姚 忠 ，王 瑞 ，徐保成

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

超空泡射彈火炮武器應用現(xiàn)狀研究

姚 忠 ，王 瑞 ，徐保成

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

超空泡減阻技術作為一種革命性減阻技術，應用于火炮武器領域后，可使火炮武器系統(tǒng)具備水下作戰(zhàn)能力。通過分析國外超空泡射彈火炮武器的發(fā)展現(xiàn)狀，對超空泡射彈火炮武器反水雷作戰(zhàn)的技術優(yōu)勢及其應用前景進行了探討，分析了超空泡射彈火炮武器研制過程中的關鍵技術。超空泡減阻技術將實現(xiàn)火炮武器水下作戰(zhàn)跨越式發(fā)展，對未來水下近程防御作戰(zhàn)方式和裝備發(fā)展產(chǎn)生革命性作用。

超空泡射彈火炮武器；超空泡減阻技術；反水雷

隨著新技術的發(fā)展與應用，現(xiàn)代海戰(zhàn)對海軍各類攻防武器裝備提出了新的要求，大量的彈箭武器打擊范圍已經(jīng)從空中、水面延伸到水下。水下高速彈箭武器隱蔽性好、突擊能力強，該類武器己成為各國海軍武器裝備的發(fā)展重點。由于水的密度遠大于空氣密度，常規(guī)彈丸在水中運動時所受到的阻力是空氣中的800倍左右，因此常規(guī)彈丸在水中航行時速度衰減很快，同時常規(guī)彈丸無動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，彈丸難以達到預期攻擊效果。另外，彈丸高速入水是一個跨介質過程，常規(guī)彈丸入水后一般是不穩(wěn)定的。

俄羅斯“暴風雪”超空泡魚雷航速是傳統(tǒng)魚雷的3～5倍，最大航速可以達到200m/s，它的問世震驚了世界。該型魚雷就是利用超空泡減阻技術成功實現(xiàn)水下高速航行，該原理的成功應用為常規(guī)彈丸水下減阻航行提供了新的發(fā)展思路。

1 組成及原理

超空泡射彈火炮武器一般由探測系統(tǒng)、火力系統(tǒng)、彈藥系統(tǒng)、火控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等組成，它與常規(guī)火炮武器最大的不同點是其彈藥系統(tǒng)。常規(guī)火炮發(fā)射的彈丸僅能在空中穩(wěn)定飛行，難以在水中形成有效的射程；而超空泡射彈火炮武器發(fā)射的超空泡射彈能夠高速穩(wěn)定入水，入水后形成超空泡，利用超空泡在水中減阻航行，實現(xiàn)水中高速、遠距離航行，有效摧毀水下目標。

超空泡射彈實現(xiàn)水下減阻的基本原理是超空泡技術。根據(jù)伯努利原理可知，當物體在水中高速航行時，圍繞物體流動的液體壓力會降低。隨著速度的增加，液體的壓力降低至水的飽和蒸汽壓時，液體發(fā)生相變，由液體變?yōu)闅怏w，形成空泡[1]。物體速度進一步增大時，空泡發(fā)展成為超空泡，將物體大部分包裹。在空化理論與應用研究中，通常利用空化數(shù)σ來描述空化現(xiàn)象的起始和狀態(tài)，是空泡流動的一個重要的相似參數(shù)，其定義為

(1)

式中：p∞為來流壓力;pc為空泡內壓力;ρ為液體密度;v為物體速度。

根據(jù)超空泡形成方式不同，分為自然超空泡和通氣超空泡，自然超空泡主要是通過增加物體航行速度或減小來流壓力的方法實現(xiàn)，通氣超空泡主要是通過增加空泡內壓力實現(xiàn)。超空泡魚雷就是利用通氣超空泡實現(xiàn)減阻航行，而超空泡射彈是利用自然超空泡實現(xiàn)減阻航行，其水中航行速度可達到1000m/s量級，空化數(shù)可達到10-4量級。針對常規(guī)火炮彈丸進行特殊的外形設計，使彈丸在水下航行時快速生成自然超空泡，超空泡將彈丸大部分包裹，只有彈丸頭部和部分表面與水接觸，如圖1所示。

在這種航行狀態(tài)下，與彈丸接觸的介質由水變?yōu)闅怏w，由于氣體的密度僅為水的1/800，因而彈丸的航行阻力將大幅度降低，總阻力系數(shù)降低約一個數(shù)量級。相關研究表明，帶空泡航行模式下，彈丸將獲得90%以上的減阻量，使彈丸在水中能夠持續(xù)高速航行，實現(xiàn)較大的水下航程，具備水下作戰(zhàn)能力[1-3]。

2 發(fā)展現(xiàn)狀研究

由于超空泡射彈火炮武器的技術優(yōu)勢和軍事應用前景，世界主要海軍強國都在發(fā)展基于超空泡減阻技術的超空泡射彈武器，主要集中在大尺度的超空泡魚雷和小尺度的超空泡射彈火炮武器，在超空泡魚雷方面，俄羅斯已研制了100m/s量級的超空泡魚雷，美國、德國也正在開展超空泡魚雷研制工作。

在超空泡射彈火炮武器研究方面，最典型、最成功的是美國諾斯羅普·格魯門公司研制的機載快速滅雷系統(tǒng)(RAMICS)，如圖2所示。該系統(tǒng)由藍綠激光探測系統(tǒng)、30mm火炮分系統(tǒng)、彈藥分系統(tǒng)、火控分系統(tǒng)和輔助支援分系統(tǒng)組成，安裝在MH-60S直升機上，發(fā)射一種特殊的尾翼穩(wěn)定超空泡穿甲彈，彈丸斜射入水形成超空泡，利用動能破壞目標水雷。

美國自上世紀80年代就開始進行機載快速滅雷系統(tǒng)的單項技術研究工作。2000年，美國海軍在阿伯丁試驗中心進行了超空泡射彈水彈道試驗。2002年，美國在海上固定平臺開展海上實彈射擊試驗，試驗表明：武器系統(tǒng)成功命中水下12m水雷目標后，能夠立即將其毀傷；命中13～46m水深的水雷目標后，目標約在4min內失效并開始下沉；對于47～61m水深的水雷也能夠擊沉。2003年，該武器進行了初步的摸底試驗。2004—2005年，美國完成了機載快速滅雷系統(tǒng)的系統(tǒng)集成演示驗證，探測系統(tǒng)探測到水雷后，機載火炮發(fā)射的超空泡射彈成功摧毀試驗水雷。美國海軍已于2007年進行了機載快速滅雷系統(tǒng)裝備部隊使用和評估，形成初始作戰(zhàn)能力[4-5]。

除了研制RAMICS以外，美國還在研制一種使用自適應水下高速彈藥(AHSUM)的全水下火炮系統(tǒng)，用于水面艦艇近程防御，如圖3所示。該系統(tǒng)由火炮在水下發(fā)射AHSUM，可裝備在水面艦船的水下部分或潛艇上，構成水下“密集陣”系統(tǒng)，保護艦船和潛艇免于魚雷或水雷的威脅。

挪威DSG防務公司主要開展了超空泡射彈彈藥研究。在2012年火炮年會上，展示了一種超空泡射彈，其口徑序列有5.56、7.62、12.7、20、30、40mm，其部分口徑的彈藥外形圖如4所示，并計劃發(fā)展到155mm，以獲得更有效的殺傷。該超空泡射彈對發(fā)射系統(tǒng)沒有特殊要求，使用制式裝備即可發(fā)射，最小穩(wěn)定入水角可以達到2°左右，并且這種超空泡射彈還可以利用水下火炮武器從水下向空中發(fā)射。DSG防務公司利用30mm次口徑超空泡射彈進行了反魚雷測試，魚雷采用324mm口徑的MK46魚雷，射彈在水中航行125m，成功命中毀傷水雷，擊中情況如圖5所示。

國內相關單位也開展了超空泡射彈火炮武器技術研究，在超空泡射彈火炮武器火力系統(tǒng)方面，針對火力系統(tǒng)進行了發(fā)射超空泡射彈適應性和可靠性改進。在超空泡射彈研究方面，研究了超空泡射彈流體動力特性與彈道特性，并利用超空泡射彈火炮武器火力系統(tǒng)及超空泡射彈開展了相關試驗研究。目前還沒有見到超空泡射彈火炮裝備的報道。

3 反水雷作戰(zhàn)的技術優(yōu)勢及應用前景

超空泡射彈火炮武器發(fā)射的超空泡射彈，材料一般為鎢合金，根據(jù)穿甲經(jīng)驗公式計算，超空泡射彈穿透8mm的鋁合金水雷殼體臨界速度約為100m/s，從美國的毀傷試驗來看，超空泡射彈水中航行一定距離后能夠保證足夠的存速來毀傷破壞水雷，使其失去戰(zhàn)斗力。

超空泡射彈火炮武器作為一種新概念武器，將其安裝在直升機上，可對水雷進行直接命中毀傷，形成一種新原理反水雷武器，可彌補掃、獵、破、炸等傳統(tǒng)反水雷手段反應速度慢、作戰(zhàn)效率低、安全性差等不足，從而提高我海軍對漂雷、淺水水雷的掃除能力與效率。除機載安裝平臺以外，未來超空泡射彈火炮武器還可以安裝在大型艦艇艦面、水下無人潛航器和遙控掃雷艇的水線以下，遂行艦艇編隊航行及重要區(qū)域巡視時執(zhí)行反水雷任務?？傊?，超空泡射彈火炮武器可為我航母編隊等海上機動編隊提供建制式反水雷裝備，有效彌補水面艦艇編隊建制式反水雷的能力不足。還可與其他掃雷、獵雷裝備一同使用，以快速、安全清除淺水水雷為主要使命任務，取長補短，形成體系作戰(zhàn)能力。與我海軍目前的反水雷裝備相比，其技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面[6]。

3.1反水雷作戰(zhàn)響應速度快

直升機良好的機動性可以提高反水雷快速反應能力，既可配裝于專業(yè)反水雷部隊在岸基或艦基對沿海重要水域實施快速反水雷作業(yè)，也可作為建制反水雷裝備由艦艇平臺搭載，伴隨水面艦艇編隊跨海區(qū)機動作戰(zhàn)。在戰(zhàn)時緊急情況下具備開辟應急通道的能力，從而在一定程度上滿足“反制水雷封鎖”及“登陸破障”等反水雷作戰(zhàn)需求。

3.2反水雷作業(yè)安全性高

反水雷艦艇在淺水海域對定深較淺的水雷目標實施作業(yè)時，艦艇自身受水雷威脅風險較大。機載超空泡射彈火炮武器系統(tǒng)具備在淺水區(qū)快速毀傷水雷的能力，是一種非接觸作業(yè)方式，反水雷的安全性大大增強。

3.3反水雷效費比高

一枚水雷的價格在數(shù)萬到數(shù)十萬美元，而一具大型滅雷具的價格在100～600萬美元，因此無論是掃雷艦艇還是滅雷具，被水雷毀傷的成本都很高。目前部分水雷已經(jīng)增加了新型傳感器，在探測到滅雷具后會自動起爆，更進一步降低了滅雷裝備的效費比。新型的一次性滅雷具雖然價格可下降到幾萬美元，但效率較低。根據(jù)水下目標特性分析與超空泡射彈毀傷能力計算，超空泡射彈對60m水深處的水雷目標命中概率約為20%～40%，可靠命中并消滅一枚水雷僅需要十多發(fā)超空泡射彈，成本不過萬元人民幣；一架直升機可攜彈量數(shù)百發(fā)，可連續(xù)執(zhí)行反水雷作業(yè)，大大提高了滅雷的效費比和效率。

隨著超空泡技術及其他相關技術的發(fā)展，超空泡射彈可具備更高的初速和水下航程，超空泡射彈火炮武器可安裝在各種不同空中、水面及水下平臺，可擔負更多的軍事任務。

4 關鍵技術分析

超空泡射彈火炮武器是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及多個學科和技術領域，其成功應用還亟需突破超空泡彈藥技術、水中目標探測與定位技術及武器系統(tǒng)集成技術等[7-12]。

4.1超空泡射彈流體動力外形設計技術

超空泡射彈要完成其作戰(zhàn)使命，實現(xiàn)對水下目標的有效殺傷，主要取決于超空泡射彈的彈道性能，與魚雷、UUV等水下航行器不同，超空泡射彈由發(fā)射平臺發(fā)射后無推進裝置提供動力、無控制系統(tǒng)控制其航行狀態(tài)，其彈道性能的實現(xiàn)很大程度上取決于超空泡射彈的流體動力性能，而流體動力性能最直接、最關鍵的問題是超空泡射彈流體動力外形設計。

超空泡射彈流體動力外形設計主要從兩個方面考慮：一方面是快速性，超空泡射彈從炮口到目標經(jīng)歷空氣彈道、入水彈道與水中彈道3部分，超空泡射彈需要完成戰(zhàn)術任務，必須具備較大的航程和終點存速，而超空泡射彈自身不帶動力系統(tǒng)，因此必須在結構上實現(xiàn)超空泡快速生成并包裹超空泡射彈，保證超空泡射彈在水中帶空泡減阻航行；另一方面是穩(wěn)定性，在超空泡射彈整個彈道過程中，涉及到跨介質飛行，且在整個彈道過程中無控制系統(tǒng)控制射彈姿態(tài)，需要射彈具備較理想的彈道性能和多環(huán)境飛行穩(wěn)定性。

超空泡射彈流體動力外形設計基礎需要針對不同外形結構的射彈進行流體動力特性和彈道特性研究，并運用理論和試驗結果對外形設計進行優(yōu)化，形成最優(yōu)外形結構，盡可能獲得較大的臨界空化數(shù)，形成理想的空泡形態(tài)，實現(xiàn)超空泡射彈最大減阻效能。

4.2水中目標探測與定位技術

與傳統(tǒng)火炮武器不同，超空泡射彈火炮武器攻擊目標在水下，傳統(tǒng)的雷達火控系統(tǒng)、光電瞄具系統(tǒng)無法完成對水下目標的探測、跟蹤與定位。為給超空泡射彈火炮武器提供必要的射擊諸元，必須研制新的探測系統(tǒng)對水下目標進行探測、跟蹤與定位。目前較為有效的水下探測定位就是采用中高頻聲納、藍綠激光兩種方式進行探測定位。在水下目標探測方式上，可采用粗略搜索與精確探測相結合的方法，首先采用續(xù)航能力強的中高頻聲納對目標區(qū)域的可疑目標進行搜索粗定位，然后利用高頻聲納探測或藍綠激光對可疑目標進行確認和排除，可利用機載平臺提高工作效率。

4.3武器系統(tǒng)集成技術

超空泡射彈火炮武器的技術性能不僅與超空泡射彈技術性能相關，還與整個武器系統(tǒng)的集成和工程設計有關。在武器系統(tǒng)集成設計中，以超空泡射彈為中心，主要考慮發(fā)射平臺、攻擊目標、海洋環(huán)境等方面。超空泡射彈發(fā)射平臺主要考慮發(fā)射平臺類型、超空泡射彈發(fā)射方式、火控系統(tǒng)及發(fā)射平臺運動特性等，其中發(fā)射平臺類型主要有機載平臺、艦載平臺、水下發(fā)射平臺等，對不同裝機平臺的要求進行研究，提取通用要求，通過總體集成與優(yōu)化研究，使武器系統(tǒng)各單元間針對不同裝機平臺可相互兼容，具有合理、高效匹配性；攻擊目標主要考慮目標的類型、尺度、運動特性、物理場特性和防御能力等；海洋環(huán)境主要考慮海域深度、海流、波浪、風力、風向和溫度等。

5 結束語

超空泡射彈火炮武器的軍事應用前景十分可觀，隨著一系列關鍵技術突破，超空泡射彈的水彈道性能將得到極大改善，突防打擊能力與續(xù)航能力極大增強，必將實現(xiàn)火炮武器水下作戰(zhàn)跨越式發(fā)展，對未來水下近程防御作戰(zhàn)方式和裝備發(fā)展產(chǎn)生革命性作用。

References)

[1] 楊莉,張慶明. 超空泡技術的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].戰(zhàn)術導彈技術,2006(5):6-10. YANG Li, ZHANG Qingming. Current application and perspectives on supercavitation technology research[J]. Tactical Missile Technology,2006(5):6-10. (in Chinese)

[2] 曹偉,魏英杰,王聰，等. 超空泡技術現(xiàn)狀、問題與應用[J].力學進展,2006,36(4):571-578. CAO Wei, WEI Yingjie, WANG Cong, et al. Current status, problems and applications of supercavitation technology[J]. Advances in Mechanics,2006,36(4):571-578.(in Chinese)

[3] 金大橋，王聰，余鋒. 水下超空泡射彈研究綜述[J].飛航導彈,2010(7):19-23. JIN Daqiao, WANG Cong, YU Feng. Research of underwater supercavitation projectile[J]. Aerodynamic Missile Journal，2010(7):19-23. (in Chinese)

[4] 呂志民，申超，陳永奎. 超空泡射彈技術探討[J]. 艦船科學技術,2007,29(增刊1):92-94. LYU Zhimin, SHEN Chao, CHEN Yongkui. The research of supercavitation projectile technology[J]. Ship Science and Technology，2007,29(Sup1):92-94. (in Chinese)

[5] 孫偉偉. 超空泡技術及其在水中兵器中的應用研究[J].機械管理開發(fā),2013(3):37-40. SUN Weiwei. Application study on supercavitation technology[J]. Mechanical Management and Development,2013(3):37-40. (in Chinese)

[6] 張世英，周海平.美國海軍新概念武器“機載快速滅雷系統(tǒng)”[J].現(xiàn)代艦船，2008(10)：35-36. ZHANG Shiying, ZHOU Haiping. RAMICS:a new concept weapon of US navy[J]. Modern Ship,2008(10):35-36. (in Chinese)

[7] KULKARNI S S, PRATAP R. Studies on the dynamics of a supercavitating projectile[J]. Applied Mathematical Modelling,2000,24(2):113-129.

[8] LI Daijin,ZHANG Yuwen,LUO Kai,et al. Motion control of underwater supercavitating projectiles in vertical plane[J]. Modern Applied Science,2009,3(2):60-65.

[9] TRUSCOTT T T. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles[D]. Massachusetts Institute of Technology,2009:28-34.

[10] LEE M, LONGORIA R G, WILSON D E. Cavity dynamics in high-speed water entry[J]. Physics of Fluids,1997,9(3):540-550.

[11] SEREBRYAKOV V. Problems of hydrodynamics for high speed motion in water with supercavitation[C]∥ Sixth International Symposium on Cavitation. Wageningern, Netherlands:IEEE,2006:134.

[12] SAVCHENKO Y N, SEMENENKO V N, PUTILIN S I. Unsteady supercavitated motion of bodies[J]. International Journal of Fluid Mechanics Research,2000,27(1):109-137.

ResearchonCurrentApplicationStateofSupercavitationProjectileArtilleryWeapons

YAO Zhong, WANG Rui, XU Baocheng

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

As revolutionary drag-reduction technology, supercavitating drag-reduction technology is applied to the field of artillery, which enables the artillery weapon system possess the ability of underwater operation. Through the analysis of the current application of foreign supercavitation projectile artillery weapons and supercavitation projectile, a discussion was conducted of the technology advantages and application prospect of supercavitation projectile artillery weapon in the field of mine countermea-sure warfare with the key technologies in the process of development supercavitation projectile artillery weapon analyzed. Supercavitating drag-reduction technology will achieve the leap development of underwater combat of artillery weapons, which will have a revolutionary impact on the future of short-range combat mode and defense equipment development.

supercavitation projectile artillery weapons; supercavitating drag-reduction technology; mine countermeasure

TJ301

： A

：1673-6524(2017)03-0092-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.018

2016-08-06

姚忠(1965—)，男，研究員級高級工程師，主要從事超空泡射彈武器技術研究。E-mail：wangrui293@163.com