn)射彈直徑為120毫米,長(zhǎng)2.2米,質(zhì)量50千克。頭部是超空泡發(fā)生錐體,其后分別是制導(dǎo)和控制裝置、控制電子裝置、電源裝置、慣性測(cè)量裝置以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等～。3模型構(gòu)建3.1空泡的產(chǎn)生機(jī)理根據(jù)超空泡射彈空泡產(chǎn)生的方式不同,射彈分為自然超空泡射彈和通氣超空泡射彈。自然超空泡射彈(見(jiàn)圖3a)是射彈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于流體的汽化而自然產(chǎn)生空泡,如俄羅斯淺水彈、烏克蘭超空泡射彈和美國(guó)脫殼超空泡射彈。其原理是根據(jù)伯努利方程:隨著射彈運(yùn)動(dòng)速度的不斷增大,射彈表面上最小壓力點(diǎn)處的壓力將不斷下降;當(dāng)其下降到某一數(shù)值時(shí)(這一數(shù)值與海水該溫度下的飽和蒸汽壓近似),在最小壓力點(diǎn)附近的氣核周圍的水開(kāi)始汽化,氣核中充滿水蒸氣和空氣,并不斷膨脹形成空泡。通氣超空泡射彈(見(jiàn)圖3b)是通過(guò)給射彈通氣的方法產(chǎn)生空泡,如俄羅斯深水彈。通氣超空泡主要有以下三種通氣方法(見(jiàn)圖4):(1)彈簧法從射彈頭部噴出的空氣射流圍繞物體形成一道氣封。(2)sedov法將細(xì)長(zhǎng)射流從射彈頭部噴入駐點(diǎn)區(qū)。(3)采用資本回收技術(shù)在空泡發(fā)生器邊緣(空泡脫體點(diǎn))噴氣。氣源法需要很高的氣流噴射速度,在實(shí)際研究中很少應(yīng)用;Sedov法是基于尾部壓力完全恢復(fù)產(chǎn)生推力的理想化條件,也很少用,但對(duì)于空泡數(shù)趨于零的情況,此方法有很好的效果;銳邊供氣法是目前人工通氣產(chǎn)生超空泡的最常用的一種方法。自然超空泡射彈優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,但對(duì)發(fā)射條件和彈性設(shè)計(jì)等有較高的技術(shù)要求。通氣超空泡射彈有利于超空泡的快速生成,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且對(duì)通氣速率的合理控制較難掌握。3.2射彈受力的變化空泡內(nèi)介質(zhì)的模型非常復(fù)雜,難以精確的物理描述。為了不同的需求,在研究中一般采用三種簡(jiǎn)化的物理模型:稀薄氣體模型、連續(xù)介質(zhì)模型和多層流體模型。稀薄氣體模型用來(lái)計(jì)算水滴和射流的影響。認(rèn)為水滴和射流以外部流動(dòng)的速度移動(dòng),并且互不相干。當(dāng)?shù)竭_(dá)航行體表面時(shí),他們的動(dòng)量將轉(zhuǎn)化為射彈的動(dòng)量:法相速度完全轉(zhuǎn)化為射彈的動(dòng)量,而切向速度則部分轉(zhuǎn)化。當(dāng)轉(zhuǎn)化為射彈的切向動(dòng)量較小時(shí),可以應(yīng)用稀薄氣體理論。這種理論可以給出簡(jiǎn)單的關(guān)系式來(lái)計(jì)算射彈的受力。連續(xù)介質(zhì)模型是把空泡內(nèi)看作連續(xù)的氣體介質(zhì),射彈看作是在氣流中的運(yùn)動(dòng)。但是定義氣體密度時(shí)應(yīng)考慮水滴和射流的影響。多層流模型是考慮射流和水滴沿空泡截面非均勻分布。他們的濃度在空泡邊界附近最大,越接近空泡軸越小?？张輧?nèi)部空間被劃分成幾層,每一層的密度為常數(shù),層與層之間各不相同。3.3空泡閉合區(qū)域的物理描述空泡閉合的穩(wěn)定性對(duì)于超空泡射彈的穩(wěn)定性有著很大的影響,對(duì)于空泡閉合區(qū)域的物理描述也是空泡動(dòng)力學(xué)研究中的難題。在目前超空泡理論研究中主要采用以下五種空泡閉合模型。(1)鏡像板的模型是一種空泡尾流封閉模型,空泡閉合于與空化器類似的固體表面。(2)流量模型過(guò)度流模型是一種空泡尾流的開(kāi)式模型,它是從空泡的末段端引出一條平行與翼行沾濕面的流線。(3)回射流模型回射流模型是空泡在閉合時(shí)有回射流產(chǎn)生,回射流將對(duì)航行體產(chǎn)生影響。(4)壓力恢復(fù)模型壓力恢復(fù)閉合模型是一種空泡尾流封閉模型。它假設(shè)空泡的厚度在末端變?yōu)榱恪?5)結(jié)構(gòu)模型的改進(jìn)雙螺旋渦模型是假定空泡終端的后面是向下游無(wú)限遠(yuǎn)處擴(kuò)展的伴流,把空泡壓力化成非擾動(dòng)流的壓力。鏡象板模型和過(guò)度流模型有幾何形狀簡(jiǎn)單,易于數(shù)學(xué)求解的優(yōu)點(diǎn),但是不能反映真實(shí)的流體情況;壓力恢復(fù)模型也較利于數(shù)學(xué)求解,但其壓力完全恢復(fù)的條件難以滿足;回射流模型和雙螺旋渦模型較真實(shí)的反映了空泡尾流的物理情形,但其數(shù)學(xué)求解較為困難。3.4空泡內(nèi)射彈的穩(wěn)定模式超空泡射彈的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性一直是超空泡技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)Savchenko的有關(guān)超空泡內(nèi)航行體穩(wěn)定模式的理論,下面給出空泡內(nèi)射彈的4種穩(wěn)定模式(見(jiàn)圖6)。G為射彈重量,為作用于空化器上的升力,為作用于射彈尾部沾濕區(qū)域上的升力。(1)2.空氣泡流方案，v.70m/s在此情況下,流體動(dòng)力阻力中心位于質(zhì)量中心后面,穩(wěn)定力矩作用于模型。滿足經(jīng)典穩(wěn)定條件。(2)沿空泡沫表面穩(wěn)定滑動(dòng)，v50ms200ms在此情況下,模型尾部沿空泡下表面滑行以補(bǔ)償浮力的損失。運(yùn)動(dòng)大體上是穩(wěn)定的,但模型可能在垂直面內(nèi)發(fā)生低頻振蕩從而失穩(wěn)。(3)邊界發(fā)生碰撞模型攻角和初始擾動(dòng)引起模型尾部同空泡邊界發(fā)生碰撞。模型碰撞后能進(jìn)行穩(wěn)定振蕩或阻尼振蕩,同時(shí)伴隨有尾部交替同空泡上、下壁相碰撞,使運(yùn)動(dòng)整體上保持穩(wěn)定。(4)空氣泡蒸汽飛沫介質(zhì)的相互空氣動(dòng)力學(xué)作用及v1000ms的s利用高速運(yùn)動(dòng)的射彈與空泡內(nèi)的氣體及空泡邊界附近射流的相互作用來(lái)維持射彈的穩(wěn)定。4空泡工藝和數(shù)值方法超空泡技術(shù)的數(shù)值研究,大多是圍繞二維或三維水翼展開(kāi),對(duì)于射彈回轉(zhuǎn)體空泡的研究比較少。超空泡射彈數(shù)值分析一般采用基于速度或速度勢(shì)的邊界元方法:根據(jù)不同的空泡閉合模型,在空泡邊界分布面元,通過(guò)反復(fù)迭代求出空泡和射彈組合體的壓力和速度分布。超空泡技術(shù)的數(shù)值研究,大多是圍繞二維或三維水翼展開(kāi),對(duì)于射彈回轉(zhuǎn)體空泡的研究比較少。超空泡射彈數(shù)值分析一般采用基于速度或速度勢(shì)的邊界元方法:根據(jù)不同的空泡閉合模型,在空泡邊界分布面元,通過(guò)反復(fù)迭代求出空泡和射彈組合體的壓力和速度分布。Kinnas和Fine發(fā)展了一種基于速度勢(shì)的邊界元方法用于超空化流分析,通過(guò)迭代可以快速得到收斂的空泡形狀。Ingber等采用直接邊界元法對(duì)零攻角和非零攻角細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體局部空泡進(jìn)行了分析,提出了一種綜合考慮空泡脫體點(diǎn)、脫體角和空泡長(zhǎng)度三者之間制約關(guān)系的空泡閉合模型,所采用的數(shù)值計(jì)算方法和Kinnas類似。J.Dang等采用回射流模型對(duì)空泡進(jìn)行了非線性分析,得到了三維泡面形狀。Rowe等采用有限元理論,在采用界面追蹤方法計(jì)算三維空泡繞流問(wèn)題方面進(jìn)行了有意的嘗試,并證明了該方法的可行性。Delannoy采用一個(gè)類似于的壓力修正算法,計(jì)算了無(wú)粘空泡流。Kubota等考慮了粘性,在汽泡兩相流的模型中求解了N-S方程。Chen等-基于兩相流理論求解三位N-S方程,并用一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式將密度與壓力相連。JurgenSauer將流體凝固過(guò)程的物理和數(shù)學(xué)模型推廣應(yīng)用于二維非定常空化流動(dòng),采用流體體積法求解得到空泡的周期性非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。Ventikos等-引入了一套實(shí)用的狀態(tài)變化規(guī)律,并采用可以處理變流體特性的單流體N-S方程及總焓方程,對(duì)定常和非定?？张萘鬟M(jìn)行了數(shù)值模擬。湯繼斌等基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,運(yùn)用可壓縮流N-S方程及k-ε湍流模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解,對(duì)對(duì)軸對(duì)稱體的空化、超空化流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。吳磊基于N-S方程研究了非零攻角局部空泡繞流問(wèn)題傅慧萍等-基于在物面分布源匯的面元法,對(duì)零攻角回轉(zhuǎn)體局部空泡繞流進(jìn)行了非線形分析;利用CFO商業(yè)軟件基于Rayleilr-Plesset方程的單一介質(zhì)對(duì)可變密度混合模型進(jìn)行了回轉(zhuǎn)體空泡流特性研究,得到了零攻角和非零攻角情況下的雙空泡及超空泡形態(tài)。馮光等應(yīng)用細(xì)長(zhǎng)體理論計(jì)算航行體在超空泡狀態(tài)下的流體動(dòng)力,模擬了超空泡狀態(tài)下的航行體水下彈道。高永琪對(duì)流體動(dòng)力數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了研究,給出了一個(gè)數(shù)值簡(jiǎn)單而有效的方法。袁緒龍等基于勻相流假設(shè),建立了自然空化流動(dòng)的多相流CFD模型。劉巨斌等采用基于傳輸方程的空化模型對(duì)定常自然空化流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了研究。熊永亮等采用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究了超空泡水下航行體在高速發(fā)射以后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。楊洪瀾等應(yīng)用時(shí)間有限差分離散化方法,分析了錐體空化器在做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)超空泡長(zhǎng)度和形狀的非定常變化規(guī)律。5空泡體測(cè)試實(shí)驗(yàn)超空泡射彈實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備主要包括水洞、水槽、牽引水池和發(fā)射水洞等。水洞和水槽屬于反向運(yùn)動(dòng)設(shè)備,一般由水池、水泵、水洞供給部分、工作區(qū)、空氣離析器等幾個(gè)部分組成。它是把射彈模型部分固定于工作區(qū)內(nèi),通過(guò)對(duì)水流速度的控制來(lái)獲取射彈模型不同相對(duì)速度下的空泡形成特性。這種方法操作性強(qiáng)且易于觀察測(cè)量,適用于空化器及彈形設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)研究工作。由于水流加速設(shè)備的限制,其一般針對(duì)低速超空泡射彈實(shí)驗(yàn)研究。牽引水池和發(fā)射水洞屬于順向運(yùn)動(dòng)設(shè)備,它是模擬真實(shí)的發(fā)射環(huán)境進(jìn)行實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn),能夠真實(shí)反映出射彈在水中的運(yùn)動(dòng)情況。廣泛運(yùn)用于高速超空泡射彈的實(shí)驗(yàn)研究。美國(guó)羅德島紐伯特海軍水下作戰(zhàn)中心發(fā)射水洞為研究各種空泡數(shù)下超空泡高速射彈的飛行和穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作。該發(fā)射水洞主要由發(fā)射系統(tǒng)、水下靶道、受彈器、測(cè)量設(shè)備、消音設(shè)施和射彈組成。發(fā)射系統(tǒng)包括彈道炮、發(fā)射架、電點(diǎn)火控制器等;水下靶道由倉(cāng)體、注水系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)組成;受彈器由鋼板、橡膠板和沙袋組成;測(cè)量設(shè)備包括水下測(cè)試傳感器、水下測(cè)試靶、高速攝影設(shè)備、水下照明燈等。發(fā)射水洞實(shí)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本高且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以記錄。國(guó)外在超空泡射彈實(shí)驗(yàn)研究方面取得了豐碩的成果。美國(guó)弗吉尼亞州漢普頓藍(lán)利拖拽水池成功實(shí)驗(yàn)了20mm高速超空泡射彈,美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心成功以亞音速和超音速發(fā)射了30mm高速超空泡射彈。我國(guó)在超空泡射彈實(shí)驗(yàn)研究