潛艇超空泡技術(shù)應(yīng)用分析

杜佩佩，肖昌潤，劉　洋

（海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北　武漢 430033）

潛艇超空泡技術(shù)應(yīng)用分析

杜佩佩，肖昌潤，劉洋

（海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北武漢 430033）

結(jié)合目前國內(nèi)外超空泡技術(shù)的發(fā)展，論述發(fā)展超空泡潛艇的必要性，介紹了超空泡技術(shù)基本原理。依據(jù)超空泡魚雷的配置，提出“變形空化器”的概念；論證超空泡潛艇推進(jìn)和控制系統(tǒng)的選擇；分析導(dǎo)引設(shè)備和尾舵的作用以及可能出現(xiàn)的問題。結(jié)合4種超空泡航行體穩(wěn)定模式，分析超空泡潛艇水下穩(wěn)定性問題，提出超空泡潛艇發(fā)展設(shè)想。結(jié)合對潛艇操縱研究，分析超空泡潛艇的水動力特性問題。同時，對 Suboff 潛艇模型進(jìn)行了流場特性的仿真計算，結(jié)果表明：潛艇的頭部、指揮室的迎風(fēng)面、指揮室的兩側(cè)艇體和潛艇的尾翼均存在一定的沾濕區(qū)域。基于此結(jié)果，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。對超空泡潛艇未來主要工作進(jìn)行展望。

超空泡潛艇；變形空化器；CFD；穩(wěn)定性；水動力；沾濕區(qū)域

0　引　言

潛艇快速性一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。迄今為止，潛艇大都采用流線型設(shè)計，而其推進(jìn)所需的能量與速度的立方成正比，又限于動力裝置功率的問題，常規(guī)方法很難較大幅度提高潛艇的速度。高新材料技術(shù)、壁面振動減阻技術(shù)等一定程度上確實可提高潛艇速度，但收效不很明顯。

水下航行體在運動過程中受到的阻力幾乎是在空氣中的 800～1 000 倍［1］。其主要限制因素為水的粘性阻力。然而自 1994 年，俄羅斯向外界公布的Shkval（“風(fēng)雪”）超空泡魚雷，徹底改變了傳統(tǒng)意義上人們對水下航行體快速性的認(rèn)識［2］。目前，中、烏、德、美、俄等國都在進(jìn)行超空泡技術(shù)的理論和實驗研究［3］。取得突破性進(jìn)展的主要有：美國 AHSUM 快速射彈系統(tǒng)和 RAMICS 直升機(jī)快速滅雷系統(tǒng)研制成功；德國試驗型水下超空泡火箭初步成型［4］。

在如今國際環(huán)境下，發(fā)展海軍武器裝備至關(guān)重要。潛艇尤其是戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇，其能否快速、高效、精確的完成戰(zhàn)略打擊任務(wù)，已成為一個國家國防實力的重要象征。蘇俄第2代 Alfa 攻擊核潛艇，據(jù)稱是水下航速最快的核潛艇，其速度也只有 40 kn左右。隨著超空泡武器技術(shù)研究的日趨成熟，可以預(yù)見，潛艇要提高生存性，急需利用超空泡技術(shù)，制造“阻力危機(jī)”，解決其快速航行的問題，更大限度地提高作戰(zhàn)效能。

據(jù)資料顯示，俄羅斯自20世紀(jì)末已開始研究潛艇超空泡技術(shù)；美國21世紀(jì)初，已開始研究水下高速運輸型潛艇，并且其水動力性能和動力系統(tǒng)在 2007 年取得突破性進(jìn)展［5］。我國對超空泡技術(shù)的研究才剛剛開始，并且主要集中在對水下魚雷、射彈等的研究。超空泡技術(shù)尚未在潛艇上得到重視。

本文介紹超空泡技術(shù)的基本原理，分析其流動問題涉及的主要相似準(zhǔn)則數(shù)?；凇帮L(fēng)雪”魚雷的基本配置，結(jié)合潛艇的實際，對通氣裝置、控制推進(jìn)系統(tǒng)、空化器、導(dǎo)引設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用分析。對其在水下運動的穩(wěn)定性、水動力問題結(jié)合對潛艇操縱性的研究做分析。最后對超空泡潛艇的自然超空泡進(jìn)行 CFD仿真。

1　超空泡技術(shù)基本原理

早在19世紀(jì)90年代，伯努利通過對繞流物體研究，發(fā)現(xiàn)了著名的空化現(xiàn)象。超空泡，即是水下航行體高速運動過程中產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。通常認(rèn)為，航行體外部空泡尺度小于其自身長度的空泡為局部空泡，空泡尺度等于或超過其自身長度的空泡稱為超空泡。

超空泡通常分為自然超空泡和通氣超空泡。自然超空泡由于其需要高航速、低壓強(qiáng)等條件，目前主要應(yīng)用于循環(huán)水洞的試驗研究。通氣超空泡是利用人工設(shè)置的通氣裝置，增強(qiáng)空泡內(nèi)壓強(qiáng)從而形成超空泡［6］。

2　超空泡潛艇裝置應(yīng)用分析

“風(fēng)雪”超空泡魚雷其主要工作裝置包括通氣孔、控制與推進(jìn)系統(tǒng)、空化器、導(dǎo)引設(shè)備和尾舵（見圖1）?；凇帮L(fēng)雪”超空泡魚雷的總體配置，結(jié)合潛艇自身的特點，對超空泡潛艇對應(yīng)裝置做進(jìn)一步的應(yīng)用分析。

2.1通氣裝置應(yīng)用分析

對于潛艇而言，其本身重量非常大，在常規(guī)條件下很難達(dá)到自然超空泡形成的條件，必須為其實行人工通氣的方法，促使其快速形成超空泡，并保持穩(wěn)定。通常，只要改變通氣壓力可以控制空泡尺寸，使?jié)撏н\動過程中始終被空泡包圍，降低其航行過程中受到的阻力。

圖1　超空泡魚雷的設(shè)計模型Fig.1　The model of supercavitating torpedo

目前關(guān)于通氣裝置設(shè)計的文獻(xiàn)資料非常少，并且對通氣超空泡的研究，主要從其通氣規(guī)律和通氣壓力的控制出發(fā)，研究空泡的形態(tài)、空泡的發(fā)展規(guī)律和水動力特性。可以從通氣裝置設(shè)計的角度出發(fā)，考慮“變形”通氣孔對超空泡航行體穩(wěn)定性和空泡穩(wěn)定性的改進(jìn)作用。

“變形”通氣孔顧名思義，即是在潛艇等水下航行體運行過程中，可以根據(jù)其運動過程中空化數(shù)、空泡形狀、運動狀態(tài)等的變化，實時調(diào)節(jié)通氣孔的形狀來改變通氣率的大小，保證超空泡航行體的穩(wěn)定運動。由于潛艇等水下航行體在運動過程中，存在通氣孔出流與空泡壁面的相互作用，如果通氣率足夠大，可能導(dǎo)致整個超空泡航行體失穩(wěn)。而通過一定的技術(shù)手段，設(shè)計可以根據(jù)空泡形狀自動導(dǎo)流的“變形”通氣孔，使流出通氣系統(tǒng)的氣體流盡可能與整個空泡流場保持平行，可在一定程度上緩解通氣引起的不穩(wěn)定性。

2.2控制與推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用分析

目前已經(jīng)成型的超空泡武器有俄羅斯的“風(fēng)雪”超空泡魚雷，采用火箭發(fā)動機(jī)作為推進(jìn)裝置，沒有裝備制導(dǎo)控制系統(tǒng)。有資料稱，“風(fēng)雪”-2號將采用矢量推進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)對其控制和推進(jìn)；德國 Barracuda 導(dǎo)彈采用固體火箭發(fā)動機(jī)作為其動力裝置，同時采用空化器偏轉(zhuǎn)制導(dǎo)，串級滾轉(zhuǎn)—俯仰控制系統(tǒng)，通過頭錐的偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對導(dǎo)彈的控制［7］；俄學(xué)者曾提出“燃燒金屬（如鋁、錳等）燃料”，用海水將氧化產(chǎn)物作為冷卻劑的噴氣式推進(jìn)裝置或高效燃?xì)廨啓C(jī)將是很有效的推進(jìn)系統(tǒng)［8］。資料顯示，美國 Pennsylvania 大學(xué)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行過“燃燒鋁水沖壓”系統(tǒng)的試驗。此外，也有采用水反應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)，對超空泡武器施行推力矢量控制。

對潛艇本身而言，其操縱性與潛艇自身的安全、反偵察以及作戰(zhàn)效能密切相關(guān)，因此其控制系統(tǒng)的研究也至關(guān)重要。簡單的采用直航加傳統(tǒng)動力裝置的推進(jìn)一定程度上也可以滿足軍事行動需要，但是需要配備極其精確的導(dǎo)航、定位系統(tǒng)，提前確定其航行軌跡。而潛艇的導(dǎo)航、定位技術(shù)本身就存在很多技術(shù)難點。所以，潛艇在利用超空泡技術(shù)的同時，需要充分考慮其水下機(jī)動性能。

對于上述應(yīng)用于武器的制導(dǎo)控制系統(tǒng)，由于潛艇結(jié)構(gòu)、用途、效能與之差異很大，所以方法大多只能作為參考。對于噴氣式火箭發(fā)動機(jī)而言，如果設(shè)計一種方向可以根據(jù)需要改變的噴嘴，就可以產(chǎn)生潛艇改變航向所需要的力和力矩，務(wù)必注意，潛艇運動過程姿態(tài)改變時一定保證其處于超空泡內(nèi)部。

2.3空化器應(yīng)用分析

空化器是任一超空泡航行體必不可少的裝置［9］。其置于航行體的頭部，通過其攻角的改變來實現(xiàn)運動過程中力和力矩的平衡［10］。主要作用是誘導(dǎo)航行體產(chǎn)生超空泡，為航行體提供升力，同時也是非常重要的控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

目前常見的空化器形狀有圓盤、圓錐及齒輪狀圓臺等。研究最多、應(yīng)用最為廣泛的是圓盤型空化器。其他還有如射流空化器、結(jié)構(gòu)類似于活動鉛筆的空化器等的一些特殊空化器，雖各自都有很多特性，但是迄今公開的資料顯示，圓盤空化器更易使超空泡航行體保持穩(wěn)定。而其最大的應(yīng)用劣勢是阻力較大。

2.4導(dǎo)引設(shè)備應(yīng)用分析

潛艇自航模試驗，因為其廉價、易實現(xiàn)、模擬流場真實，可以作為潛艇方案設(shè)計、技術(shù)評估的重要手段，而高精度的水聲定位系統(tǒng)是自航模試驗可以順利進(jìn)行的關(guān)鍵。對于超空泡潛艇，無疑自航模試驗亦是其操縱性預(yù)報和研究的關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確、方便確定其航跡，通常需要將水聲頭裝置其重心位置，同時水聲發(fā)射頭必須置于水中。超空泡潛艇的空化器是其唯一的觸水區(qū)域，而水聲頭體積較大，無法置于潛艇空化器內(nèi)，即使可以置于空化器內(nèi)，其定位系統(tǒng)也需要做進(jìn)一步的更新、完善。因此，適用于超空泡潛艇自航模的水聲定位系統(tǒng)或者其他定位方法仍需要做進(jìn)一步研究。

2.5尾舵應(yīng)用分析

目前，常見的潛艇基本上都通過尾舵來產(chǎn)生控制力矩和提供水動力。對于處于超空泡內(nèi)部的潛艇，其尾舵可能會有部分表面穿過空泡，可以提供尾部升力、轉(zhuǎn)動及航態(tài)的控制。

由于尾舵的存在，會出現(xiàn)自由空泡邊界的負(fù)面效應(yīng)，而其本身也會產(chǎn)生傳統(tǒng)的空化現(xiàn)象，會導(dǎo)致尾舵控制效率降低甚至失控［11］，這也是在超空泡潛艇設(shè)計中需要考慮的問題。

3　超空泡潛艇水動力問題

3.1水下運動穩(wěn)定性問題

潛艇在水下形成超空泡以后，主要受空化器上的水動力作用、空泡內(nèi)部蒸汽的作用和空泡尾部射流的噴射作用力。由于超空泡的記憶效應(yīng)［12］，以及其力和力矩（不包括空化器上的水動力）系數(shù)的時間延遲效應(yīng)，對潛艇運動的計算極其復(fù)雜。而潛艇相對于其他航行體，體積、質(zhì)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜對其運動過程中穩(wěn)定性把握非常困難。并且處于超空泡中的潛艇，螺旋槳推進(jìn)器將無用武之地，傳統(tǒng)依靠舵來提供升力和控制方向也將無法適用。一旦潛艇無法通過超空泡來維持其穩(wěn)定航行狀態(tài)，同時又沒有配置傳統(tǒng)的舵和槳裝置，其造成的損失將不可估量。因此，超空泡技術(shù)應(yīng)用于潛艇，其運動穩(wěn)定性問題非常關(guān)鍵。

烏克蘭 NAS-IHM 研究所的 Yu.N.Savchenko［13］提出了以下4種超空泡航行體的穩(wěn)定模式（見圖2）：

1）雙空泡流動方案

如圖2（a）所示，其航速大約為 0～70 m/s。目前，許多專家學(xué)者均認(rèn)為此種情形下其水動力中心位于質(zhì)心之后，滿足經(jīng)典的運動穩(wěn)定條件，此外，首尾壓差也可以產(chǎn)生附加推力。此種設(shè)想，目前只是從理論上做了分析，沒有具體的實驗驗證。

2）航行體尾部沿空泡內(nèi)壁滑移方案

如圖2（b）所示，其航速大約為 50～200 m/s。此方案，航行體尾部沿空泡內(nèi)壁滑移，會產(chǎn)生升力，與空化器產(chǎn)生的升力一起保證航行體的平衡。此方案最大的缺陷是，其運動過程中滑移點受到很小的干擾，對航行體來說都致命。

3）航行體尾部與空泡邊界撞擊方案

如圖2（c）所示，其航速大約為 300～900 m/s。此方案主要是由于模型初始攻角和角速度的擾動，從而形成的一種逐漸衰減的振蕩模型。目前，已做過類似的數(shù)值模擬工作，結(jié)果證明此種振蕩模式最終可以使航行體整體上保持穩(wěn)定。

4）航行體尾部與空泡內(nèi)氣體及射流的相互作用方案

如圖2（d）所示，其航速大約為 1 000 m/s 甚至更高。其主要是考慮高速運行時空泡末端的回射流作用力對航行體穩(wěn)定性的作用。并且，許多學(xué)者認(rèn)為，其產(chǎn)生的力可以利用近壁氣動力學(xué)的方法來計算。

圖2　超空泡航行體的穩(wěn)定模式Fig.2　Schemes of body stabilization in supercavity

3.2水動力特性問題

對超空泡技術(shù)的研究，通?？煞譃槔碚撗芯?、實驗研究和數(shù)值模擬。早在 1946 年，Reichardt［14-15］進(jìn)行了超空泡水動力特性的實驗研究，并且得到了空泡形態(tài)的經(jīng)驗公式，驗證了自然超空泡和通氣超空泡具有相似的水動力特性。自此以后，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實驗和數(shù)值計算。其多集中于對流場的速度分布、空化器上的準(zhǔn)定常水動力、航行體模型外形對空泡水動力特性的影響等，利用實驗與計算相比較的方法得到了比較準(zhǔn)確的結(jié)果，為超空泡水動力特性的研究做出了很大的貢獻(xiàn)。

以往對潛艇的研究多數(shù)為單相流，在高壓氣吹除壓載水艙的過程等才涉及均相流的 VOF 模型。而 VOF模型與超空泡技術(shù)所涉及的兩相、甚至三相流的問題還不盡相同。尤其是在潛艇速度超過 100 m/s 以后，水的汽化會非常劇烈，水與水蒸氣之間的質(zhì)量運輸、以及涉及到空氣的多相流之間相互作用，并且此時流動過程中的高雷諾數(shù)、強(qiáng)湍流對超空泡的影響，如何利用 CFD 技術(shù)更好的模擬超空泡潛艇的水動力特性仍需要做進(jìn)一步研究。

除此之外，如果潛艇可以發(fā)展到如圖2（c）所示的穩(wěn)定狀態(tài)，此時水不能視為不可壓縮流體，潛艇的操縱面也會隨之振蕩。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，即便是對于已經(jīng)成熟應(yīng)用的超空泡魚雷，其流體動力特性至今還沒有得到解決。

4　潛艇自然超空泡仿真仿分析

4.1計算模型

仿真過程中，為了準(zhǔn)確模擬空泡生長、潰滅過程中的質(zhì)量傳輸，選取 Schnerr and Sauer［16］空化模型；涉及自然超空泡的多相流問題，選用均相流的 Mixture 模型；將以上計算模型與動量守恒方程、連續(xù)性方程耦合，同時利用文獻(xiàn)［17］給出的 RNG k-ε 模型，對模型方程進(jìn)行封閉。計算域分別采用速度入口、壓力出口和固壁的邊界條件。計算設(shè)置采用 SIMPLE 的壓力-速度耦合項、標(biāo)準(zhǔn)的壓力離散格式，其余均采用一階迎風(fēng)格式。

基于以上條件設(shè)置，對全附體的 Subof 模型在空化數(shù)為 0.039 968（v=100 m/s）時進(jìn)行仿真計算。劃分網(wǎng)格數(shù)為 3 001 684（見圖3），質(zhì)量在 0.25 以上。

4.2結(jié)果分析

對 Suboff 潛艇模型的計算結(jié)果如圖4 和圖5 所示。從圖4 可明顯看出，潛艇的頭部與水有很大的沾濕面積，大大增加了潛艇航行過程中受到的阻力。需要設(shè)計合理的空化器并且對頭部形狀進(jìn)行優(yōu)化，減小與水的沾濕面積。從而也驗證了超空泡潛艇頭部使用空化器的必要性。

圖3　Suboff 計算模型Fig.3　The calculation model of Suboff

圖4　Suboff 潛艇模型仿真結(jié)果Fig.4　The simulation results of Suboff model

圖5　尾翼對應(yīng)潛艇后部區(qū)域仿真結(jié)果Fig.5　The simulation results of the submarine rear area

指揮室的前側(cè)與水有較大的沾濕面積，由于指揮室高于艇體表面，會形成潛艇中縱面上的轉(zhuǎn)動力矩，使?jié)撏Х€(wěn)定性降低；同時指揮室兩側(cè)形成對稱的沾濕區(qū)域，增加了其穩(wěn)定、上浮所需要的升力；指揮室后部形成了完全空泡區(qū)域。因此，需要對指揮室的形態(tài)或者其存在的必要性重新進(jìn)行論證、設(shè)計?；蛘呖梢越梃b頭部空化器，設(shè)計出指揮室的“空化器”，從而克服上述問題所產(chǎn)生的不利影響。

從圖5 可知，由于尾翼的存在，對潛艇尾部超空泡的形成也會產(chǎn)生影響，上翼對應(yīng)的潛艇后部形成了較大的汽水混合區(qū)域，左翼和右翼對應(yīng)潛艇后部也有一定的汽水混合區(qū)域，下翼對應(yīng)的潛艇尾部沒有液相水存在。目前，潛艇使用的尾翼通常垂直于艇體表面，可以嘗試通過改變翼型使后部的汽水混合區(qū)域延遲出現(xiàn)，進(jìn)而保證尾部區(qū)域完全空泡形態(tài)。

5　結(jié)　語

超空泡技術(shù)在我國已備受關(guān)注。雖然成型的超空泡武器已不鮮見，但潛艇作為特殊的水下航行體，其超空泡技術(shù)的應(yīng)用仍需根據(jù)其特殊用途、作戰(zhàn)要求等進(jìn)行重新配置、設(shè)計；其水動力特性以及超空泡航行體的穩(wěn)定性等問題，都需要針對潛艇做細(xì)致、全面的研究。

基于空泡可以快速產(chǎn)生、發(fā)展并保持穩(wěn)定的特性進(jìn)行潛艇外形優(yōu)化設(shè)計；強(qiáng)動力推進(jìn)系統(tǒng)與矢量控制裝置相結(jié)合的潛艇動力設(shè)備研發(fā)；快速控制通氣量大小并且具有導(dǎo)流作用的“變形空化器”設(shè)計；空化器合理尺寸、外形設(shè)計問題；超空泡潛艇是否需要尾舵的論證；適用于潛艇超空泡流場模擬軟件的開發(fā)；超空泡潛艇流場流體動力特性的研究；超空泡潛艇穩(wěn)定性的問題等，有待進(jìn)一步研究。

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Application analysis of submarine supercavitation technique

DU Pei-pei，XIAO Chang-run，LIU Yang
（Naval University of Engineering，Department of Naval Architecture and Ocean Engineering，Wuhan 430033，China）

Based on the current development of supercavitation technology，the necessity of supercavitation submarine is expounded.The basic principle of supercavitation technology is introduced.Based on the configuration of the supercavitation torpedo，the deformation cavitator is proposed.How to choose the propulsion of supercavitation submarine and control system are demonstrated.The function and the possible problems of stem rudder are analyzed.The stability problem of the supercavitation submarine is analyzed and the development of the supecrcavitation submarine is putted forward.The characteristics of viscous flow filed of SUBOFF model is calculated，the preconception of supercavitation submarine are putted forward.It is shown that，the wetted area are formed in the head of submarine，the front of the command room of submarine，both sides of the symmetry of the command room and the rear wing .Based on the above results，the improvement of the program is presented.Main work of submarine supercavitation in the future is discussed.

supercavitation submarine；deformation cavitator；CFD；stability；hydrodynamic forces；wet area

U661.1

A

1672-7619（2016）06-0037-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.007

2015-07-29；

2015-09-06

杜佩佩（1991-），男，碩士，研究方向為潛艇超空泡技術(shù)。