高圣智，侯海量，白雪飞，李永清，李 典

(海军工程大学 舰船与海洋学院，湖北 武汉 430033)

0 引 言

充液结构在高速弹体侵彻下的问题研究受到航天、兵器、船舶等领域学者的广泛关注，其研究内容主要为：一是对高速弹体侵彻下充液结构内部产生的水锤效应的研究。当高速破片侵彻充液结构时，会在结构内部形成强烈的压力波和液体流并作用于结构壁面，导致壁面出现大面积破口或爆裂，这种现象叫做水锤效应。由于其造成的灾难性后果[1-3]，水锤效应已被视为导致飞机失事的最主要因素之一[4]。在“沙漠风暴”军事行动中，约75%的飞机失事均与燃料箱有关[5]。针对水锤效应问题，早在二战时期就引起了美国等西方国家学者的关注，BIRKHOFF，BURT，MOUSSA 等[6-8]开展了早期的研究。近 80 年来国内外学者在该领域进行了大量的理论分析、试验研究和数值计算，取得了丰富的研究成果。刘国繁，纪杨子燚等[9-10]做了很多工作，在这方面进行了很好的总结。二是对高速弹体侵彻下充液结构的破坏特性及防护技术的研究。利用液体对弹体冲击动能的耗散作用，充液结构可用于抵御弹体的冲击与侵彻，大型舰船的防护液舱就是典型的代表[11-14]。在抗侵彻过程中，防护液舱后壁通常是不允许发生严重损伤的，而液舱前壁可以发生破损。液舱前壁的破损吸能是液舱吸能的重要组成部分，其破损时机和程度对液舱内的压力波传递、液体流的运动等都有重要影响，从而又会影响到液舱后壁的变形和破坏。为了减轻充液结构的损伤破坏，国内外学者做了一些探讨，提出了相关的防护技术。例如可以通过衰减水锤效应产生的冲击波压力，以减小结构的破损程度[15]。此外也可从破坏侵彻体角度出发，尽量吸收弹体的冲击动能，衰减弹体的速度，从而分散载荷的密集度，避免壁面出现大范围的破口[16]。

针对高速弹体侵彻下充液结构的破坏特性和防护技术，David Townsend等[17]开展了高速破片侵彻充液结构的冲击实验，观察了在不同撞击速度下结构前后壁板的破坏形貌，并提出2种减小结构损伤的技术。Disimile等[18]对大型油箱模拟器进行打靶试验，利用布置在油箱内部和后壁上的7个压力传感器，对载荷特性进行了深入分析，为开展充液容器的防护工作奠定了基础。J.A.Artero-Guerrero等[19]通过设计蜂窝结构放置在铝管内部，有效地减少了铝管的变形程度。李典等[20]通过数值仿真计算，分析了充液结构前、后面板的破坏模式，根据结构面板不同的破坏特性，分别将面板的破坏过程划分为几个阶段。仲强等[16]则从破坏侵彻体的角度出发，在液舱结构前壁迎弹面增设抗弹陶瓷材料层，使高速弹体在进入液舱内部之前发生严重的墩粗变形，降低了弹体的侵彻性能，从而提高液舱结构的防护能力。

本文重点对充液结构承受的载荷特性、变形破坏特性以及水锤效应的衰减防护技术做详细评述，对高速弹体侵彻下产生的水锤效应的未来研究方向进行展望。

1 高速弹体侵彻下充液结构中水锤效应的物理过程及弹体剩余特性

1.1 物理过程

关于水锤效应物理过程的分析，纪杨子燚等[10]已经开展了大量的工作，对该过程做了很好的总结。水锤效应一般分为冲击阶段、阻滞阶段、空化阶段和穿出阶段4个阶段[18]，如图1所示。冲击阶段是弹体侵入的初始阶段，充液结构前壁在侵入点高压下可能发生破裂，弹体冲击动能猛烈释放，产生应力波向四周传播，在液体中也会形成初始冲击波[18]。弹体入水产生冲击波的过程可视为撞击位置处的点源产生冲击波的过程[21]。

图1 水锤效应过程Fig.1 The phases of hydrodynamic ram

在阻滞阶段，弹体继续侵入并不断与液体发生撞击，速度逐渐衰减；同时圆锥形的空腔已开始形成，并在空化阶段不断发展。由于阻滞阶段和空化阶段之间并没有一个明显的界限，有关这2个阶段的研究内容是统一的。在阻滞阶段液体的运动会产生径向的压力场，并逐渐形成空穴[4]；在空化阶段空穴不断膨胀并逐渐形成一个大的空腔，随后空腔不断振荡会产生严重的压力脉冲，对结构造成严重破坏。液体内的压力场分布和空腔特性是这2个阶段关注的重点问题。对液体内压力场分布的研究从McMillen开始得到重视[22-23]，国外的 McMillen，P.C.Chou，Hopson，Disimile 等[18,22-25]，国内的唐廷、张伟等[26-27]在这方面做了大量的工作。由于实验中弹体参数尺寸、靶板材料和厚度不同，得到的压力计算模型具有一定的局限性。

在穿出阶段，弹体穿出后壁时会形成局部高压，并导致充液结构后壁弹孔周围破裂[28-29]。后壁弹孔附近发生碟形变形，随着空腔的膨胀挤压，后壁弯曲变形增大。此外，纪杨子燚等[21]试验中的高速摄影发现空腔在达到最大尺寸后开始从两端沿轴向向中心收缩，在凹陷时有射流产生。

1.2 弹体剩余特性

弹体剩余特性的研究内容包括速度衰减特性和剩余变形特性。其中弹体速度衰减特性又包括弹体在穿透结构前壁时的速度衰减规律、弹体在水中的运动规律以及弹体在水中的弹道稳定性3部分内容。早在20世纪60年代，MORSE C R等[8]进行了关于弹体速度衰减问题的实验研究，随后CHOU P C等[24]进行了相关问题的理论分析。Power等[30-31]按照背空靶板的剩余计算公式计算弹体穿透背水靶板后的剩余速度，但这种假设显然不合理。由于靶板后的水介质会对其抗侵彻能力产生影响，破片穿透充液容器壁板后的速度与穿透空背靶板不同。徐双喜等[32]建立了分析模型探讨背水靶板的穿甲过程，根据德玛尔公式和破片穿甲的运动方程，推导出破片穿透背水靶板后的剩余速度计算公式，但其假设中没有考虑破片侵彻背水靶板时传递到水中的能量，对侵彻后期的绝热剪切现象也未能有足够的认识。陈长海等[33-34]则建立了钝头弹高速侵彻中厚背水金属靶板的瞬时余速计算模型，计算模型考虑了靶后水介质的动支撑作用和动能耗散等效应，理论计算值、实验结果及仿真结果之间均拟合较好。关于弹体在水中运动规律的研究，文献[10]做了很好的总结。关于水下弹道稳定性问题的研究，前期主要集中在低速鱼雷的入水问题上，对于从空气层入水的结构物，作用在结构物上的力的大小会影响其弹道特性[35-36]。而对于高速弹体的入水问题，较早开展这方面工作的有矶部孝、陈先富、顾建农、张伟、Guo Zitao 等[37-41]。研究表明弹体头部形状会对水下弹道稳定性产生影响，平头弹具有较好的水下弹道稳定性。

而对弹体的变形失效及其形成机制的研究，沈晓乐等[42]通过数值仿真进行了中高速弹体侵彻入水的数值模拟，弹体入水后头部发生严重的墩粗变形。这是因为弹体撞击入水时存在一个变形临界速度。当弹体初始速度超过弹性极限速度时，即此时弹体头部受到的压力作用会大于弹体材料的动态屈服抗压强度，从而发生墩粗变形。仲强等[16]对弹体的破坏模式进行了分析，当靶板厚度较大时，弹体内的破坏模式会受到弹体初速、弹体头部速度以及弹材塑性波速三者关系的影响，弹体主要发生墩粗—侵蚀破坏，如图2所示。

图2 实验后所收集到的弹体变形破坏形貌[16]Fig.2 The projectile body deformation and failure morphology of the experiment[16]

2 充液结构承受的载荷特性与变形破坏特性

2.1 载荷特性

本节所描述的载荷，不同于第1节所提到的液体内部的压力场。当弹体垂直入射进入可视为无限域的水体时，在与液体撞击过程中不断产生冲击波压力，但该压力并没有作用到结构壁面，对该冲击波压力在流体中衰减规律的研究属于水锤效应物理过程的研究内容，本节主要讨论的是最终作用到舱室结构或蓄液容器壁面上的压力载荷。对舰船防护液舱结构来说，作用到后壁上的压力载荷是防护的重点。从仲强等[16]在壁面布置的压力传感器测得的复杂压力信号来看，作用于壁面的压力载荷具有多峰性，如图3所示。

图3 试验所测压力曲线[16]Fig.3 Pressure curve in the experiments[16]

根据不同时段上压力载荷的特性，可将作用于结构壁面上的载荷大致分为六类[16,18,28]：弹体与液体碰撞产生的入射冲击波；入射冲击波到达壁面后反射形成的反射冲击波；液体流动引起的对壁面挤压作用而产生的空化压力载荷；弹体运动至结构后壁附近时其头部与后壁之间形成的局部高压；后壁附近区域空化引起的对壁面的二次加载压力；空腔膨胀至最大后开始塌陷产生射流引起的溃灭压力载荷。对于后壁附近区域空化引起的二次加载，这种加载现象和李海涛等[43]研究的在水下爆炸冲击波作用下结构附近局部空化引起的二次加载是相似的。这是因为弹体在液体中侵彻产生的冲击波特性和水下爆炸冲击波特性是一致的。弹体运动至后壁之前，水锤效应产生的冲击波已经作用到结构后壁面并发生反射，后壁面附近的压力迅速降至负压，当负压力达到水的空化压力时在水和后壁面之间会形成空穴。而后水介质在空穴的吸引下向前加速运动，当水介质与壁面相接触时，将对壁面产生二次加载。从空间上来看，充液结构前、后壁面上不同位置处的载荷特性不同。李典等[28]据此对前、后壁面进行了分区，并对各个区域建立了简化计算模型，如图4所示。对后壁而言，靠近撞击点的区域Ⅰ主要承受入射冲击波和局部高压作用，该区域的载荷可简化为双三角载荷；而距离撞击点最远的区域Ⅲ，主要承受空化压力载荷作用，其受到的载荷可简化为长矩形脉冲载荷。

李典等[28]对压力峰值进行了回归分析，得到了前、后板所受入射冲击波压力峰值Pf关于传播距离r、初速度v0的拟合关系式：

图4 后板各区域载荷特性[28]Fig.4 Load characteristics of each division of the rear plate[28]

吴林杰等[44]在液舱后板上选取多个典型单元作为压力测点，分析了后板载荷的空间分布特性，得到了后板载荷的拟合计算公式。液舱后板上任一点处的压力峰值Pmax和比冲量的拟合公式如下：

式中：v为破片速度；δ为破片厚度；r为液舱后板上任一点到其中心点的距离。

弹体向前运动的同时，因液体沿垂直于弹道方向向外运动，结构壁面开始受到液体的挤压作用，该作用持续至液体停止运动[45]。李典、仲强等[16,46-47]将上述液体对结构壁面造成的挤压载荷定义为空化压力载荷，试验和仿真结果显示初始冲击波压力峰值大于空化载荷峰值，但由于空化载荷的作用时间更长，其比冲量远大于初始冲击波压力比冲量，因此空化压力载荷是导致前、后面板变形破坏的主要载荷。吴晓光等[48]通过布置在充液结构侧壁的压力传感器，结合文献[28]对冲击载荷在结构壁面的作用过程进行了分析，将所测压力时程曲线主要化分为入射冲击波载荷和空化压力载荷两部分。前者峰值高、作用时间短，通常会造成壁面的局部破损，在容器体积远大于空腔膨胀体积时对结构破坏起主要作用；后者峰值小、作用时间长，会导致结构壁面发生大面积的薄膜鼓胀变形甚至破坏，当容器体积与空腔膨胀体积相差不大时对 结 构 变 形 破 坏起 主 要 作 用[16,19,28,44,48]。 白 强 本 等[4]在模拟中发现部分充液结构的损伤明显小于完全充液结构，但在弹体侵彻前期充水比对壁面的变形几乎没有影响，间接证明了该类载荷对结构的危害性。这是因为前期的主要作用载荷为入射冲击波载荷，而到后期主要作用载荷为液体流动产生的挤压载荷。由于空气较强的可压缩性，后期在部分充液结构中的液体会向空气层运动，使得挤压载荷对壁面的作用减弱。刘雨曦等[49]同样提出了空化压力的概念。根据液舱前面板的变形破坏模式，推断前面板受到空化压力载荷的作用，并将平头弹造成的结构面板变形量更大的原因归结于空化压力的影响。相比于其他形状的弹体，平头弹产生的空腔更大，导致空化压力增大，进而对面板造成更大的塑性变形，这再次反映出空化压力载荷对结构的变形破坏起着重要作用。

多数学者的研究表明弹体侵彻充液结构产生的主要破坏载荷为入水产生的冲击波载荷和空腔膨胀引起的空化压力载荷[50-51]。弄清这两类载荷在结构壁面的作用机理，对减少因水锤效应造成的结构毁伤，设计具有更好防护性能的液舱结构有着重要意义。由于空化压力载荷作用时间长、范围广、影响因素复杂多变，针对空化压力载荷的理论研究相对有限。

2.2 变形破坏特性

充液结构在高速弹体侵彻下的动响应过程和载荷特性密切相关。弹体冲击过程产生的各类载荷，终将作用于结构壁面，致使结构发生变形破坏。李典等[20]将充液结构的能量耗散分为吸收、消化2个阶段。液体作为中间介质先迅速吸收弹体的冲击动能，后在弹体排开的液体的挤压作用下将吸收的能量逐步转化为结构变形能。充液结构的动响应主要分为2个阶段[20]：第1阶段为当弹体穿透结构前壁与液体发生碰撞时，在液体中产生半球形的高强冲击波。由于激波产生位置靠近结构前壁，初始冲击波压力首先作用于撞击点附近区域并形成反射波，结构前壁开始向外发生凸起变形。随后产生的冲击波压力传递到结构各壁面，迫使壁面产生运动[52]，结构后壁附近出现局部空化，空化会导致出现二次加载现象，因此壁面测到的压力信号和计算得到的压力波均具有多峰性[28,44]。第2阶段壁面在空化压力载荷的作用下弯曲变形程度逐渐加剧。随着弹体侵彻的深入，其周围的液体不断被排开，空腔得以持续膨胀，壁面持续受到压力载荷的挤压作用，一直到空腔达到最大尺寸[28]，随后空腔溃灭再次产生冲击波，该冲击波压力和之前冲击波压力影响一样，此时结构已经发生变形并可能还在运动。

图5 液舱结构破坏过程[16]Fig.5 Damage stage of the fluid cabin structure[16]

与空结构的破坏特性相比，充液结构在高速弹体侵彻下的破损问题以作用于结构壁面载荷的复杂性为主要特征，液体内产生的冲击波、液体流、空化等物理现象，均会对结构壁面的变形破坏产生影响。就破坏模式而言，空结构壁板在高速弹体侵彻下会发生剪切冲塞破坏，通常仅在撞击点区域附近发生变形，而其他区域往往不受影响[20]。然而，当充液结构遭受高速弹体侵彻时，结构的破坏模式受弹体侵彻和液体挤压作用共同决定[48]，当前、后面板的厚度匹配比不同时，破坏模式也会发生变化。一般地，前面板破坏模式以整体薄膜变形和局部剪切冲塞为主，其变形过程大致可分为 2 个阶段[16,20-21,49]：第 1 阶段弹体穿入结构前壁造成壁面发生剪切冲塞破坏，第2阶段随着空腔的不断膨胀，液体对壁面造成明显的挤压作用，致使壁面发生膨胀变形。后面板的破坏模式主要为局部隆起-碟形-弯曲变形，其破坏过程可划分为4个阶段[20-21,29,49]：第 1 阶段弹体侵彻产生的入射冲击波传递到结构后壁，使其发生轻微弯曲变形；第2阶段当弹体运动至结构后壁附近时，弹体前部的局部高压区作用于结构后壁，使其发生蝶形变形；第3阶段当弹体穿出后壁时致使撞击点处隆起，碟形变形进一步加剧；第4阶段弹体穿出后壁后，随着空腔体积不断增大，液体继续对壁面施加挤压作用，壁面弯曲变形程度继续增大。前后面板的变形均是由局部破口变形到整体的变形[46]。但是当前、后面板厚度较薄时，前面板可能会发生失稳凹陷变形[48]；后面板则发生薄膜鼓胀-花瓣开裂破坏。通常情况下后面板的变形破坏明显比 前 面 板 要 严 重[16,47,49,53]， 这 是 因 为 在 弹 体 侵 彻 之 前 ，后面板已受到最初的高压冲击波和空化压力载荷作用。

对于充液结构的结构壁面，多为较薄的铝合金或钢板制成。2005年Nishida等[54]对铝合金薄壁方管进行了冲击试验，研究壁板裂纹的扩展方式，结果表明壁板材料的强度和子弹的直径是最主要的影响因素。Ren Peng等[55]以结构前、后壁面上几个测点的应变时程曲线为依据，探究了弹丸形状和弹丸初速度对结构破坏模式的影响，并建立了弹丸CRH值、弹丸动能和前后面板归一化横向挠度的定量关系。Varas等[53]通过试验研究了空管和完全充水管受到高速弹体撞击后变形的差异。试验结果表明在未充水情况下，铝管前后壁出现2个圆孔，周围发生塑性变形。而在完全充水情况下，由于出口壁在受到弹体侵彻前就已受到预应力的作用，导致出现花瓣开裂。从高速摄影看出充液铝管的主要变形发生在弹体穿出铝管后。陈照峰等[56]认为油箱的变形主要发生在空化阶段和弹体穿出阶段。结构变形破坏模式受面板厚度、弹体速度、弹体形状、容器尺寸及充水比等因素的影响。陈亮等[57]通过数值仿真得到了不同方向侵彻下飞机油箱的整体损伤破坏云图，结果表明液舱冲击是造成油箱损伤的主要因素，侵彻方向对油箱的损伤程度影响很大。杨砚世等[58]发现随着弹体速度的增加，充液箱体内部形成的空腔相对细长，对壁面的挤压范围相对狭小，所以变形直径有所减小。

此外，针对多弹丸侵彻问题，韩璐、杨砚世、孔祥韶等[52,58-59]开展了一些数值仿真计算。韩璐等[52]研究了弹丸数量、弹丸入射间距以及弹丸入射时间间隔对结构前、后壁变形的影响。蓝肖颖等[60]开展了双弹丸侵彻的试验研究，主要分析了液体内的压力场分布规律。由于多弹丸侵彻随机性较大，无法有效控制弹丸的间距和入射角度，目前针对多弹丸侵彻问题的研究多以数值仿真为主。

3 水锤效应衰减防护技术

通过对充液结构在高速弹体侵彻下受到的载荷特性与变形破坏特性展开研究，阐明了充液结构的破坏机理，为充液结构的防护设计提供了依据。就耗能机制而言，弹体的动能主要通过充液结构前后壁板的穿甲作用、液体中的压力波及液体的运动等形式耗散[61]。据此，针对充液结构的防护技术大致可分为3类：第1类防护技术是减小弹体在充液结构中的侵彻能力。对于防护液舱结构，其主要目的是保证其后方结构和舱室的安全，尽量减少液舱内壁的损伤破坏[16]。为了达到该目的，应尽可能减少入射弹体的动能。目前主要做法有在结构前壁增设抗弹陶瓷材料层，使弹体在侵彻液舱前，首先遇到抗弹陶瓷材料，并发生变形、碎裂、翻转运动等，增大其与液体的接触面积，改变其在液舱中的侵彻弹道，有效减小其在液舱中的侵彻能力，从而实现抵御高速弹体侵彻的目的。仲强等[16,46]针对陶瓷/液舱复合结构开展了试验研究和数值仿真计算，利用陶瓷的高硬度和高强度特点对弹体进行侵蚀墩粗，提前降低弹体的入水速度，增大弹体在水中运动的阻力，从而减少了传递给充液结构的能量。

图6 液舱结构动响应与破坏过程Fig.6 Dynamic response and failure process of the fluid cabin structure

第2类防护技术是衰减充液结构内部的冲击波压力，吸收液体中的冲击波能。作为造成结构变形破坏的主要载荷，在传播路径上提前对冲击波压力进行衰减，可减轻作用在结构壁面上的冲击波压力载荷，这方面已开展了很多研究。David等[17]提出2种减轻水锤效应对充液容器破坏的方法，一种是在容器内部放置多个由轻质塑料和铝材制成的薄板，利用阻抗差异使冲击波压力在传递过程中发生明显衰减；另一种是向充液容器内通入气体，从而在容器内产生均匀分布的气泡，利用冲击波与气泡相互作用发生反射和透射，致使冲击波分散。2种方法本质上都是利用波阻抗的差异，使冲击波在传播过程中发生反射形成稀疏波。之后，Disimile等[15]在液体中布置多层具有三角形截面的杆件，使波之间相互发生干扰，从而显著地衰减了初始冲击波压力，削弱了入射冲击波对结构后板的破坏。基于这一思想，并结合一维应力波理论，李营等[51]利用不同介质之间较大的波阻抗差异，在液体中加入空气夹层，冲击波在遇到空气夹层时会反射产生稀疏波，从而有效降低了充液容器的塑性变形。此外，弹体侵彻充液结构过程中还会产生滞后流载荷，利用空气夹层结构易发生塑性变形的特性吸收液体中的冲击波能，可减弱滞后流对结构壁面的作用效果。孔祥韶等[62]在液舱内部加设橡胶材料，利用材料之间波阻抗的差异，应力波在其界面处形成反射波，从而有效减轻了液舱结构的毁伤程度。

图7 四个安装在油箱模拟器内部的衰减装置[15]Fig.7 Four mitigation members installed within fuel tank simulator[15]

第3类防护技术是减轻液体流动造成的对结构壁面的挤压作用，增加充液结构内部能量的耗散。对于燃料箱结构，其主要目的是保证箱体的完整性，防止油箱结构发生爆裂。为了达到该目的，应尽可能阻碍液体运动，以减少其对壁面的挤压作用，提前耗散传递给结构壁面的能量。J.A.Artero-Guerrero等[19]通过在铝管内部安置胞元朝向不同的蜂窝结构以限制空腔的膨胀，从而限制了液体的流动。同时铝管内部的蜂窝胞元又能够吸收液体的压力波能和动能，使传递至铝管壁面的能量大大减少。最优的结构形式可使铝管膨胀体积减少54%，从而大幅度减少结构的变形破坏。蔡斯渊等[63]对不设置隔层、设置双层板隔层和设置波纹夹芯版隔层的3种液舱结构模型进行防护能力的对比分析，结果表明设置隔层能起到减小液舱结构后板变形的效果，能使液舱结构承受更大的冲击载荷，且波纹夹芯板隔层的防护效能更好，这是因为波纹板吸能效果更好。由于爆炸冲击波和水锤效应产生的冲击波本质上是一致的，这种抵御爆炸冲击波载荷的方法在充液结构抵御高速弹体侵彻领域同样适用。侯海量等[64]在液舱结构前壁设置泄压孔，液舱在遭受高速弹体侵彻时该孔会打开，使舱内液体泄漏一部分，从而减轻液体流动造成的挤压作用。

水锤效应的衰减防护技术是基于水锤效应引起的压力载荷的作用机理，弹体侵彻产生的入射冲击波载荷和空腔膨胀引起的空化压力载荷被视为造成结构变形破坏的主要载荷，因此目前有关水锤效应衰减防护技术主要是围绕衰减入射冲击波载荷和空化压力载荷。

图8 三种保护结构切平面图[19]Fig.8 Images of the cut plane of each protected configuration[19]

4 结 语

相比空气介质而言，液体介质具有高密度和不可压缩的特点，导致其与空气具有截然不同的载荷传递和耗散特性。对于弹体侵彻类局部集中强冲击载荷具有远大于空气的耗散效率[32,42]。液体介质可以通过水锤效应将弹丸动能转化为压力波和液体流[1-2,18]，将局部集中冲击载荷耗散为分布式压力载荷和空化挤压载荷[16,28]，从而分散冲击能量的时空分布密集度[44]。因此，利用液体对弹体冲击动能的耗散作用，液舱结构可用于抵御弹体的冲击与侵彻[20,48]。液舱结构在抵御大质量破片群侵彻的同时，还要尽可能减少其自身重量，实现防护结构的轻量化。以往的研究表明，弹体侵彻产生的入射冲击波和侵彻后期由于空腔膨胀产生的空化压力载荷是造成充液结构损伤的主要载荷，因此在进行液舱结构设计时首先要考虑如何更有效地衰减冲击波载荷和空化压力载荷，目前采取的措施是在充液结构内部设置阻抗相差较大的隔层或抑制空腔膨胀的蜂窝结构。此外，选用吸能性能更好的材料和结构构型用于液舱防护结构，同样可达到减少结构损伤的效果。针对上述科学问题，目前尚存在几方面问题有待进一步开展：

1）关于空化挤压载荷特性问题的研究。空化压力载荷作为造成结构变形破坏的主要载荷，必须明确其载荷特性。而目前的研究对初始时刻产生的冲击波压力已经得到一些计算公式，数值模拟也较为准确，而对空化压力载荷的作用规律以及充液结构对空化压力载荷的耗散特性认识还不是很清楚，也未建立相关的计算方法。同时，水锤效应产生的载荷和结构之间是强流固耦合问题，自由液面对空化挤压载荷的影响也需要进一步的研究。

2）关于数值模拟的流固耦合问题。数值仿真中的弹体尺寸很小，流体作为中间介质既要实现和破片的有效耦合，又要和充液结构有效耦合是比较困难的。同时在水锤效应中流体作用时间很长，数值计算时间过长易出现不收敛现象，导致计算的终结。为了保证计算的顺利进行，这些问题必须要解决。同时，目前得到仿真计算结果还只能用作科学问题研究的定性分析，还无法定量地去计算压力载荷大小、破口尺寸、变形区域等物理量。尤其对于某些物理过程，如空腔的反复膨胀、溃灭过程的模拟还比较困难，仍需要进一步发展。

3）关于充液结构防护技术问题的研究。目前已经开展了一些研究，比如在充液结构内部填充一些衰减冲击波或者吸能较好的材料、在液舱结构后壁粘贴橡胶材料等，起到了一定的衰减防护效果。但目前这方面的研究仍处于初步探讨阶段，对其破坏特性和耗能机理认识还不够深入，距离设计计算方法的提出与实际工程应用还有很长的路要走。

4）关于多弹丸侵彻问题的研究。在实际工程背景下，防护液舱不只会受到单个弹丸的作用，多数情况下会遭受高速破片群的作用。而目前关于多弹丸侵彻问题研究仍比较少，这是因为试验和数值仿真的开展都比较困难。试验方面，由于多弹丸侵彻的影响因素较多，比如多弹丸的发射技术较难控制弹丸的间距、飞散角度、速度等；而数值仿真中又存在弹丸和流体耦合的问题，尤其对于多弹丸，需要保证每个弹丸均和流体有效耦合，这对网格的划分、流固耦合的设置等提出了更高的要求，因此关于多弹丸侵彻对水锤效应造成的影响还有待研究。