两栖装甲车辆中高压喷水推进技术研究

王宪斌

摘 要：本文旨在将中高压射流喷水推进技术应用于两栖装甲车辆上，从而探究这种新型喷水推进方式对两栖装甲车辆的矢量控制效果。首先阐述了两栖装甲车辆的推进特性研究现状，其次研究并设计了中高压喷水技术推进两栖装甲车辆方案，最后通过计算对两栖装甲车辆的动力性研究，验证该方案可行性和优越性。

关键词：两栖装甲车辆  ; 中高压喷水 ; 推进技术

一、两栖装甲车辆的推进特性研究现状

由于采用实验的方法对两栖装甲车辆的推进性能进行研究存在周期长、花费大的问题，目前利用数值计算的方法进行两栖装甲车辆推进性能研究取得了较大的进展。在喷水推进矢量控制领域比较常见的射流偏转装置有两种：机械导流板和转动喷管。机械导流板虽有推力损失，但结构简单、易于实现，因此广泛应用于水面舰船以及水下航行器。喷水推进的推力矢量控制技术在推力矢量化实现方式上可分为多喷嘴矢量推进和单喷嘴矢量推进。多喷嘴矢量推进又称多轴矢量推进，是利用喷嘴与航行器质心的距离作为力臂产生操纵力矩，这种形式的布置通常喷嘴是固定方向并且喷嘴轴向不通过航行体质心。喷水推进装置产生的矢量推力在控制载体的航行速度稳定性与航行方向的保持中有十分复杂的耦合性，所以关于喷水推进舰船的操纵特性控制比普通螺旋桨推进、舵控制的舰艇更加复杂。

二、中高压喷水推进两栖装甲车辆方案研究

（一）中高压喷水推进系统组成

中高压喷水推进器是一种反作用推进器， 其原理与传统低压喷水推进器、 涡轮喷射发动机以及火箭发动机类似， 即工作介质经能量转换机构， 增加其能量， 再经过出口管路以及喷嘴，将能量转化成动能，以一定的速度喷出，形成反推力，推动航行器前进。 图 1 为前端进水式、水下中高压进喷水推器的原理图。它主要由进口、中高压海、淡水液压泵、原动机及连接装置、高压水管路以及喷嘴等五部分组成。在该系统中，由原动机 3 驱动水液压柱塞泵 2 工作，泵的进口 1 直接从海洋中吸取海水，输出的压力水通过高压水管路 4 接到喷嘴 5 喷出，形成反推力，推动航行器前进。

图1中高压喷水推进系统

（1）进口。进口的设计是设计中高压喷水推进系统的一个关键。由于进口离泵近，且与泵在同一水平面，不存在水位抬升损失，进口的能量损失小，故本文分析中忽略进口能量损失， 并且在计算进口吸入推力采用传统的平均法， 即采用平均速度代替实际速度分布来计算动量增量。

（2）中高压水液压泵系统。主要由原动机（及其控制系统）、中高压大流量水。

（3）喷嘴。喷水推进系统的射流反推力不仅与容积式泵的有效功率有关，喷嘴作为整个系统的负载， 其结构参数也会影响射流反推力， 尤其是喷嘴的长径比和收缩角对射流的影响具有很大的影响。

（二）两栖装甲车辆推进系统布局

两栖装甲车辆样机采用双喷嘴喷水推进方式， 同时考虑到样机在水中的稳定性、 样机排水量等因素，样机元件采用轴对称方式布置，布置方式如图 2 所示。每个喷嘴都使用一台容积式高压泵单独提供高压喷射流体，两台高压泵也是通过两个电机单独提供动力源， 两个进水口单独进水。 采取这种布置方式， 不仅可以由矢量喷嘴控制两栖装甲车辆的航向， 而且每个喷嘴单独由一个系统为其提供高压喷射流体， 可以单独调节每个喷嘴的喷射功率，从而实现矢量推进控制。

图2两栖装甲车辆样机的原件布置图

由于样机采用轴对称结构布置方式，则样机横摇就可以不用考虑，但重心的纵向坐标通过计算分析只能得到大概的位置。 为保证样机在水中的纵倾角为零， 该样机设计了导轨结构，如图3 所示。高压泵、电机等通过支架固定在导轨上，通过调节支架在导轨上的位置， 就可以保证高压泵、 电机等元件前后位置可调， 通过调节就可以保证样机在水面上的浮态。

图2-3两栖装甲车辆样机元件布置俯视图

三、推进方案计算与总结

（一）喷水推进装置水动力计算

选定两栖装甲车辆模型为前端进水的双矢量喷嘴射流推进形式， 将经过仿真优化后的喷嘴结构参数应用于两栖装甲车辆整体模型。 两栖装甲车辆模型的主要尺度参数如表 1 所示：

以两栖装甲车辆模型左侧的喷嘴为例来分析喷水推进装置作用于车体的纵向力、侧向力和回转力矩。当矢量喷嘴的射流角为零时，产生的射流反推力      为：

要实现两栖装甲车辆的矢量推进， 一方面可以通过调节喷嘴的偏转角度， 另一方面可以调节两台推进泵的输出功率来形成回转力矩，或者同时改变这两个因素来控制两栖装甲车辆的回转运动。取两栖装甲车辆的初始航速为 4m/s，入水漂角为15 度，若喷嘴有偏转角度，则偏转角度均取为 30度，计算出各组喷嘴偏转组合条件下两栖装甲车辆的纵向合力、横向合力及回转力矩，结果如表 2 所示。

表2不同条件下力与力矩

组合条件 纵向合力 X（N） 横向合力 Y（N） 回转力矩 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）研究總结

通过上上述计算分析得出，当两栖装甲车辆采用喷水推进方式时具有优异的动力性能，并且该方案配置中高压喷水推进系统的两栖装甲车辆不仅具有噪声小、 推重比大、 效率高、 适应变工况强等优点，更加适宜两栖装甲车辆处于水面作战，具备优良的水上操纵性能才可保证其在水上航行时的安全性、经济性以及战斗力和生命力。

参考文献：

[1] 杨友胜，朱玉泉，罗小辉.正排量泵喷水推进技术[J].船舶工程， 2011，33（5）： 4-31.

[2] 李晓晖，朱玉泉，聂松林.一种新型喷水推进器的设计及其关键技术[J].液压与气动，2018（5）： 28-31.