水下推力矢量控制技術研究現狀及進展

許 奇，權曉波，魏海鵬，鮑文春

(1.中國運載火箭技術研究院， 北京 100076； 2.北京宇航系統工程研究所， 北京 100076)

1 引言

為了提高水下垂直發射航行體的實戰化水平及生存能力，行之有效的措施之一是增加航行體水下發射深度，隨著發射深度的增加，發射平臺運動、海浪、海流等干擾因素對水下運動過程影響很大，而且航行體多呈靜不穩定狀態，在“無控”條件下其出水彈道存在較大變化和散布，“無控”航行體很難滿足出水姿態的要求。因此，大深度發射時，普遍采用水下有動控制解決航行體水下運動及出水過程中的姿態控制問題，近年來提出了多種流動控制技術，其中效果顯著且在實際中得以應用的主要包括：柵格翼、通氣空泡多相流及水下推力矢量控制等。理論和實踐表明，水下推力矢量發射技術可以實現在外界條件干擾作用下對航行體運動穩定性的有效控制，從而達到水下航行體大深度、變航速、惡劣海情和全天侯發射的目標，顯著提高航行體的實戰化水平，已經成為有動力水下發射方案的關鍵技術之一。

推力矢量控制技術利用機械裝置實現對發動機尾噴管噴流方向的改變，從而產生側向力來控制飛行器的運動姿態。一般來講，側向力的大小與飛行器的運動狀態及大氣環境無關。20世紀40年代，德國在V-2火箭上采用了推力矢量技術，利用安裝在火箭噴口處的可控擾流片，利用噴氣流的偏轉來操縱火箭的運動軌跡。但由于這種技術的復雜性和困難性，直到20世紀八九十年代，推力矢量控制技術才取得重大技術突破并在工程上得以應用。俄羅斯R-73導彈是世界上最早運用推力矢量控制技術的空空導彈，運用了雙鴨式氣動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面控制相結合的控制技術。隨著推力矢量控制技術的日趨成熟，該技術在空空導彈上得到廣泛的應用，如美國的戰斧巡航導彈、THAAD反導攔截彈以及南非的A-Darter巡航導彈等。

空氣介質中推力矢量矢量控制技術的日臻成熟及其在武器裝備上的成功運用為水下航行體有動力發射提供了新的發展契機，俄羅斯的“輕舟”潛射導彈、法國的“飛魚”潛射導彈等均采用了水下推力矢量控制技術。相較于空氣介質中的推力矢量控制技術，水介質中的推力矢量控制技術帶來了新的技術挑戰，因發動機水下高超聲速噴流流場受水介質影響較大，一方面，水介質相對空氣介質的高密度效應引起的水下高背壓及慣性作用嚴重制約噴管內高壓燃氣的正常流動，主流排氣區受高壓影響導致噴管雍塞時間增加，導致發動機燃燒室壓力過高，影響發動機推力特性，甚至引起發動機工作故障；另一方面，發動機水下點火瞬間具有明顯的多物理場非定常演化特征，并伴隨激烈的流體干擾過程，發動機噴流產生的高壓高溫氣體會附著在航行體尾部形成局部附著氣泡，氣水摻混區存在相變、換熱等復雜的物理過程?？张萁缑娴牟环€定性、噴流流場內部的復雜波系演化發展及二者的強耦合過程都會引起航行體尾部多物理場劇烈脈動現象，給水下航行體的運動控制帶來巨大挑戰。

本文首先總結了目前水下有動力發射過程中的推力矢量控制技術的工作原理、實現方式、優缺點，其次從水下氣體噴流多相湍流流動機制方面介紹了水下推力矢量技術的應用進展以及難點。

2 水下推力矢量控制裝置發展

推力矢量控制技術因其廣闊的應用前景及優良的性能優勢得到廣泛關注，國內外學者及研究院所進行了大量的、深入的研究工作，并取得了可觀的研究進展。在水下推力矢量控制技術研究方面，專項的研究工作重點針對發動機矢量噴管、擾流片及流體動力特性等方面開展，本文對國內外在這3個方面的研究進展及主要成果進行歸納總結。

2.1 發動機矢量噴管

發動機矢量噴管技術是一種成功的固體火箭推力方向控制技術，具有諸多結構上的優點及良好的可操控性，國內外針對發動機矢量噴管控制技術進行了大量而且成果顯著的研究工作，并在多型火箭及導彈上等到應用。矢量噴管技術可分為擺動噴管及固定噴管兩大類，較為成熟的擺動噴管可分為雙向擺動噴管及全軸擺動噴管2種形式，單個噴管的擺動角度一般在2°～12°。全軸擺動噴管可以繞彈箭軸線做全向擺動，進而實現多方向運動控制，目前這種矢量噴管在戰略武器上得到廣泛應用，如美國的三叉戟C4、法國的M51、俄羅斯的白楊-M等。雙向擺動噴管可以在一個平面內作雙向擺動一定角度，也可以在兩個互相垂直的平面內擺動，一般使用4個噴管同時作用即可實現俯仰、偏航和滾轉控制。如美國的民兵-3導彈一級發動機即采用這種雙向擺動噴管矢量方案，如圖1所示。

圖1 民兵3的一級發動機雙向擺動噴管推力 矢量控制示意圖

擺動噴管矢量控制技術以流動控制方式實現推力偏轉，因主要作用于發動機噴管出口下游的流動，因此對主流的干擾很小，因此是一種經濟高效的矢量控制方案。對于采用擺動噴管控制技術的彈箭，依據噴管的結構形式對噴管的響應特性進行設計至關重要，大量的研究表明：噴管的擺心位置、正負擺角、預調角、位移傳遞系數的精度、負載力矩、伺服系統相關參數等對噴管的響應特性均有較大影響，設計者需引起足夠的重視。對于擺動噴管矢量方案結構可靠性初步分析時，可將火箭發動機柔性噴管的擺動機構看做一個整體，并利用二階窄邊界法等進行結構體系可靠度建模及分析。

發動機矢量噴管控制技術可以解決諸多水下航行體運動控制問題，諸如水下高速射彈尾舵控制不足問題，通過建立水下航行體運動狀態空間分析模型，結合設計的控制算法下的聯合仿真分析，研究表明發動機矢量噴管控制方案可以顯著改善水下發射彈箭的動態特性。文獻[11]對國內外常見的火箭發動機擺動噴管矢量方案優缺點進行了對比分析，提出了小型擺動噴管矢量方案的總體設計方案、設計難點、關鍵設計參數、仿真及試驗驗證方法等，相關研究成果對小型固體火箭發動機擺動噴管矢量控制方案的設計及試驗驗證有重要的參考價值。利用顆粒軌道模型對火箭發動機矢量噴管控制方案的氣固流場進行研究發現，噴管擺動角度對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，可能導致發動機壁面絕熱層發生燒蝕剝離現象，從流場結構來看，擺角增大到一定程度后，噴管擺向一側后翼槽內衍生出局部漩渦結構，進而導致發動機性能損失；文獻[14]對不同噴管擺動角度下的推力矢量特性進行仿真計算，結合試驗，提出了一種推力矢量隨噴管擺動角度的關系式。文獻[15]系統的研究了噴管擺動角度和擺動頻率對發動機燃燒室內壓力的影響，提出了因噴管擺動導致的燃燒室推力震蕩主要集中在100Hz以下。試驗研究時，可以利用相關的機構擺動等效噴管擺動、并以冷氣介質作為噴流介質的簡化試驗方法，可以降低擺動噴管矢量控制方案研制初期的試驗成本及周期。上述研究成果為發動機矢量技術的研究及工程應用奠定了基礎。

2.2 擾流片式矢量控制

擾流片式推力矢量控制技術是通過將擾流片插入發動機尾噴流，使噴流相對噴管軸線發生偏轉來產生側向力，進而實現對發動機推力矢量控制，非工作狀態，擾流片處于發動機噴管射流之外，對發動機推力特性產生零干擾，常用的擾流片結構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，產生的流體力分為側向力及軸向力，其中側向力是產生矢量控制的主要因素，軸向力因方向與發動機主流方向相反，是造成發動機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的深度不同，進而形成不同側向力及發動機推力損失，形成的推力矢量特性隨擾流片插入發動機主流區的深度變化規律也不同，這也是擾流片式矢量控制方案的設計重點之一。擾流片推力矢量控制技術具有結構簡單、占用空間小、操縱力矩較大、不受環境背壓影響和伺服力矩小等優點，在空空導彈及水下作戰武器有控方案中得到廣泛應用，如俄羅斯R-73空空導彈、克拉布潛射導彈、美國戰斧導彈等。

圖2 典型擾流片形狀示意圖

針對擾流片矢量控制方案的研究工作很多，從工程應用上來看大部分研究工作較為集中在飛機或空空導彈上，在水下應用固體火箭發動機上的擾流片研究相對較少，考慮其流體力產生機理一致，因此相關研究成果仍具有重要的參考價值。Hollstein從理論上分析了擾流片的推力矢量特性以及側向力產生的原因，發動機噴管出口處繞流片導致上游出現壓力峰值并沿噴管擴張段壁面產生較大的逆壓梯度，在逆壓梯度和擾流片的共同作用下壁面邊界層分離點上游誘導出一道斜激波，邊界層分離區和激波后區域壓強較高，噴管擴張段內壓強分布不再對稱，從而產生側向力。文獻[21-22]采用數值仿真結合機理試驗的方法對擾流片推力矢量控制方案的推力特性及影響因素進行了研究，分析了擾流片幾何形狀、擾流片插入主流深度對推力矢量角及推力損失的影響規律，獲得了擾流片推力矢量特性與發動機燃燒室壓強、噴管擴張半角及噴管擴張比等關系。施臣鋼等以潛射武器為研究對象，提出了一種擾流片矢量控制方案的出水指令設計模型，突破了水下應用擾流片推力矢量技術滾轉通道控制技術，有效解決潛射戰術導彈應用擾流片矢量方案實現轉彎出水設計難題。文獻研究了擾流片矢量方案動態特性，表明擾流片系統在階躍響應和正弦加載下，具有指令信號跟蹤能力強、快速反應、準確定位等特點。Brevig等對擾流片式推力矢量裝置進行了水下測試試驗，研究了靜態擾流片產生側力特性，同時進行了舵機動態響應試驗，研究結果進一步驗證了擾流片矢量控制方案的特有優勢。

文獻[26-27]采用熱線技術對擾流片后速度場為代表的流場結構進行研究，獲得了開孔擾流片流場尾流形成演化過程，提出可將尾流區劃分為射流主導區和環流主導區的觀點。劉謀佶等在低速風洞中對振動擾流片旋渦脫落和時均壓力進行了測量，提出了擾流片靜止時存在明顯的隨來流增加而增大的脫落主頻率，振動時則存在兩個脫落頻率，擾流片上脫落的渦旋是引起擾流片后壓力脈動的主要原因。Lee等針對多孔擾流片和其后的三角形作用區域進行研究，分析了擾流片后方回流區速度場分布情況，錐上的壓力及脈動特性，并結合工程實際，討論了擾流片的孔隙率、高度和位置對三棱柱模型周圍流場特性的影響，為擾流片的設計改進提供的思路。這些工作為今后對擾流片式推力矢量控制技術的機理研究及工程應用提供了極好的基礎。

3 水下推力矢量控制技術研究

水下推力矢量控制技術中形成的高溫高速射流與周圍環境相互作用，使發動機出現與地面靜止試驗不同的現象：燃氣通過噴管加速后進入液相環境，在水中作擴散流動并形成復雜的氣水摻混與界面不穩定性的現象，特別是深水環境工作的發動機，為了克服外界環境中大背壓效應，噴流燃氣主要采用高超音速形式流動，從而誘發流場復雜激波結構，加劇氣水射流流場的復雜性。因此，如何有效控制高速氣體噴流形成的復雜多相流場結構一直是水下推力矢量控制技術應用的關鍵。

3.1 水下高速氣體射流流場結構

對于水下推力矢量控制方案，剪切流的不穩定性是水下氣體高速射流的一個突出問題，它會引起氣液界面失穩，導致氣體射流破裂，形成散亂的氣泡。針對該問題，目前已經開展了大量的實驗和理論工作。Hoefele等采用壓力測量和高速攝影相結合的方法分別對收縮-擴張型和直線型噴嘴的水下氣體射流流場結構進行了研究，發現隨著氣體噴射壓力增加射流壓力脈動頻率減小，且這一過程中伴隨著射流形態由泡狀流向射流的轉變。Linck研究團隊指出當燃氣射流韋伯數達到臨界值時，氣體由泡流轉變為射流，且燃燒室壓力波動與射流不穩定性有相關性，且在燃氣噴流在噴管出口形成回射流時，會伴隨出現氣體射流沿與主流相反的方向回吹并快速沖擊噴嘴表面的現象。Aoki等首先通過實驗觀測到了該“回擊”現象，氣體射流的回擊現象與流場中誘發的激波結構密切相關，并最終引起流場的不穩定性。Loth 及Ogden等通過實驗發現了水下欠膨脹氣體射流在噴管出口附近具有膨脹區，區內存在復雜激波，可以采取在噴管出口加裝與射流張角相同的導流板這一被動剪切流動控制方式抑制由回擊現象產生的流動不穩定性。王柏懿與施紅輝等通過流動可視化揭示了回擊現象的演化過程，發現水下超音速射流伴隨這很強的激波震蕩及因此導致的流體振蕩。戚隆溪與湯龍生等利用試驗系統對燃氣射流的影響進行測量研究，射流出口附近將出現含有復雜波系結構的膨脹壓縮區域，由于氣液摻混作用產生混合層，同時射流燃氣泡在形成演化過程中存在明顯的壓力脈動現象，壓力波在傳播過程中受水介質吸能效應影響快速衰減?；诖罅康膶嶒炑芯?，人們發現了水下氣體射流的回擊現象，對射流流場結構有了較直觀的認識，對其中的力學機理進行了探索研究。但是絕大部分試驗是在水槽中完成，水環境背壓僅有幾個大氣壓，不足以反映大深度水下氣體射流的流場結構和流動過程。

水下超聲速燃氣噴流具有強烈的非定常、非線性和隨機性，這導致理論研究存在很大困難，相關理論主要是借鑒于氣相中的射流經驗，并基于大量實驗結果形成的半經驗理論。Chang等分析了亞音/超音速氣體射流對液層的作用機理，發現高速射流氣體在液層的表面應力存在擾動，并且指出K-H不穩定產生機理是射流氣體與液面上的壓力擾動共同作用引起。Li等指出慣性力與表面張力的比率(韋伯數)是控制射流流動不穩定過程的一個重要因素。Subramaniam等研究了氣體可壓縮性、液體粘性等參數對射流擾動頻率的影響，找出了各參數對穩定性影響的大致規律。隨著計算機技術水平和計算流體力學的迅速發展，數值模擬已經成為研究水下超聲速燃氣噴流的主要手段。目前絕大多數工作都是采用RANS模型進行求解，該類模型對湍流粘性系數的過預測，使其在非定?，F象的模擬應用受到了較大限制，無法精確模擬湍流脈動量引起的射流氣-液界面強脈動特性，也無法做到精確捕捉射流脹鼓、頸縮和回擊過程的細節。近幾年來，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值模擬的主要趨勢。

3.2 水下發動機推力特性

發動機水環境下點火問題的工程設計難點在于對發動機推力特性的準確預示，發動機在水環境中工作時水的密度遠大于空氣的密度，同時由于環境背壓影響，推力特性與大氣環境中差異較大。一方面，高溫高壓燃氣噴射在大背壓的水介質中，將引起環境流場結構變化甚至發動機噴管內部壓力分布變化；另一方面，水下點火啟動后，大量高溫燃氣與環境水介質相互作用，在發動機尾部形成封閉的氣囊，受到水環境的制約，氣囊的膨脹過程并非自由膨脹，氣囊內噴管出口附近的流場變化更為劇烈，將影響噴管內氣體流場結構，因此壓力場、速度場的變化極其復雜，推力將受復雜的環境影響，因此如何準確預測推力是固體火箭發動機水下射流的重要研究方向。

對于水環境下推進技術相關的研究，國內外公開的文獻不多。Witte對水環境下沖壓發動機氣液兩相流動問題進行了理論分析，通過計算獲得了速度、噴管長度等因素變化對發動機推力性能的影響規律，并且基于此對發動機推力及推進效率進行了預示，實現了特定速度、推力下發動機方案設計。Mottard等同樣對氣液兩相沖壓發動機水環境下工作特性進行了深入研究，對比了軸向力系數、推進效率理論結果與實驗結果的差異，但由于無法在實驗中直接測量推力量值，且未考慮在發動機入口和噴管等部位產生的能量損失和氣液兩相間速度差異等問題，理論分析與實驗結果差異性較大。上述學者主要針對泡狀流射流形態的水下發動機進行了推力特性分析，為超音速穩定射流形態工作的固體火箭發動機提供了參考。王寶壽等利用壓力水筒進行了發動機推力矢量特性點火試驗，測量了噴管擴張比為3.04、滯止壓強為9 MPa、水深從10～40 m下固體火箭發動機水下工作時的推力和推力矢量角，比較了擾流片和擺動噴管2種推力矢量方式的水下推力矢量特性，分析了點火深度對不同推力矢量控制方式下推力特性及側向力特性的影響，該實驗方法的建立對固體火箭發動機的水下推力特性測量有重要指導意義，但其采用的發動機物理模型缺少普適性，并且對流場對推力特性的影響缺少機理研究。

實驗研究成本高、周期長，數值模擬方法具有更加便捷和低成本的研究優勢。Labotz用球形氣泡模型對發動機水下點火后的壓力峰值進行了數值仿真研究，結果表明球形氣泡模型能較準確反映發動機啟動瞬間的背壓峰值與時間。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動機點火時刻推力峰值和推力特征的變化規律，再次表明了推力峰值可通過燃氣泡與燃面面積來進行預估，但由于單氣泡模型假設氣泡為不會破裂的單個氣泡，而拉瓦爾噴管在實際水下推進工作中，燃氣泡不會長時間維持單個球形氣泡的形態，而是會經歷與水環境相互摻混振蕩并最終破裂等一系列非定常過程，所以該模型僅適用于點火后短時間內的發動機背壓和推力特性預測。單雪雄等用數值模擬方法研究了發動機的推力非定常變化特性，研究表明在點火后短時間內發動機推力達到峰值，隨后逐漸小波動下降，當噴管中的氣體達到壅塞狀態時產生穩定的超音速流動。綜合流場演化及發動機推力特性分析結果，提出了噴管擺角是影響發動機力矩的主要原因，二者呈近似線性關系。

4 結論

水下推力矢量控制技術是未來較為理想且具有競爭力的新型技術，其研究領域涉及復雜激波演化、航行體低壓尾泡演化與發動機噴流過程耦合、內外流干擾下射流剪切層脈動失穩、局部流動分離及推力振蕩調控等力學問題，伴隨著氣水劇烈摻混、傳熱傳質和相變等復雜物理現象，是典型的多相介質組分中多物理場強耦合的非線性瞬態過程，水下推力矢量控制方案受發動機、環境條件、航行體運動特性、控制方案總體要求等因素影響，屬于多專業聯合優化設計問題，具有很大的研究價值和發展前途。

隨著未來海戰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必然得到更廣泛的研究及工程應用，其中繞流片及矢量噴管式推力矢量方案因其實施方案相對簡單、對水下裝備總體方案干擾小、對水下環境條件適應性強等特點，將成為水下推力矢量方案的應用主流。