水下推力矢量控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

許 奇，權(quán)曉波，魏海鵬，鮑文春

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076； 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076)

1 引言

為了提高水下垂直發(fā)射航行體的實(shí)戰(zhàn)化水平及生存能力，行之有效的措施之一是增加航行體水下發(fā)射深度，隨著發(fā)射深度的增加，發(fā)射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、海浪、海流等干擾因素對(duì)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程影響很大，而且航行體多呈靜不穩(wěn)定狀態(tài)，在“無(wú)控”條件下其出水彈道存在較大變化和散布，“無(wú)控”航行體很難滿足出水姿態(tài)的要求。因此，大深度發(fā)射時(shí)，普遍采用水下有動(dòng)控制解決航行體水下運(yùn)動(dòng)及出水過(guò)程中的姿態(tài)控制問(wèn)題，近年來(lái)提出了多種流動(dòng)控制技術(shù)，其中效果顯著且在實(shí)際中得以應(yīng)用的主要包括：柵格翼、通氣空泡多相流及水下推力矢量控制等。理論和實(shí)踐表明，水下推力矢量發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在外界條件干擾作用下對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的有效控制，從而達(dá)到水下航行體大深度、變航速、惡劣海情和全天侯發(fā)射的目標(biāo)，顯著提高航行體的實(shí)戰(zhàn)化水平，已經(jīng)成為有動(dòng)力水下發(fā)射方案的關(guān)鍵技術(shù)之一。

推力矢量控制技術(shù)利用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管噴流方向的改變，從而產(chǎn)生側(cè)向力來(lái)控制飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。一般來(lái)講，側(cè)向力的大小與飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及大氣環(huán)境無(wú)關(guān)。20世紀(jì)40年代，德國(guó)在V-2火箭上采用了推力矢量技術(shù)，利用安裝在火箭噴口處的可控?cái)_流片，利用噴氣流的偏轉(zhuǎn)來(lái)操縱火箭的運(yùn)動(dòng)軌跡。但由于這種技術(shù)的復(fù)雜性和困難性，直到20世紀(jì)八九十年代，推力矢量控制技術(shù)才取得重大技術(shù)突破并在工程上得以應(yīng)用。俄羅斯R-73導(dǎo)彈是世界上最早運(yùn)用推力矢量控制技術(shù)的空空導(dǎo)彈，運(yùn)用了雙鴨式氣動(dòng)布局和擾流片式推力矢量裝置，形成了推力矢量控制與氣動(dòng)面控制相結(jié)合的控制技術(shù)。隨著推力矢量控制技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)在空空導(dǎo)彈上得到廣泛的應(yīng)用，如美國(guó)的戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈、THAAD反導(dǎo)攔截彈以及南非的A-Darter巡航導(dǎo)彈等。

空氣介質(zhì)中推力矢量矢量控制技術(shù)的日臻成熟及其在武器裝備上的成功運(yùn)用為水下航行體有動(dòng)力發(fā)射提供了新的發(fā)展契機(jī)，俄羅斯的“輕舟”潛射導(dǎo)彈、法國(guó)的“飛魚”潛射導(dǎo)彈等均采用了水下推力矢量控制技術(shù)。相較于空氣介質(zhì)中的推力矢量控制技術(shù)，水介質(zhì)中的推力矢量控制技術(shù)帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，因發(fā)動(dòng)機(jī)水下高超聲速噴流流場(chǎng)受水介質(zhì)影響較大，一方面，水介質(zhì)相對(duì)空氣介質(zhì)的高密度效應(yīng)引起的水下高背壓及慣性作用嚴(yán)重制約噴管內(nèi)高壓燃?xì)獾恼Ａ鲃?dòng)，主流排氣區(qū)受高壓影響導(dǎo)致噴管雍塞時(shí)間增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力過(guò)高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性，甚至引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作故障；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)水下點(diǎn)火瞬間具有明顯的多物理場(chǎng)非定常演化特征，并伴隨激烈的流體干擾過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)噴流產(chǎn)生的高壓高溫氣體會(huì)附著在航行體尾部形成局部附著氣泡，氣水摻混區(qū)存在相變、換熱等復(fù)雜的物理過(guò)程。空泡界面的不穩(wěn)定性、噴流流場(chǎng)內(nèi)部的復(fù)雜波系演化發(fā)展及二者的強(qiáng)耦合過(guò)程都會(huì)引起航行體尾部多物理場(chǎng)劇烈脈動(dòng)現(xiàn)象，給水下航行體的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

本文首先總結(jié)了目前水下有動(dòng)力發(fā)射過(guò)程中的推力矢量控制技術(shù)的工作原理、實(shí)現(xiàn)方式、優(yōu)缺點(diǎn)，其次從水下氣體噴流多相湍流流動(dòng)機(jī)制方面介紹了水下推力矢量技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展以及難點(diǎn)。

2 水下推力矢量控制裝置發(fā)展

推力矢量控制技術(shù)因其廣闊的應(yīng)用前景及優(yōu)良的性能優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究院所進(jìn)行了大量的、深入的研究工作，并取得了可觀的研究進(jìn)展。在水下推力矢量控制技術(shù)研究方面，專項(xiàng)的研究工作重點(diǎn)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管、擾流片及流體動(dòng)力特性等方面開展，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外在這3個(gè)方面的研究進(jìn)展及主要成果進(jìn)行歸納總結(jié)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管

發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管技術(shù)是一種成功的固體火箭推力方向控制技術(shù)，具有諸多結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)及良好的可操控性，國(guó)內(nèi)外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制技術(shù)進(jìn)行了大量而且成果顯著的研究工作，并在多型火箭及導(dǎo)彈上等到應(yīng)用。矢量噴管技術(shù)可分為擺動(dòng)噴管及固定噴管兩大類，較為成熟的擺動(dòng)噴管可分為雙向擺動(dòng)噴管及全軸擺動(dòng)噴管2種形式，單個(gè)噴管的擺動(dòng)角度一般在2°～12°。全軸擺動(dòng)噴管可以繞彈箭軸線做全向擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)控制，目前這種矢量噴管在戰(zhàn)略武器上得到廣泛應(yīng)用，如美國(guó)的三叉戟C4、法國(guó)的M51、俄羅斯的白楊-M等。雙向擺動(dòng)噴管可以在一個(gè)平面內(nèi)作雙向擺動(dòng)一定角度，也可以在兩個(gè)互相垂直的平面內(nèi)擺動(dòng)，一般使用4個(gè)噴管同時(shí)作用即可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)控制。如美國(guó)的民兵-3導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)即采用這種雙向擺動(dòng)噴管矢量方案，如圖1所示。

圖1 民兵3的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)雙向擺動(dòng)噴管推力 矢量控制示意圖

擺動(dòng)噴管矢量控制技術(shù)以流動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)推力偏轉(zhuǎn)，因主要作用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口下游的流動(dòng)，因此對(duì)主流的干擾很小，因此是一種經(jīng)濟(jì)高效的矢量控制方案。對(duì)于采用擺動(dòng)噴管控制技術(shù)的彈箭，依據(jù)噴管的結(jié)構(gòu)形式對(duì)噴管的響應(yīng)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)至關(guān)重要，大量的研究表明：噴管的擺心位置、正負(fù)擺角、預(yù)調(diào)角、位移傳遞系數(shù)的精度、負(fù)載力矩、伺服系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)等對(duì)噴管的響應(yīng)特性均有較大影響，設(shè)計(jì)者需引起足夠的重視。對(duì)于擺動(dòng)噴管矢量方案結(jié)構(gòu)可靠性初步分析時(shí)，可將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)柔性噴管的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)看做一個(gè)整體，并利用二階窄邊界法等進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系可靠度建模及分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制技術(shù)可以解決諸多水下航行體運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，諸如水下高速射彈尾舵控制不足問(wèn)題，通過(guò)建立水下航行體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)空間分析模型，結(jié)合設(shè)計(jì)的控制算法下的聯(lián)合仿真分析，研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制方案可以顯著改善水下發(fā)射彈箭的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[11]對(duì)國(guó)內(nèi)外常見的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)噴管矢量方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了小型擺動(dòng)噴管矢量方案的總體設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)難點(diǎn)、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證方法等，相關(guān)研究成果對(duì)小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)噴管矢量控制方案的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證有重要的參考價(jià)值。利用顆粒軌道模型對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管控制方案的氣固流場(chǎng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，噴管擺動(dòng)角度對(duì)固相粒子沉積率存在較大影響，粒子沉積濃度隨著擺角幅度的增加大幅升高，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壁面絕熱層發(fā)生燒蝕剝離現(xiàn)象，從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，擺角增大到一定程度后，噴管擺向一側(cè)后翼槽內(nèi)衍生出局部漩渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能損失；文獻(xiàn)[14]對(duì)不同噴管擺動(dòng)角度下的推力矢量特性進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)，提出了一種推力矢量隨噴管擺動(dòng)角度的關(guān)系式。文獻(xiàn)[15]系統(tǒng)的研究了噴管擺動(dòng)角度和擺動(dòng)頻率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壓力的影響，提出了因噴管擺動(dòng)導(dǎo)致的燃燒室推力震蕩主要集中在100Hz以下。試驗(yàn)研究時(shí)，可以利用相關(guān)的機(jī)構(gòu)擺動(dòng)等效噴管擺動(dòng)、并以冷氣介質(zhì)作為噴流介質(zhì)的簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法，可以降低擺動(dòng)噴管矢量控制方案研制初期的試驗(yàn)成本及周期。上述研究成果為發(fā)動(dòng)機(jī)矢量技術(shù)的研究及工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2 擾流片式矢量控制

擾流片式推力矢量控制技術(shù)是通過(guò)將擾流片插入發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流，使噴流相對(duì)噴管軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生側(cè)向力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制，非工作狀態(tài)，擾流片處于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管射流之外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性產(chǎn)生零干擾，常用的擾流片結(jié)構(gòu)形狀主要有圓弧圖形、圓弧凹形和矩形三類，見圖2。擾流片工作狀態(tài)，產(chǎn)生的流體力分為側(cè)向力及軸向力，其中側(cè)向力是產(chǎn)生矢量控制的主要因素，軸向力因方向與發(fā)動(dòng)機(jī)主流方向相反，是造成發(fā)動(dòng)機(jī)的推力損失的主要原因。不同形狀的擾流片，插入噴管出口射流區(qū)的深度不同，進(jìn)而形成不同側(cè)向力及發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失，形成的推力矢量特性隨擾流片插入發(fā)動(dòng)機(jī)主流區(qū)的深度變化規(guī)律也不同，這也是擾流片式矢量控制方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。擾流片推力矢量控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、操縱力矩較大、不受環(huán)境背壓影響和伺服力矩小等優(yōu)點(diǎn)，在空空導(dǎo)彈及水下作戰(zhàn)武器有控方案中得到廣泛應(yīng)用，如俄羅斯R-73空空導(dǎo)彈、克拉布潛射導(dǎo)彈、美國(guó)戰(zhàn)斧導(dǎo)彈等。

圖2 典型擾流片形狀示意圖

針對(duì)擾流片矢量控制方案的研究工作很多，從工程應(yīng)用上來(lái)看大部分研究工作較為集中在飛機(jī)或空空導(dǎo)彈上，在水下應(yīng)用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的擾流片研究相對(duì)較少，考慮其流體力產(chǎn)生機(jī)理一致，因此相關(guān)研究成果仍具有重要的參考價(jià)值。Hollstein從理論上分析了擾流片的推力矢量特性以及側(cè)向力產(chǎn)生的原因，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口處繞流片導(dǎo)致上游出現(xiàn)壓力峰值并沿噴管擴(kuò)張段壁面產(chǎn)生較大的逆壓梯度，在逆壓梯度和擾流片的共同作用下壁面邊界層分離點(diǎn)上游誘導(dǎo)出一道斜激波，邊界層分離區(qū)和激波后區(qū)域壓強(qiáng)較高，噴管擴(kuò)張段內(nèi)壓強(qiáng)分布不再對(duì)稱，從而產(chǎn)生側(cè)向力。文獻(xiàn)[21-22]采用數(shù)值仿真結(jié)合機(jī)理試驗(yàn)的方法對(duì)擾流片推力矢量控制方案的推力特性及影響因素進(jìn)行了研究，分析了擾流片幾何形狀、擾流片插入主流深度對(duì)推力矢量角及推力損失的影響規(guī)律，獲得了擾流片推力矢量特性與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓強(qiáng)、噴管擴(kuò)張半角及噴管擴(kuò)張比等關(guān)系。施臣鋼等以潛射武器為研究對(duì)象，提出了一種擾流片矢量控制方案的出水指令設(shè)計(jì)模型，突破了水下應(yīng)用擾流片推力矢量技術(shù)滾轉(zhuǎn)通道控制技術(shù)，有效解決潛射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈應(yīng)用擾流片矢量方案實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎出水設(shè)計(jì)難題。文獻(xiàn)研究了擾流片矢量方案動(dòng)態(tài)特性，表明擾流片系統(tǒng)在階躍響應(yīng)和正弦加載下，具有指令信號(hào)跟蹤能力強(qiáng)、快速反應(yīng)、準(zhǔn)確定位等特點(diǎn)。Brevig等對(duì)擾流片式推力矢量裝置進(jìn)行了水下測(cè)試試驗(yàn)，研究了靜態(tài)擾流片產(chǎn)生側(cè)力特性，同時(shí)進(jìn)行了舵機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了擾流片矢量控制方案的特有優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[26-27]采用熱線技術(shù)對(duì)擾流片后速度場(chǎng)為代表的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，獲得了開孔擾流片流場(chǎng)尾流形成演化過(guò)程，提出可將尾流區(qū)劃分為射流主導(dǎo)區(qū)和環(huán)流主導(dǎo)區(qū)的觀點(diǎn)。劉謀佶等在低速風(fēng)洞中對(duì)振動(dòng)擾流片旋渦脫落和時(shí)均壓力進(jìn)行了測(cè)量，提出了擾流片靜止時(shí)存在明顯的隨來(lái)流增加而增大的脫落主頻率，振動(dòng)時(shí)則存在兩個(gè)脫落頻率，擾流片上脫落的渦旋是引起擾流片后壓力脈動(dòng)的主要原因。Lee等針對(duì)多孔擾流片和其后的三角形作用區(qū)域進(jìn)行研究，分析了擾流片后方回流區(qū)速度場(chǎng)分布情況，錐上的壓力及脈動(dòng)特性，并結(jié)合工程實(shí)際，討論了擾流片的孔隙率、高度和位置對(duì)三棱柱模型周圍流場(chǎng)特性的影響，為擾流片的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供的思路。這些工作為今后對(duì)擾流片式推力矢量控制技術(shù)的機(jī)理研究及工程應(yīng)用提供了極好的基礎(chǔ)。

3 水下推力矢量控制技術(shù)研究

水下推力矢量控制技術(shù)中形成的高溫高速射流與周圍環(huán)境相互作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)與地面靜止試驗(yàn)不同的現(xiàn)象：燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴管加速后進(jìn)入液相環(huán)境，在水中作擴(kuò)散流動(dòng)并形成復(fù)雜的氣水摻混與界面不穩(wěn)定性的現(xiàn)象，特別是深水環(huán)境工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，為了克服外界環(huán)境中大背壓效應(yīng)，噴流燃?xì)庵饕捎酶叱羲傩问搅鲃?dòng)，從而誘發(fā)流場(chǎng)復(fù)雜激波結(jié)構(gòu)，加劇氣水射流流場(chǎng)的復(fù)雜性。因此，如何有效控制高速氣體噴流形成的復(fù)雜多相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一直是水下推力矢量控制技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.1 水下高速氣體射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于水下推力矢量控制方案，剪切流的不穩(wěn)定性是水下氣體高速射流的一個(gè)突出問(wèn)題，它會(huì)引起氣液界面失穩(wěn)，導(dǎo)致氣體射流破裂，形成散亂的氣泡。針對(duì)該問(wèn)題，目前已經(jīng)開展了大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作。Hoefele等采用壓力測(cè)量和高速攝影相結(jié)合的方法分別對(duì)收縮-擴(kuò)張型和直線型噴嘴的水下氣體射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著氣體噴射壓力增加射流壓力脈動(dòng)頻率減小，且這一過(guò)程中伴隨著射流形態(tài)由泡狀流向射流的轉(zhuǎn)變。Linck研究團(tuán)隊(duì)指出當(dāng)燃?xì)馍淞黜f伯?dāng)?shù)達(dá)到臨界值時(shí)，氣體由泡流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞?，且燃燒室壓力波?dòng)與射流不穩(wěn)定性有相關(guān)性，且在燃?xì)鈬娏髟趪姽艹隹谛纬苫厣淞鲿r(shí)，會(huì)伴隨出現(xiàn)氣體射流沿與主流相反的方向回吹并快速?zèng)_擊噴嘴表面的現(xiàn)象。Aoki等首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了該“回?fù)簟爆F(xiàn)象，氣體射流的回?fù)衄F(xiàn)象與流場(chǎng)中誘發(fā)的激波結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并最終引起流場(chǎng)的不穩(wěn)定性。Loth 及Ogden等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了水下欠膨脹氣體射流在噴管出口附近具有膨脹區(qū)，區(qū)內(nèi)存在復(fù)雜激波，可以采取在噴管出口加裝與射流張角相同的導(dǎo)流板這一被動(dòng)剪切流動(dòng)控制方式抑制由回?fù)衄F(xiàn)象產(chǎn)生的流動(dòng)不穩(wěn)定性。王柏懿與施紅輝等通過(guò)流動(dòng)可視化揭示了回?fù)衄F(xiàn)象的演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)水下超音速射流伴隨這很強(qiáng)的激波震蕩及因此導(dǎo)致的流體振蕩。戚隆溪與湯龍生等利用試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)燃?xì)馍淞鞯挠绊戇M(jìn)行測(cè)量研究，射流出口附近將出現(xiàn)含有復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)的膨脹壓縮區(qū)域，由于氣液摻混作用產(chǎn)生混合層，同時(shí)射流燃?xì)馀菰谛纬裳莼^(guò)程中存在明顯的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，壓力波在傳播過(guò)程中受水介質(zhì)吸能效應(yīng)影響快速衰減?；诖罅康膶?shí)驗(yàn)研究，人們發(fā)現(xiàn)了水下氣體射流的回?fù)衄F(xiàn)象，對(duì)射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有了較直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)其中的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了探索研究。但是絕大部分試驗(yàn)是在水槽中完成，水環(huán)境背壓僅有幾個(gè)大氣壓，不足以反映大深度水下氣體射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)過(guò)程。

水下超聲速燃?xì)鈬娏骶哂袕?qiáng)烈的非定常、非線性和隨機(jī)性，這導(dǎo)致理論研究存在很大困難，相關(guān)理論主要是借鑒于氣相中的射流經(jīng)驗(yàn)，并基于大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成的半經(jīng)驗(yàn)理論。Chang等分析了亞音/超音速氣體射流對(duì)液層的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)高速射流氣體在液層的表面應(yīng)力存在擾動(dòng)，并且指出K-H不穩(wěn)定產(chǎn)生機(jī)理是射流氣體與液面上的壓力擾動(dòng)共同作用引起。Li等指出慣性力與表面張力的比率(韋伯?dāng)?shù))是控制射流流動(dòng)不穩(wěn)定過(guò)程的一個(gè)重要因素。Subramaniam等研究了氣體可壓縮性、液體粘性等參數(shù)對(duì)射流擾動(dòng)頻率的影響，找出了各參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響的大致規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平和計(jì)算流體力學(xué)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究水下超聲速燃?xì)鈬娏鞯闹饕侄巍Ｄ壳敖^大多數(shù)工作都是采用RANS模型進(jìn)行求解，該類模型對(duì)湍流粘性系數(shù)的過(guò)預(yù)測(cè)，使其在非定?，F(xiàn)象的模擬應(yīng)用受到了較大限制，無(wú)法精確模擬湍流脈動(dòng)量引起的射流氣-液界面強(qiáng)脈動(dòng)特性，也無(wú)法做到精確捕捉射流脹鼓、頸縮和回?fù)暨^(guò)程的細(xì)節(jié)。近幾年來(lái)，OpenFOAM 等開源軟件因其開放性、靈活性成為水下超聲速氣體射流數(shù)值模擬的主要趨勢(shì)。

3.2 水下發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性

發(fā)動(dòng)機(jī)水環(huán)境下點(diǎn)火問(wèn)題的工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性的準(zhǔn)確預(yù)示，發(fā)動(dòng)機(jī)在水環(huán)境中工作時(shí)水的密度遠(yuǎn)大于空氣的密度，同時(shí)由于環(huán)境背壓影響，推力特性與大氣環(huán)境中差異較大。一方面，高溫高壓燃?xì)鈬娚湓诖蟊硥旱乃橘|(zhì)中，將引起環(huán)境流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化甚至發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)部壓力分布變化；另一方面，水下點(diǎn)火啟動(dòng)后，大量高溫燃?xì)馀c環(huán)境水介質(zhì)相互作用，在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部形成封閉的氣囊，受到水環(huán)境的制約，氣囊的膨脹過(guò)程并非自由膨脹，氣囊內(nèi)噴管出口附近的流場(chǎng)變化更為劇烈，將影響噴管內(nèi)氣體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，因此壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化極其復(fù)雜，推力將受復(fù)雜的環(huán)境影響，因此如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)推力是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下射流的重要研究方向。

對(duì)于水環(huán)境下推進(jìn)技術(shù)相關(guān)的研究，國(guó)內(nèi)外公開的文獻(xiàn)不多。Witte對(duì)水環(huán)境下沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)氣液兩相流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，通過(guò)計(jì)算獲得了速度、噴管長(zhǎng)度等因素變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能的影響規(guī)律，并且基于此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力及推進(jìn)效率進(jìn)行了預(yù)示，實(shí)現(xiàn)了特定速度、推力下發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)。Mottard等同樣對(duì)氣液兩相沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)水環(huán)境下工作特性進(jìn)行了深入研究，對(duì)比了軸向力系數(shù)、推進(jìn)效率理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，但由于無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量推力量值，且未考慮在發(fā)動(dòng)機(jī)入口和噴管等部位產(chǎn)生的能量損失和氣液兩相間速度差異等問(wèn)題，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異性較大。上述學(xué)者主要針對(duì)泡狀流射流形態(tài)的水下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了推力特性分析，為超音速穩(wěn)定射流形態(tài)工作的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供了參考。王寶壽等利用壓力水筒進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量特性點(diǎn)火試驗(yàn)，測(cè)量了噴管擴(kuò)張比為3.04、滯止壓強(qiáng)為9 MPa、水深從10～40 m下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)水下工作時(shí)的推力和推力矢量角，比較了擾流片和擺動(dòng)噴管2種推力矢量方式的水下推力矢量特性，分析了點(diǎn)火深度對(duì)不同推力矢量控制方式下推力特性及側(cè)向力特性的影響，該實(shí)驗(yàn)方法的建立對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的水下推力特性測(cè)量有重要指導(dǎo)意義，但其采用的發(fā)動(dòng)機(jī)物理模型缺少普適性，并且對(duì)流場(chǎng)對(duì)推力特性的影響缺少機(jī)理研究。

實(shí)驗(yàn)研究成本高、周期長(zhǎng)，數(shù)值模擬方法具有更加便捷和低成本的研究?jī)?yōu)勢(shì)。Labotz用球形氣泡模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水下點(diǎn)火后的壓力峰值進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，結(jié)果表明球形氣泡模型能較準(zhǔn)確反映發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的背壓峰值與時(shí)間。張有為等同樣利用球形氣泡模型分析了影響因素下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻推力峰值和推力特征的變化規(guī)律，再次表明了推力峰值可通過(guò)燃?xì)馀菖c燃面面積來(lái)進(jìn)行預(yù)估，但由于單氣泡模型假設(shè)氣泡為不會(huì)破裂的單個(gè)氣泡，而拉瓦爾噴管在實(shí)際水下推進(jìn)工作中，燃?xì)馀莶粫?huì)長(zhǎng)時(shí)間維持單個(gè)球形氣泡的形態(tài)，而是會(huì)經(jīng)歷與水環(huán)境相互摻混振蕩并最終破裂等一系列非定常過(guò)程，所以該模型僅適用于點(diǎn)火后短時(shí)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)背壓和推力特性預(yù)測(cè)。單雪雄等用數(shù)值模擬方法研究了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力非定常變化特性，研究表明在點(diǎn)火后短時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到峰值，隨后逐漸小波動(dòng)下降，當(dāng)噴管中的氣體達(dá)到壅塞狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的超音速流動(dòng)。綜合流場(chǎng)演化及發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性分析結(jié)果，提出了噴管擺角是影響發(fā)動(dòng)機(jī)力矩的主要原因，二者呈近似線性關(guān)系。

4 結(jié)論

水下推力矢量控制技術(shù)是未來(lái)較為理想且具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型技術(shù)，其研究領(lǐng)域涉及復(fù)雜激波演化、航行體低壓尾泡演化與發(fā)動(dòng)機(jī)噴流過(guò)程耦合、內(nèi)外流干擾下射流剪切層脈動(dòng)失穩(wěn)、局部流動(dòng)分離及推力振蕩調(diào)控等力學(xué)問(wèn)題，伴隨著氣水劇烈摻混、傳熱傳質(zhì)和相變等復(fù)雜物理現(xiàn)象，是典型的多相介質(zhì)組分中多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合的非線性瞬態(tài)過(guò)程，水下推力矢量控制方案受發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)境條件、航行體運(yùn)動(dòng)特性、控制方案總體要求等因素影響，屬于多專業(yè)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，具有很大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前途。

隨著未來(lái)海戰(zhàn)模式新需求及水下武器裝備性能提升要求，水下推力矢量控制技術(shù)必然得到更廣泛的研究及工程應(yīng)用，其中繞流片及矢量噴管式推力矢量方案因其實(shí)施方案相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)水下裝備總體方案干擾小、對(duì)水下環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將成為水下推力矢量方案的應(yīng)用主流。