超空泡技术的应用现状和发展趋势资料下载.pdf

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稳定性中图分类号TJ760文献标识码ACurrentapplicationandPerspectivesonSupercavitationTechnologyResearchYangLi,ZhangQingming（Dept.ofEngineeringMechanicas,BeijingInstitueofTechnology,Beijing100081,China）Abstract:

Theapplicationbackground,fundamentaltheory,researchprogressandunsolvedproblemsofsupercavitatingtechnologyarereviewed.Basedonthetheoryofcavitatingflows,thedefinitionofsupercav2itation,themainideaofreducingdragbyventilatedcavitationandtheprincipleofsupercavitationtorpedoareintroduced.Thekeyproblemsofresearchonsupercavitatingtechnologyandsomepredictionsinthisfieldarealsoanalyzed.Keywords:

supercavitation;

cavitatingflow;

torpedo;

stability1引言由于水下航行体受到的阻力约是空中飞行器受到的阻力的1000多倍,导致传统水下兵器普遍存在速度慢、航程短、精度低的缺陷.为了提高水下航行体的航速,改善水下兵器的作战性能,目前一般采用增大推进动力和降低航行阻力这两种技术途径.由于在常规情况下,推力增加八倍才能将水下航行体的航速提高一倍.而有限尺寸的水下航行体限制了推力装置的规模,因此用常规方法来明显提高水下航行体的航速是很困难的.于是,各国进行了大量研究工作来寻求降低水下航行体阻力的方法,如在水下航行体表面使用纤维分子,在表面粘敷一弹性材料,通过微孔表面散发气体,在水下航行体和水之间的边界层中喷射气泡以及超空泡技术等等.超空泡技术是一种革命性的减阻方法,它可以使水下高速运动的航行体获得90%的减阻量,是未来水下兵器降低阻力、提高航速、增大航程的重要6战术导弹技术TacticalMissileTechnologySept,2006,（5）:

0610手段和发展方向.本文主要介绍了超空泡技术的理论基础和应用现状,并探讨了超空泡技术研究中存在的问题和未来的发展趋势,最后分析了超空泡技术的应用前景及其对未来海战模式的影响.2国内外研究概况超空泡武器是20世纪末出现的一种全新水下高速武器,其巨大的减阻前景受到了西方国家的高度重视,俄、美、德、法等国很早就开始这方面的研究工作.俄罗斯非常重视超空泡武器的研究工作,前苏联的乌克兰流体力学研究所于1960年就开始研制超空泡鱼雷.20世纪70年代中期,俄罗斯设计出第一代超空泡火箭推进鱼雷,并于1997年装备部队.俄罗斯的“风雪”超空泡鱼雷是目前已知的超空泡武器.这种鱼雷长8.23米,重2697公斤,最大速度可以达到100m/s,超过通常鱼雷速度的35倍.据悉,俄罗斯目前试验研制的第二代“风雪”超空泡鱼雷采用发动机推力矢量控制,具有较强的机动性,并利用发动机燃气回流头部进行超空泡补气,速度可以达到200m/s,射程可以达到100km.美国在20世纪50年代就开始了高速推进器和水翼方面的超空泡研究,主要工作由美国国防研究计划局（DARPA）和美国海军研究所（ONR）领导,致力于探索和发展两种超空泡技术:

一项是开发先进高速水下弹药系统;

另一项是设计、制造和评价水下航行体超空泡技术的试验台,其中重点在于发展炮弹和鱼雷两类超空泡武器.目前,美国已经成功研制出了一型机载高速反水雷射弹.在水温10、水深1m、声速为1495m/s时,其最大水下速度可达3011节.另据外刊报道,美国也研制出了超空泡鱼雷样机,外观上和俄罗斯“风雪”鱼雷很相像,最大速度可达200节.德国是世界上最早从事水下超空泡技术研究的国家.早在二战期间,德国就已着手开展超空泡技术在水下兵器领域的理论和实验研究.20世纪80年代开始,德国进行了多项超空泡技术的研究工作,其中重点是可能作为未来反鱼雷或反潜战系统基础的超空泡火箭的研制和试验.据悉,德国超空泡火箭方案的各主要功能和构件都在德国的梅尔多夫和杰滕堡的试验场进行了演示试验.国内对于超空泡技术的研究起步较晚,90年代初才开始研制超空泡高速水下兵器.因此,很长一段时间里关于空泡技术的研究都是在于防止与减缓局部空化现象和高速水中兵器的出入水等方面.目前国内在这方面开展的研究工作集中在通过试验和数值模拟研究如何产生稳定的超空泡,以及在此基础上进行相关问题的流体动力学方面的分析.3理论基础当物体在水下运动时,流过物体表面各点的水流速度通常是不一样的.如果不考虑重力的影响,那么根据伯努力定理可知,流速增高将导致局部压力下降.当水下运动物体表面的压力降到接近该温度下水的饱和蒸汽压力时,该局部的水将被汽化并形成蒸汽泡.这样的起始空泡可能在压力高于或低于水的蒸气压力时发生.在较高的流速下,物液界面上有许多点的压力会降低到液体蒸汽压力,并出现若干小而分散的蒸汽泡;

当压力升高,这些小气泡又将迅速溃灭,这个过程称为空化现象1.目前,在理论界,对所有空化现象的基本描述都是一致的,通常用空化数和压力系数Cp来定义空泡的空化程度和压力分布3.=P0-Pvv2/2

（1）Cp=P-P0v2/2

（2）其中,P0是外压,Pv是在一定水温下的饱和蒸气压,是航行体上任一点的动压力,v是水的密度,是水下航行体的速度,Cp是空化数,是水下航行体任意一点上的压力系数.国内外的理论研究均认为:

当P大于Pv时,在水下航行体表面不出现空化现象;

当P等于Pv时,在水下航行体表面最小压力点处出现空化现象;

当P小于Pv时,形成空化区.在空化现象发生的初期,各个小气泡的寿命是极其短暂的,但当流速增加时,在物体更大的面积上存在着低得足以产生空化现象的压力,此时空泡就会在物体更大的面积上存在.在足够高的流速下,这些空泡不再溃灭,而形成一个几乎被水蒸气充满7战术导弹技术TacticalMissileTechnologySept,2006,（5）图1超空泡鱼雷结构和组成的大气泡.如果物体上的空泡,已全部覆盖了物体,则称这些空泡为完全发展的空泡即“超空泡”1,其外型近乎为一包裹水下航行体的旋转椭球体.有关外型的计算公式如下:

=P0-PBL+gzv2/2（3）xa2+ybv24=1（4）ba=0.7935/8（5）brCAV=CW01+f（6）f=1-0.1321/7（7）其中,PBL空泡内压力,z航行体水深,g重力加速度,为空泡数.超空泡可以由空泡数来表示.是航行体速度、空泡内压、空泡外压的函数.当空泡数为0.01,速度为100m/s时,阻力可以减小到全沾湿状态下的5%;

当空泡数为0.0001时,阻力可以减小到0.1%3.由此可见,通过在航行体周围提供气泡,减少水下航行体接触水的面积,可以大大降低水下航行体的阻力.理论证明,超空泡减阻是一种有效的提高水下航行体速度的方案.4超空泡鱼雷工作原理4.1超空泡鱼雷结构与组成从1995年和1999年阿布扎比国际防务展览会上俄罗斯展出的“风雪”鱼雷的示意图和照片来看,一般的超空泡鱼雷可以分为以下几个子系统:

通气装置,空化器,导引系统,控制和推进系统9,如图1所示.其中,通气装置是通过充入一定量的气体使空泡延伸至航行体表;

空化器是空泡起始处,直接影响航行体阻力,同时由于其是唯一和水接触的部位,将用来安装传感器并提供升力和姿态控制;

导引系统是通过安装微型传感器,进行信号处理和波形优化;

推进与通气系统是用以形成稳定空泡,并实现推力矢量控制;

控制鳍穿过空泡壁,提供尾部升力,实现滚转及姿态控制,以及航行体动力学控制.4.2超空泡鱼雷工作原理鱼雷发射入水以后,首先利用启动发动机将自身的速度提高到50m/s或者更高.这时安放在壳体头部的空泡发生器的边缘开始出现空泡.为了使空泡进一步扩展成为超空泡,需要向发生空泡的部位注入气体,并利用合适的气体填充方式,使空泡规模逐渐扩大,最后将整个壳体包裹在气体泡中,形成超空泡.然后主发动机开始工作,为物体在水中航行提供持续推力.因为在超空泡中运动的鱼雷,仅头部的空泡发生器处与水有着直接的接触,其余部分都是在气体的包络下,所以基本上不受水的粘性阻力的影响.因而,超空泡鱼雷在火箭发动机的推动下,能够以100m/s甚至更高的速度航行5.由于在航行过程中存在尾部气体的泄漏,所以要进行气体的补充,来保证空泡的形状、参数不会发生变化,从而保证航行的稳定性.5关键技术和解决方案超空泡技术是20世纪末出现的一种全新高速武器技术,已被广泛应用在水中兵器系统的研制中.然而由于超空泡技术是一项复杂的综合的应用技术,涉及多个学科领域,因此无论是初始概念的研究还是武器系统的集成都存在着一系列亟待突破的关键技术.5.1超空泡的实现途径理论上有两种方式可以形成超空泡,一种是自8战术导弹技术TacticalMissileTechnologySept,2006,（5）图2气体喷射方法形成超空泡图3液体喷射方法形成超空泡图4固体空泡发生器形成超空泡然空化,也叫蒸汽空化,即水下航行体速度足够高以至物体头部附近的低压使水不断气化.根据理论计算和实验验证,符合超空泡条件的空泡数值应小于0.1,计算表明当流体速度达到v50m/s时,这样的空泡数可以满足1.另一种方法是人工空化,也叫充气空化,即向自然生成的空泡内充入接近环境压力的气体.实验表明,在超空泡形成之后,空泡数相同的条件下,两种途径产生的超空泡具有基本相同的几何与力学特性4.由于运动中的空泡通常都存在泄漏现象,因此不可能保持连续的自然超空泡状态.这就需要利用气体补充的方式来保持超空泡的状态,从而保证物体运动的稳定性.目前主要有以下三种方法实现充气超空泡4:

（1）利用空气喷射装置从物体的头部向着液体流动的方向注入气体,如图2所示.这种情况下,气体压力必须高于物体头部静止点的液体压力,并且气体速度必须达到是液体流速的28倍以上.因此利用这种方法实现充气超空泡有很大困难.

（2）利用液体喷射装置从物体头部对着液体的流动方向喷射液体,同时将气体注入停滞的区域,如图3所示.这种方法将原本在物体头部的静止点转移到液体流动中.虽然这种方法的实现也比较复杂,但有其长远发展空间.（3）固体空泡发生器在液体中高速运动时,空泡将在空泡发生器尖锐的边缘发生,这时向分离的部分注入空气,则能产生最稳定,而且表面光滑的空泡,如图4所示.当超空泡完全形成时,可以在物体的任何部分进行空气的补充.这是目前最常用的充气超空泡的实现方法,国内外在这方面的研究成果较多.通气空泡形成后在空泡界面上存在空泡失稳的问题,通常是由于空泡的不稳定性、自由剪切层的不稳定性或者是气泡的振荡所引起的.因此,对于如何形成稳定的超空泡和维持空泡气量以及进行姿态控制是有待进一步研究的关键问题.同时,从超空泡武器系统角度考虑,空泡发生系统应该更加灵活,能够使武器系统在超空泡状态和正常状态中转换,随时更新气体包络的状态,通过减少空泡尺寸达到“刹车”或加速目的.5.2超空泡航行体的运动稳定性超空泡航行体保持所需高速度的能力与包络其周围的空泡的稳定性密切相关.为此,乌克兰国家科学院水动力研究所的人员给出了超空泡内物体运动的4种稳定模式8.物体重量G被2个流体动力Y1和Y2平衡.其中Y1为作用于空化器的升力,Y2为作用于壳体尾部沾湿区域上的升力.随着运动速度的增加,超空泡航行体有四种稳定运动模式,如图5所示.（a）双空泡流动方案（航速70m/s）这种情况下,水动力中心位于质心之后,有稳定力矩作用于模型上,满足经典的运动稳定性条件.除稳定性比较好之外,这种方案还提供了利用头尾两个空泡的压力差来产生附加推力的可能性.（b）沿着空泡内表面滑行（航速=50200m/s）这种情况下,模型尾部沿空泡下表面滑行以补偿浮力的损失.因此,从整体上看,运动是稳定的,但模型可能在垂直面内发生低频振荡从而失稳,其原因是扰动将可能从空化器沿空泡边界向下移动.（c）与空泡边界发生碰撞作用（航速=300900m/s）模型攻角及角速度的初始扰动引起模型尾部与空泡边界的碰撞.数值仿真表明,在这种碰撞之后,模型所做振荡呈稳定或衰减趋势.这种振荡伴随着模型尾部与空泡上下壁之间交替进行的周期性碰撞,使运动整体上保持稳定.（d）与空泡中的蒸气及射流相互作用（航速1000m/s或更高）高速运动的物体与空泡内的气体及空泡边界附近的射流相互作用.物体表面和空泡边界之间的间9战术导弹技术TacticalMissileTechnologySept,2006,（5）图5超空泡航行体稳定运动模式隙通常比空泡半径小,因此可以用近壁气动力学方法来估计所产生的力.分析表明,空泡内边界对物体运动稳定性的影响是有利的.5.3控制和制导技术超空泡武器的应用在很大程度上取决于控制和制导系统的适应性.要在一个极端的动态环境下实现超空泡航行体的控制和制导是很有挑战性的一项任务.德国已有试验表明,利用超空泡头部的适当运动可以控制超空泡航行体的弹道;

利用尾翼之类的穿穴控制面和推力矢量系统也可以对超空泡水下航行体进行控制.此外,未来的超空泡武器系统还必须具有一个实时的控制系统,实时探测到超空泡航行体撞击气穴内墙的情况并及时调整其运动弹道.5.4推进技术推进技术是当前制约超空泡武器发展的关键问题之一.大多数现有的和预期的自主式超空泡航行体还必须依靠火箭发动机产生推力,但是常规发动机通常存在某些严重的缺陷:

航程有限;

当深度增加时,推力随着压力的增加而下降.解决这两个问题可采用的方案是:

用一种高能量密度的动力装置代替传统的发动机;

利用专门的超空泡推进螺旋桨技术解决推力随着压力的增加而下降的问题.其中,燃烧有最大比推力的高密度燃料是增加火箭发动机推力最为有效的技术手段,但目前还有很多核心技术需要解决和突破.燃烧如铝、锰或锂这样的金属燃料,并利用海水作为氧化剂与燃烧生成物的冷却剂的“水冲压”系统将是推进技术在该领域未来的发展趋势.6结语从超空泡武器的技术优势和任务需要两个方面来看,超空泡航行体的空泡实现技术、控制制导技术和推进技术等关键性技术一旦得到突破,超空泡武器必将用于完成海军的大量任务.超空泡武器能够用于对付水雷、自导鱼雷、小型船舶、高速反舰导弹,甚至低空飞行的飞机和直升机,预计利用超空泡技术,还可能研制出小型超高速水面舰艇、能使整个航母战斗群失效的水下核导弹,以及用于潜艇战的中程无制导摧毁性武器.因此,随着世界各国对超空泡技术的不断认知,超空泡技术的应用前景将十分可观,超空泡武器将会大大改变未来海上作战模式.参考文献1鱼雷力学编著组.鱼雷力学.国防工业出版社.2李明权.超空泡武器技术.现代军事,2001（8）.3Yu.N.Savchenko.Supercavitation2ProblemsandPerspec2tivesC.4InternationalSymposiumonCavitation,Cali2fornia:

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2001.5王鹏,王树宗.应用在鱼雷上的超空泡技术分析.舰船科学技术,2005

（2）.6LOGVNOVICHGV.HydrodynamicsofFlowwithFreeBoundariesM.Kiev.USSR.NaukovaDumka.1969.7SAVECHENKOYUN.ExperimentalInvestigationofSu2percavitatingMotionofBodiesA.SupercacitatingFlowsC.France:

RTONATO.2002.8SavchenkoYuN.InvestigationofHighSpeedSupercavi2tatingUnderwaterMotionofBody.ProcTNOReport.FEL2982A027.9傅惠萍等.超空泡武器技术中的几个水动力学问题.船舶力学,2003（5）.01战术导弹技术TacticalMissileTechnologySept,2006,（5）