超空泡水下弹药
三水合番2022/07/31原创 研究了个寂寞 IP:四川
关键词
超空泡
Supercavitation

根据伯努利定律,流体中流速越快的地方压强越小。当特定形状的物体在液体(比如水)中移动时,随着其速度越来越快,其附近的压强会变得如此之小,以至于小到接近真空,此时液体会被气化,产生一个气泡腔。当这个气泡的尺寸足够大,能够完全(或者大部分的)包裹这个物体时,我们称之为“超空泡”。

超空泡和水的接触面是“气液接触”,几乎没有粘滞阻力。因此被超空泡包裹的物体,在水下遇到的阻力可以更低。将超空泡技术应用在炮弹、鱼雷上,可以有效地提高水下的射程和航速。典型的例子是前苏联的“VA-111 暴风鱼雷”,这款在1977年服役的鱼雷,水下航速非常夸张,最高可以超过370 km/h。作为对比,美国现役航母的航速普遍认为是30节(56 km/h)以上,和这款鱼雷相比简直就是静止不动。

也有将超空泡技术应用在步枪上的产品。比如“DSG Technology”推出的几款超空泡弹药,可以在水或凝胶中,达到远超常规弹药的射程:

DSG World record Cavx.mp4  点击下载

来自: XXXXXXXXXXXXXXXX/oo76ZmBKclY 


CAVX 300BLK SCC Air to water tank.mp4  点击下载

来自: XXXXXXXXXXXXXXXX/uaupZYqyjhc 

这么炫酷的技术,当然要搞一下试试了。所以我大概在两年前做过一次仿真,一年半前投了加工,做了一批适用于低速的“超空泡弹药”出来。可惜一直没测试,也就没有发帖子。昨天突然想起来了这个东西,感觉再这么烂尾下去,这东西就要变得跟“从来没有在这个世界出现过”一样了。所以决定至少要把仿真和加工的东西发出来。

加工出来的实物照片长这样:

supercavitator.png supercavitator2.png

这个弹丸外轮廓尺寸 6x40mm,理论上重量是5.9g。由两部分组成,一个是Q235钢制的弹体,另一个是304不锈钢管做的尾翼。弹体部分的尺寸如下:

1mm2 Straight.png

弹体前方(图中左侧)是“超空泡发生器”,就是一个2.4mm直径的平头圆柱体。弹体尾部5mm的直径略小,用来与尾翼相连。尾翼是一段外径6mm,壁厚0.3mm,长15mm的304不锈钢管,通过胶水与弹体粘接。

仿真是用solidworks 自带的flow simulation 做的。仿真条件是60m/s速度,20摄氏度,1个大气压下的水中,仿真结果如下:

Snipaste_2022-07-31_13-54-17.png

密度

Snipaste_2022-07-31_13-54-01.png

速度

Snipaste_2022-07-31_13-54-28.png

压力

GG 力 (X) 1.png

总的阻力

GG 摩擦力 2.png

摩擦力

从密度图中可以看到,弹丸附近出现了一个密度很低的气泡,其尺寸略大于弹丸,可以将弹丸完全包裹起来。从摩擦力图中可以看到,这个气泡几乎消除了粘滞阻力。不过为了产生这个气泡,需要在超空泡发生器处克服较大的压强,因此总的阻力依然有10N。

关于射程:弹丸的质量是5.9g,60m/s下的动能有10.6J。这个动能大概等于60m/s下的阻力(10N)乘以1m的距离所做的功。考虑到随着弹丸减速,阻力也会减少,因此60m/s的初速下,这个弹丸的水下射程应该可以大于1m。

关于稳定:在空气中时,这个弹丸可以靠尾翼使“压心在重心之后”,进而保持稳定。进入水中并产生超空泡后,由于超空泡中既没有密度,又没有压强,也没有速度,所以此时的“压心”几乎就在弹丸最前端的表面上。按空气中的标准看,这样是不可能稳定的。不过这里的稳定方式与空气中不太一样,靠的是弹丸尾部靠在超空泡的壁上实现的。可以参考这张图:

Snipaste_2022-07-31_14-26-50.png

图片引用自这篇论文的Fig. 12:

attachment icon Water Entry of Projectiles.pdf 2.44MB PDF 50次下载 预览


与相同外轮廓的平头弹相比,这个弹丸的阻力明显更小。6x40mm的简单圆柱形弹丸在60m/s下的仿真得到的总阻力是46.6N,同样几乎没有粘滞阻力,密度图如下:

Snipaste_2022-07-31_12-54-06.png

从密度图上看,简单圆柱形弹丸也会产生一个超空泡。然而这个超空泡的尺寸显著大于弹丸尺寸,意味着需要更多的能量来维持这个空泡,因此阻力更大。从另一个角度看,在超空泡存在时,弹丸受到的阻力基本等于“水的动压乘以弹丸前端面积”,两种弹丸的速度一样,动压也一样,而圆柱形弹丸的前端面积大得多,因此阻力也会更大。

可惜的是,这个超空泡弹丸,与相似尺寸的尖头弹相比,阻力反而略大一些。6x40mm的尖头弹(尖头是一个半径70mm的圆角)在60m/s下的仿真总阻力是9.3N,其中粘滞阻力5.8N。仿真的结果图如下:

Snipaste_2022-07-31_12-57-42.png Snipaste_2022-07-31_12-57-54.png Snipaste_2022-07-31_12-58-19.png

可以看到,这个弹丸只在弹体尾部有明显的空泡。弹体与高速的水流充分接触,因此粘滞阻力显著更大。但是由于其头部是尖的,承受的动压明显更小,因此总的阻力反而略小一些。可能在更高的速度下,超空泡弹丸才会有明显更好的表现。


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~~空空如也
杂工1544
2年5个月前 IP:山东
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啥时候打两发听个响儿?

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smith
2年5个月前 IP:广东
906429

大气也是流体, 能不能做出类似超空泡的单头, 这样弹头就在真空中飞行, 速度可以更快了

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二次元的创世科技
2年5个月前 IP:山西
906430
引用smith发表于2楼的内容
大气也是流体, 能不能做出类似超空泡的单头, 这样弹头就在真空中飞行, 速度可以更快了

挖趣,这得多大速度

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OMEGAERJSH
2年5个月前 IP:辽宁
906458

我在同一天想到了电磁鱼雷,想做个船模集成一套试试呢

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科金
2年2个月前 IP:中国
910141

俄罗斯有个超高速鱼雷,好像就是这个技术。具体装药好像是高氯酸铵和镁好像能和水反应。


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花雨繁星
1年8个月前 IP:广东
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射过吗

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