兩棲裝甲車輛中高壓噴水推進技術研究

王憲斌

摘 要：本文旨在將中高壓射流噴水推進技術應用于兩棲裝甲車輛上，從而探究這種新型噴水推進方式對兩棲裝甲車輛的矢量控制效果。首先闡述了兩棲裝甲車輛的推進特性研究現狀，其次研究并設計了中高壓噴水技術推進兩棲裝甲車輛方案，最后通過計算對兩棲裝甲車輛的動力性研究，驗證該方案可行性和優越性。

關鍵詞：兩棲裝甲車輛 ?; 中高壓噴水 ; 推進技術

一、兩棲裝甲車輛的推進特性研究現狀

由于采用實驗的方法對兩棲裝甲車輛的推進性能進行研究存在周期長、花費大的問題，目前利用數值計算的方法進行兩棲裝甲車輛推進性能研究取得了較大的進展。在噴水推進矢量控制領域比較常見的射流偏轉裝置有兩種：機械導流板和轉動噴管。機械導流板雖有推力損失，但結構簡單、易于實現，因此廣泛應用于水面艦船以及水下航行器。噴水推進的推力矢量控制技術在推力矢量化實現方式上可分為多噴嘴矢量推進和單噴嘴矢量推進。多噴嘴矢量推進又稱多軸矢量推進，是利用噴嘴與航行器質心的距離作為力臂產生操縱力矩，這種形式的布置通常噴嘴是固定方向并且噴嘴軸向不通過航行體質心。噴水推進裝置產生的矢量推力在控制載體的航行速度穩定性與航行方向的保持中有十分復雜的耦合性，所以關于噴水推進艦船的操縱特性控制比普通螺旋槳推進、舵控制的艦艇更加復雜。

二、中高壓噴水推進兩棲裝甲車輛方案研究

（一）中高壓噴水推進系統組成

中高壓噴水推進器是一種反作用推進器， 其原理與傳統低壓噴水推進器、 渦輪噴射發動機以及火箭發動機類似， 即工作介質經能量轉換機構， 增加其能量， 再經過出口管路以及噴嘴，將能量轉化成動能，以一定的速度噴出，形成反推力，推動航行器前進。 圖 1 為前端進水式、水下中高壓進噴水推器的原理圖。它主要由進口、中高壓海、淡水液壓泵、原動機及連接裝置、高壓水管路以及噴嘴等五部分組成。在該系統中，由原動機 3 驅動水液壓柱塞泵 2 工作，泵的進口 1 直接從海洋中吸取海水，輸出的壓力水通過高壓水管路 4 接到噴嘴 5 噴出，形成反推力，推動航行器前進。

圖1中高壓噴水推進系統

（1）進口。進口的設計是設計中高壓噴水推進系統的一個關鍵。由于進口離泵近，且與泵在同一水平面，不存在水位抬升損失，進口的能量損失小，故本文分析中忽略進口能量損失， 并且在計算進口吸入推力采用傳統的平均法， 即采用平均速度代替實際速度分布來計算動量增量。

（2）中高壓水液壓泵系統。主要由原動機（及其控制系統）、中高壓大流量水。

（3）噴嘴。噴水推進系統的射流反推力不僅與容積式泵的有效功率有關，噴嘴作為整個系統的負載， 其結構參數也會影響射流反推力， 尤其是噴嘴的長徑比和收縮角對射流的影響具有很大的影響。

（二）兩棲裝甲車輛推進系統布局

兩棲裝甲車輛樣機采用雙噴嘴噴水推進方式， 同時考慮到樣機在水中的穩定性、 樣機排水量等因素，樣機元件采用軸對稱方式布置，布置方式如圖 2 所示。每個噴嘴都使用一臺容積式高壓泵單獨提供高壓噴射流體，兩臺高壓泵也是通過兩個電機單獨提供動力源， 兩個進水口單獨進水。 采取這種布置方式， 不僅可以由矢量噴嘴控制兩棲裝甲車輛的航向， 而且每個噴嘴單獨由一個系統為其提供高壓噴射流體， 可以單獨調節每個噴嘴的噴射功率，從而實現矢量推進控制。

圖2兩棲裝甲車輛樣機的原件布置圖

由于樣機采用軸對稱結構布置方式，則樣機橫搖就可以不用考慮，但重心的縱向坐標通過計算分析只能得到大概的位置。 為保證樣機在水中的縱傾角為零， 該樣機設計了導軌結構，如圖3 所示。高壓泵、電機等通過支架固定在導軌上，通過調節支架在導軌上的位置， 就可以保證高壓泵、 電機等元件前后位置可調， 通過調節就可以保證樣機在水面上的浮態。

圖2-3兩棲裝甲車輛樣機元件布置俯視圖

三、推進方案計算與總結

（一）噴水推進裝置水動力計算

選定兩棲裝甲車輛模型為前端進水的雙矢量噴嘴射流推進形式， 將經過仿真優化后的噴嘴結構參數應用于兩棲裝甲車輛整體模型。 兩棲裝甲車輛模型的主要尺度參數如表 1 所示：

以兩棲裝甲車輛模型左側的噴嘴為例來分析噴水推進裝置作用于車體的縱向力、側向力和回轉力矩。當矢量噴嘴的射流角為零時，產生的射流反推力 ? ? ?為：

要實現兩棲裝甲車輛的矢量推進， 一方面可以通過調節噴嘴的偏轉角度， 另一方面可以調節兩臺推進泵的輸出功率來形成回轉力矩，或者同時改變這兩個因素來控制兩棲裝甲車輛的回轉運動。取兩棲裝甲車輛的初始航速為 4m/s，入水漂角為15 度，若噴嘴有偏轉角度，則偏轉角度均取為 30度，計算出各組噴嘴偏轉組合條件下兩棲裝甲車輛的縱向合力、橫向合力及回轉力矩，結果如表 2 所示。

表2不同條件下力與力矩

組合條件 縱向合力 X（N） 橫向合力 Y（N） 回轉力矩 N（Nm）

1 2398.89 1385 1523.5

2 2584.44 692.5 821.12

3 2584.44 692.5 576.19

4 1385 0 761.75

5 1199.44 692.5 375.7

6 1199.44 692.5 730.07

（二）研究總結

通過上上述計算分析得出，當兩棲裝甲車輛采用噴水推進方式時具有優異的動力性能，并且該方案配置中高壓噴水推進系統的兩棲裝甲車輛不僅具有噪聲小、 推重比大、 效率高、 適應變工況強等優點，更加適宜兩棲裝甲車輛處于水面作戰，具備優良的水上操縱性能才可保證其在水上航行時的安全性、經濟性以及戰斗力和生命力。

參考文獻：

[1] 楊友勝，朱玉泉，羅小輝.正排量泵噴水推進技術[J].船舶工程， 2011，33（5）： 4-31.

[2] 李曉暉，朱玉泉，聶松林.一種新型噴水推進器的設計及其關鍵技術[J].液壓與氣動，2018（5）： 28-31.