超空泡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

超空泡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1水下力量風(fēng)速的提高由于水中航行的阻力約為航空飛機(jī)阻力的1000倍，傳統(tǒng)水下武器的普遍速度較低，存在技術(shù)難度差、路線(xiàn)短、精度低等缺點(diǎn)。為了提高水下航行的航行速度，提高水下武器的作戰(zhàn)性能，現(xiàn)在使用了兩種技術(shù)方法：增加動(dòng)力和減少航行阻力。由于在常規(guī)情況下,推力增加八倍才能將水下航行體的航速提高一倍.而有限尺寸的水下航行體限制了推力裝置的規(guī)模,因此用常規(guī)方法來(lái)明顯提高水下航行體的航速是很困難的.于是,各國(guó)進(jìn)行了大量研究工作來(lái)尋求降低水下航行體阻力的方法,如在水下航行體表面使用纖維分子,在表面粘敷一彈性材料,通過(guò)微孔表面散發(fā)氣體,在水下航行體和水之間的邊界層中噴射氣泡以及超空泡技術(shù)等等.超空泡技術(shù)是一種革命性的減阻方法,它可以使水下高速運(yùn)動(dòng)的航行體獲得90%的減阻量,是未來(lái)水下兵器降低阻力、提高航速、增大航程的重要手段和發(fā)展方向.本文主要介紹了超空泡技術(shù)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用現(xiàn)狀,并探討了超空泡技術(shù)研究中存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),最后分析了超空泡技術(shù)的應(yīng)用前景及其對(duì)未來(lái)海戰(zhàn)模式的影響.2國(guó)外超空泡發(fā)展現(xiàn)狀超空泡武器是20世紀(jì)末出現(xiàn)的一種全新水下高速武器,其巨大的減阻前景受到了西方國(guó)家的高度重視,俄、美、德、法等國(guó)很早就開(kāi)始這方面的研究工作.俄羅斯非常重視超空泡武器的研究工作,前蘇聯(lián)的烏克蘭流體力學(xué)研究所于1960年就開(kāi)始研制超空泡魚(yú)雷.20世紀(jì)70年代中期,俄羅斯設(shè)計(jì)出第一代超空泡火箭推進(jìn)魚(yú)雷,并于1997年裝備部隊(duì).俄羅斯的“風(fēng)雪”超空泡魚(yú)雷是目前已知的超空泡武器.這種魚(yú)雷長(zhǎng)8.23米,重2697公斤,最大速度可以達(dá)到100m/s,超過(guò)通常魚(yú)雷速度的3～5倍.據(jù)悉,俄羅斯目前試驗(yàn)研制的第二代“風(fēng)雪”超空泡魚(yú)雷采用發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制,具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性,并利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饣亓黝^部進(jìn)行超空泡補(bǔ)氣,速度可以達(dá)到200m/s,射程可以達(dá)到100km.美國(guó)在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了高速推進(jìn)器和水翼方面的超空泡研究,主要工作由美國(guó)國(guó)防研究計(jì)劃局(DARPA)和美國(guó)海軍研究所(ONR)領(lǐng)導(dǎo),致力于探索和發(fā)展兩種超空泡技術(shù):一項(xiàng)是開(kāi)發(fā)先進(jìn)高速水下彈藥系統(tǒng);另一項(xiàng)是設(shè)計(jì)、制造和評(píng)價(jià)水下航行體超空泡技術(shù)的試驗(yàn)臺(tái),其中重點(diǎn)在于發(fā)展炮彈和魚(yú)雷兩類(lèi)超空泡武器.目前,美國(guó)已經(jīng)成功研制出了一型機(jī)載高速反水雷射彈.在水溫10℃、水深1m、聲速為1495m/s時(shí),其最大水下速度可達(dá)3011節(jié).另?yè)?jù)外刊報(bào)道,美國(guó)也研制出了超空泡魚(yú)雷樣機(jī),外觀上和俄羅斯“風(fēng)雪”魚(yú)雷很相像,最大速度可達(dá)200節(jié).德國(guó)是世界上最早從事水下超空泡技術(shù)研究的國(guó)家.早在二戰(zhàn)期間,德國(guó)就已著手開(kāi)展超空泡技術(shù)在水下兵器領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究.20世紀(jì)80年代開(kāi)始,德國(guó)進(jìn)行了多項(xiàng)超空泡技術(shù)的研究工作,其中重點(diǎn)是可能作為未來(lái)反魚(yú)雷或反潛戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)的超空泡火箭的研制和試驗(yàn).據(jù)悉,德國(guó)超空泡火箭方案的各主要功能和構(gòu)件都在德國(guó)的梅爾多夫和杰滕堡的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了演示試驗(yàn).國(guó)內(nèi)對(duì)于超空泡技術(shù)的研究起步較晚,90年代初才開(kāi)始研制超空泡高速水下兵器.因此,很長(zhǎng)一段時(shí)間里關(guān)于空泡技術(shù)的研究都是在于防止與減緩局部空化現(xiàn)象和高速水中兵器的出入水等方面.目前國(guó)內(nèi)在這方面開(kāi)展的研究工作集中在通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究如何產(chǎn)生穩(wěn)定的超空泡,以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題的流體動(dòng)力學(xué)方面的分析.3pvpvpvbl、pp當(dāng)物體在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),流過(guò)物體表面各點(diǎn)的水流速度通常是不一樣的.如果不考慮重力的影響,那么根據(jù)伯努力定理可知,流速增高將導(dǎo)致局部壓力下降.當(dāng)水下運(yùn)動(dòng)物體表面的壓力降到接近該溫度下水的飽和蒸汽壓力時(shí),該局部的水將被汽化并形成蒸汽泡.這樣的起始空泡可能在壓力高于或低于水的蒸氣壓力時(shí)發(fā)生.在較高的流速下,物液界面上有許多點(diǎn)的壓力會(huì)降低到液體蒸汽壓力,并出現(xiàn)若干小而分散的蒸汽泡;當(dāng)壓力升高,這些小氣泡又將迅速潰滅,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為空化現(xiàn)象.目前,在理論界,對(duì)所有空化現(xiàn)象的基本描述都是一致的,通常用空化數(shù)δ和壓力系數(shù)Cp來(lái)定義空泡的空化程度和壓力分布.δ=P0?Pvρv2/2(1)Cp=P?P0ρv2/2(2)δ=Ρ0-Ρvρv2/2(1)Cp=Ρ-Ρ0ρv2/2(2)其中,P0是外壓,Pv是在一定水溫下的飽和蒸氣壓,ρ是航行體上任一點(diǎn)的動(dòng)壓力,v是水的密度,δ是水下航行體的速度,Cp是空化數(shù),是水下航行體任意一點(diǎn)上的壓力系數(shù).國(guó)內(nèi)外的理論研究均認(rèn)為:當(dāng)P大于Pv時(shí),在水下航行體表面不出現(xiàn)空化現(xiàn)象;當(dāng)P等于Pv時(shí),在水下航行體表面最小壓力點(diǎn)處出現(xiàn)空化現(xiàn)象;當(dāng)P小于Pv時(shí),形成空化區(qū).在空化現(xiàn)象發(fā)生的初期,各個(gè)小氣泡的壽命是極其短暫的,但當(dāng)流速增加時(shí),在物體更大的面積上存在著低得足以產(chǎn)生空化現(xiàn)象的壓力,此時(shí)空泡就會(huì)在物體更大的面積上存在.在足夠高的流速下,這些空泡不再潰滅,而形成一個(gè)幾乎被水蒸氣充滿(mǎn)的大氣泡.如果物體上的空泡,已全部覆蓋了物體,則稱(chēng)這些空泡為完全發(fā)展的空泡即“超空泡”,其外型近乎為一包裹水下航行體的旋轉(zhuǎn)橢球體.有關(guān)外型的計(jì)算公式如下:σ=P0?PBL+ρgzρv2/2(3)[xa]2+[ybv]24=1(4)ba=0.793σ5/8(5)brCAV=CW01+σσfσ???????√(6)fσ=1?0.132σ1/7(7)σ=Ρ0-ΡBL+ρgzρv2/2(3)[xa]2+[ybv]24=1(4)ba=0.793σ5/8(5)brCAV=CW01+σσfσ(6)fσ=1-0.132σ1/7(7)其中,PBL空泡內(nèi)壓力,z航行體水深,g重力加速度,σ為空泡數(shù).超空泡可以由空泡數(shù)σ來(lái)表示.σ是航行體速度、空泡內(nèi)壓、空泡外壓的函數(shù).當(dāng)空泡數(shù)為0.01,速度為100m/s時(shí),阻力可以減小到全沾濕狀態(tài)下的5%;當(dāng)空泡數(shù)為0.0001時(shí),阻力可以減小到0.1%.由此可見(jiàn),通過(guò)在航行體周?chē)峁馀?減少水下航行體接觸水的面積,可以大大降低水下航行體的阻力.理論證明,超空泡減阻是一種有效的提高水下航行體速度的方案.4魚(yú)雷超空爆炸操作原理4.1空化器系統(tǒng)控制從1995年和1999年阿布扎比國(guó)際防務(wù)展覽會(huì)上俄羅斯展出的“風(fēng)雪”魚(yú)雷的示意圖和照片來(lái)看,一般的超空泡魚(yú)雷可以分為以下幾個(gè)子系統(tǒng):通氣裝置,空化器,導(dǎo)引系統(tǒng),控制和推進(jìn)系統(tǒng),如圖1所示.其中,通氣裝置是通過(guò)充入一定量的氣體使空泡延伸至航行體表;空化器是空泡起始處,直接影響航行體阻力,同時(shí)由于其是唯一和水接觸的部位,將用來(lái)安裝傳感器并提供升力和姿態(tài)控制;導(dǎo)引系統(tǒng)是通過(guò)安裝微型傳感器,進(jìn)行信號(hào)處理和波形優(yōu)化;推進(jìn)與通氣系統(tǒng)是用以形成穩(wěn)定空泡,并實(shí)現(xiàn)推力矢量控制;控制鰭穿過(guò)空泡壁,提供尾部升力,實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)及姿態(tài)控制,以及航行體動(dòng)力學(xué)控制.4.2氣體超空泡試驗(yàn)魚(yú)雷發(fā)射入水以后,首先利用啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)將自身的速度提高到50m/s或者更高.這時(shí)安放在殼體頭部的空泡發(fā)生器的邊緣開(kāi)始出現(xiàn)空泡.為了使空泡進(jìn)一步擴(kuò)展成為超空泡,需要向發(fā)生空泡的部位注入氣體,并利用合適的氣體填充方式,使空泡規(guī)模逐漸擴(kuò)大,最后將整個(gè)殼體包裹在氣體泡中,形成超空泡.然后主發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作,為物體在水中航行提供持續(xù)推力.因?yàn)樵诔张葜羞\(yùn)動(dòng)的魚(yú)雷,僅頭部的空泡發(fā)生器處與水有著直接的接觸,其余部分都是在氣體的包絡(luò)下,所以基本上不受水的粘性阻力的影響.因而,超空泡魚(yú)雷在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下,能夠以100m/s甚至更高的速度航行.由于在航行過(guò)程中存在尾部氣體的泄漏,所以要進(jìn)行氣體的補(bǔ)充,來(lái)保證空泡的形狀、參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化,從而保證航行的穩(wěn)定性.5水中武器的關(guān)鍵技術(shù)超空泡技術(shù)是20世紀(jì)末出現(xiàn)的一種全新高速武器技術(shù),已被廣泛應(yīng)用在水中兵器系統(tǒng)的研制中.然而由于超空泡技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合的應(yīng)用技術(shù),涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,因此無(wú)論是初始概念的研究還是武器系統(tǒng)的集成都存在著一系列亟待突破的關(guān)鍵技術(shù).5.1氣體補(bǔ)充的裝置理論上有兩種方式可以形成超空泡,一種是自然空化,也叫蒸汽空化,即水下航行體速度足夠高以至物體頭部附近的低壓使水不斷氣化.根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,符合超空泡條件的空泡數(shù)σ值應(yīng)小于0.1,計(jì)算表明當(dāng)流體速度達(dá)到v>50m/s時(shí),這樣的空泡數(shù)可以滿(mǎn)足.另一種方法是人工空化,也叫充氣空化,即向自然生成的空泡內(nèi)充入接近環(huán)境壓力的氣體.實(shí)驗(yàn)表明,在超空泡形成之后,空泡數(shù)相同的條件下,兩種途徑產(chǎn)生的超空泡具有基本相同的幾何與力學(xué)特性.由于運(yùn)動(dòng)中的空泡通常都存在泄漏現(xiàn)象,因此不可能保持連續(xù)的自然超空泡狀態(tài).這就需要利用氣體補(bǔ)充的方式來(lái)保持超空泡的狀態(tài),從而保證物體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性.目前主要有以下三種方法實(shí)現(xiàn)充氣超空泡:(1)利用空氣噴射裝置從物體的頭部向著液體流動(dòng)的方向注入氣體,如圖2所示.這種情況下,氣體壓力必須高于物體頭部靜止點(diǎn)的液體壓力,并且氣體速度必須達(dá)到是液體流速的28倍以上.因此利用這種方法實(shí)現(xiàn)充氣超空泡有很大困難.(2)利用液體噴射裝置從物體頭部對(duì)著液體的流動(dòng)方向噴射液體,同時(shí)將氣體注入停滯的區(qū)域,如圖3所示.這種方法將原本在物體頭部的靜止點(diǎn)轉(zhuǎn)移到液體流動(dòng)中.雖然這種方法的實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜,但有其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展空間.(3)固體空泡發(fā)生器在液體中高速運(yùn)動(dòng)時(shí),空泡將在空泡發(fā)生器尖銳的邊緣發(fā)生,這時(shí)向分離的部分注入空氣,則能產(chǎn)生最穩(wěn)定,而且表面光滑的空泡,如圖4所示.當(dāng)超空泡完全形成時(shí),可以在物體的任何部分進(jìn)行空氣的補(bǔ)充.這是目前最常用的充氣超空泡的實(shí)現(xiàn)方法,國(guó)內(nèi)外在這方面的研究成果較多.通氣空泡形成后在空泡界面上存在空泡失穩(wěn)的問(wèn)題,通常是由于空泡的不穩(wěn)定性、自由剪切層的不穩(wěn)定性或者是氣泡的振蕩所引起的.因此,對(duì)于如何形成穩(wěn)定的超空泡和維持空泡氣量以及進(jìn)行姿態(tài)控制是有待進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題.同時(shí),從超空泡武器系統(tǒng)角度考慮,空泡發(fā)生系統(tǒng)應(yīng)該更加靈活,能夠使武器系統(tǒng)在超空泡狀態(tài)和正常狀態(tài)中轉(zhuǎn)換,隨時(shí)更新氣體包絡(luò)的狀態(tài),通過(guò)減少空泡尺寸達(dá)到“剎車(chē)”或加速目的.5.2空泡運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析超空泡航行體保持所需高速度的能力與包絡(luò)其周?chē)目张莸姆€(wěn)定性密切相關(guān).為此,烏克蘭國(guó)家科學(xué)院水動(dòng)力研究所的人員給出了超空泡內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的4種穩(wěn)定模式.物體重量G被2個(gè)流體動(dòng)力Y1和Y2平衡.其中Y1為作用于空化器的升力,Y2為作用于殼體尾部沾濕區(qū)域上的升力.隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加,超空泡航行體有四種穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模式,如圖5所示.(a)雙空泡流動(dòng)方案(航速70m/s)這種情況下,水動(dòng)力中心位于質(zhì)心之后,有穩(wěn)定力矩作用于模型上,滿(mǎn)足經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性條件.除穩(wěn)定性比較好之外,這種方案還提供了利用頭尾兩個(gè)空泡的壓力差來(lái)產(chǎn)生附加推力的可能性.(b)沿著空泡內(nèi)表面滑行(航速=50～200m/s)這種情況下,模型尾部沿空泡下表面滑行以補(bǔ)償浮力的損失.因此,從整體上看,運(yùn)動(dòng)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),其原因是擾動(dòng)將可能從空化器沿空泡邊界向下移動(dòng).(c)與空泡邊界發(fā)生碰撞作用(航速=300～900m/s)模型攻角及角速度的初始擾動(dòng)引起模型尾部與空泡邊界的碰撞.數(shù)值仿真表明,在這種碰撞之后,模型所做振蕩呈穩(wěn)定或衰減趨勢(shì).這種振蕩伴隨著模型尾部與空泡上下壁之間交替進(jìn)行的周期性碰撞,使運(yùn)動(dòng)整體上保持穩(wěn)定.(d)與空泡中的蒸氣及射流相互作用(航速1000m/s或更高)高速運(yùn)動(dòng)的物體與空泡內(nèi)的氣體及空泡邊界附近的射流相互作用.物體表面和空泡邊界之間的間隙通常比空泡半徑小,因此可以用近壁氣動(dòng)力學(xué)方法來(lái)估計(jì)所產(chǎn)生的力.分析表明,空泡內(nèi)邊界對(duì)物體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響是有利的.5.3超空泡上的創(chuàng)傷器和彈性超空泡武器的應(yīng)用在很大程度上取決于控制和制導(dǎo)系統(tǒng)的適應(yīng)性.要在一個(gè)極端的動(dòng)態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)超空泡航行體的控制和制導(dǎo)是很有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù).德國(guó)已有試驗(yàn)表明,利用超空泡頭部的適當(dāng)運(yùn)動(dòng)可以控制超空泡航行體的彈道;利用尾翼之類(lèi)的穿穴控制面和推力矢量系統(tǒng)也可以對(duì)超空泡水下航行體進(jìn)行控制.此外,未來(lái)的超空泡武器系統(tǒng)還必須具有一個(gè)實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)探測(cè)到超空泡航行體撞擊氣穴內(nèi)墻的情況并及時(shí)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)彈道.5.4高能量密度重的發(fā)電機(jī)推進(jìn)技術(shù)是當(dāng)前制約超空泡武器發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一.大多數(shù)現(xiàn)有的和預(yù)期的自主式超空泡航行體還必須依靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力,但是常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)通常存在某些嚴(yán)重的缺陷:航程有限;當(dāng)深度增加時(shí),推力隨著壓力的增加而下降.解決這兩個(gè)問(wèn)題可采用的方案是:用一種高能量密度的動(dòng)力裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī);利用專(zhuān)門(mén)的超空泡推進(jìn)螺旋槳技術(shù)解決推力隨著壓力的增加而下降的問(wèn)題.其中,燃燒有最大比推力的高密度燃料是增加火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力最為有效的技術(shù)手段,但目前還有很多核心技術(shù)需要解決和突破.燃燒如鋁、錳或鋰這樣的金屬燃料,并利用海水作為氧化劑與燃燒生成物的冷卻劑的“水沖壓”系統(tǒng)將是推進(jìn)技術(shù)在該