水下推力矢量控制技术研究现状及进展

许 奇，权晓波，魏海鹏，鲍文春

(1.中国运载火箭技术研究院， 北京 100076； 2.北京宇航系统工程研究所， 北京 100076)

1 引言

为了提高水下垂直发射航行体的实战化水平及生存能力，行之有效的措施之一是增加航行体水下发射深度，随着发射深度的增加，发射平台运动、海浪、海流等干扰因素对水下运动过程影响很大，而且航行体多呈静不稳定状态，在“无控”条件下其出水弹道存在较大变化和散布，“无控”航行体很难满足出水姿态的要求。因此，大深度发射时，普遍采用水下有动控制解决航行体水下运动及出水过程中的姿态控制问题，近年来提出了多种流动控制技术，其中效果显著且在实际中得以应用的主要包括：栅格翼、通气空泡多相流及水下推力矢量控制等。理论和实践表明，水下推力矢量发射技术可以实现在外界条件干扰作用下对航行体运动稳定性的有效控制，从而达到水下航行体大深度、变航速、恶劣海情和全天侯发射的目标，显著提高航行体的实战化水平，已经成为有动力水下发射方案的关键技术之一。

推力矢量控制技术利用机械装置实现对发动机尾喷管喷流方向的改变，从而产生侧向力来控制飞行器的运动姿态。一般来讲，侧向力的大小与飞行器的运动状态及大气环境无关。20世纪40年代，德国在V-2火箭上采用了推力矢量技术，利用安装在火箭喷口处的可控扰流片，利用喷气流的偏转来操纵火箭的运动轨迹。但由于这种技术的复杂性和困难性，直到20世纪八九十年代，推力矢量控制技术才取得重大技术突破并在工程上得以应用。俄罗斯R-73导弹是世界上最早运用推力矢量控制技术的空空导弹，运用了双鸭式气动布局和扰流片式推力矢量装置，形成了推力矢量控制与气动面控制相结合的控制技术。随着推力矢量控制技术的日趋成熟，该技术在空空导弹上得到广泛的应用，如美国的战斧巡航导弹、THAAD反导拦截弹以及南非的A-Darter巡航导弹等。

空气介质中推力矢量矢量控制技术的日臻成熟及其在武器装备上的成功运用为水下航行体有动力发射提供了新的发展契机，俄罗斯的“轻舟”潜射导弹、法国的“飞鱼”潜射导弹等均采用了水下推力矢量控制技术。相较于空气介质中的推力矢量控制技术，水介质中的推力矢量控制技术带来了新的技术挑战，因发动机水下高超声速喷流流场受水介质影响较大，一方面，水介质相对空气介质的高密度效应引起的水下高背压及惯性作用严重制约喷管内高压燃气的正常流动，主流排气区受高压影响导致喷管雍塞时间增加，导致发动机燃烧室压力过高，影响发动机推力特性，甚至引起发动机工作故障；另一方面，发动机水下点火瞬间具有明显的多物理场非定常演化特征，并伴随激烈的流体干扰过程，发动机喷流产生的高压高温气体会附着在航行体尾部形成局部附着气泡，气水掺混区存在相变、换热等复杂的物理过程。空泡界面的不稳定性、喷流流场内部的复杂波系演化发展及二者的强耦合过程都会引起航行体尾部多物理场剧烈脉动现象，给水下航行体的运动控制带来巨大挑战。

本文首先总结了目前水下有动力发射过程中的推力矢量控制技术的工作原理、实现方式、优缺点，其次从水下气体喷流多相湍流流动机制方面介绍了水下推力矢量技术的应用进展以及难点。

2 水下推力矢量控制装置发展

推力矢量控制技术因其广阔的应用前景及优良的性能优势得到广泛关注，国内外学者及研究院所进行了大量的、深入的研究工作，并取得了可观的研究进展。在水下推力矢量控制技术研究方面，专项的研究工作重点针对发动机矢量喷管、扰流片及流体动力特性等方面开展，本文对国内外在这3个方面的研究进展及主要成果进行归纳总结。

2.1 发动机矢量喷管

发动机矢量喷管技术是一种成功的固体火箭推力方向控制技术，具有诸多结构上的优点及良好的可操控性，国内外针对发动机矢量喷管控制技术进行了大量而且成果显著的研究工作，并在多型火箭及导弹上等到应用。矢量喷管技术可分为摆动喷管及固定喷管两大类，较为成熟的摆动喷管可分为双向摆动喷管及全轴摆动喷管2种形式，单个喷管的摆动角度一般在2°～12°。全轴摆动喷管可以绕弹箭轴线做全向摆动，进而实现多方向运动控制，目前这种矢量喷管在战略武器上得到广泛应用，如美国的三叉戟C4、法国的M51、俄罗斯的白杨-M等。双向摆动喷管可以在一个平面内作双向摆动一定角度，也可以在两个互相垂直的平面内摆动，一般使用4个喷管同时作用即可实现俯仰、偏航和滚转控制。如美国的民兵-3导弹一级发动机即采用这种双向摆动喷管矢量方案，如图1所示。

图1 民兵3的一级发动机双向摆动喷管推力 矢量控制示意图

摆动喷管矢量控制技术以流动控制方式实现推力偏转，因主要作用于发动机喷管出口下游的流动，因此对主流的干扰很小，因此是一种经济高效的矢量控制方案。对于采用摆动喷管控制技术的弹箭，依据喷管的结构形式对喷管的响应特性进行设计至关重要，大量的研究表明：喷管的摆心位置、正负摆角、预调角、位移传递系数的精度、负载力矩、伺服系统相关参数等对喷管的响应特性均有较大影响，设计者需引起足够的重视。对于摆动喷管矢量方案结构可靠性初步分析时，可将火箭发动机柔性喷管的摆动机构看做一个整体，并利用二阶窄边界法等进行结构体系可靠度建模及分析。

发动机矢量喷管控制技术可以解决诸多水下航行体运动控制问题，诸如水下高速射弹尾舵控制不足问题，通过建立水下航行体运动状态空间分析模型，结合设计的控制算法下的联合仿真分析，研究表明发动机矢量喷管控制方案可以显著改善水下发射弹箭的动态特性。文献[11]对国内外常见的火箭发动机摆动喷管矢量方案优缺点进行了对比分析，提出了小型摆动喷管矢量方案的总体设计方案、设计难点、关键设计参数、仿真及试验验证方法等，相关研究成果对小型固体火箭发动机摆动喷管矢量控制方案的设计及试验验证有重要的参考价值。利用颗粒轨道模型对火箭发动机矢量喷管控制方案的气固流场进行研究发现，喷管摆动角度对固相粒子沉积率存在较大影响，粒子沉积浓度随着摆角幅度的增加大幅升高，可能导致发动机壁面绝热层发生烧蚀剥离现象，从流场结构来看，摆角增大到一定程度后，喷管摆向一侧后翼槽内衍生出局部漩涡结构，进而导致发动机性能损失；文献[14]对不同喷管摆动角度下的推力矢量特性进行仿真计算，结合试验，提出了一种推力矢量随喷管摆动角度的关系式。文献[15]系统的研究了喷管摆动角度和摆动频率对发动机燃烧室内压力的影响，提出了因喷管摆动导致的燃烧室推力震荡主要集中在100Hz以下。试验研究时，可以利用相关的机构摆动等效喷管摆动、并以冷气介质作为喷流介质的简化试验方法，可以降低摆动喷管矢量控制方案研制初期的试验成本及周期。上述研究成果为发动机矢量技术的研究及工程应用奠定了基础。

2.2 扰流片式矢量控制

扰流片式推力矢量控制技术是通过将扰流片插入发动机尾喷流，使喷流相对喷管轴线发生偏转来产生侧向力，进而实现对发动机推力矢量控制，非工作状态，扰流片处于发动机喷管射流之外，对发动机推力特性产生零干扰，常用的扰流片结构形状主要有圆弧图形、圆弧凹形和矩形三类，见图2。扰流片工作状态，产生的流体力分为侧向力及轴向力，其中侧向力是产生矢量控制的主要因素，轴向力因方向与发动机主流方向相反，是造成发动机的推力损失的主要原因。不同形状的扰流片，插入喷管出口射流区的深度不同，进而形成不同侧向力及发动机推力损失，形成的推力矢量特性随扰流片插入发动机主流区的深度变化规律也不同，这也是扰流片式矢量控制方案的设计重点之一。扰流片推力矢量控制技术具有结构简单、占用空间小、操纵力矩较大、不受环境背压影响和伺服力矩小等优点，在空空导弹及水下作战武器有控方案中得到广泛应用，如俄罗斯R-73空空导弹、克拉布潜射导弹、美国战斧导弹等。

图2 典型扰流片形状示意图

针对扰流片矢量控制方案的研究工作很多，从工程应用上来看大部分研究工作较为集中在飞机或空空导弹上，在水下应用固体火箭发动机上的扰流片研究相对较少，考虑其流体力产生机理一致，因此相关研究成果仍具有重要的参考价值。Hollstein从理论上分析了扰流片的推力矢量特性以及侧向力产生的原因，发动机喷管出口处绕流片导致上游出现压力峰值并沿喷管扩张段壁面产生较大的逆压梯度，在逆压梯度和扰流片的共同作用下壁面边界层分离点上游诱导出一道斜激波，边界层分离区和激波后区域压强较高，喷管扩张段内压强分布不再对称，从而产生侧向力。文献[21-22]采用数值仿真结合机理试验的方法对扰流片推力矢量控制方案的推力特性及影响因素进行了研究，分析了扰流片几何形状、扰流片插入主流深度对推力矢量角及推力损失的影响规律，获得了扰流片推力矢量特性与发动机燃烧室压强、喷管扩张半角及喷管扩张比等关系。施臣钢等以潜射武器为研究对象，提出了一种扰流片矢量控制方案的出水指令设计模型，突破了水下应用扰流片推力矢量技术滚转通道控制技术，有效解决潜射战术导弹应用扰流片矢量方案实现转弯出水设计难题。文献研究了扰流片矢量方案动态特性，表明扰流片系统在阶跃响应和正弦加载下，具有指令信号跟踪能力强、快速反应、准确定位等特点。Brevig等对扰流片式推力矢量装置进行了水下测试试验，研究了静态扰流片产生侧力特性，同时进行了舵机动态响应试验，研究结果进一步验证了扰流片矢量控制方案的特有优势。

文献[26-27]采用热线技术对扰流片后速度场为代表的流场结构进行研究，获得了开孔扰流片流场尾流形成演化过程，提出可将尾流区划分为射流主导区和环流主导区的观点。刘谋佶等在低速风洞中对振动扰流片旋涡脱落和时均压力进行了测量，提出了扰流片静止时存在明显的随来流增加而增大的脱落主频率，振动时则存在两个脱落频率，扰流片上脱落的涡旋是引起扰流片后压力脉动的主要原因。Lee等针对多孔扰流片和其后的三角形作用区域进行研究，分析了扰流片后方回流区速度场分布情况，锥上的压力及脉动特性，并结合工程实际，讨论了扰流片的孔隙率、高度和位置对三棱柱模型周围流场特性的影响，为扰流片的设计改进提供的思路。这些工作为今后对扰流片式推力矢量控制技术的机理研究及工程应用提供了极好的基础。

3 水下推力矢量控制技术研究

水下推力矢量控制技术中形成的高温高速射流与周围环境相互作用，使发动机出现与地面静止试验不同的现象：燃气通过喷管加速后进入液相环境，在水中作扩散流动并形成复杂的气水掺混与界面不稳定性的现象，特别是深水环境工作的发动机，为了克服外界环境中大背压效应，喷流燃气主要采用高超音速形式流动，从而诱发流场复杂激波结构，加剧气水射流流场的复杂性。因此，如何有效控制高速气体喷流形成的复杂多相流场结构一直是水下推力矢量控制技术应用的关键。

3.1 水下高速气体射流流场结构

对于水下推力矢量控制方案，剪切流的不稳定性是水下气体高速射流的一个突出问题，它会引起气液界面失稳，导致气体射流破裂，形成散乱的气泡。针对该问题，目前已经开展了大量的实验和理论工作。Hoefele等采用压力测量和高速摄影相结合的方法分别对收缩-扩张型和直线型喷嘴的水下气体射流流场结构进行了研究，发现随着气体喷射压力增加射流压力脉动频率减小，且这一过程中伴随着射流形态由泡状流向射流的转变。Linck研究团队指出当燃气射流韦伯数达到临界值时，气体由泡流转变为射流，且燃烧室压力波动与射流不稳定性有相关性，且在燃气喷流在喷管出口形成回射流时，会伴随出现气体射流沿与主流相反的方向回吹并快速冲击喷嘴表面的现象。Aoki等首先通过实验观测到了该“回击”现象，气体射流的回击现象与流场中诱发的激波结构密切相关，并最终引起流场的不稳定性。Loth 及Ogden等通过实验发现了水下欠膨胀气体射流在喷管出口附近具有膨胀区，区内存在复杂激波，可以采取在喷管出口加装与射流张角相同的导流板这一被动剪切流动控制方式抑制由回击现象产生的流动不稳定性。王柏懿与施红辉等通过流动可视化揭示了回击现象的演化过程，发现水下超音速射流伴随这很强的激波震荡及因此导致的流体振荡。戚隆溪与汤龙生等利用试验系统对燃气射流的影响进行测量研究，射流出口附近将出现含有复杂波系结构的膨胀压缩区域，由于气液掺混作用产生混合层，同时射流燃气泡在形成演化过程中存在明显的压力脉动现象，压力波在传播过程中受水介质吸能效应影响快速衰减。基于大量的实验研究，人们发现了水下气体射流的回击现象，对射流流场结构有了较直观的认识，对其中的力学机理进行了探索研究。但是绝大部分试验是在水槽中完成，水环境背压仅有几个大气压，不足以反映大深度水下气体射流的流场结构和流动过程。

水下超声速燃气喷流具有强烈的非定常、非线性和随机性，这导致理论研究存在很大困难，相关理论主要是借鉴于气相中的射流经验，并基于大量实验结果形成的半经验理论。Chang等分析了亚音/超音速气体射流对液层的作用机理，发现高速射流气体在液层的表面应力存在扰动，并且指出K-H不稳定产生机理是射流气体与液面上的压力扰动共同作用引起。Li等指出惯性力与表面张力的比率(韦伯数)是控制射流流动不稳定过程的一个重要因素。Subramaniam等研究了气体可压缩性、液体粘性等参数对射流扰动频率的影响，找出了各参数对稳定性影响的大致规律。随着计算机技术水平和计算流体力学的迅速发展，数值模拟已经成为研究水下超声速燃气喷流的主要手段。目前绝大多数工作都是采用RANS模型进行求解，该类模型对湍流粘性系数的过预测，使其在非定常现象的模拟应用受到了较大限制，无法精确模拟湍流脉动量引起的射流气-液界面强脉动特性，也无法做到精确捕捉射流胀鼓、颈缩和回击过程的细节。近几年来，OpenFOAM 等开源软件因其开放性、灵活性成为水下超声速气体射流数值模拟的主要趋势。

3.2 水下发动机推力特性

发动机水环境下点火问题的工程设计难点在于对发动机推力特性的准确预示，发动机在水环境中工作时水的密度远大于空气的密度，同时由于环境背压影响，推力特性与大气环境中差异较大。一方面，高温高压燃气喷射在大背压的水介质中，将引起环境流场结构变化甚至发动机喷管内部压力分布变化；另一方面，水下点火启动后，大量高温燃气与环境水介质相互作用，在发动机尾部形成封闭的气囊，受到水环境的制约，气囊的膨胀过程并非自由膨胀，气囊内喷管出口附近的流场变化更为剧烈，将影响喷管内气体流场结构，因此压力场、速度场的变化极其复杂，推力将受复杂的环境影响，因此如何准确预测推力是固体火箭发动机水下射流的重要研究方向。

对于水环境下推进技术相关的研究，国内外公开的文献不多。Witte对水环境下冲压发动机气液两相流动问题进行了理论分析，通过计算获得了速度、喷管长度等因素变化对发动机推力性能的影响规律，并且基于此对发动机推力及推进效率进行了预示，实现了特定速度、推力下发动机方案设计。Mottard等同样对气液两相冲压发动机水环境下工作特性进行了深入研究，对比了轴向力系数、推进效率理论结果与实验结果的差异，但由于无法在实验中直接测量推力量值，且未考虑在发动机入口和喷管等部位产生的能量损失和气液两相间速度差异等问题，理论分析与实验结果差异性较大。上述学者主要针对泡状流射流形态的水下发动机进行了推力特性分析，为超音速稳定射流形态工作的固体火箭发动机提供了参考。王宝寿等利用压力水筒进行了发动机推力矢量特性点火试验，测量了喷管扩张比为3.04、滞止压强为9 MPa、水深从10～40 m下固体火箭发动机水下工作时的推力和推力矢量角，比较了扰流片和摆动喷管2种推力矢量方式的水下推力矢量特性，分析了点火深度对不同推力矢量控制方式下推力特性及侧向力特性的影响，该实验方法的建立对固体火箭发动机的水下推力特性测量有重要指导意义，但其采用的发动机物理模型缺少普适性，并且对流场对推力特性的影响缺少机理研究。

实验研究成本高、周期长，数值模拟方法具有更加便捷和低成本的研究优势。Labotz用球形气泡模型对发动机水下点火后的压力峰值进行了数值仿真研究，结果表明球形气泡模型能较准确反映发动机启动瞬间的背压峰值与时间。张有为等同样利用球形气泡模型分析了影响因素下固体火箭发动机点火时刻推力峰值和推力特征的变化规律，再次表明了推力峰值可通过燃气泡与燃面面积来进行预估，但由于单气泡模型假设气泡为不会破裂的单个气泡，而拉瓦尔喷管在实际水下推进工作中，燃气泡不会长时间维持单个球形气泡的形态，而是会经历与水环境相互掺混振荡并最终破裂等一系列非定常过程，所以该模型仅适用于点火后短时间内的发动机背压和推力特性预测。单雪雄等用数值模拟方法研究了发动机的推力非定常变化特性，研究表明在点火后短时间内发动机推力达到峰值，随后逐渐小波动下降，当喷管中的气体达到壅塞状态时产生稳定的超音速流动。综合流场演化及发动机推力特性分析结果，提出了喷管摆角是影响发动机力矩的主要原因，二者呈近似线性关系。

4 结论

水下推力矢量控制技术是未来较为理想且具有竞争力的新型技术，其研究领域涉及复杂激波演化、航行体低压尾泡演化与发动机喷流过程耦合、内外流干扰下射流剪切层脉动失稳、局部流动分离及推力振荡调控等力学问题，伴随着气水剧烈掺混、传热传质和相变等复杂物理现象，是典型的多相介质组分中多物理场强耦合的非线性瞬态过程，水下推力矢量控制方案受发动机、环境条件、航行体运动特性、控制方案总体要求等因素影响，属于多专业联合优化设计问题，具有很大的研究价值和发展前途。

随着未来海战模式新需求及水下武器装备性能提升要求，水下推力矢量控制技术必然得到更广泛的研究及工程应用，其中绕流片及矢量喷管式推力矢量方案因其实施方案相对简单、对水下装备总体方案干扰小、对水下环境条件适应性强等特点，将成为水下推力矢量方案的应用主流。