超空泡射弹的发展与应用

超空泡射弹的发展与应用

1水下超空泡射弹超空气泡法是一种创造性的抗疲劳动剂法，可以达到90%的水下速度。利用这种技术研制水下超空泡射弹,可以突破普通射弹水中运动极限,显著减小水中射弹的速度,大大增加射弹的行程和杀伤力,从而为舰(潜)艇提供有效的防御能力。超高速超空泡射弹所具有的重要战术应用价值,吸引了众多国家纷纷投入大量的人员和资金对其进行研究。2试验研究阶段70年代,为提高水中兵器的速度,俄美曾设计了不同的水中兵器,它们都以火箭发动机为推进动力,这就是早期的超空泡射弹的雏形,并为设计超空泡射弹打下了技术基础。首次公开展出超空泡射弹样机的国家是俄罗斯。1994年10月在雅典防务展览会上,俄罗斯展示了“疾风”超空泡射弹样品。同样,在1995年3月阿布扎比国际防务展览会上也陈列了该样品,并从6月的技术报告得知,“疾风”高速反潜弹是一种采用超空泡原理的水中兵器,弹径533毫米、弹长8230毫米,可攻击水深400米范围内的潜艇目标,水下运动速度约为83.3米/秒。1999年阿布扎比国际防务展览会上向国际社会公开了经过改进的E型Shkval(见图1),速度高达90-100米每秒,不仅可以高速攻击敌方潜艇,而且能够反击敌方发射的鱼雷武器,是目前已知唯一的定型并装备部队的武器,并已经向少数国家出售,如印度和法国等。据传俄罗斯目前正在研究带自导和更高速的水下导弹,以及超空泡高速潜艇。另外,有报道说俄罗斯还利用超空泡减阻原理设计了水下步枪,可以有效杀伤20m以外的生物,并已经装备了俄罗斯的蛙人部队。随着俄罗斯超空泡武器的面世,超高速航行体逐渐揭开其神秘的面纱,成为各国学者关注的焦点,并引起了全世界对超空泡技术研究的浓厚兴趣。美国在1995年7月法国嘎纳水下防务技术研讨会上展示了机载快速灭雷系统,它利用20毫米的超空泡射弹,可击穿由机载蓝绿激光探雷系统发现的水深50英尺范围内的锚雷和沉底雷。近几十年来,美国海军水下作战中心(NUWC)在高级国防研究计划局(DARPA)和美国海军研究所(ONR)的支持下,探索研究了两种实用的超空泡技术:高速水下弹药系统(AHSUM)系统和超空泡鱼雷。最新研发的AHSUM系统包括先进的发射装置和可以在水下以超音速运动的射弹,这套高速发射水下射弹系统可以为水面舰艇和潜艇提供有效的末端防御。图2为实验用垂直真空发射水柜(VVLT)和一组高速照片记录,照片记录了当与水的自由表面成一定入水角度时超空泡物体入水时的运动。VVLT由圆柱形水柜组成,水柜可以安装与水平面成各种不同角度,水柜中有射弹器、观察窗和射弹捕获器。超空泡鱼雷的研究在发射、水动力特性、声学、制导和控制以及推进装置等领域,还存在许多技术难题有待解决。德国在超空泡水中兵器的研究方面进行了大量的基础性实验研究工作,二战期间,德国就开始进行超空泡射弹的试验,70年代曾立项研究SHG3型超空泡射弹式水雷。90年代末,由于安全形势的变化,这项水雷的研究工作未继续下去。该型水雷的主要特点是不带推进装置和制导系统。除此之外,80年代初,德国还研究了超空泡水下导向射弹在运动中的性能,在射弹上配置惯性测量装置,为控制此类射弹打下基础,此后,德国又在高速水中兵器的导向方法方面进行了深入研究。2003年,德国超空泡水下兵器的研究进入试验研究阶段。德国超空泡武器的试验研究任务由德国WTD71技术中心承担,该技术中心主要研究国防舰艇与海军武器技术。德国很早就建立了可在试验室条件下对1:l的超空泡水下射弹进行试验的设施。可承担所有试验的场地有两处与操纵、控制和声呐有关的试验在WTD71中心分部的水下试验站进行。该试验站位于石勒苏益格·荷尔斯泰因州梅尔多夫市附近的埃尔泊比特尔,有一个长500米、宽150米,与波罗的海相通的水下试验场。在试验场的海底布设了122个(原为244个)传感器阵的固定磁测量系统和声跟踪系统。试验用超空泡水下武器从水下发射装置中发射.在发射装置附近设有机动实验室和车间。另一个试验场位于巴伐利亚州的上野腾堡,属于WTD52技术中心管辖。在该中心有一个深水垂直水筒,直径5米,深度为60米,德国人将其称为水下弹道模拟器。垂直水筒内装满水,其中设有可上下移动的水下摄影和摄像平台以及磁轨迹跟踪系统,可高分辨率地记录射弹的弹道与运动特性,视频系统是一台高分辨率的高速摄像机。所使用的试验射弹直径为120毫米,长2.2米,质量50千克。头部是超空泡发生锥体,其后分别是制导和控制装置、控制电子装置、电源装置、惯性测量装置以及火箭发动机等～。3模型构建3.1空泡的产生机理根据超空泡射弹空泡产生的方式不同,射弹分为自然超空泡射弹和通气超空泡射弹。自然超空泡射弹(见图3a)是射弹在运动过程中由于流体的汽化而自然产生空泡,如俄罗斯浅水弹、乌克兰超空泡射弹和美国脱壳超空泡射弹。其原理是根据伯努利方程:随着射弹运动速度的不断增大,射弹表面上最小压力点处的压力将不断下降;当其下降到某一数值时(这一数值与海水该温度下的饱和蒸汽压近似),在最小压力点附近的气核周围的水开始汽化,气核中充满水蒸气和空气,并不断膨胀形成空泡。通气超空泡射弹(见图3b)是通过给射弹通气的方法产生空泡,如俄罗斯深水弹。通气超空泡主要有以下三种通气方法(见图4):(1)弹簧法从射弹头部喷出的空气射流围绕物体形成一道气封。(2)sedov法将细长射流从射弹头部喷入驻点区。(3)采用资本回收技术在空泡发生器边缘(空泡脱体点)喷气。气源法需要很高的气流喷射速度,在实际研究中很少应用;Sedov法是基于尾部压力完全恢复产生推力的理想化条件,也很少用,但对于空泡数趋于零的情况,此方法有很好的效果;锐边供气法是目前人工通气产生超空泡的最常用的一种方法。自然超空泡射弹优点是结构较为简单,但对发射条件和弹性设计等有较高的技术要求。通气超空泡射弹有利于超空泡的快速生成,但结构复杂,且对通气速率的合理控制较难掌握。3.2射弹受力的变化空泡内介质的模型非常复杂,难以精确的物理描述。为了不同的需求,在研究中一般采用三种简化的物理模型:稀薄气体模型、连续介质模型和多层流体模型。稀薄气体模型用来计算水滴和射流的影响。认为水滴和射流以外部流动的速度移动,并且互不相干。当到达航行体表面时,他们的动量将转化为射弹的动量:法相速度完全转化为射弹的动量,而切向速度则部分转化。当转化为射弹的切向动量较小时,可以应用稀薄气体理论。这种理论可以给出简单的关系式来计算射弹的受力。连续介质模型是把空泡内看作连续的气体介质,射弹看作是在气流中的运动。但是定义气体密度时应考虑水滴和射流的影响。多层流模型是考虑射流和水滴沿空泡截面非均匀分布。他们的浓度在空泡边界附近最大,越接近空泡轴越小。空泡内部空间被划分成几层,每一层的密度为常数,层与层之间各不相同。3.3空泡闭合区域的物理描述空泡闭合的稳定性对于超空泡射弹的稳定性有着很大的影响,对于空泡闭合区域的物理描述也是空泡动力学研究中的难题。在目前超空泡理论研究中主要采用以下五种空泡闭合模型。(1)镜像板的模型是一种空泡尾流封闭模型,空泡闭合于与空化器类似的固体表面。(2)流量模型过度流模型是一种空泡尾流的开式模型,它是从空泡的末段端引出一条平行与翼行沾湿面的流线。(3)回射流模型回射流模型是空泡在闭合时有回射流产生,回射流将对航行体产生影响。(4)压力恢复模型压力恢复闭合模型是一种空泡尾流封闭模型。它假设空泡的厚度在末端变为零。(5)结构模型的改进双螺旋涡模型是假定空泡终端的后面是向下游无限远处扩展的伴流,把空泡压力化成非扰动流的压力。镜象板模型和过度流模型有几何形状简单,易于数学求解的优点,但是不能反映真实的流体情况;压力恢复模型也较利于数学求解,但其压力完全恢复的条件难以满足;回射流模型和双螺旋涡模型较真实的反映了空泡尾流的物理情形,但其数学求解较为困难。3.4空泡内射弹的稳定模式超空泡射弹的运动稳定性一直是超空泡技术研究的重点和难点。根据Savchenko的有关超空泡内航行体稳定模式的理论,下面给出空泡内射弹的4种稳定模式(见图6)。G为射弹重量,为作用于空化器上的升力,为作用于射弹尾部沾湿区域上的升力。(1)2.空气泡流方案，v.70m/s在此情况下,流体动力阻力中心位于质量中心后面,稳定力矩作用于模型。满足经典稳定条件。(2)沿空泡沫表面稳定滑动，v50ms200ms在此情况下,模型尾部沿空泡下表面滑行以补偿浮力的损失。运动大体上是稳定的,但模型可能在垂直面内发生低频振荡从而失稳。(3)边界发生碰撞模型攻角和初始扰动引起模型尾部同空泡边界发生碰撞。模型碰撞后能进行稳定振荡或阻尼振荡,同时伴随有尾部交替同空泡上、下壁相碰撞,使运动整体上保持稳定。(4)空气泡蒸汽飞沫介质的相互空气动力学作用及v1000ms的s利用高速运动的射弹与空泡内的气体及空泡边界附近射流的相互作用来维持射弹的稳定。4空泡工艺和数值方法超空泡技术的数值研究,大多是围绕二维或三维水翼展开,对于射弹回转体空泡的研究比较少。超空泡射弹数值分析一般采用基于速度或速度势的边界元方法:根据不同的空泡闭合模型,在空泡边界分布面元,通过反复迭代求出空泡和射弹组合体的压力和速度分布。超空泡技术的数值研究,大多是围绕二维或三维水翼展开,对于射弹回转体空泡的研究比较少。超空泡射弹数值分析一般采用基于速度或速度势的边界元方法:根据不同的空泡闭合模型,在空泡边界分布面元,通过反复迭代求出空泡和射弹组合体的压力和速度分布。Kinnas和Fine发展了一种基于速度势的边界元方法用于超空化流分析,通过迭代可以快速得到收敛的空泡形状。Ingber等采用直接边界元法对零攻角和非零攻角细长回转体局部空泡进行了分析,提出了一种综合考虑空泡脱体点、脱体角和空泡长度三者之间制约关系的空泡闭合模型,所采用的数值计算方法和Kinnas类似。J.Dang等采用回射流模型对空泡进行了非线性分析,得到了三维泡面形状。Rowe等采用有限元理论,在采用界面追踪方法计算三维空泡绕流问题方面进行了有意的尝试,并证明了该方法的可行性。Delannoy采用一个类似于的压力修正算法,计算了无粘空泡流。Kubota等考虑了粘性,在汽泡两相流的模型中求解了N-S方程。Chen等-基于两相流理论求解三位N-S方程,并用一个简单的关系式将密度与压力相连。JurgenSauer将流体凝固过程的物理和数学模型推广应用于二维非定常空化流动,采用流体体积法求解得到空泡的周期性非稳态过程。Ventikos等-引入了一套实用的状态变化规律,并采用可以处理变流体特性的单流体N-S方程及总焓方程,对定常和非定常空泡流进行了数值模拟。汤继斌等基于结构化网格,运用可压缩流N-S方程及k-ε湍流模型对流场进行求解,对对轴对称体的空化、超空化流动进行了数值模拟。吴磊基于N-S方程研究了非零攻角局部空泡绕流问题傅慧萍等-基于在物面分布源汇的面元法,对零攻角回转体局部空泡绕流进行了非线形分析;利用CFO商业软件基于Rayleilr-Plesset方程的单一介质对可变密度混合模型进行了回转体空泡流特性研究,得到了零攻角和非零攻角情况下的双空泡及超空泡形态。冯光等应用细长体理论计算航行体在超空泡状态下的流体动力,模拟了超空泡状态下的航行体水下弹道。高永琪对流体动力数值计算进行了研究,给出了一个数值简单而有效的方法。袁绪龙等基于匀相流假设,建立了自然空化流动的多相流CFD模型。刘巨斌等采用基于传输方程的空化模型对定常自然空化流场数值计算进行了研究。熊永亮等采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律。杨洪澜等应用时间有限差分离散化方法,分析了锥体空化器在做变速运动时超空泡长度和形状的非定常变化规律。5空泡体测试实验超空泡射弹实验研究设备主要包括水洞、水槽、牵引水池和发射水洞等。水洞和水槽属于反向运动设备,一般由水池、水泵、水洞供给部分、工作区、空气离析器等几个部分组成。它是把射弹模型部分固定于工作区内,通过对水流速度的控制来获取射弹模型不同相对速度下的空泡形成特性。这种方法操作性强且易于观察测量,适用于空化器及弹形设计等实验研究工作。由于水流加速设备的限制,其一般针对低速超空泡射弹实验研究。牵引水池和发射水洞属于顺向运动设备,它是模拟真实的发射环境进行实弹射击实验,能够真实反映出射弹在水中的运动情况。广泛运用于高速超空泡射弹的实验研究。美国罗德岛纽伯特海军水下作战中心发射水洞为研究各种空泡数下超空泡高速射弹的飞行和稳定性进行了大量的实验工作。该发射水洞主要由发射系统、水下靶道、受弹器、测量设备、消音设施和射弹组成。发射系统包括弹道炮、发射架、电点火控制器等;水下靶道由仓体、注水系统和增压系统组成;受弹器由钢板、橡胶板和沙袋组成;测量设备包括水下测试传感器、水下测试靶、高速摄影设备、水下照明灯等。发射水洞实验方法的缺点是实验过程复杂、实验成本高且实验数据难以记录。国外在超空泡射弹实验研究方面取得了丰硕的成果。美国弗吉尼亚州汉普顿蓝利拖拽水池成功实验了20mm高速超空泡射弹,美国海军水下作战中心成功以亚音速和超音速发射了30mm高速超空泡射弹。我国在超空泡射弹实验研究