王雨舒，呂續(xù)艦

（南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094）

水下武器的發(fā)射動(dòng)力學(xué)與流場特性的研究，在工程和軍事上皆具有相當(dāng)大的研究價(jià)值和應(yīng)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(duì)等海軍特種部隊(duì)，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(guān)重要的作用。

當(dāng)傳統(tǒng)槍炮在空氣中發(fā)射時(shí)，在扳機(jī)的觸發(fā)下，火藥在藥室內(nèi)被點(diǎn)燃，并充分燃燒，形成高溫高壓的火藥燃?xì)?，燃?xì)庋杆倥蛎?，并作用于射彈底部，使其沿身管發(fā)生軸向向前運(yùn)動(dòng)，不斷壓縮彈前空氣，使得彈前激波隨之產(chǎn)生，且在彈丸的推動(dòng)作用下噴出膛口，經(jīng)過無約束膨脹過程，膛口處的流場結(jié)構(gòu)初步形成。隨著射彈完成出膛過程，彈后的火藥燃?xì)庠谔趴谔幱捎谏鋸椀臄D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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出錯(cuò)綜復(fù)雜的情況。

相比于空氣中發(fā)射環(huán)境介質(zhì)的單一性，當(dāng)槍炮類武器在水中環(huán)境發(fā)射時(shí)，由于射彈自身較高的運(yùn)行速度，使得周圍壓力低于水的飽和蒸汽壓力，從而產(chǎn)生空泡?？张葜饾u演化生長，直到產(chǎn)生超空泡現(xiàn)象，將射彈自身全部覆蓋。此外，火藥在藥室內(nèi)被點(diǎn)燃形成大規(guī)模火藥燃?xì)?，在與環(huán)境條件所存在的大壓力梯度和溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，逐漸噴出膛口，繼而產(chǎn)生明顯的氣液交界面，進(jìn)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(huì)導(dǎo)致形成高強(qiáng)度的彈前激波，并且在更大程度上對燃?xì)鉀_擊波產(chǎn)生壓縮作用，從而給武器結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，需要對水下槍炮發(fā)射的整個(gè)過程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，進(jìn)而改善此類槍械的設(shè)計(jì)精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以適應(yīng)水下槍炮發(fā)射問題中更為復(fù)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(nèi)彈道和膛內(nèi)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?xì)馍淞?、氣體動(dòng)力學(xué)以及水動(dòng)力學(xué)等多個(gè)復(fù)雜領(lǐng)域，因此具有相當(dāng)高的研究難度和研究價(jià)值。圖1對這一問題的研究思路做出了總結(jié)。

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(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略地位不斷提升，使得我國必須要建立起一支強(qiáng)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(jiān)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(shí)提防水下所帶來的威脅，諸如反艦魚雷、反艦導(dǎo)彈以及蛙人部隊(duì)突襲等，這些潛在的危險(xiǎn)將會(huì)在無法對水下情況進(jìn)行清晰準(zhǔn)確地探測時(shí)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(dǎo)彈、反魚雷手段，但往往在探測識別能力不足時(shí)，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(qiáng)的毀傷能力和較低的經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)傳統(tǒng)槍械在面對敵方小股蛙人部隊(duì)來犯時(shí)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(biāo)展開打擊，如果借助傳統(tǒng)槍炮類武器會(huì)存在打擊精度、射擊范圍不足以及跨介質(zhì)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(shí)力具有至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系到我國國防實(shí)力和國際競爭力的強(qiáng)弱水平。

相比之下，水下槍炮的設(shè)計(jì)復(fù)雜度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)槍炮武器，原因主要包含以下幾點(diǎn)：

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(huì)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?xì)馔苿?dòng)彈丸飛出膛管，在無法保證完全密封的條件下，將會(huì)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(jìn)而降低推進(jìn)能力，甚至?xí)p壞槍械結(jié)構(gòu)，發(fā)生危險(xiǎn)。

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(huì)使得供彈難度提高，進(jìn)而無法保證整個(gè)槍械結(jié)構(gòu)的協(xié)同運(yùn)作。

4）過于復(fù)雜的槍械結(jié)構(gòu)將會(huì)增加機(jī)體受到侵蝕的可能性。

早在20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)研究所制造出專門裝備于海軍蛙人部隊(duì)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(zhuǎn)擊發(fā)。同一時(shí)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(dòng)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(lǐng)域的發(fā)展過程逐漸由國外引進(jìn)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(jīng)進(jìn)入了一個(gè)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(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，以便于應(yīng)對常規(guī)水下作戰(zhàn)高機(jī)動(dòng)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(jìn)行水下槍炮發(fā)射的研究設(shè)計(jì)工作時(shí)，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(diǎn)關(guān)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(dāng)藥室中火藥被點(diǎn)燃時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，推?dòng)彈丸在膛管中向前運(yùn)動(dòng)，彈前水柱同時(shí)向管口推進(jìn)。水下全淹沒式發(fā)射的結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)的影響，因此在關(guān)注彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還需要專門研究彈前水柱的發(fā)展規(guī)律?？椎氯实葘λ氯蜎]式發(fā)射的內(nèi)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(dǎo)氣內(nèi)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(jì)算和對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

水下全淹沒式發(fā)射方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhì)量的作用下往往伴隨著較大的阻力和膛管壓力，相應(yīng)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(shè)，使得發(fā)射時(shí)部分火藥燃?xì)鈺?huì)通過間隙推動(dòng)彈前水柱加速噴出膛口，從而減弱其對彈丸運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(nèi)。在這種模式下，將會(huì)使得水下槍炮膛內(nèi)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(jìn)入膛管，進(jìn)而保證這種發(fā)射方式下的內(nèi)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(shè)置的密封裝置能夠保證彈丸在膛管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(yùn)行機(jī)理。對于密封式發(fā)射而言，當(dāng)上一發(fā)彈丸發(fā)射以后，若密封擋板來不及關(guān)閉，則可能會(huì)引發(fā)液體回流入身管的問題，因此需要及時(shí)將身管內(nèi)的液體排出，并再次將身管密封起來，這種運(yùn)行機(jī)制就會(huì)使得這種發(fā)射方式下對于槍炮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜。此外，當(dāng)彈丸在密封狀態(tài)下的膛管內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于彈丸速度總大于彈前空氣速度的緣故，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)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(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)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(jié)論。梅雄三等提出利用彈前激波壓力實(shí)現(xiàn)膛管排水的方法，并借助數(shù)值仿真計(jì)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(shí)間間隔。此外，他還建立了二維膛內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)模型，以此模擬彈丸在身管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)用多剛體動(dòng)力學(xué)理論，借助數(shù)值仿真方法驗(yàn)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(dǎo)彈的發(fā)射，之后逐漸拓展到水下槍炮發(fā)射領(lǐng)域，可用于實(shí)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(chǎn)生的燃?xì)庾畛鯐?huì)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(dòng)作用下沿身管向前移動(dòng)，進(jìn)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?shí)現(xiàn)彈丸在身管內(nèi)部的低阻高速運(yùn)動(dòng)。水下氣幕式發(fā)射的結(jié)構(gòu)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(jié)合圖4，對水下氣幕式發(fā)射的內(nèi)彈道過程進(jìn)行闡述：首先發(fā)射藥在底火射流的作用下被點(diǎn)燃，噴孔內(nèi)嵌的密封膜片處于關(guān)閉狀態(tài)，將火藥燃?xì)馀c空氣分隔開來；隨著火藥燃?xì)鈮毫Φ纳?，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(dāng)氣液摻混過程逐漸加劇時(shí)，空腔向氣幕轉(zhuǎn)變，使得彈前水柱發(fā)生移動(dòng)；隨后，彈丸在進(jìn)一步增壓的火藥燃?xì)馔苿?dòng)作用下向前移動(dòng)，氣幕范圍產(chǎn)生擴(kuò)張，進(jìn)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(nèi)彈道及彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)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(jì)90年代，美國學(xué)者Larson等提出了同心筒發(fā)射（CCL）的概念，使用2個(gè)同心圓柱體之間的環(huán)形空間作為管道來排放導(dǎo)彈發(fā)射排出的廢氣，避免了冷發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜性問題，同時(shí)減弱了熱發(fā)射中嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象，引起了學(xué)者廣泛關(guān)注。2001年，Yagla提出將同心筒發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到水下，利用導(dǎo)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(dǎo)彈發(fā)射的噴射速度，并降低初始運(yùn)動(dòng)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(jìn)一步數(shù)值研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了橫流引起的氣體射流偏轉(zhuǎn)軌跡，并進(jìn)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(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)。在國內(nèi)，直到近些年才開始進(jìn)行氣幕式發(fā)射的相關(guān)研究工作。2010年，程棟等通過將理論與試驗(yàn)相結(jié)合，總結(jié)出計(jì)算氣幕保護(hù)上下邊界的工程計(jì)算方法，并計(jì)算出氣幕保護(hù)系統(tǒng)的氣體射流有效截面和射程距離，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了良好的一致性，對指導(dǎo)水下氣幕式發(fā)射保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。侯金瑛等針對潛射導(dǎo)彈的同心筒發(fā)射裝置，建立了二維內(nèi)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(nèi)氣體的流動(dòng)細(xì)節(jié)開展了研究，在保證計(jì)算精度的情況下，發(fā)現(xiàn)該方法的計(jì)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(yùn)動(dòng)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(huì)提高航行體的總阻力系數(shù)，且此系數(shù)將會(huì)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(yīng)用到水下槍炮的發(fā)射中，結(jié)合超空泡射彈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了彈丸水下航行減阻。他們設(shè)計(jì)了可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置，獲取了彈丸運(yùn)動(dòng)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(jié)果表明，當(dāng)噴射壓力增大時(shí)，彈丸速度也隨之獲得提升；同時(shí)在斜面噴孔尺寸增大的條件下，氣幕減阻性能更好，進(jìn)而彈丸也能獲得更大的運(yùn)動(dòng)速度。周良梁等通過高速攝像方法，結(jié)合三維非穩(wěn)態(tài)仿真模型，對充液圓管中噴頭運(yùn)動(dòng)過程的氣幕生成特性開展了研究，發(fā)現(xiàn)噴頭運(yùn)動(dòng)抑制了流場回流作用，增強(qiáng)了對氣幕前端液體的推動(dòng)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(nèi)的產(chǎn)生以及發(fā)展過程，并探究了噴射結(jié)構(gòu)的差異帶來的影響，以及燃?xì)馍淞髋c液體工質(zhì)之間的相互作用機(jī)理，得到了多股燃?xì)馍淞髟谟邢蘅臻g內(nèi)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。張欣尉在水下槍射擊試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了彈道槍在不同介質(zhì)下射擊過程的內(nèi)彈道特性模擬試驗(yàn)，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(shè)計(jì)過程，并進(jìn)行了對照分析。同時(shí)，他還對彈道槍水下氣幕式發(fā)射過程的內(nèi)彈道過程進(jìn)行了物理建模，并耦合多相流模型，開展了多個(gè)典型工況下的仿真計(jì)算工作，在一定程度上獲取了部分水下槍氣幕式發(fā)射內(nèi)彈道及氣液相互作用特性。在此基礎(chǔ)上，將氣幕式發(fā)射的試驗(yàn)和仿真結(jié)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(nèi)彈道性能，實(shí)現(xiàn)彈丸大幅減阻。Hu提出了一種在槍管內(nèi)壁設(shè)立矩形溝槽的水下氣幕式發(fā)射結(jié)構(gòu)方案，并建立了對應(yīng)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(jié)果表明，當(dāng)長寬比增加時(shí)，近壁面處排氣效果增強(qiáng)，而中心管處效果減弱，同時(shí)會(huì)伴隨著射彈頭部壓力水平的升高。

2 水下槍炮發(fā)射內(nèi)彈道研究進(jìn)展

對于槍炮類武器的設(shè)計(jì)工作而言，內(nèi)彈道學(xué)具有至關(guān)重要的作用，其主要針對彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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?xì)獾纳?、膛?nèi)火藥燃?xì)夂突鹚庮w粒的多維多相流動(dòng)及其相間輸運(yùn)現(xiàn)象、膛內(nèi)壓力波的發(fā)展規(guī)律、彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及膛內(nèi)能量轉(zhuǎn)換等多個(gè)方面。綜上所述，內(nèi)彈道學(xué)是一門涉及多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)科，因此針對水下槍炮發(fā)射的內(nèi)彈道研究過程必然更加復(fù)雜，目前國內(nèi)的研究人員已經(jīng)開展了不少相關(guān)工作。本節(jié)首先對水下槍炮全淹沒式發(fā)射內(nèi)彈道過程展開分析，并對國內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

2.1 水下槍炮內(nèi)彈道過程分析

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

1）點(diǎn)火階段，彈丸后方底火在扳機(jī)觸發(fā)下引燃，使其中的點(diǎn)火藥發(fā)生燃燒，從而產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓ㄟ^小孔進(jìn)一步點(diǎn)燃藥室內(nèi)的發(fā)射藥，完成點(diǎn)火過程。

2）當(dāng)藥室內(nèi)的火藥被成功點(diǎn)燃，隨即產(chǎn)生的高溫高壓火藥燃?xì)?，迅速推進(jìn)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使得彈前水柱不斷向身管口處移動(dòng)，同時(shí)彈前水柱也對彈丸產(chǎn)生一定的阻礙作用。

3）當(dāng)彈丸成功進(jìn)入膛內(nèi)后，速度逐漸增加，并推動(dòng)彈前水柱加速向前，然而此時(shí)兩者的運(yùn)動(dòng)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?xì)?，此時(shí)膛內(nèi)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(jìn)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(kuò)張，進(jìn)而膛內(nèi)壓力減小。在上述雙重作用下，彈丸在運(yùn)動(dòng)一段距離后，壓力達(dá)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(yùn)動(dòng)。

4）當(dāng)火藥完全燃燒后，將不再產(chǎn)生新的火藥燃?xì)?，但原有的火藥燃?xì)膺€存在相當(dāng)一部分未利用的能量，這使得彈丸繼續(xù)向前加速運(yùn)動(dòng)，伴隨著逐漸減小的膛內(nèi)壓力。

5）此時(shí)彈丸的頭部已出身管口，身管內(nèi)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(jìn)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(nèi)彈道過程，水下槍炮內(nèi)彈道還存在由于流體運(yùn)動(dòng)所消耗的各種能量。另外，在彈丸運(yùn)動(dòng)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(jìn)行總結(jié)分析：彈丸在運(yùn)動(dòng)過程中存在自身動(dòng)能；彈前水柱在運(yùn)動(dòng)和噴出管口時(shí)也存在動(dòng)能；彈丸前端水柱沿程損失會(huì)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(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生能量。上述能量形式皆由火藥燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換而來，但由于能量轉(zhuǎn)換并不完全，使得火藥氣體內(nèi)部仍存留大量的能量，最后會(huì)經(jīng)由身管流出。

2.2 水下槍炮內(nèi)彈道過程研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于傳統(tǒng)槍炮武器空氣中發(fā)射的內(nèi)彈道研究成果已經(jīng)日趨成熟，但目前有關(guān)水下槍炮發(fā)射內(nèi)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(nèi)彈道與常規(guī)槍械內(nèi)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(nèi)彈道計(jì)算模型，并借助實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相應(yīng)的仿真計(jì)算工作。蘭曉龍建立了水下槍械內(nèi)彈道仿真模型，并介紹了內(nèi)彈道方程組的解法及仿真計(jì)算方法，將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析比對，最后探究了裝藥量、火藥力、彈質(zhì)量以及啟動(dòng)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(nèi)彈道模型，并借助CFD計(jì)算出了彈前阻力，進(jìn)而將內(nèi)彈道和膛口初始流場進(jìn)行耦合計(jì)算，開展了內(nèi)彈道數(shù)值模擬工作，得到了與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的結(jié)果。張濤等將錐膛炮作為研究對象，推導(dǎo)出水下內(nèi)彈道基本方程組，并針對某型錐膛炮展開數(shù)值模擬計(jì)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(shí)滿足多種深度發(fā)射的內(nèi)彈道仿真方法，并建立了對應(yīng)的水下發(fā)射內(nèi)彈道計(jì)算模型，提出并證明了由多燃?xì)獍l(fā)生器組成的彈射動(dòng)力系統(tǒng)是解決變深度發(fā)射導(dǎo)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(yùn)用AUTODYN有限元仿真軟件對內(nèi)彈道過程進(jìn)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(nèi)彈道變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明，當(dāng)槍彈之間設(shè)置0.1 mm間隙時(shí)，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(nèi)彈道模型，進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，并開展了如圖5和圖6所示的實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)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。”近年來，國內(nèi)多地舉行公祭伏羲大典，引起海內(nèi)外百萬民眾尋根問祖。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[33]Fig.5 Schematic of experiment system[33]

圖6 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[34]Fig.6 Sketch of testing system[34]

3 水下氣體射流問題研究進(jìn)展

在現(xiàn)如今的諸多領(lǐng)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(jìn)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(dòng)，而當(dāng)射流所噴射的流體為氣體時(shí)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(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈺?huì)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?xì)馀c水相互作用的過程中，整個(gè)流場內(nèi)部進(jìn)行著復(fù)雜的物理化學(xué)變化。

下面簡單介紹水下氣體射流的產(chǎn)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(guān)，一般而言，當(dāng)氣體噴射流量較小時(shí)，會(huì)有相互獨(dú)立的氣泡流生成，而若要形成完整的氣體射流，則相應(yīng)地需要較大的氣體噴射流量?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量關(guān)于水下氣體射流各種機(jī)理和應(yīng)用性的研究。國外冶金領(lǐng)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(yán)重腐蝕現(xiàn)象。Ozawa等將氮?dú)夂秃庾⑷氲剿校ㄟ^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(zhuǎn)變。

此后，水下射流受到學(xué)者廣泛關(guān)注。Loth等借助試驗(yàn)研究了圓形氣體射流在靜水中的結(jié)構(gòu)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(gè)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(yàn)研究，考慮了燃燒室聲壓級、壓力波動(dòng)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(dòng)量的增加而增大，與噴口截面無關(guān)，氣體內(nèi)的壓力波動(dòng)與射流區(qū)下游的兩相不穩(wěn)定性密切相關(guān)。Medvedev等借助試驗(yàn)手段證明了在充液室中通入燃?xì)夂髩毫Σǖ拇嬖?，并闡述解釋了壓力波在氣體燃燒和水下射流擴(kuò)展過程中是如何進(jìn)行傳播的。此外，他們發(fā)現(xiàn)在小燃燒室長度條件下，會(huì)得到最大平均推力；相反，當(dāng)燃燒室長度較小時(shí)，將會(huì)獲得最大比沖。

國內(nèi)較早開始研究水下氣體射流的是上海交通大學(xué)的魯傳敬等，他們針對軸對稱導(dǎo)彈點(diǎn)火這一非穩(wěn)態(tài)過程，提出了將噴管中的燃?xì)饬鲃?dòng)按一維非定常無黏完全氣體流動(dòng)處理，噴入水中的燃?xì)饬鞑捎煤喕牡葔簹馀菽Ｐ?，借助Euler-Lagrange方法對氣泡的發(fā)展過程進(jìn)行了模擬，獲得了導(dǎo)彈水下點(diǎn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對水下射流開展了動(dòng)力學(xué)研究，提出了當(dāng)水下高速氣體射流發(fā)生欠膨脹現(xiàn)象時(shí)，附近會(huì)有復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)生成，進(jìn)而在氣–水兩相的相互摻混之下，將會(huì)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(dǎo)彈發(fā)射過程中的多相相互作用進(jìn)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(nèi)亞音速氣體的流動(dòng)以及壓力的影響。結(jié)果表明，調(diào)整藥室總壓可以提高發(fā)射性能。2011年，湯龍生等通過燃?xì)獍l(fā)生器在水下實(shí)驗(yàn)裝置中模擬水下燃?xì)馍淞鬟^程，觀察期間氣泡產(chǎn)生和發(fā)展的過程，并研究了壓力波在水介質(zhì)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(dòng)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?xì)馍淞髋c通氣空泡之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)燃?xì)馍淞髋c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(dāng)通入較少氣體并保持燃燒室高壓的條件時(shí)，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?xì)馍淞?，探究了發(fā)射深度的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：當(dāng)發(fā)射深度提高時(shí)，將會(huì)形成逐漸明顯的燃?xì)馀莘D(zhuǎn)現(xiàn)象，并形成顯著的壓力脈動(dòng)，同時(shí)噴管推力將以相似于燃?xì)饪倝旱淖兓?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(dòng)特性及其對上浮水雷的受力影響特性，并對高溫高壓燃?xì)馑赂咚偕淞鬟^程進(jìn)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(dòng)機(jī)的內(nèi)外流場展開了仿真計(jì)算，進(jìn)而得到了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴流場受工作壓力、通氣超空泡等因素影響的詳細(xì)變化情況。

近些年來，在水下燃?xì)馍淞鞯难芯糠矫?，南京理工大學(xué)的余永剛教授團(tuán)隊(duì)開展了較為系統(tǒng)的研究。薛曉春等采用設(shè)計(jì)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?xì)馍淞髁鲌龅姆植记闆r，發(fā)現(xiàn)噴嘴間距較小時(shí)，雙燃燒射流的軸向速度和加速度較大，且收斂時(shí)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(yàn)裝置，模擬了多股貼壁燃?xì)馍淞髟趫A柱形充液室內(nèi)的擴(kuò)展過程，借助高速攝像系統(tǒng)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和分析，得到了噴孔個(gè)數(shù)、噴孔面積以及噴射壓力等參數(shù)對燃?xì)馍淞鲾U(kuò)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?xì)馍淞髟谑芟抟后w內(nèi)的擴(kuò)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證，結(jié)果十分吻合，進(jìn)而得到了不同射流類型對應(yīng)的流場演化特性及參數(shù)變化規(guī)律。趙嘉俊等采用試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)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(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，他們還模擬了多股燃?xì)馍淞髯詮楊^噴入受限液體的泰勒空腔形成過程，并探究了側(cè)噴孔數(shù)量所產(chǎn)生的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)噴孔個(gè)數(shù)的減少，空腔會(huì)以更慢的速度發(fā)生聚集，并在腔內(nèi)保持相對均衡的壓力水平，但徑向壓力的平均水平將會(huì)明顯下降。周良梁等采用設(shè)計(jì)的多噴嘴燃燒器開展了水下燃?xì)馍淞餍纬蓺饽坏脑囼?yàn)研究，并進(jìn)行了對應(yīng)的仿真工作，與試驗(yàn)現(xiàn)象取得較好的一致性。結(jié)果表明，氣體膨脹時(shí)，液體介質(zhì)的速度持續(xù)增大，混合區(qū)域有較強(qiáng)的速度波動(dòng)，射流前端的氣體會(huì)壓縮形成高壓區(qū)域。

綜上所述，直到現(xiàn)階段，水下燃?xì)馍淞黝I(lǐng)域逐漸形成了十分完備的研究手段和相關(guān)理論體系。但對水下槍炮發(fā)射過程中的燃?xì)馍淞鲉栴}，目前還缺乏充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來對相關(guān)仿真計(jì)算結(jié)果和理論分析進(jìn)行佐證，還需要進(jìn)一步的研究工作來提供事實(shí)基礎(chǔ)，從而建立更為成熟的理論體系來指引試驗(yàn)研究和仿真計(jì)算。

4 水下槍炮發(fā)射膛口流場研究進(jìn)展

槍炮類武器在水下發(fā)射的過程中，隨著射彈逐漸運(yùn)動(dòng)出膛口，彈后的高溫高壓火藥燃?xì)鈺?huì)隨后在膛口處擴(kuò)展成水下膛口燃?xì)饬鲌觥．?dāng)水下膛口流場與射彈相互耦合作用時(shí)，將逐漸出現(xiàn)十分復(fù)雜的激波結(jié)構(gòu)，同時(shí)受到兩相交界面的干擾作用，進(jìn)而使得水下膛口燃?xì)饬鲌龀尸F(xiàn)出較為強(qiáng)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(chǔ)。早于20世紀(jì)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(jìn)行了論述，并在此基礎(chǔ)上借助算例完成了仿真模擬驗(yàn)證工作。Schmidt等利用高速攝像機(jī)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(yùn)動(dòng)特性的干擾展開了詳細(xì)闡述。尤國釗等詳細(xì)分析了有關(guān)膛口流場仿真計(jì)算的研究現(xiàn)狀，同時(shí)借助算法模擬了自動(dòng)步槍的射擊過程，并成功完成了實(shí)驗(yàn)對照驗(yàn)證工作。代淑蘭等利用流場仿真軟件模擬了高速彈丸的運(yùn)動(dòng)過程，以及制退器的膛口流場演化規(guī)律，并對膛口流場結(jié)構(gòu)受到運(yùn)動(dòng)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(dòng)網(wǎng)格技術(shù)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(jì)算工作，分析和討論了初始流場和火藥燃?xì)饬鲌龅淖兓?guī)律。

對于彈丸的水下發(fā)射過程而言，由于受到的阻力遠(yuǎn)超過在空氣中受到的阻力，且還會(huì)受到火藥燃?xì)獾挠绊?，使得在進(jìn)行膛口流場研究工作時(shí)變得更為復(fù)雜。國內(nèi)外相關(guān)研究的公開資料不是很多，同樣也沒有成熟的理論指導(dǎo)試驗(yàn)和仿真工作。蔡濤從試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算2個(gè)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(tuán)隊(duì)針對水下槍炮發(fā)射膛口流場開展了一系列試驗(yàn)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(gè)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(jì)算工作，得到了不同工況下膛口激波結(jié)構(gòu)、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(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

此外，張京輝等采用動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)，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?xì)鈬娚鋲毫ο碌牧鲌霭l(fā)展變化情況。結(jié)果表明，當(dāng)彈丸發(fā)射時(shí)，膛口處由于火藥燃?xì)饬鲌龊统跏剂鲌龅鸟詈献饔镁邆鋸?fù)雜的流場波系結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(nèi)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(shí)的膛內(nèi)壓力發(fā)射峰值僅為38%，但射彈到達(dá)膛口時(shí)的速度卻已達(dá)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(yīng)也伴隨更快速和更大幅度的壓力衰減。張旋在其基礎(chǔ)上進(jìn)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(xué)物理模型，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值仿真驗(yàn)證了其合理性，進(jìn)而證明了借助氣幕實(shí)現(xiàn)射彈低阻發(fā)射的可能性。此外，他們還驗(yàn)證了中心噴孔結(jié)構(gòu)能夠有效形成水下氣幕，對彈丸飛行過程中的運(yùn)動(dòng)和流體參數(shù)變化進(jìn)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(nèi)在成因。

4.2 水下槍炮發(fā)射膛口流場典型波系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)展開對比分析。當(dāng)彈丸出膛口之后，彈后的高溫高壓火藥燃?xì)鈱⒀杆賴姵鰯U(kuò)展，當(dāng)射流滯止壓力與環(huán)境壓力達(dá)到一定的比值時(shí)（一般為3~4），流場結(jié)構(gòu)中將會(huì)有瓶狀正激波結(jié)構(gòu)形成，稱為馬赫盤。此時(shí)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(shí)的膛口燃?xì)馍淞鞑ㄏ到Y(jié)構(gòu)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?xì)獾淖杂膳蛎洭F(xiàn)象，進(jìn)而大大降低壓力水平，導(dǎo)致氣流發(fā)生加速流動(dòng)現(xiàn)象，使得此區(qū)域?yàn)槌羲贇饬鳎R赫數(shù)大于1），形成瓶狀激波內(nèi)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(nèi)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(jīng)過正激波的作用被壓縮，導(dǎo)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(jīng)過2次斜激波后所形成的超音速區(qū)域，盡管燃?xì)鈮毫εcC區(qū)保持一致，但由于2個(gè)區(qū)域內(nèi)的氣流速度不一致，使得之間會(huì)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(huì)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(shí)，火藥燃?xì)庠谔趴诹鲌龅男纬蛇^程中會(huì)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(chǎn)生回流現(xiàn)象，進(jìn)而對射流的主通道實(shí)現(xiàn)一定程度的剪切作用，使得氣流存在徑向不穩(wěn)定，燃?xì)馍淞鲾U(kuò)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(gè)典型時(shí)刻的膛口馬赫數(shù)分布相圖及紋影如圖9所示。可以看出，在圖9a中時(shí)刻，射彈剛剛脫離炮口，此時(shí)由于彈后火藥燃?xì)庠谏鋸椇退臄D壓作用下主要發(fā)生徑向膨脹作用，使得炮口兩側(cè)位置氣流馬赫數(shù)較大。之后在氣體射流進(jìn)一步擴(kuò)展的過程中，軸向激波結(jié)構(gòu)逐漸清晰，并在時(shí)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(yùn)動(dòng)的過程中，彈后的火藥燃?xì)饬鲌龅玫搅顺浞謹(jǐn)U展，整個(gè)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(jìn)，直徑逐漸增大。直到時(shí)刻（見圖9c）可以發(fā)現(xiàn)，馬赫盤結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得清晰，同時(shí)入射激波、反射激波以及馬赫盤在流場中某處形成三波點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在時(shí)刻（見圖9d）能夠看到，激波結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(shí)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(jié)構(gòu)在時(shí)間上比空氣中發(fā)射更快。這是由于水下發(fā)射時(shí)燃?xì)馍淞鲿?huì)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(huì)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?qū)?huì)比水下發(fā)射時(shí)的面積更大。

5 結(jié)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(jīng)取得了許多重要的進(jìn)展，眾多研究人員通過理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對于水下槍炮發(fā)射方式、內(nèi)彈道、水下氣體射流以及膛口流場等幾個(gè)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較高，因此應(yīng)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(jìn)一步開展研究。

2）在水下槍炮內(nèi)彈道及膛內(nèi)流場研究方面，已有不少研究在傳統(tǒng)內(nèi)彈道學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)?？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(nèi)彈道模型方程組，并耦合多相流模型。在此基礎(chǔ)上，開展了相關(guān)的試驗(yàn)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?xì)庠谔艃?nèi)及膛口的發(fā)展過程，因此還涉及到水下燃?xì)馍淞黝I(lǐng)域。目前該領(lǐng)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(yīng)用，還缺乏充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為已有研究成果提供實(shí)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(nèi)尚處于起步階段，已有一些團(tuán)隊(duì)專門從事相關(guān)研究，并從試驗(yàn)和仿真計(jì)算中得出一些研究結(jié)論，取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。但從發(fā)表的文獻(xiàn)中不難發(fā)現(xiàn)，一些結(jié)論性敘述尚缺乏成熟的理論體系，因此需要進(jìn)一步更加全面地展開研究。

在這一領(lǐng)域有以下幾個(gè)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(shí)存在一定的局限性。通過研究人員的試驗(yàn)測試結(jié)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(shí)現(xiàn)顯著提升，并且無需較為復(fù)雜的機(jī)體結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步佐證。

2）實(shí)現(xiàn)單一介質(zhì)到跨介質(zhì)的拓展。目前，研究人員在從事水下槍炮發(fā)射的相關(guān)研究時(shí)，往往僅考慮彈丸從發(fā)射到膛口的過程，而相應(yīng)的外彈道包括跨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)研究常被割裂開來。實(shí)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(guān)研究時(shí)，應(yīng)綜合考慮彈丸的整個(gè)飛行過程，得到全面的研究結(jié)果，以此提高實(shí)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(jìn)一步研究。在實(shí)際應(yīng)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(guān)系到水下槍炮類武器的應(yīng)用范圍和作戰(zhàn)效果，進(jìn)而有效改善自身的作戰(zhàn)能力和生存能力。在從事相關(guān)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(gè)彈丸發(fā)射之間流場的相互影響規(guī)律及運(yùn)動(dòng)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(yīng)用價(jià)值。