第1章绪论
1.1研究背景和技术内涵
1.1.1研究背景
我国有着漫长的海岸线，应对海上突发事件和局部战争挑战，随时准备以军事行动维护国家海洋主权，是我国海军长期肩负的重任［1］。先进技术的发展和新武器的出现将影响海军未来的作战方式和改变海军的组成，建立在先进巡航动力推进技术上的超高速鱼雷这一新式武器将会影响鱼雷作战模式和效果［2］。超高速鱼雷巡航动力推进系统采用“超空泡”技术，使得在水下作战中高速突防、高速攻击、高效命中成为可能，从而改变了鱼雷等水中兵器的作战模式［35］。
航速是鱼雷的重要指标之一，主要根据攻击目标的速度来决定。一般而言，鱼雷的航速在1.5倍目标航速以上时才能满足攻击目标的要求［611］。目前常规鱼雷*高航速可达50～55kn，而航空母舰等大型水面舰艇航速为25～35kn，并装备较为完善的反导手段，具有强大的对海、对空及反潜火力，进一步提高鱼雷航速是加大其攻击能力的有效手段［12］。
1995年的阿布扎比国际防务展览会上，俄罗斯首次公开展示了“暴风雪”超高速鱼雷，如图1.1所示。该鱼雷重2.7t，直径533mm，长度8.2m，采用超空泡减阻技术和水冲压发动机技术相结合的方式，实现了水中航速约为200kn，航程10km［2］。图1.2是超高速鱼雷剖面示意图，鱼雷头部安装有空化器，且自身携带空化气储罐，巡航推进系统采用水冲压发动机［13］。该鱼雷工作过程中，头部空化器产生的大量气泡包裹着鱼雷弹体，大大减小了航行阻力［3，4，14，15］；水冲压发动机利用外界海水作为氧化剂与内部水反应金属燃料反应，有效提高了发动机比冲［13］。超高速鱼雷以其打击狠、速度快、抗干扰能力强的特点，扮演着航母终结者的角色，它的出现是鱼雷发展史上的一次革命性飞跃，对未来海战方式和鱼雷武器的发展将产生广泛的影响。近年来，超高速鱼雷相关技术已成为各国竞相研究的热点。
图1.1俄罗斯“暴风雪”超高速鱼雷
图1.2超高速鱼雷剖面示意图
1.1.2水冲压发动机技术
1.1.2.1水冲压发动机
水冲压发动机是一种全新概念的水下动力推进系统，它利用高能水反应金属燃料与外部海水反应产生推力，具有能量密度高、比冲大、结构简单且可靠性高等特点，是目前超高速鱼雷巡航推进系统的理想选择［1621］。图1.3是水冲压发动机内部工作过程示意图。发动机工作过程中，燃料燃烧生成含有大量金属的富燃燃气；冲压水流通过进水管路输送到发动机，经喷嘴雾化后进入燃烧室；在燃烧室中，雾化后的水滴受高温燃气流加热蒸发生成水蒸气；燃气流中的金属与水蒸气混合燃烧，并释放大量的热；高温燃气经喷管膨胀喷出产生推力［4，5，22，23］。
图1.3水冲压发动机内部工作过程示意图
水冲压发动机内部工作过程包括燃料的燃烧、水的雾化与蒸发、燃气流与水的掺混及流动、金属／水燃烧等物理化学过程，且各子过程相互耦合、互相影响。由于金属燃料中不含氧化剂或者含量较少，其自身燃烧所能释放的热量有限；而作为氧化剂和工质进入燃烧室的液态水，其蒸发过程需要吸收大量的热。在这种环境下，需要对金属燃料与水的燃烧过程进行合理组织和控制，才能实现发动机的高效燃烧。因此，必须深入了解水冲压发动机内部燃烧过程的特性和规律，掌握发动机的内部工作原理，才能对发动机进行有效燃烧组织，实现发动机性能的进一步优化。
1.1.2.2水反应金属燃料的选择
水反应金属燃料主要由金属、氧化剂、黏合剂和添加剂制备而成，当金属含量较低时，燃料在其自身氧化剂的作用下，一般具有自维持燃烧能力。水冲压发动机工作过程中，燃料燃烧产生含有大量金属的富燃燃气，燃气中的金属与水反应释放热能，提供发动机能量［24-31］。表1.1是几种常见金属与水反应能量密度对比，铍与水反应释放的能量密度*高，其他几种金属按体积能量密度和质量能量密度比较，其大小各有不同。
表1.1几种常见金属与水反应能量密度对比
表1.2是几种常见金属的基本属性［32，33］，钠和锂熔点很低，金属活性高，但不便于制备和贮存；铍熔点和沸点较高，金属活性低，且能量密度高，但其与水的反应很难启动；铝和镁熔点较低，金属活性适中，且贮存稳定性好，因而常用于制备水反应金属燃料。另外，金属颗粒表面通常覆盖有一层金属氧化物，颗粒内部的金属需要破坏表面覆盖的氧化物才能与水反应。由于铝颗粒表面氧化铝的熔点和沸点较高，使得铝颗粒在水蒸气中的着火温度较高，通常需要外加能量或对铝进行改性处理才能启动铝／水反应；而镁颗粒表面氧化镁的熔点低，镁颗粒在水蒸气中的着火温度相对较低，镁／水反应启动更加容易。因此，本书研究的水冲压发动机采用镁基水反应金属燃料，该燃料以镁作为制备的主要成分，并将此类水冲压发动机称为镁基水冲压发动机。
表1.2几种常见金属的基本属性
镁基水冲压发动机工作过程中，镁金属以熔融液滴形式离开燃料燃面进入燃烧室，熔融镁颗粒在燃烧室内的驻留时间和燃烧寿命将影响发动机的性能，而目前水蒸气中镁颗粒燃烧机理和过程尚不明确，因此，开展水蒸气中镁颗粒着火与燃烧过程研究，有助于深入了解水冲压发动机内部燃烧过程及进行有效的内部燃烧组织。
围绕镁基水冲压发动机技术，本书以提高高金属含量镁基水冲压发动机性能为出发点，综合采用理论分析、试验研究和数值模拟方法，系统研究发动机内部镁／水燃烧机理、燃烧过程的特性和规律，以及结构参数和工作参数对燃烧过程的影响，以深入了解发动机内部工作原理，掌握发动机内部高效燃烧组织方法。
1.2相关领域研究进展
1.2.1水冲压发动机技术发展
作为超高速鱼雷巡航推进系统的理想选择，水冲压发动机以其能量密度高、比冲大等特点正受到各军事强国的关注，不少国家先后投入巨资开展水冲压发动机研究，俄罗斯等国已率先将水冲压发动机应用到具体武器型号中。
苏联：苏联是*早开始水冲压发动机及其燃料研究的国家［34］。在考虑了多种推进系统（包括柴油机、电动机、原子动力装置、高速柴油机及燃气轮机等）后，得出如下结论： 采用金属（铝、镁或锂等）作为燃料，外部水作为氧化剂和工质，并利用高效燃气轮机或喷气推进系统所组成的动力装置，是水下武器实现超高速航行的*佳途径。
俄罗斯研制的“暴风雪”超高速鱼雷（图1.1）主要用于打击舰艇、基地要塞和港口防御设施，封锁海上航线。该鱼雷*初由乌克兰流体力学研究所在60年代初期开始研发， 1977年正式面世后，苏联一直致力于鱼雷的改进。1998年俄罗斯官方透露，“暴风雪”系列又一个新型号Shkval Ⅱ已经研制成功，虽然没有公开的准确数据，但西方情报界猜测Shkval Ⅱ的性能比“暴风雪”鱼雷已有极大改进，航速可达268kn。有关“暴风雪”鱼雷的*新消息显示，乌克兰科学家已经为该鱼雷研制成功高速制导和机动技术。此外，俄罗斯还生产了“暴风雪”鱼雷的出口型Shkval E。
“暴风雪”鱼雷是先进的“超空泡”技术和水冲压发动机技术在水下航行器中的*新应用。鱼雷装有两台发动机，第一台为固体火箭发动机，第二台为水冲压发动机。第一台发动机点火，实施双平面程序控制，将鱼雷导引至攻击深度，然后启动第二台发动机，以超高速直航弹道攻击目标，图1.4铝/水燃烧动力系统原理图发射深度为10～150m，工作深度为4～400m。
美国： 美国在研究试下航行器推进系统方面，提出采用铝/水燃烧水下动力系统，其原理如图1.4所示。该系统基于兰金循环，采用海水作为氧化剂，铝作为燃料，反应后产生热量用来加热水产生高温高压水蒸气与氢气推动涡轮做功，带动螺旋桨产生推力；经过涡轮后气流中的氢气可供给燃料电池发电，水蒸气则流经冷凝器后变成液态水，经水泵后再进入燃烧室与铝颗粒发生反应。目前该系统已完成该类动力系统方案的论证，证明此类动力系统具有较高的能力密度[20]。
伊朗：伊朗国家电视台报道，在2006年4月初进行的联合军事演习中，伊朗海军成功地发射了一枚高速水下导弹。图1.5是伊朗高速水下导弹发射现场。该导弹号称是“世界上*快的水下导弹”，伊朗革命卫队海军副司令阿里 法达维将军说，这种“导弹”的速度达到了100m／s，一旦发射，敌舰根本无法规避［24］。
图1.5伊朗高速水下导弹发射现场
西方军事评论家认为，伊朗的水下高速导弹（称为“鲸”或“闪电”）摆脱不了俄罗斯“暴风雪”鱼雷的影子，它很可能是在“暴风雪”鱼雷的基础上发展而来，同样采用了超空泡减阻技术和水冲压发动机技术相结合的方式。
中国：从20世纪90年代起，国内开始水冲压发动机的相关技术研究工作，已开展了发动机概念原理论证、水反应金属燃料制备、热力性能计算、数值计算分析和初步试验研究等方面工作。
在水冲压发动机基础理论和方法研究方面，中国航天科工集团有限公司三
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