水下槍炮發(fā)射問題研究綜述

王雨舒，呂續(xù)艦

（南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094）

水下武器的發(fā)射動力學與流場特性的研究，在工程和軍事上皆具有相當大的研究價值和應用前景。其中對于水下槍炮發(fā)射問題的研究，現(xiàn)階段仍屬于該領域的研究熱點。水下槍炮類武器作為從傳統(tǒng)槍炮拓展而來的新型兵器，常裝備于蛙人小分隊等海軍特種部隊，這使得水下槍炮類武器的研究對于海洋作戰(zhàn)而言有著至關重要的作用。

當傳統(tǒng)槍炮在空氣中發(fā)射時，在扳機的觸發(fā)下，火藥在藥室內被點燃，并充分燃燒，形成高溫高壓的火藥燃氣，燃氣迅速膨脹，并作用于射彈底部，使其沿身管發(fā)生軸向向前運動，不斷壓縮彈前空氣，使得彈前激波隨之產生，且在彈丸的推動作用下噴出膛口，經過無約束膨脹過程，膛口處的流場結構初步形成。隨著射彈完成出膛過程，彈后的火藥燃氣在膛口處由于射彈的擠壓作用發(fā)生受限膨脹，并耦合前面所形成的膛口初始流場，使得最后的膛口流場波系結構呈現(xiàn)出錯綜復雜的情況。

相比于空氣中發(fā)射環(huán)境介質的單一性，當槍炮類武器在水中環(huán)境發(fā)射時，由于射彈自身較高的運行速度，使得周圍壓力低于水的飽和蒸汽壓力，從而產生空泡。空泡逐漸演化生長，直到產生超空泡現(xiàn)象，將射彈自身全部覆蓋。此外，火藥在藥室內被點燃形成大規(guī)?；鹚幦細?，在與環(huán)境條件所存在的大壓力梯度和溫度梯度的驅動下，逐漸噴出膛口，繼而產生明顯的氣液交界面，進一步逐漸形成差異于空氣中發(fā)射的多相膛口流場，這將大大提高此類問題的研究難度。此外，彈丸在水中所受到的高阻力將會導致形成高強度的彈前激波，并且在更大程度上對燃氣沖擊波產生壓縮作用，從而給武器結構造成破壞。因此，需要對水下槍炮發(fā)射的整個過程進行系統(tǒng)的研究，進而改善此類槍械的設計精度和結構強度，以適應水下槍炮發(fā)射問題中更為復雜的流場環(huán)境。

從上述問題分析中可以看出，對水下槍炮發(fā)射過程的研究從先后順序上涵蓋了內彈道和膛內流場特性問題以及膛口流場特性和外彈道問題，涉及到多相流、燃氣射流、氣體動力學以及水動力學等多個復雜領域，因此具有相當高的研究難度和研究價值。圖1對這一問題的研究思路做出了總結。

圖1 水下槍炮發(fā)射問題研究思路Fig.1 Design idea of underwater gun launching

從軍事需求角度而言，由于海洋資源的經濟和戰(zhàn)略地位不斷提升，使得我國必須要建立起一支強大的海軍力量。我國目前已自行研制出了多種不同型號的艦艇，并相繼投入使用，這組成了海軍的中堅力量。與地面武器差異之處在于，海軍裝備不僅要面臨來自敵方空中和陸地的火力打擊，還要隨時提防水下所帶來的威脅，諸如反艦魚雷、反艦導彈以及蛙人部隊突襲等，這些潛在的危險將會在無法對水下情況進行清晰準確地探測時給我方艦艇帶來巨大威脅。對于艦艇自身而言，固然具備一定的反導彈、反魚雷手段，但往往在探測識別能力不足時，只能起到一定的近程防御效果。相比而言，傳統(tǒng)火炮武器具有更強的毀傷能力和較低的經濟成本，同時傳統(tǒng)槍械在面對敵方小股蛙人部隊來犯時具有更加靈活穩(wěn)定的打擊能力和防御手段。然而，要對水下目標展開打擊，如果借助傳統(tǒng)槍炮類武器會存在打擊精度、射擊范圍不足以及跨介質彈道等諸多限制。因此，研制全水下槍炮武器的發(fā)射問題對于提升我國的海軍實力具有至關重要的作用，直接關系到我國國防實力和國際競爭力的強弱水平。

相比之下，水下槍炮的設計復雜度遠大于傳統(tǒng)槍炮武器，原因主要包含以下幾點：

1）水的密度在數(shù)值上為干燥空氣密度的800多倍，這種大差異將會使得彈丸的射程與穩(wěn)定性在水中發(fā)生驟減。

2）在槍械發(fā)射過程中，火藥燃氣推動彈丸飛出膛管，在無法保證完全密封的條件下，將會發(fā)生水倒灌入膛管的現(xiàn)象，以至于浸濕火藥，使得燃燒效率大大減小，進而降低推進能力，甚至會損壞槍械結構，發(fā)生危險。

3）面對水中的高阻環(huán)境，要保證水下槍械的射速和射擊距離，則槍管的膛壓需要增大到一定的水平，但這會使得供彈難度提高，進而無法保證整個槍械結構的協(xié)同運作。

4）過于復雜的槍械結構將會增加機體受到侵蝕的可能性。

早在20世紀70年代，蘇聯(lián)研究所制造出專門裝備于海軍蛙人部隊的SPP-1型水下手槍。這一槍型專用于水下作戰(zhàn)，配有專門的SPS水下長桿箭形彈，彈夾容量為4發(fā)，擊發(fā)方式為旋轉擊發(fā)。同一時期，德國HK公司研制出了P-11水下手槍，該水下槍械共裝配了5根密封槍管，彈容量為5發(fā)，但無法完成自動裝填，因此不能保證在水下環(huán)境持久作戰(zhàn)。我國在水下槍械領域的發(fā)展過程逐漸由國外引進仿制模式過渡到自主研制模式，這也說明我國對水下輕武器的研究已經進入了一個新的階段，這也更需要投入足夠的精力和資源去展開這一領域的進一步拓展，以便于應對常規(guī)水下作戰(zhàn)高機動性和靈活性的軍事需求。

1 水下槍炮發(fā)射方式概述

目前，在進行水下槍炮發(fā)射的研究設計工作時，水下全淹沒式和密封式是較為常用的2種發(fā)射方式。近期，水下氣幕式發(fā)射作為一種新興的水下發(fā)射方式被提出，逐漸受到研究人員的重點關注。

1.1 水下全淹沒式發(fā)射

水下全淹沒式發(fā)射方式，是將槍炮身管完全置于水中，在管口處不帶有任何密封裝置。當藥室中火藥被點燃時，將會產生高溫高壓燃氣，推動彈丸在膛管中向前運動，彈前水柱同時向管口推進。水下全淹沒式發(fā)射的結構如圖2所示。

圖2 水下全淹沒式發(fā)射示意圖Fig.2 The schematic of underwater fully submerged launching

由于水的黏性和密度遠高于空氣，使得在這種發(fā)射方式下，無法忽略彈丸前的水柱對自身運動的影響，因此在關注彈丸膛內運動的同時，還需要專門研究彈前水柱的發(fā)展規(guī)律。孔德仁等對水下全淹沒式發(fā)射的內彈道特性展開了研究，并闡述了其規(guī)律變化情況，建立了全水下非導氣內彈道模型，研究對象為彈丸和彈前水柱，以此開展了數(shù)值仿真計算和對應的實驗驗證工作。

水下全淹沒式發(fā)射方式結構設計較為簡單，然而之前的研究往往假定彈丸與膛管之間不存在間隙，這就使得彈丸在彈前水柱質量的作用下往往伴隨著較大的阻力和膛管壓力，相應地限制了彈丸的初始速度。之后的研究逐漸引入了彈丸與膛管之間的間隙假設，使得發(fā)射時部分火藥燃氣會通過間隙推動彈前水柱加速噴出膛口，從而減弱其對彈丸運動的阻礙作用。與空氣中發(fā)射不同，這種水下發(fā)射模式下還需要將水柱出膛動壓、膛口流體靜壓以及水與膛管摩擦阻力等參數(shù)考慮在內。在這種模式下，將會使得水下槍炮膛內的壓力得到有效控制，并在一定程度上確保射彈能夠按照規(guī)定速度完成射擊過程。

1.2 水下密封式發(fā)射

水下密封式發(fā)射方式通過在膛口處安裝密封裝置，阻止水進入膛管，進而保證這種發(fā)射方式下的內彈道過程與空氣中發(fā)射保持一致。在這種水下發(fā)射方式下，設置的密封裝置能夠保證彈丸在膛管內部的運動在氣體環(huán)境下完成，從而減少這一階段彈丸所受到的阻力作用，以此提高發(fā)射過程的安全性和彈丸初始速度，避免槍械自身受到侵蝕。水下密封式發(fā)射的結構如圖3所示。

圖3 水下密封式發(fā)射示意圖Fig.3 The schematic of underwater sealed launching

Stace等和Fu等首次提出了水下密封式發(fā)射裝置的概念，并介紹了這一水下發(fā)射方式的運行機理。對于密封式發(fā)射而言，當上一發(fā)彈丸發(fā)射以后，若密封擋板來不及關閉，則可能會引發(fā)液體回流入身管的問題，因此需要及時將身管內的液體排出，并再次將身管密封起來，這種運行機制就會使得這種發(fā)射方式下對于槍炮結構的設計變得十分復雜。此外，當彈丸在密封狀態(tài)下的膛管內部運動時，由于彈丸速度總大于彈前空氣速度的緣故，將會導致產生彈前激波。對此，劉育平等將水下火炮密封式發(fā)射裝置作為研究對象，展開了數(shù)值仿真工作，并成功證明了彈前激波的存在，同時根據(jù)計算結果得到彈前激波能夠增大膛壓，并減小彈丸初始速度的分析結論。梅雄三等提出利用彈前激波壓力實現(xiàn)膛管排水的方法，并借助數(shù)值仿真計算，得到了彈前激波的變化規(guī)律，以此來控制密封裝置的開閉時間間隔。此外，他還建立了二維膛內彈丸運動模型，以此模擬彈丸在身管內的運動過程、彈前激波的演變規(guī)律以及炮口流場的形成與發(fā)展，并運用多剛體動力學理論，借助數(shù)值仿真方法驗證了這一發(fā)射方式的可行性。

1.3 水下氣幕式發(fā)射

水下氣幕式發(fā)射是一種近年來新提出的水下發(fā)射方式，最初用于潛射導彈的發(fā)射，之后逐漸拓展到水下槍炮發(fā)射領域，可用于實現(xiàn)彈丸減阻。在水下槍炮氣幕式發(fā)射過程中，火藥燃燒所產生的燃氣最初會有一部分通過噴孔形成彈前氣幕，彈丸前方的水柱在氣幕的推動作用下沿身管向前移動，進而使得彈前流體環(huán)境由水變?yōu)榭諝?，致使彈前壓力大幅度降低，以此實現(xiàn)彈丸在身管內部的低阻高速運動。水下氣幕式發(fā)射的結構如圖4所示。

圖4 水下氣幕式發(fā)射示意圖Fig.4 The schematic of underwater gas curtain launching

結合圖4，對水下氣幕式發(fā)射的內彈道過程進行闡述：首先發(fā)射藥在底火射流的作用下被點燃，噴孔內嵌的密封膜片處于關閉狀態(tài)，將火藥燃氣與空氣分隔開來；隨著火藥燃氣壓力的升高，密封膜片被打開，發(fā)生氣體混合，從而形成彈前泰勒空腔；當氣液摻混過程逐漸加劇時，空腔向氣幕轉變，使得彈前水柱發(fā)生移動；隨后，彈丸在進一步增壓的火藥燃氣推動作用下向前移動，氣幕范圍產生擴張，進而使得氣幕和彈丸先后從膛口噴出。通過以上過程分析得知，在內彈道及彈丸膛內運動方面，氣幕式發(fā)射具有較高的研究難度，但相比于全淹沒式發(fā)射的高阻低速以及密封式發(fā)射結構設計復雜的缺陷，無疑更適合于開展水下槍炮發(fā)射問題的研究工作。

對水下氣幕式發(fā)射的研究最早可追溯到20世紀90年代，美國學者Larson等提出了同心筒發(fā)射（CCL）的概念，使用2個同心圓柱體之間的環(huán)形空間作為管道來排放導彈發(fā)射排出的廢氣，避免了冷發(fā)射系統(tǒng)的復雜性問題，同時減弱了熱發(fā)射中嚴重的燒蝕現(xiàn)象，引起了學者廣泛關注。2001年，Yagla提出將同心筒發(fā)射技術應用到水下，利用導彈廢氣在發(fā)射筒上方制造水蒸氣和廢氣摻混的環(huán)境，這一汽–氣–液環(huán)境能夠有效提高導彈發(fā)射的噴射速度，并降低初始運動阻力，最終將其稱為氣幕式發(fā)射（WPML）。2010年，Weiland等針對氣幕式發(fā)射方法開展了進一步數(shù)值研究，通過試驗數(shù)據(jù)推導了橫流引起的氣體射流偏轉軌跡，并進一步闡述了水下氣幕式發(fā)射在潛艇橫移速度和發(fā)射深度上的局限性，但其在綜合性能上還是優(yōu)于傳統(tǒng)的導彈發(fā)射技術。在國內，直到近些年才開始進行氣幕式發(fā)射的相關研究工作。2010年，程棟等通過將理論與試驗相結合，總結出計算氣幕保護上下邊界的工程計算方法，并計算出氣幕保護系統(tǒng)的氣體射流有效截面和射程距離，計算結果與試驗數(shù)據(jù)取得了良好的一致性，對指導水下氣幕式發(fā)射保護系統(tǒng)的設計具有重要意義。侯金瑛等針對潛射導彈的同心筒發(fā)射裝置，建立了二維內流場模型，通過數(shù)值方法，基于單相高速氣體射流模型，對水下同心筒裝置內氣體的流動細節(jié)開展了研究，在保證計算精度的情況下，發(fā)現(xiàn)該方法的計算效率高于傳統(tǒng)的VOF模型。曹偉等通過數(shù)值仿真方法探究了頭部形狀和射流速度對水下航行體氣幕式發(fā)射運動過程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)航行體頭部形狀對氣幕形態(tài)和流體特性并無太大的影響，而射流速度的增大將會提高航行體的總阻力系數(shù)，且此系數(shù)將會伴隨出水過程呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。

周良梁等將氣幕式發(fā)射應用到水下槍炮的發(fā)射中，結合超空泡射彈技術，實現(xiàn)了彈丸水下航行減阻。他們設計了可視化模擬實驗裝置，獲取了彈丸運動與液流相互作用的高速影像，并探究了不同噴射參數(shù)給發(fā)射過程帶來的影響。結果表明，當噴射壓力增大時，彈丸速度也隨之獲得提升；同時在斜面噴孔尺寸增大的條件下，氣幕減阻性能更好，進而彈丸也能獲得更大的運動速度。周良梁等通過高速攝像方法，結合三維非穩(wěn)態(tài)仿真模型，對充液圓管中噴頭運動過程的氣幕生成特性開展了研究，發(fā)現(xiàn)噴頭運動抑制了流場回流作用，增強了對氣幕前端液體的推動作用，降低了氣幕頂部中心區(qū)域溫度，卻提高了壁面處溫度。此外，他們還模擬了氣幕在充液圓管內的產生以及發(fā)展過程，并探究了噴射結構的差異帶來的影響，以及燃氣射流與液體工質之間的相互作用機理，得到了多股燃氣射流在有限空間內氣液兩相的參數(shù)分布情況，為水下槍炮氣幕式發(fā)射的研究提供了一定的實驗依據(jù)。張欣尉在水下槍射擊試驗平臺的基礎上，設計了彈道槍在不同介質下射擊過程的內彈道特性模擬試驗，分別模擬了空氣中以及3種水下發(fā)射方式下彈道槍的設計過程，并進行了對照分析。同時，他還對彈道槍水下氣幕式發(fā)射過程的內彈道過程進行了物理建模，并耦合多相流模型，開展了多個典型工況下的仿真計算工作，在一定程度上獲取了部分水下槍氣幕式發(fā)射內彈道及氣液相互作用特性。在此基礎上，將氣幕式發(fā)射的試驗和仿真結果與傳統(tǒng)全淹沒式發(fā)射相比，發(fā)現(xiàn)在保證膛口速度近似相同的情況下，氣幕式發(fā)射的膛壓僅約為后者的36%。這說明采用氣幕式發(fā)射能夠顯著提升水下槍內彈道性能，實現(xiàn)彈丸大幅減阻。Hu提出了一種在槍管內壁設立矩形溝槽的水下氣幕式發(fā)射結構方案，并建立了對應的三維非穩(wěn)態(tài)模型，以此探究溝槽的長寬比對發(fā)射過程的影響。結果表明，當長寬比增加時，近壁面處排氣效果增強，而中心管處效果減弱，同時會伴隨著射彈頭部壓力水平的升高。

2 水下槍炮發(fā)射內彈道研究進展

對于槍炮類武器的設計工作而言，內彈道學具有至關重要的作用，其主要針對彈丸在膛內的運動規(guī)律及其伴隨射擊現(xiàn)象，涉及問題包含火藥的燃燒傳火規(guī)律及火藥燃氣的生成、膛內火藥燃氣和火藥顆粒的多維多相流動及其相間輸運現(xiàn)象、膛內壓力波的發(fā)展規(guī)律、彈丸運動規(guī)律以及膛內能量轉換等多個方面。綜上所述，內彈道學是一門涉及多個領域的學科，因此針對水下槍炮發(fā)射的內彈道研究過程必然更加復雜，目前國內的研究人員已經開展了不少相關工作。本節(jié)首先對水下槍炮全淹沒式發(fā)射內彈道過程展開分析，并對國內相關研究現(xiàn)狀進行總結。

2.1 水下槍炮內彈道過程分析

下面對水下槍炮全淹沒式發(fā)射內彈道過程的運動特性和能量特性展開分析。內彈道的運動過程大致如下：

1）點火階段，彈丸后方底火在扳機觸發(fā)下引燃，使其中的點火藥發(fā)生燃燒，從而產生高溫高壓燃氣，通過小孔進一步點燃藥室內的發(fā)射藥，完成點火過程。

2）當藥室內的火藥被成功點燃，隨即產生的高溫高壓火藥燃氣，迅速推進彈丸向前運動，進而使得彈前水柱不斷向身管口處移動，同時彈前水柱也對彈丸產生一定的阻礙作用。

3）當彈丸成功進入膛內后，速度逐漸增加，并推動彈前水柱加速向前，然而此時兩者的運動速度并不是很高。隨著火藥燃燒程度逐漸加深，彈丸后方逐漸積聚了大量高溫高壓火藥燃氣，此時膛內壓力發(fā)生驟增。在這種作用下，彈丸及水柱速度迅速升高，進而彈丸受到的阻力與水柱受到槍管的摩擦力也隨之增大。隨著水柱流出身管，使得水柱受到的阻力不斷下降，因此彈后容積得到擴張，進而膛內壓力減小。在上述雙重作用下，彈丸在運動一段距離后，壓力達到峰值。在此之后，彈丸繼續(xù)向前做加速度逐漸減小的加速運動。

4）當火藥完全燃燒后，將不再產生新的火藥燃氣，但原有的火藥燃氣還存在相當一部分未利用的能量，這使得彈丸繼續(xù)向前加速運動，伴隨著逐漸減小的膛內壓力。

5）此時彈丸的頭部已出身管口，身管內部已不再有水柱殘留，彈丸受到來自身管外水域的流體作用力和彈后壓力進一步加速，但彈后的壓力也越來越小。

相比于空氣中發(fā)射的內彈道過程，水下槍炮內彈道還存在由于流體運動所消耗的各種能量。另外，在彈丸運動過程中，流體壓力不斷對其做功，因此有必要對水下槍炮發(fā)射過程中的能量特性進行總結分析：彈丸在運動過程中存在自身動能；彈前水柱在運動和噴出管口時也存在動能；彈丸前端水柱沿程損失會消耗一定的能量；對于既定發(fā)射深度，存在靜水壓力做功消耗的能量；火藥燃燒產生的高溫高壓燃氣運動會產生能量。上述能量形式皆由火藥燃燒所產生的熱能轉換而來，但由于能量轉換并不完全，使得火藥氣體內部仍存留大量的能量，最后會經由身管流出。

2.2 水下槍炮內彈道過程研究現(xiàn)狀

國內對于傳統(tǒng)槍炮武器空氣中發(fā)射的內彈道研究成果已經日趨成熟，但目前有關水下槍炮發(fā)射內彈道過程的研究仍處于探索階段。

早于1998年，孔德仁等對比分析了水下槍械內彈道與常規(guī)槍械內彈道之間的差異，以彈丸與彈前水柱為研究對象，建立了水下槍械內彈道計算模型，并借助實驗驗證了相應的仿真計算工作。蘭曉龍建立了水下槍械內彈道仿真模型，并介紹了內彈道方程組的解法及仿真計算方法，將仿真計算結果與試驗結果進行了分析比對，最后探究了裝藥量、火藥力、彈質量以及啟動壓力等參數(shù)對水下槍械發(fā)射的影響規(guī)律。朱斌建立了某小口徑火炮的內彈道模型，并借助CFD計算出了彈前阻力，進而將內彈道和膛口初始流場進行耦合計算，開展了內彈道數(shù)值模擬工作，得到了與已有試驗數(shù)據(jù)相符合的結果。張濤等將錐膛炮作為研究對象，推導出水下內彈道基本方程組，并針對某型錐膛炮展開數(shù)值模擬計算，得到了身管長度對發(fā)射性能的影響規(guī)律。

何小英等介紹了可同時滿足多種深度發(fā)射的內彈道仿真方法，并建立了對應的水下發(fā)射內彈道計算模型，提出并證明了由多燃氣發(fā)生器組成的彈射動力系統(tǒng)是解決變深度發(fā)射導彈問題的有效途徑。孟祥宇等將槍彈間隙和彈炮間隙引入水下全淹沒式發(fā)射的研究之中，運用AUTODYN有限元仿真軟件對內彈道過程進行了數(shù)值模擬，針對有無間隙和不同的裝藥量等工況，探求其對水下槍發(fā)射內彈道變化規(guī)律的影響。結果表明，當槍彈之間設置0.1 mm間隙時，能夠顯著降低彈丸所受阻力，從而提高毀傷性能。此外，他們還建立了涉及彈炮配合間隙和兩相流相間作用的內彈道模型，進行數(shù)值仿真計算，并開展了如圖5和圖6所示的實彈射擊實驗驗證工作，最終得出彈炮間隙能夠有效改善原有發(fā)射方式下膛壓過高和彈丸射速不夠的結論。

“羲皇子孫，開來繼往；優(yōu)秀文化，既厚且長；一帶一路，協(xié)和萬邦?！苯陙?，國內多地舉行公祭伏羲大典，引起海內外百萬民眾尋根問祖。

圖5 實驗系統(tǒng)[33]Fig.5 Schematic of experiment system[33]

圖6 測試系統(tǒng)結構[34]Fig.6 Sketch of testing system[34]

3 水下氣體射流問題研究進展

在現(xiàn)如今的諸多領域中，射流理論皆具有不俗的地位，對于航空航天、材料化工以及水電工程等行業(yè)的發(fā)展都起到了重大的促進作用。射流的概念為流體從噴嘴或者噴孔射入同種或異種流體的流動，而當射流所噴射的流體為氣體時稱為氣體射流。對于水下槍炮發(fā)射問題的研究而言，由于火藥燃燒后所產生的高溫高壓燃氣會在身管以及膛口外2種不同的環(huán)境發(fā)生氣體射流現(xiàn)象，差異在于前者發(fā)生在受限空間，而后者發(fā)生在自由空間，因此2種氣體射流現(xiàn)象分別稱為水下自由氣體射流和水下受限氣體射流。在火藥燃氣與水相互作用的過程中，整個流場內部進行著復雜的物理化學變化。

下面簡單介紹水下氣體射流的產生過程。氣體在水中噴射所形成的射流形態(tài)與氣體流量直接相關，一般而言，當氣體噴射流量較小時，會有相互獨立的氣泡流生成，而若要形成完整的氣體射流，則相應地需要較大的氣體噴射流量?，F(xiàn)階段國內外學者已開展了大量關于水下氣體射流各種機理和應用性的研究。國外冶金領域較早開展了水下氣體射流問題的研究。1979年，Hoefele等通過在不同組分液體（如水、汞等）中噴入空氣、氦氣等多種氣體，探究了金屬冶煉過程中噴嘴附近的嚴重腐蝕現(xiàn)象。Ozawa等將氮氣和氦氣注入到水中，通過高速攝像直接觀察了氣體射流現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著氣液密度比的增大，在聲速區(qū)更容易發(fā)生氣泡流到射流的轉變。

此后，水下射流受到學者廣泛關注。Loth等借助試驗研究了圓形氣體射流在靜水中的結構特性和摻混效果，測量了沿軸的靜壓分布、間隙率以及夾帶率，發(fā)現(xiàn)水中欠膨脹空氣射流存在一個包含沖擊波的外部膨脹區(qū)，與空氣中欠膨脹射流類似。Arghode等研究了全淹沒條件下燃燒室排氣與周圍水體的相互作用特性，針對圓形、方形、三角形和橢圓形噴口開展了高速攝像試驗研究，考慮了燃燒室聲壓級、壓力波動以及兩相區(qū)域不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)射流不穩(wěn)定頻率隨射流動量的增加而增大，與噴口截面無關，氣體內的壓力波動與射流區(qū)下游的兩相不穩(wěn)定性密切相關。Medvedev等借助試驗手段證明了在充液室中通入燃氣后壓力波的存在，并闡述解釋了壓力波在氣體燃燒和水下射流擴展過程中是如何進行傳播的。此外，他們發(fā)現(xiàn)在小燃燒室長度條件下，會得到最大平均推力；相反，當燃燒室長度較小時，將會獲得最大比沖。

國內較早開始研究水下氣體射流的是上海交通大學的魯傳敬等，他們針對軸對稱導彈點火這一非穩(wěn)態(tài)過程，提出了將噴管中的燃氣流動按一維非定常無黏完全氣體流動處理，噴入水中的燃氣流采用簡化的等壓氣泡模型，借助Euler-Lagrange方法對氣泡的發(fā)展過程進行了模擬，獲得了導彈水下點火的一些流場參數(shù)變化情況。2000年，戚隆溪等通過研制的水下高速氣體射流實驗系統(tǒng)，對水下射流開展了動力學研究，提出了當水下高速氣體射流發(fā)生欠膨脹現(xiàn)象時，附近會有復雜的波系結構生成，進而在氣–水兩相的相互摻混之下，將會出現(xiàn)較空氣中更快的欠膨脹氣體射流均壓化衰減過程。2007年，Liu等對水下導彈發(fā)射過程中的多相相互作用進行了數(shù)值研究，討論了噴管后的馬赫數(shù)分布、壓力分布，以及不同初始速度、燃燒室總壓力和水深對噴管內亞音速氣體的流動以及壓力的影響。結果表明，調整藥室總壓可以提高發(fā)射性能。2011年，湯龍生等通過燃氣發(fā)生器在水下實驗裝置中模擬水下燃氣射流過程，觀察期間氣泡產生和發(fā)展的過程，并研究了壓力波在水介質中的衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氣泡的生長與破裂伴隨著壓力脈動在水中傳播，能量在水中快速衰減。胡勇等通過數(shù)值仿真工作模擬了水下超空泡航行體尾部燃氣射流與通氣空泡之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)燃氣射流與通氣空泡流相互作用后生成了多相尾流，空泡明顯收縮，航行體阻力系數(shù)變大。當通入較少氣體并保持燃燒室高壓的條件時，可以觀察到航行體尾部回射流的存在，這將提高噴管外部的壓力水平。陳煥龍等針對噴管燃氣射流，探究了發(fā)射深度的影響規(guī)律，得出以下結論：當發(fā)射深度提高時，將會形成逐漸明顯的燃氣泡翻轉現(xiàn)象，并形成顯著的壓力脈動，同時噴管推力將以相似于燃氣總壓的變化規(guī)律隨之下降。許海雨等基于VOF模型研究了水下超聲速噴射流場壓力脈動特性及其對上浮水雷的受力影響特性，并對高溫高壓燃氣水下高速射流過程進行了數(shù)值建模，針對單相水和通氣超空化2種來流條件對火箭發(fā)動機的內外流場展開了仿真計算，進而得到了火箭發(fā)動機尾噴流場受工作壓力、通氣超空泡等因素影響的詳細變化情況。

近些年來，在水下燃氣射流的研究方面，南京理工大學的余永剛教授團隊開展了較為系統(tǒng)的研究。薛曉春等采用設計的燃燒氣體發(fā)生器和五級圓柱形階梯壁觀察室，研究了高溫高壓下雙股水下燃氣射流流場的分布情況，發(fā)現(xiàn)噴嘴間距較小時，雙燃燒射流的軸向速度和加速度較大，且收斂時間較早，合理匹配參數(shù)能夠抑制射流失穩(wěn)，使燃燒氣體能量有序釋放。胡志濤等通過搭建試驗裝置，模擬了多股貼壁燃氣射流在圓柱形充液室內的擴展過程，借助高速攝像系統(tǒng)，對試驗數(shù)據(jù)進行了收集和分析，得到了噴孔個數(shù)、噴孔面積以及噴射壓力等參數(shù)對燃氣射流擴展特性的影響規(guī)律。此外，他們還采用VOF多相流模型，分別對圓形和矩形燃氣射流在受限液體內的擴展過程進行了數(shù)值模擬，并與已有試驗結果進行了對比驗證，結果十分吻合，進而得到了不同射流類型對應的流場演化特性及參數(shù)變化規(guī)律。趙嘉俊等采用試驗與數(shù)值仿真結合的方式，研究了錐形分布的五孔射流在充水容器中的流場分布，發(fā)現(xiàn)射流收縮和氣液夾帶均影響流場中的激波結構。在此基礎上，他們還模擬了多股燃氣射流自彈頭噴入受限液體的泰勒空腔形成過程，并探究了側噴孔數(shù)量所產生的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著側噴孔個數(shù)的減少，空腔會以更慢的速度發(fā)生聚集，并在腔內保持相對均衡的壓力水平，但徑向壓力的平均水平將會明顯下降。周良梁等采用設計的多噴嘴燃燒器開展了水下燃氣射流形成氣幕的試驗研究，并進行了對應的仿真工作，與試驗現(xiàn)象取得較好的一致性。結果表明，氣體膨脹時，液體介質的速度持續(xù)增大，混合區(qū)域有較強的速度波動，射流前端的氣體會壓縮形成高壓區(qū)域。

綜上所述，直到現(xiàn)階段，水下燃氣射流領域逐漸形成了十分完備的研究手段和相關理論體系。但對水下槍炮發(fā)射過程中的燃氣射流問題，目前還缺乏充足的試驗數(shù)據(jù)來對相關仿真計算結果和理論分析進行佐證，還需要進一步的研究工作來提供事實基礎，從而建立更為成熟的理論體系來指引試驗研究和仿真計算。

4 水下槍炮發(fā)射膛口流場研究進展

槍炮類武器在水下發(fā)射的過程中，隨著射彈逐漸運動出膛口，彈后的高溫高壓火藥燃氣會隨后在膛口處擴展成水下膛口燃氣流場。當水下膛口流場與射彈相互耦合作用時，將逐漸出現(xiàn)十分復雜的激波結構，同時受到兩相交界面的干擾作用，進而使得水下膛口燃氣流場呈現(xiàn)出較為強烈的非定常特性，這將反過來對射彈自身的彈道軌跡造成一定程度的干擾作用，極大地影響射擊過程的精度和穩(wěn)定性。因此，基于保證水下發(fā)射過程安全準確完成的目的，必須對水下發(fā)射膛口流場的發(fā)展規(guī)律和作用特性展開周密的研究工作。本節(jié)闡述了水下槍炮發(fā)射膛口流場的研究現(xiàn)狀，并對膛口流場的典型波系結構展開分析介紹。

4.1 水下槍炮發(fā)射膛口流場研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，已有不少研究人員針對傳統(tǒng)槍炮空氣中發(fā)射的膛口流場特性開展了周密研究，也具備了一定的理論基礎。早于20世紀80年代，Moretti就從理論分析角度對膛口流場的數(shù)值分析方法進行了論述，并在此基礎上借助算例完成了仿真模擬驗證工作。Schmidt等利用高速攝像機拍攝小口徑槍射擊過程中的膛口流場演化過程，并成功捕捉到了膛口流場激波，以此對膛口多相流場的變化規(guī)律做出了分析，尤其著眼于多相流場對彈丸運動特性的干擾展開了詳細闡述。尤國釗等詳細分析了有關膛口流場仿真計算的研究現(xiàn)狀，同時借助算法模擬了自動步槍的射擊過程，并成功完成了實驗對照驗證工作。代淑蘭等利用流場仿真軟件模擬了高速彈丸的運動過程，以及制退器的膛口流場演化規(guī)律，并對膛口流場結構受到運動彈丸的影響規(guī)律展開了分析。江坤等建立了膛口流場數(shù)值模型，并采用動網格技術耦合了湍流模型，對帶制退器裝置的火炮膛口流場開展了數(shù)值仿真計算工作，分析和討論了初始流場和火藥燃氣流場的變化規(guī)律。

對于彈丸的水下發(fā)射過程而言，由于受到的阻力遠超過在空氣中受到的阻力，且還會受到火藥燃氣的影響，使得在進行膛口流場研究工作時變得更為復雜。國內外相關研究的公開資料不是很多，同樣也沒有成熟的理論指導試驗和仿真工作。蔡濤從試驗研究和數(shù)值計算2個角度研究了30 mm艦炮的水下發(fā)射膛口流場特性，研究了全淹沒式和密封式2種發(fā)射方式下膛口多相流場的形成演變規(guī)律，并分析了膛口裝置對膛口流場分布的影響規(guī)律。余永剛團隊針對水下槍炮發(fā)射膛口流場開展了一系列試驗研究和數(shù)值仿真工作，針對裝藥參數(shù)、槍口壓力和發(fā)射深度等多個參數(shù)對水下槍炮發(fā)射膛口流場的影響規(guī)律展開仿真計算工作，得到了不同工況下膛口激波結構、壓力分布、馬赫數(shù)分布等流場特性發(fā)展情況，并開展了相應的實驗驗證工作。

此外，張京輝等采用動網格生成技術，建立了水下彈道槍膛口流場二維軸對稱仿真模型，針對14.5 mm水下槍，研究了在不同燃氣噴射壓力下的流場發(fā)展變化情況。結果表明，當彈丸發(fā)射時，膛口處由于火藥燃氣流場和初始流場的耦合作用具備復雜的流場波系結構。同時，他們定量地對比分析了全淹沒式和密封式2種常見水下發(fā)射方式下的內彈道參數(shù)及膛口特性，發(fā)現(xiàn)相比于全淹沒式發(fā)射而言，密封式發(fā)射時的膛內壓力發(fā)射峰值僅為38%，但射彈到達膛口時的速度卻已達到前者的130%。另一方面，密封式發(fā)射能夠更快地在膛口處形成瓶裝激波，并具有更高水平的膛口壓力峰值，但相應也伴隨更快速和更大幅度的壓力衰減。張旋在其基礎上進一步對水下發(fā)射膛口流場特性展開了研究，并探究了有無初始流場條件下對膛口流場所帶來的影響。張欣尉等建立了12.7 mm水下槍氣幕式發(fā)射的數(shù)學物理模型，并通過實驗模擬和數(shù)值仿真驗證了其合理性，進而證明了借助氣幕實現(xiàn)射彈低阻發(fā)射的可能性。此外，他們還驗證了中心噴孔結構能夠有效形成水下氣幕，對彈丸飛行過程中的運動和流體參數(shù)變化進行了監(jiān)測，并對比分析了全淹沒式和密封式變化的規(guī)律及內在成因。

4.2 水下槍炮發(fā)射膛口流場典型波系結構分析

以張旋等對30 mm火炮在空氣中及水下密封式發(fā)射條件下膛口流場的數(shù)值模擬研究為例，對空氣中和水下槍炮發(fā)射膛口流場的典型波系結構展開對比分析。當彈丸出膛口之后，彈后的高溫高壓火藥燃氣將迅速噴出擴展，當射流滯止壓力與環(huán)境壓力達到一定的比值時（一般為3~4），流場結構中將會有瓶狀正激波結構形成，稱為馬赫盤。此時的射流過程屬于高度欠膨脹射流，空氣中發(fā)射和水下發(fā)射時的膛口燃氣射流波系結構分別如圖7、8所示。

圖7 空氣中發(fā)射典型膛口流場波系[75]Fig.7 Diagram of typical muzzle flow field wave system when emitted in air[75]

其中對于A區(qū)而言，主要發(fā)生火藥燃氣的自由膨脹現(xiàn)象，進而大大降低壓力水平，導致氣流發(fā)生加速流動現(xiàn)象，使得此區(qū)域為超音速氣流（馬赫數(shù)大于1），形成瓶狀激波內的自由膨脹區(qū)；B區(qū)為相交激波與反射邊界之間的超音速區(qū)域，此區(qū)域內伴有膨脹波和壓縮波的存在；C區(qū)是位于馬赫盤下游的亞聲速區(qū)域（馬赫數(shù)小于1），此處由于氣流經過正激波的作用被壓縮，導致壓力和溫度得到大幅度提升，氣流速度隨之下降；D區(qū)為少部分氣流經過2次斜激波后所形成的超音速區(qū)域，盡管燃氣壓力與C區(qū)保持一致，但由于2個區(qū)域內的氣流速度不一致，使得之間會形成如圖7、8中所示的切向間斷面。比較圖7、8可以發(fā)現(xiàn)，盡管在空氣和水環(huán)境中膛口處都會生成馬赫盤，但兩者的形狀卻存在著一定的差異，前者呈現(xiàn)圓弧形，而后者呈現(xiàn)梯形。這是由于槍炮在水下發(fā)射時，火藥燃氣在膛口流場的形成過程中會受到來自高密度水的阻礙，射流前端高壓區(qū)的存在使氣體產生回流現(xiàn)象，進而對射流的主通道實現(xiàn)一定程度的剪切作用，使得氣流存在徑向不穩(wěn)定，燃氣射流擴展過程中出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，從而激波核心區(qū)域受到影響，呈現(xiàn)出圖8中所示的梯形狀，造成了馬赫盤形狀上的差異性。

圖8 水下發(fā)射典型膛口流場波系[75]Fig.8 Diagram of typical muzzle flow field wave system when emitted in water[75]

水下發(fā)射過程中幾個典型時刻的膛口馬赫數(shù)分布相圖及紋影如圖9所示?？梢钥闯?，在圖9a中時刻，射彈剛剛脫離炮口，此時由于彈后火藥燃氣在射彈和水的擠壓作用下主要發(fā)生徑向膨脹作用，使得炮口兩側位置氣流馬赫數(shù)較大。之后在氣體射流進一步擴展的過程中，軸向激波結構逐漸清晰，并在時刻（見圖9b）能夠觀察到馬赫盤的初步形成。在射彈不斷向前運動的過程中，彈后的火藥燃氣流場得到了充分擴展，整個激波區(qū)域面積獲得提升，使得馬赫盤整體沿彈軸方向向前推進，直徑逐漸增大。直到時刻（見圖9c）可以發(fā)現(xiàn)，馬赫盤結構已經變得清晰，同時入射激波、反射激波以及馬赫盤在流場中某處形成三波點結構。在時刻（見圖9d）能夠看到，激波結構已經完全形成，可以明顯觀察到完整的梯形馬赫盤。

圖9 水下發(fā)射時膛口馬赫數(shù)分布及紋影[75]Fig.9 Mach number distribution and schlieren diagram at muzzle when emitted under water[75]

相比而言，水下槍炮發(fā)射的膛口流場所形成的馬赫盤結構在時間上比空氣中發(fā)射更快。這是由于水下發(fā)射時燃氣射流會受到氣液交界面的阻礙作用，但在空氣中這種阻礙作用十分微弱，使得射彈后方流場會由于彈丸的擠壓而形成激波，從而阻礙馬赫盤生成，并且最終生成的激波自由膨脹區(qū)域將會比水下發(fā)射時的面積更大。

5 結語

綜上所述，現(xiàn)階段對于水下槍炮發(fā)射問題的研究已經取得了許多重要的進展，眾多研究人員通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬對于水下槍炮發(fā)射方式、內彈道、水下氣體射流以及膛口流場等幾個方面開展了不同層面、不同角度的研究工作。

1）對于水下槍炮發(fā)射方式，目前較為常用的主要有水下全淹沒式和水下密封式發(fā)射2種，其中水下全淹沒式發(fā)射的彈前阻力和膛內壓力較大，使得彈丸無法獲得既定的初始速度，從而影響射擊距離和毀傷能力，而引入槍彈間隙或彈炮間隙可有效改善上述問題。密封式發(fā)射需要密封裝置，結構設計難度較高，因此應用度不及前者。氣幕式發(fā)射作為一種新興的水下槍炮發(fā)射方式，綜合性能較前2種方式更優(yōu)，有待進一步開展研究。

2）在水下槍炮內彈道及膛內流場研究方面，已有不少研究在傳統(tǒng)內彈道學基礎上進行了改進?？紤]彈前水柱及彈后激波等諸多水下環(huán)境中特有的因素，建立了適用于水下槍炮發(fā)射的內彈道模型方程組，并耦合多相流模型。在此基礎上，開展了相關的試驗研究和數(shù)值仿真工作。

3）在研究水下槍炮發(fā)射問題的過程中，需要著重考慮火藥燃氣在膛內及膛口的發(fā)展過程，因此還涉及到水下燃氣射流領域。目前該領域已具備較為完善的理論體系，但在水下槍炮發(fā)射問題中的應用，還缺乏充足的試驗數(shù)據(jù)為已有研究成果提供實踐依據(jù)。

4）截至目前，水下槍炮發(fā)射問題的膛口流場研究國內尚處于起步階段，已有一些團隊專門從事相關研究，并從試驗和仿真計算中得出一些研究結論，取得了不錯的進展。但從發(fā)表的文獻中不難發(fā)現(xiàn)，一些結論性敘述尚缺乏成熟的理論體系，因此需要進一步更加全面地展開研究。

在這一領域有以下幾個方向可考慮優(yōu)先發(fā)展：

1）發(fā)展新型水下槍炮發(fā)射方式?，F(xiàn)階段，常用的水下槍炮發(fā)射方式存在全淹沒式和密封式2種，兩者皆有著自身的缺陷，因此在開展研究工作時存在一定的局限性。通過研究人員的試驗測試結果發(fā)現(xiàn)，最新提出的水下氣幕式發(fā)射對于水下槍炮發(fā)射的綜合性能可以實現(xiàn)顯著提升，并且無需較為復雜的機體結構，因此需多加以利用，開展研究工作，從而對其優(yōu)越性展開進一步佐證。

2）實現(xiàn)單一介質到跨介質的拓展。目前，研究人員在從事水下槍炮發(fā)射的相關研究時，往往僅考慮彈丸從發(fā)射到膛口的過程，而相應的外彈道包括跨介質運動研究常被割裂開來。實際上，在水下作戰(zhàn)過程中，不僅僅包含在全水下環(huán)境的射擊過程，還存在著彈丸在氣–水交界面之間的跨越。因此，在從事相關研究時，應綜合考慮彈丸的整個飛行過程，得到全面的研究結果，以此提高實際作戰(zhàn)中的射擊精度和毀傷能力。

3）發(fā)展由單彈發(fā)射向多彈發(fā)射的進一步研究。在實際應用中，需要考慮水下槍炮多彈丸發(fā)射的情況，包括單管連續(xù)發(fā)射和多管并聯(lián)發(fā)射，這將直接關系到水下槍炮類武器的應用范圍和作戰(zhàn)效果，進而有效改善自身的作戰(zhàn)能力和生存能力。在從事相關研究過程中，不僅要考慮單一彈丸自身的飛行特性和作用效果，還要考慮不同彈丸之間相互耦合干擾的情況，因此研究難度也就大大提升。弄清多個彈丸發(fā)射之間流場的相互影響規(guī)律及運動特性，對水下槍炮類武器彈道性能的提升，有著顯著的研究意義和工程應用價值。