第15卷第5期20cr7年lO月
鱼雷技术TORPEDO们既HNOL0cY
V01.15No.5
0ct。200r7
超空泡鱼雷技术特点分析.
王改娣
(中国船舶重工集团公司第705研究所,陕西西安,710075)
摘要:在简要回顾各国超空泡鱼雷发展概况的基础上,解释了几个易混淆的与空泡有关的新术语(空泡、超空泡、自然超空泡、通气超空泡和空泡数),分析了超空泡的形成机理和特点,详细阐述超空泡鱼雷在总体结构和性能、动力推进、控制系统和弹道形式等方面的技术特点,概括超空泡鱼雷与普通鱼雷在结构外形、流体动力布局、系统组成
和工作特性等方面的不同之处。
关键词:超空泡鱼雷;自然超空泡;通气超空泡;空泡数;超空泡形成机理;流体动力布局
中图分类号:TJ630.1
文献标识码:A
文章编号:1673—1948(200r7)05踟01JD4
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O引言
水下战中,当敌我双方同时发现对方时,在
反应能力及其他性能相当的条件下,使用武器的快速性将成为制胜的主要因素,作为水中兵器的超空泡鱼雷便在这种军事需求背景下应运而生。本文力求在目前国外超空泡鱼雷中应用的新技术、新原理以及在总体、动力、控制等方面的设
和M9,航速超过300kn,航程远达50km。目前,俄罗斯正在研制线导超高速鱼雷。俄罗斯在
超空泡武器技术领域上处于世界领先地位【l∞J。
自俄罗斯“暴风”超空泡鱼雷问世以来,在
强烈军事需求背景下。目前,世界上已掀起研究
超空泡技术的热潮。其实,美国早在上世纪40—50年代就对高速、超高速入水空泡及水弹道
计上分析与普通鱼雷的不同之处。
问题产生浓厚兴趣,他们对入水速度在91.44
1超空泡鱼雷发展概况
前苏联从20世纪50年代起开始研究超空泡鱼雷,1977年设计定型了代号为Shkval的“暴风”’超空泡鱼雷,并在1980年装备部队。该型雷可装备在水面舰艇、潜艇和其他平台,动力系
统采用2台火箭发动机,航速达200l【Il,无自导
—2133.6∥s范围内的空泡及弹道特性进行过
深入细致的研究,研究的主要应用背景是高速鱼雷,但由于一些关键技术没有突破,暂时搁浅。上世纪90年代开始,美国恢复超空泡水下航行体基础技术的研究,投资力度不断加大。最近5年内,在海军研究署的资助下,对超空泡鱼雷的总体优化设计、性能和结构、材料与动力以及有效载荷等领域的基础技术进行了研究。
德国对速度在100l【Il以上的鱼雷进行了系统的研究,包括空泡形状、弹体形状、弹体运动
系统,攻击弹道为直航,具有很高的航向精度,使所攻击的任何目标都难以逃生。此后。俄罗斯研制了第2代、第3代M系列的超空泡鱼雷M7
收稿日期:2006一ll锄;修回日期:2∞6“-28.
作者简介:王改娣(1964一),女,高级工程师,主要从事鱼雷弹道仿真建模研究.
万方数据 万方数据
2鱼雷技术
稳定性机理等内容。上世纪粥年代末麓又与美困共同研究超空泡水下航行体。据报道,2001年年底,德国已试验成功了第l枚超空泡鱼雷试验样机,其速度鸯毒∞娃。
近年来,Dziel8kiJ,kmada
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N等人在超空泡航行体的控制、弹道优化等方面也徽’7相关研究工嚣Hqj,并取得一定成栗。2超空泡鱼雷新术语
由于超空泡鱼雷的运动特性既不同予导弹,趣不同于一般水下航行器,‘涉及到许多新概念、
新原理、新技术和新方法,为了对超空泡鱼雷有
进一步了解,在此界定几个易混淆的术语。
(1)空沲。当物体与液体褶对高速运动霹,物体表面附近的液体因低压而发生相变,即物体
表面水的骶强降低。拨水压降低到水的饱和蒸汽压强(2350&)戬下时,物然表面的水产生汽化现象,形成包含水汽的薄层,这便是空泡。空
泡是一个内部含有气绒汽的低密度空泡腔,是以
滚体酶速度场巍压力场变诧为条件产生的。
(2)越空泡。当空泡长度与运动物体长度相避或将运动体包裹时,称为超空泡。
(3)自然超空泡。由液体耀变产生酶包络物
体大部分或全部表面的内含蒸汽的超空泡,称为
囱然超空泡或蒸汽超空泡。
(4)逶气超空泡。当耪傣与液搏狸砖运动速度没有达到足够低压条件时,用人工注入气体,
形成覆盖物体部分或全部表面的主要含有气体的
超空泡,称为通气超空泡或人工超空海。通气超
空泡必须以自然超空泡流场为依托才能生成。
(5)空泡数。空泡数是描述空泡大小的一个无量纲数,英表达式自然空泡数吼=2(po一风)和呢(1)通气空泡数
吼=2(凡一以)/p吃
(2)
式孛:民为环境压力,&=多翻+璐墨,尹。抽失大
气压,磨为鱼雷绝对深度;凡为液体饱和蒸汽压
力,n=2
350
Pa(20。C);仇为空泡内雁力;p
免水的密度;K为来流速度。
3超空泡形成机理及特点
水下航行体向前运动,推开无运动(静止)的漉体,流体沿横割瓣径惠扩展,空泡在蘧力差
△p(△p=po—p。)作用下也随着扩展开去,如图l所示。直到空泡压力n与流场压力平衡为
止,铁面形成半径为,≤r=霆(菇))豹奎泡漉场
万 万方数据
方数据的连续边界,空泡外形就这样确定了,也就是
图l超空泡流场示意图
说。空泡流场具有一定的大小和形态。扶图l不难看出,对于头部轴对称的航行体,其生成的空泡形态基本上为椭圆形,横削面上形状必圆形。
当航行体速度越来越大时,空泡就由局部空
泡发展为自然超空泡,利用自然超空泡具有向其内部充气形成更大超空泡的这一特点,则能产生具有相对稳定、可控等特性的通气超空泡。另外,根据航行体速度%和空泡流场中的压差△p是否变化,超空泡又可分为寇常超空泡和非定常超空泡,其中定常超空泡内压力不变,且沿宣壶边界速度恒定,相反,若压力或速度发生变化,则此时为非定常越空泡,其示意如图2所示。
(4)定常超空泡
(b>非定常超斑泡
圈2辘对称定鬻超空沲程嚣定常超空浚承意銎
图2中:K(1)为空化器速度;S。为空化器面积;X(1)为空化器位移;瓦(‘)为空泡
长度;r(r≤£)是截露孝形成的时阕;s(f,t)是截颟孝在l时间的横截面积。上述超空泡
的形状并不考虑重力和航行体头部变化对超空泡
流场的影响,所以奎泡流摆对于航行棒是轴对称
的。实际上,受这2种因素影响,空泡形状会产
生畸变,自然空泡和充气空泡均是如此,图3为
超空泡变形示意圈。
,
∥—√一
≮j§、乞琢
+—上一
..。..!二一
《8)靛行捧头群影螭
轴)重力影确
图3超空泡变形示意图
图3中:t为空泡长度;吃为来流速度;鑫。≤茹)为鍪力弓l起豹空泡轴镳移;g鸯空纯器攻惫;
王竣瓣:超高速鱼雷技拳特点分折
+3
^,(茗)为空化器攻角引起的空泡轴偏摄。从图3《a)霹以看赛,航行体头部对空泡形状影嘲结果与头部控制器的运动方向有关,如果控制器的运动使流体作用在航行体上的力向上,则空泡轴必定德彝下,反之亦然;从圈3(妨可以看出,重力对空泡形状影响的结果是空泡上浮即空
泡轴线变形上翘,这种影响从空泡起始点开始,
越向后影响程度越大,但这种影响会随着靛行体速度的增大丽变小,当速度增大弦一定值时可以忽略不计。
综土所述,对予轴对称细长航行体所生成的超空泡具有以下特点:1)空泡外形舆有确定性;2)可假定空泡大部分长度上具有平滑、清晰的边界且内部是透盟的,空泡壁是光滑、稳定的;3)趣然超空溜虽然不稳定,僵具有向其内部充气形成更大超空泡的特性;4)通气超空泡具有稳定、可控等特点;5)超空泡形状受航行体速度秘控制器影嚼后,榴对于航行体不对称。
利用超空泡上述特点,在航行体运动中,可
生成大小、长度及闭合位置答满足航行体要求的超空泡,使航行体阻力大大减夺,,可以获得难以想像的水中高速。
4超空泡鱼雷技术特点
超空泡鱼雷利用以上所述的形成原理,将运动中的雷体与水隔开,使鱼雷表面与水不直接接触,减小了鱼雷与水之阕的糖性摩擦损失,从而大大减小鱼雷的航行阻力,使之高速航行。为了达到这一目的,在超空泡鱼雷的设计上需要采用相应的技术,下面就对其总体、动力、控裁以及弹道上采用的技术及特点进行分析。
4.1超空泡鱼雷憩体技术特点
为了生成所要求盼超空泡,需要设计一种合理的外形,并进行总体结构奄局,豳4是一种超
空
圈4一种超高速鱼雷的外形示意豳
空泡鱼雷的外形结构示意图。撮据图4,各部分
的组成及基本功能如下。
(1)空化器。空化器有各种形式,如圆锥毽、睡盘戮、椭圆盘型等,其偿霜除了生成超空泡流场外,还可以充当水平舵,该舵在照雷航行时能平衡掉一部分重力并产生相应的力矩,参与
万 万方数据
方数据雷体控制。
(2)导流器。导流器是超空泡鱼雷透气系统的重要组成部分,主要作用是,气体由气体发
生器射向导流器内腔。气流经壁面导流,被合理
她喷射遴空泡内,形成覆盖雷体大部分表西积的空泡气囊,使雷体大部分表面与水流隔开,达弼显著降低阻力的目的。
(3)圆锥段。圆锥段是导流器与雷体隧桂段之阅的过渡段。该段壳体内部包含有气体发生器、控制及内测系统。其中气体发生器的作用是鱼雷形成皇然空泡后,以一定的供气规律悬空泡内供气,以支撵气泡网,保证空泡的稳定性。
(4)圆柱段。圆柱段主要装有鱼雷的动力
推进装置和“十”字型舵。动力撼进装置采用
豹是2级火箭发动槐,即助推发动机和主发动机,其中助推发动机布置在圆柱段尾部外层,该发动机工作完毕精自动从雷体上分离,此时雷体尾部将会呈一凸台,2个发动机在鱼雷不同的运动阶段提供不同的推力。
上述特殊结构决定了超空泡鱼雷在总体上具有以下特点:1)流体阻力小,眈常规鱼雷降低l一2个数量级;2)速度高,是常规鱼雷的4—5倍;3)衡重参数时变,如鱼雷重量、重心、转动惯量等;4)凡何外形变化,如隧柱段尾部变为凸台;5)浮力时变,如由全沾湿时浮力状态可变为被空泡包裹时零浮力状态;6)流体动力时变,如由全滔滋嚣雩歪常流体动力布局变为空泡包裹时的“鸭式”布局;7)无自导系统,5个舵参与鱼雷的控制等。
4.2超空泡鱼雷推进技术爱特点
由于超空泡鱼雷被空泡包裹,雷体与水不直接接触,常规螺旋桨无法使用,所以一般采用火蘩发动机终为动力,这祥不但能提供很大豹推力,使自然超空泡快速形成,而且火箭发动机排出的废气可被气体发生器再利用,喷气能消除空泡产生的霞砉|漉,起裂稳定空泡尾部的作甭。为了满足超缀泡鱼雷的航程和速度要求,其动力推进装置采用2级火箭发动机即助推发动机和主发动视。助攘发动机一般布置在鱼雷尾都最外层,其作用是将鱼雷从发射深度推进到所设定
的深度,并使鱼雷达到一定速度,燃烧完毕自动
与雷分离。主发动机狳了在极短酵麓凑快速将惫
雷速度提高到能产生自然超空泡时的速度外。还
要维持氟雷在高速航行时所需的推力,并保持推
4
鱼雷技术
力稳定。通过分析,超空泡鱼雷的动力推进系统有以下特点:1)采用多级组合、不同方式(固
体和液体)的火箭发动机;2)采用高功率、高
密度等性能的金属燃料(铝、锰或锂);3)利用海水作为氧化剂和燃烧生成物的冷却剂;4)采用高效能的“水冲压”发动机;5)提供满足不同需求的多级推力。
4.3超空泡鱼雷控制技术及特点
超空泡鱼雷的控制系统一般采用随雷集成控
制系统,该系统具有传统控制系统所没有的优
势,可实现任意结构的控制规律和算法。
与一般鱼雷不同的是,超空泡鱼雷的控制系
统组成中包括5个舵机,即4个尾舵和1个前置舵(空化器),5个舵可同时工作,也可根据需求自动伸缩参与工作。敏感元件中包括2个压力
传感器,即静压传感器和动压传感器,其中静压传感器在鱼雷航行不同状态测量不同压力,例如:全沾湿时测鱼雷航深产生的静压,被空泡包
裹时测空泡内的压力;动压传感器用于测量鱼雷的总压力,该压力除用于控制外,还用于计算鱼雷的航速。
根据分析,超空泡鱼雷控制系统具有以下几个特点:1)由内置计算机程序控制,具有很强
的抗干扰性;2)在弹道的不同阶段,不仅控制规律不同,而且控制系数也不同;3)在超空泡快速形成的过程中,鱼雷运动参数变化很大,而
允许的控制参数范围很窄。控制系统对鱼雷实际上是不可控的,鱼雷会瞬时丧失稳定性和操纵
性;4)在空泡稳定后的主要航行阶段,前置舵的微小变化,既可控制鱼雷的俯仰和深度变化;
5)鱼雷运动的稳定建立在空泡稳定的基础上,
控制系统的任务是对空泡和雷体进行综合控制。4.4超空泡鱼雷弹道形式及特点
由于超空泡鱼雷在超空泡流场中产生的声阻碍和声屏蔽作用,以及火箭发动机产生的强噪声,致使鱼雷无法使用声自导装置,所以超空泡
鱼雷一般无自导系统,其弹道是预先设计的,完
全由控制系统实现。另外,航行中若弹道变化过大,将产生不均匀气流层,使鱼雷表面超空泡复面层的连续性被破坏,故一般采用直航弹道。图5为超空泡鱼雷在水下运动过程的弹道示意图。
从图5看出,超空泡鱼雷的弹道基本上为定
深直航,共分为4段,每段的特点:l≥初始段(口6段)。从鱼雷出管至达到设定深度范围,鱼
万 万方数据
方数据图5超空泡鱼雷弹道示意图
雷的受力状态与一般全沾湿鱼雷相同,主要任务
是完成空间机动。2)加速段(6c段)。空泡形成阶段,对鱼雷进行加速,各系统协同工作,空泡由局部空泡发展到超空泡,由自然超空泡发展到通气超空泡,雷体的流体动力特性将发生很大改变,控制系统要切换控制规律,改变控制系数。3)巡航段(以段)。鱼雷全弹道中的主要阶段,发动机推力和气体发生器压力恒定,鱼雷在超空泡中高速运动,要求控制系统保证空泡稳定存在。4)攻击段(出段和矽段)。下潜/上浮
段,此段鱼雷按照设定弹道直航至命中目标。综合以上分析可以看出,超空泡鱼雷既不同
技译丛,2004(5):17—18,21.
[J].水雷战与舰船防护,2002(2):22—27.
江:哈尔滨工程大学,2005,
J,KurdilaA.A
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Sol砸伽[J].Jo哪al
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20Q3,19(7):791—804.
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EngilleeringGeorgia
IIIstitIIde《‰ho蛔.November2005.
N,KringDc,stok∞Aw,咖.CoTrb越
S仃丑t晒伪F.orSupe瑚访纽d119u炯d船[J].Jo阴柚0f
Vibrati佣andcontrol,2002,8(2):219—242.
(责任编辑陈曦)
5结束语
于导弹,也不同于一般鱼雷,具有其特殊性和复杂性。但是随着科学技术的发展和进步,应用新
技术、新材料、新工艺、新原理等众多创新技术,具有快速性的超空泡鱼雷,将为研究其他高
效水中兵器提供广阔的前景,这将改变以往常规的海上作战方式,并对水中兵器的发展产生革命性的影响。
参考文献:
[1]赵卫,滕万庆.“暴风”超空泡鱼雷[J].’现代科
[2]傅金祝.超空泡——对未来水中兵器系统的挑战
[3]赵卫.超空泡高速鱼雷技术综合分析[D].黑龙
[4】D疽幽I【i
[5]K蛐ad&R,Bon嘲o[6]Ⅺ璐cllrI盯I
超空泡鱼雷技术特点分析
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
王改娣
中国船舶重工集团公司第705研究所,陕西,西安,710075鱼雷技术
TORPEDO TECHNOLOGY2007,15(5)3次
参考文献(12条)
1.Kamada R;Bottasso C;Ruzzene M Trajectories Optimization Strategies for Supercavitating UnderwaterVehicles[AIAA 2004-1593] 2005
2.赵卫,滕万庆."暴风"超空泡鱼雷[J].现代科技译丛,2004(5):17-18,21.
3.Dzielski J;Kurdila A A Benchmark Control Problem for Supercavitating Vehicles and an InitialInvestigation of Solutions 2003(07)
4.傅金祝.超空泡--对未来水中兵器系统的挑战[J].水雷战与舰船防护,2002(2):22-27.5.赵卫 超空泡高速鱼雷技术综合分析[学位论文] 2005
6.赵卫.超空泡高速鱼雷技术综合分析[D].黑龙江:哈尔滨工程大学,2005.
7.傅金祝 超空泡--对未来水中兵器系统的挑战[期刊论文]-水雷战与舰船防护 2002(02)
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10.Kamada R,Bottasso C,Ruzzene M.Trajectories Optimization Strategies for Supercavitating UnderwaterVehicles[R].AIAA 2004-1593.School of Aerospace Engineering Georgia Institude of Technology.November2005.
11.Kirschner I N;Kring D C;Stokes A W Control Strategies For Supercavitating Vehicles[外文期刊]2002(02)
12.Kirschner I N,Kring D C,Stokes A W,etc.Control Strategies For Supercavitating Vehicles[J].Journalof Vibration and Control,2002,8 (2):219-242.
引证文献(6条)
1.夏佩伦.朱伟良.温洪 潜艇装备适应机动目标跟踪和攻击要求的探讨[期刊论文]-舰船电子工程 2010(9)2.赵潇雨.周维 自然超空泡形态特性的数值模拟[期刊论文]-四川兵工学报 2010(12)3.邹玉博.周淇.成方达 超空泡鱼雷特点及作战使用分析[期刊论文]-中国科技信息 2010(21)4.邹玉博.周淇.成方达 超空泡鱼雷特点及作战使用分析[期刊论文]-中国科技信息 2010(21)5.赵潇雨.周维 自然超空泡形态特性的数值模拟[期刊论文]-四川兵工学报 2010(12)
6.夏佩伦.朱伟良.温洪 潜艇装备适应机动目标跟踪和攻击要求的探讨[期刊论文]-舰船电子工程 2010(9)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yljs200705001.aspx
第15卷第5期20cr7年lO月
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和工作特性等方面的不同之处。
关键词:超空泡鱼雷;自然超空泡;通气超空泡;空泡数;超空泡形成机理;流体动力布局
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di8tributi伽
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反应能力及其他性能相当的条件下,使用武器的快速性将成为制胜的主要因素,作为水中兵器的超空泡鱼雷便在这种军事需求背景下应运而生。本文力求在目前国外超空泡鱼雷中应用的新技术、新原理以及在总体、动力、控制等方面的设
和M9,航速超过300kn,航程远达50km。目前,俄罗斯正在研制线导超高速鱼雷。俄罗斯在
超空泡武器技术领域上处于世界领先地位【l∞J。
自俄罗斯“暴风”超空泡鱼雷问世以来,在
强烈军事需求背景下。目前,世界上已掀起研究
超空泡技术的热潮。其实,美国早在上世纪40—50年代就对高速、超高速入水空泡及水弹道
计上分析与普通鱼雷的不同之处。
问题产生浓厚兴趣,他们对入水速度在91.44
1超空泡鱼雷发展概况
前苏联从20世纪50年代起开始研究超空泡鱼雷,1977年设计定型了代号为Shkval的“暴风”’超空泡鱼雷,并在1980年装备部队。该型雷可装备在水面舰艇、潜艇和其他平台,动力系
统采用2台火箭发动机,航速达200l【Il,无自导
—2133.6∥s范围内的空泡及弹道特性进行过
深入细致的研究,研究的主要应用背景是高速鱼雷,但由于一些关键技术没有突破,暂时搁浅。上世纪90年代开始,美国恢复超空泡水下航行体基础技术的研究,投资力度不断加大。最近5年内,在海军研究署的资助下,对超空泡鱼雷的总体优化设计、性能和结构、材料与动力以及有效载荷等领域的基础技术进行了研究。
德国对速度在100l【Il以上的鱼雷进行了系统的研究,包括空泡形状、弹体形状、弹体运动
系统,攻击弹道为直航,具有很高的航向精度,使所攻击的任何目标都难以逃生。此后。俄罗斯研制了第2代、第3代M系列的超空泡鱼雷M7
收稿日期:2006一ll锄;修回日期:2∞6“-28.
作者简介:王改娣(1964一),女,高级工程师,主要从事鱼雷弹道仿真建模研究.
万方数据 万方数据
2鱼雷技术
稳定性机理等内容。上世纪粥年代末麓又与美困共同研究超空泡水下航行体。据报道,2001年年底,德国已试验成功了第l枚超空泡鱼雷试验样机,其速度鸯毒∞娃。
近年来,Dziel8kiJ,kmada
R,l(i瞄chnerI
N等人在超空泡航行体的控制、弹道优化等方面也徽’7相关研究工嚣Hqj,并取得一定成栗。2超空泡鱼雷新术语
由于超空泡鱼雷的运动特性既不同予导弹,趣不同于一般水下航行器,‘涉及到许多新概念、
新原理、新技术和新方法,为了对超空泡鱼雷有
进一步了解,在此界定几个易混淆的术语。
(1)空沲。当物体与液体褶对高速运动霹,物体表面附近的液体因低压而发生相变,即物体
表面水的骶强降低。拨水压降低到水的饱和蒸汽压强(2350&)戬下时,物然表面的水产生汽化现象,形成包含水汽的薄层,这便是空泡。空
泡是一个内部含有气绒汽的低密度空泡腔,是以
滚体酶速度场巍压力场变诧为条件产生的。
(2)越空泡。当空泡长度与运动物体长度相避或将运动体包裹时,称为超空泡。
(3)自然超空泡。由液体耀变产生酶包络物
体大部分或全部表面的内含蒸汽的超空泡,称为
囱然超空泡或蒸汽超空泡。
(4)逶气超空泡。当耪傣与液搏狸砖运动速度没有达到足够低压条件时,用人工注入气体,
形成覆盖物体部分或全部表面的主要含有气体的
超空泡,称为通气超空泡或人工超空海。通气超
空泡必须以自然超空泡流场为依托才能生成。
(5)空泡数。空泡数是描述空泡大小的一个无量纲数,英表达式自然空泡数吼=2(po一风)和呢(1)通气空泡数
吼=2(凡一以)/p吃
(2)
式孛:民为环境压力,&=多翻+璐墨,尹。抽失大
气压,磨为鱼雷绝对深度;凡为液体饱和蒸汽压
力,n=2
350
Pa(20。C);仇为空泡内雁力;p
免水的密度;K为来流速度。
3超空泡形成机理及特点
水下航行体向前运动,推开无运动(静止)的漉体,流体沿横割瓣径惠扩展,空泡在蘧力差
△p(△p=po—p。)作用下也随着扩展开去,如图l所示。直到空泡压力n与流场压力平衡为
止,铁面形成半径为,≤r=霆(菇))豹奎泡漉场
万 万方数据
方数据的连续边界,空泡外形就这样确定了,也就是
图l超空泡流场示意图
说。空泡流场具有一定的大小和形态。扶图l不难看出,对于头部轴对称的航行体,其生成的空泡形态基本上为椭圆形,横削面上形状必圆形。
当航行体速度越来越大时,空泡就由局部空
泡发展为自然超空泡,利用自然超空泡具有向其内部充气形成更大超空泡的这一特点,则能产生具有相对稳定、可控等特性的通气超空泡。另外,根据航行体速度%和空泡流场中的压差△p是否变化,超空泡又可分为寇常超空泡和非定常超空泡,其中定常超空泡内压力不变,且沿宣壶边界速度恒定,相反,若压力或速度发生变化,则此时为非定常越空泡,其示意如图2所示。
(4)定常超空泡
(b>非定常超斑泡
圈2辘对称定鬻超空沲程嚣定常超空浚承意銎
图2中:K(1)为空化器速度;S。为空化器面积;X(1)为空化器位移;瓦(‘)为空泡
长度;r(r≤£)是截露孝形成的时阕;s(f,t)是截颟孝在l时间的横截面积。上述超空泡
的形状并不考虑重力和航行体头部变化对超空泡
流场的影响,所以奎泡流摆对于航行棒是轴对称
的。实际上,受这2种因素影响,空泡形状会产
生畸变,自然空泡和充气空泡均是如此,图3为
超空泡变形示意圈。
,
∥—√一
≮j§、乞琢
+—上一
..。..!二一
《8)靛行捧头群影螭
轴)重力影确
图3超空泡变形示意图
图3中:t为空泡长度;吃为来流速度;鑫。≤茹)为鍪力弓l起豹空泡轴镳移;g鸯空纯器攻惫;
王竣瓣:超高速鱼雷技拳特点分折
+3
^,(茗)为空化器攻角引起的空泡轴偏摄。从图3《a)霹以看赛,航行体头部对空泡形状影嘲结果与头部控制器的运动方向有关,如果控制器的运动使流体作用在航行体上的力向上,则空泡轴必定德彝下,反之亦然;从圈3(妨可以看出,重力对空泡形状影响的结果是空泡上浮即空
泡轴线变形上翘,这种影响从空泡起始点开始,
越向后影响程度越大,但这种影响会随着靛行体速度的增大丽变小,当速度增大弦一定值时可以忽略不计。
综土所述,对予轴对称细长航行体所生成的超空泡具有以下特点:1)空泡外形舆有确定性;2)可假定空泡大部分长度上具有平滑、清晰的边界且内部是透盟的,空泡壁是光滑、稳定的;3)趣然超空溜虽然不稳定,僵具有向其内部充气形成更大超空泡的特性;4)通气超空泡具有稳定、可控等特点;5)超空泡形状受航行体速度秘控制器影嚼后,榴对于航行体不对称。
利用超空泡上述特点,在航行体运动中,可
生成大小、长度及闭合位置答满足航行体要求的超空泡,使航行体阻力大大减夺,,可以获得难以想像的水中高速。
4超空泡鱼雷技术特点
超空泡鱼雷利用以上所述的形成原理,将运动中的雷体与水隔开,使鱼雷表面与水不直接接触,减小了鱼雷与水之阕的糖性摩擦损失,从而大大减小鱼雷的航行阻力,使之高速航行。为了达到这一目的,在超空泡鱼雷的设计上需要采用相应的技术,下面就对其总体、动力、控裁以及弹道上采用的技术及特点进行分析。
4.1超空泡鱼雷憩体技术特点
为了生成所要求盼超空泡,需要设计一种合理的外形,并进行总体结构奄局,豳4是一种超
空
圈4一种超高速鱼雷的外形示意豳
空泡鱼雷的外形结构示意图。撮据图4,各部分
的组成及基本功能如下。
(1)空化器。空化器有各种形式,如圆锥毽、睡盘戮、椭圆盘型等,其偿霜除了生成超空泡流场外,还可以充当水平舵,该舵在照雷航行时能平衡掉一部分重力并产生相应的力矩,参与
万 万方数据
方数据雷体控制。
(2)导流器。导流器是超空泡鱼雷透气系统的重要组成部分,主要作用是,气体由气体发
生器射向导流器内腔。气流经壁面导流,被合理
她喷射遴空泡内,形成覆盖雷体大部分表西积的空泡气囊,使雷体大部分表面与水流隔开,达弼显著降低阻力的目的。
(3)圆锥段。圆锥段是导流器与雷体隧桂段之阅的过渡段。该段壳体内部包含有气体发生器、控制及内测系统。其中气体发生器的作用是鱼雷形成皇然空泡后,以一定的供气规律悬空泡内供气,以支撵气泡网,保证空泡的稳定性。
(4)圆柱段。圆柱段主要装有鱼雷的动力
推进装置和“十”字型舵。动力撼进装置采用
豹是2级火箭发动槐,即助推发动机和主发动机,其中助推发动机布置在圆柱段尾部外层,该发动机工作完毕精自动从雷体上分离,此时雷体尾部将会呈一凸台,2个发动机在鱼雷不同的运动阶段提供不同的推力。
上述特殊结构决定了超空泡鱼雷在总体上具有以下特点:1)流体阻力小,眈常规鱼雷降低l一2个数量级;2)速度高,是常规鱼雷的4—5倍;3)衡重参数时变,如鱼雷重量、重心、转动惯量等;4)凡何外形变化,如隧柱段尾部变为凸台;5)浮力时变,如由全沾湿时浮力状态可变为被空泡包裹时零浮力状态;6)流体动力时变,如由全滔滋嚣雩歪常流体动力布局变为空泡包裹时的“鸭式”布局;7)无自导系统,5个舵参与鱼雷的控制等。
4.2超空泡鱼雷推进技术爱特点
由于超空泡鱼雷被空泡包裹,雷体与水不直接接触,常规螺旋桨无法使用,所以一般采用火蘩发动机终为动力,这祥不但能提供很大豹推力,使自然超空泡快速形成,而且火箭发动机排出的废气可被气体发生器再利用,喷气能消除空泡产生的霞砉|漉,起裂稳定空泡尾部的作甭。为了满足超缀泡鱼雷的航程和速度要求,其动力推进装置采用2级火箭发动机即助推发动机和主发动视。助攘发动机一般布置在鱼雷尾都最外层,其作用是将鱼雷从发射深度推进到所设定
的深度,并使鱼雷达到一定速度,燃烧完毕自动
与雷分离。主发动机狳了在极短酵麓凑快速将惫
雷速度提高到能产生自然超空泡时的速度外。还
要维持氟雷在高速航行时所需的推力,并保持推
4
鱼雷技术
力稳定。通过分析,超空泡鱼雷的动力推进系统有以下特点:1)采用多级组合、不同方式(固
体和液体)的火箭发动机;2)采用高功率、高
密度等性能的金属燃料(铝、锰或锂);3)利用海水作为氧化剂和燃烧生成物的冷却剂;4)采用高效能的“水冲压”发动机;5)提供满足不同需求的多级推力。
4.3超空泡鱼雷控制技术及特点
超空泡鱼雷的控制系统一般采用随雷集成控
制系统,该系统具有传统控制系统所没有的优
势,可实现任意结构的控制规律和算法。
与一般鱼雷不同的是,超空泡鱼雷的控制系
统组成中包括5个舵机,即4个尾舵和1个前置舵(空化器),5个舵可同时工作,也可根据需求自动伸缩参与工作。敏感元件中包括2个压力
传感器,即静压传感器和动压传感器,其中静压传感器在鱼雷航行不同状态测量不同压力,例如:全沾湿时测鱼雷航深产生的静压,被空泡包
裹时测空泡内的压力;动压传感器用于测量鱼雷的总压力,该压力除用于控制外,还用于计算鱼雷的航速。
根据分析,超空泡鱼雷控制系统具有以下几个特点:1)由内置计算机程序控制,具有很强
的抗干扰性;2)在弹道的不同阶段,不仅控制规律不同,而且控制系数也不同;3)在超空泡快速形成的过程中,鱼雷运动参数变化很大,而
允许的控制参数范围很窄。控制系统对鱼雷实际上是不可控的,鱼雷会瞬时丧失稳定性和操纵
性;4)在空泡稳定后的主要航行阶段,前置舵的微小变化,既可控制鱼雷的俯仰和深度变化;
5)鱼雷运动的稳定建立在空泡稳定的基础上,
控制系统的任务是对空泡和雷体进行综合控制。4.4超空泡鱼雷弹道形式及特点
由于超空泡鱼雷在超空泡流场中产生的声阻碍和声屏蔽作用,以及火箭发动机产生的强噪声,致使鱼雷无法使用声自导装置,所以超空泡
鱼雷一般无自导系统,其弹道是预先设计的,完
全由控制系统实现。另外,航行中若弹道变化过大,将产生不均匀气流层,使鱼雷表面超空泡复面层的连续性被破坏,故一般采用直航弹道。图5为超空泡鱼雷在水下运动过程的弹道示意图。
从图5看出,超空泡鱼雷的弹道基本上为定
深直航,共分为4段,每段的特点:l≥初始段(口6段)。从鱼雷出管至达到设定深度范围,鱼
万 万方数据
方数据图5超空泡鱼雷弹道示意图
雷的受力状态与一般全沾湿鱼雷相同,主要任务
是完成空间机动。2)加速段(6c段)。空泡形成阶段,对鱼雷进行加速,各系统协同工作,空泡由局部空泡发展到超空泡,由自然超空泡发展到通气超空泡,雷体的流体动力特性将发生很大改变,控制系统要切换控制规律,改变控制系数。3)巡航段(以段)。鱼雷全弹道中的主要阶段,发动机推力和气体发生器压力恒定,鱼雷在超空泡中高速运动,要求控制系统保证空泡稳定存在。4)攻击段(出段和矽段)。下潜/上浮
段,此段鱼雷按照设定弹道直航至命中目标。综合以上分析可以看出,超空泡鱼雷既不同
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(责任编辑陈曦)
5结束语
于导弹,也不同于一般鱼雷,具有其特殊性和复杂性。但是随着科学技术的发展和进步,应用新
技术、新材料、新工艺、新原理等众多创新技术,具有快速性的超空泡鱼雷,将为研究其他高
效水中兵器提供广阔的前景,这将改变以往常规的海上作战方式,并对水中兵器的发展产生革命性的影响。
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超空泡鱼雷技术特点分析
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
王改娣
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yljs200705001.aspx