前沿技术讲座(空泡减阻技术)

超空泡减阻技术简介船舶与海洋工程前沿技术讲座主讲人：张学伟HarbinEngineeringUniversity库尔斯克号沉没之谜俄罗斯“库尔斯克”号多用途战役导弹核潜艇是由俄“王牌”武器设计局－“红宝石”设计局设计的，潜艇上的许多设计方案都是世界上独一无二的。该艇由俄北德文斯克造船厂制造，1994年5月下水，1995年1月正式加入俄北方舰服役，为“奥斯卡‖”级核潜艇，是俄海军最新的战略核潜艇之一，也是当今世界最大的核潜艇之一，造价10亿美元的库尔斯克号核潜艇，是俄罗斯最先进的防御武器。它有两座核反应堆，潜艇长150米，有6层楼高，体积达到了大型喷气式客机的两倍以上。库尔斯克号拥有独特的双壳艇身和9个防水隔舱，即使被鱼雷直接击中也不会沉没。2000年8月12日上午，一阵猛烈的爆炸发生在库尔斯克号上，这场危机为什么发展得如此之快，竟使潜艇来不及浮出水面？为什么没有人生还？伊朗试射神秘潜射导弹2006年4月2日，伊朗在波斯湾海域举行大规模军演时发射一枚名为“鲸”（波斯语“胡特”）的高速鱼雷。该鱼雷从一艘水面舰艇上发射，入水后以极快的速度（100米/秒）成功击沉一艘靶舰。从该鱼雷的外形、速度、发射尾焰和气泡轨迹来看，都与俄罗斯的“暴风”超空泡鱼雷相似。专家普遍认为，这是一种超空泡鱼雷，由此也引发世人对超空泡武器的关注。超空泡减阻技术主要内容•超空泡中的基本概念•超空泡中的关键技术•超空泡技术的研究方法超空泡中的基本概念•超空泡现象概述•超空泡发展过程•超空泡形成方法•超空泡减阻技术空化概念液体绕物体快速运动时压力会下降，这一规律瑞典科学家伯努利在1895年就发现了，这就是今天流体动力学上的“伯努利定律”。随着速度的增加，当液体压力等于水蒸气压力时，液体便由水相变为气相，形成水蒸气。空泡会使水流发生畸变，从而损失水泵、涡轮水翼和推进器的使用效率，还可能导致强冲击波的出现，引起金属面的腐蚀。舰船设计师经常要与制造麻烦的空泡打交道，试图避免出现空泡现象，如将船体设计成流线型等。空化对于水利机械的影响•插入空化影响图片超空泡技术概述当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级，使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级超空泡发展过程当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。其发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、云状空泡、片状空泡和超空泡。水翼表面产生的空泡形态导弹表面产生的空泡形态超空泡形态特性超空泡形成方法超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形成超空泡一般有三种途径：1）提高航行体的速度；2）降低流场压力；3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。前两种方法形成的为自然超空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。自然超空泡形态特性弹体入水时速度最大，空泡数最小，超空泡稍微滞后达到最大尺寸；随着速度逐渐降低，空泡数逐渐增大，超空泡的尺寸逐渐减小；当弹体速度降低到较小值时，超空泡的边界逐渐模糊、蜕化为局部空泡；速度继续降低，则空泡进一步剥离溃灭气泡融入尾流，直至消失。通气超空泡形态特性通气开始时在空化器后形成一个有大量气泡组成的游移型空泡，当通气量足够大以至气泡密度达到某一临界值时，游移型空泡转变为椭球形的附着空泡，在附着空泡内部可以看到剧烈的回注射流向前发展并与通入的气体相互作用形成雾状多相流区域，使得附着空泡看上去比较混浊。继续增加通气量使得通气空泡数降低到某一阀值后，空泡长度和厚度突然明显增加，由混浊的局部空泡转变为覆盖模型大部分表面的透明的超空泡。自然超空泡与通气超空泡区别需要指出的是虽然通气空泡由超空泡、附着空泡到游移空泡的溃灭过程与生成过程类似，但是两者并非可逆的，溃灭过程与生成过程相比存在滞后效应。如上所述，当局部空泡转变为超空泡时存在某一临界空泡数，与之相对应存在某一临界通气量。所谓滞后效应是指生成过程中形成超空泡所需的临界通气量大于溃灭过程中超空泡消失时的临界通气量。滞后效应的形成原因可能与通气超空泡产生的自激振有关。现有的减阻技术•脊装表面减阻起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在研究对象外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构，就能达到很好的减阻效果。根据脊状结构的分布规律与流体流速方向的不同，该减阻方法又可分为随性波表面减阻和沟槽表面减阻。•微气泡减阻微气泡减阻是通过某种方式在壁面形成一层薄的微气泡与流体的混合层，改变边界层的内部结构，亦即改变近壁区流体流动的运动学和动力学特性，达到降低摩擦阻力的目的。•复合材料减阻当流体流经疏水表面时产生了壁面滑移，使得边界面上的速度梯度减小，从而减小了边界上的剪切力；由于边界面上的速度梯度减小，推迟了层流附着面流态的转变，使得附着面的层流流态更加稳定，也使得层流边界层的厚度增加；同时疏水表面微凸柱间的流体剖面形状证实了确实存在无剪切空气-水面。超空泡减阻技术水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。目前，俄罗斯(乌克兰)在超空泡领域的研究处于世界领先地位，但是直到2000年8月俄罗斯最先进的奥斯卡Ⅱ级库尔斯克号核潜艇在演习时发生神秘爆炸，人们才真正了解到俄罗斯正在研制的超空泡技术目前达到的水平。超空泡减阻发展现状——乌克兰/俄罗斯在前苏联时期，俄罗斯和乌克兰的超空泡研究工作实为一体，多数超空泡试验都在乌克兰进行。俄罗斯莫斯科大学数学力学系流体力学教研室，莫斯科大学力学研究所，中央空气、水动力学研究院以及乌克兰科学院流体力学研究所等部门开展了超空泡问题的试验研究。莫斯科大学的主要试验设备是大型高速水洞。乌克兰科学院流体力学研究所具有多个大型超空泡试验设备，其中一个多功能的水利试验台，主要进行小模型的约束模弹射或自推力飞行试验；在1986年建成的高速开路型水洞，最大水流速度32m/s，是其最主要的试验装置。乌克兰/俄罗斯的研究人员通过大量的试验，获得了不同模型和空化器下超空泡的形态、通气及稳定性规律，设计出一系列可以调节升力和阻力系数值的不同类型的空化器；得到了30~140m/s速度下自然及通气超空泡的试验数据，并通过40~1300m/s速度下的高速射弹试验总结出轴对称超空泡形态和尺寸的计算公式等。“暴风”号超高速鱼雷•第一代“暴风”鱼雷的优缺点同样明显，其优点是高速、强打击能力和抗干扰能力；而缺点则是射程短（10公里），只能作直线航行，目标搜寻能力有限，打击敌人的同时，自身潜艇也难以逃脱敌舰的报复。因此第一代“暴风”鱼雷不久就退出了现役。但苏军及其后的俄军一直没有放弃对这种鱼雷的技术改进，改进后的“暴风”鱼雷长8.29m，质量2697kg，头部装有空化器和战斗部，靠火箭动力推进，水下行进速度达到230节，比西方国家最先进鱼雷的速度要快几倍。•据报道，俄正在研制配有声纳制导，可以60节速度搜索目标，当发现目标后，以300节高速攻击目标的专用重型超高速鱼雷及速度可达500节的新型超高速鱼雷，这就是第二代“暴风”鱼雷。传言其速度可达720km/h以上，射程进一步扩大，达100km以上，而且是可以制导的，在加速攻击之前，如果需要可以减速和重新选择攻击。俄罗斯暴风鱼雷超空泡减阻发展现状——美国美国从20世纪50年代开始高速推进器和水翼方面的超空泡研究，目前主要致力于发展超空泡高速射弹和超空泡鱼雷两类超空泡武器，其中机载快速灭雷系统（RAMICS）已于1995年研制成功，该系统使用20mm的超空泡射弹，可穿透水下15m处的水雷。机载快速灭雷系统•超空泡射弹武器系统是一种潜在的有效的反鱼雷近程防御武器系统，其作用类似于“密集阵”近程反导武器系统。目前世界上已接近实用的、唯一的超空泡射弹武器系统是美国正在开发的机载快速灭雷系统（RAMICS——RapidAirborneMineClearanceSystem）。该系统于1994年开始概念设计，计划2006年开始少量生产，2007年批量生产。美海军将为MH-60R和MH-60S直升机采购44套RAMICS系统。•RAMICS系统的各部件构成如上图所示。RAMICS近程武器系统超空泡射弹是一种直升机机载武器，利用它可以消灭水面和近水面水雷。它是平头炮弹，可由一种改型速射炮发射，可以在空气和水中平稳航行。射弹除具有穿透目标的功能外，还释放出一种反应强烈、非炸弹锂高氯酸盐氧化剂，使水雷炸弹迅速燃烧。超空泡减阻发展现状——德国德国早在第二次世界大战期间就开始了超空泡的理论与实践研究。为了完成超空泡射弹和超空泡火箭武器的研制，启用了两个主要的试验场地，其一为梅尔多夫水下试验靶场，试验场配有由磁探头组成的传感器场，可跟踪水下火箭的弹道和速度；沿着试验场地设置着大量的普通电视摄像机，以观察火箭排气的轨迹。其二为德国南方第52技术中心的垂直水洞，水深60m，直径5m，可以研究空泡与深度的关系及气体发生器的性能。20世纪70年代后，德国主要进行了超空泡射弹和火箭的研究，获得了火箭的稳定的水下弹道，对多种不同的气体发生器进行了试验，并开发了适于超空泡航行体的固体火箭发动机等，目前正在致力于超空泡火箭的制导、控制及发射等方面的研究。“梭鱼”超空泡水下导弹“梭鱼”是一种德国试验用超空泡水下导弹，具有全新的速度范围和机动性。最近，德国在MOD北海试验场成功地进行了该导弹水下惯性制导飞行试验，速度超过370km/h。该导弹采用空化器偏转控制，串级滚转-俯仰控制系统直接安装在导弹头锥内，因而导弹具有极高的转弯速率。内部子系统如惯导系统、自动驾驶仪-电子设备、机械设备和声纳部件可以承受较高的过载环境以及强烈振动。由于“梭鱼”导弹具有极高的速度并且采用火箭发动机技术，因此适用于近程水下防御。导弹的高速度、快速反应和高机动性可有效支持水面舰和潜艇的近程防御。“梭鱼”超空泡水下导弹超空泡减阻发展现状——中国•国内从20世纪六、七十年代开始了空化与空蚀问题的研究，当时以研究水翼、螺旋桨等水下物体的空化噪声和空蚀等为主。20世纪八、九十年代，开始研究水下物体局部空泡的稳定性和升、阻力特性，空泡对水下兵器的水动力特性影响、带空泡航行体的水下弹道以及出水冲击等问题。•以上研究主要针对局部空泡，而超空泡技术的研究最近几年刚刚起步，目前主要在空泡水洞、拖曳水池和射弹试验水槽中进行模型试验，侧重于低速通气超空泡的生成与发展、稳定性和通气规律、升力和阻力特性等超空泡基础问题的研究超空泡鱼雷基本构造超空泡鱼雷基本构造•空化器。内部装有传感器，空化器的主要功能是诱导生成空泡，提供升力和姿态控制，可影响航行体的阻力，海水可以通过空化器上的孔道进入航行体内部；•通气管口。通过人工通气使空泡伸长并覆盖航行体表面以降低阻力；•导引系统。安装有微型传感器，可以进行先进的信号处理、波形优化，收发声纳信号；•推进及通气系统。可能采用水反应推进系统，对航行体进行推力矢量控制，利用喷嘴喷射气体以稳定空泡的形态；•控制尾翼。大部分表面穿过空泡壁面，提供航行体尾部升力、滚转及姿态控制。尾翼处还可能有海水入口以及制导导线的连接出口。暴风鱼雷暴风鱼雷基本构造理论上该鱼雷可使用普通鱼雷发射器发射，如图所示，鱼雷发射后依靠机身上的4个机翼保持平衡。鱼雷壳体由尾部至头部逐渐变细。头部装有战斗部，尾部中心为大口径固体火箭发动机喷管，周围有8个小型圆柱形启动火箭，它们将“暴风”加速到超空泡速度，然后主发动机开始工作。在尾部还有1个制导导线线轴，当鱼雷在水中运行时释放出导线，该导线被用来控制