全墊升氣墊船控制研究綜述

于亦凡，劉 軍，周祥龍

(海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266044）

全墊升氣墊船控制研究綜述

于亦凡，劉 軍，周祥龍

(海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266044）

介紹了氣墊船的性能、特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展概況;對(duì)比分析了2種類型氣墊船(全墊升式氣墊船、側(cè)壁式氣墊船）的主要性能及其主要應(yīng)用范圍;介紹了全墊升氣墊船、側(cè)壁式氣墊船綜合控制研究現(xiàn)狀;簡要介紹了全墊升氣墊船水平運(yùn)動(dòng)控制、升沉運(yùn)動(dòng)控制方法;展望了全墊升氣墊船的應(yīng)用前景及所帶來的社會(huì)效益;分析了市場對(duì)氣墊船的需求及其推廣的可行性。

全墊升氣墊船;空氣外部動(dòng)力學(xué);流體外部動(dòng)力學(xué)

0 引言

氣墊船是一種新型的高速航行船舶，航行時(shí)利用船體與地面及水面之間的壓力，從而使船體部分或全部脫離水面和地面，減小運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力及干擾。由于該船型具有靈活、速度快、帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以在各種復(fù)雜條件下航行 (例如;沼澤地、冰雪地面、激流險(xiǎn)灘等），同時(shí)具有一定的攀越障礙的能力，所以不僅用于觀光和航渡，在登陸作戰(zhàn)和勘探、測量等方面的應(yīng)用也不斷增多。

我國目前有超小型 (5噸級(jí)）、小型 (20噸級(jí)）、中型 (80噸級(jí)）等全墊升氣墊船多艘，正式投入客運(yùn)并裝備海軍;同時(shí)側(cè)壁式氣墊船已形成系列產(chǎn)品。根據(jù)國內(nèi)外高速船市場需求及世界高性能船舶船型發(fā)展趨勢(shì)，初步構(gòu)想未來20年船型［1］可能向以下2方面發(fā)展:

1）對(duì)現(xiàn)有全墊升氣墊船 (10～100座位）、側(cè)壁式氣墊船 (70～400座位），進(jìn)一步優(yōu)化改善其設(shè)計(jì)，提高其經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性及舒適性。

2）全墊升氣墊船中200噸級(jí)和500噸級(jí)2個(gè)型號(hào)，由于具有能在4～5級(jí)海況下高速航行的特點(diǎn)，且其航速可達(dá)60～70 kn，所以軍用民用均可，民用可作為島嶼和陸島等航線的渡船使用;軍用可用于登陸及運(yùn)輸補(bǔ)給等。側(cè)壁式氣墊船重點(diǎn)發(fā)展200噸級(jí)和1 000噸級(jí)2個(gè)型號(hào)。200噸級(jí)適用于港灣等遮蔽海區(qū)。1 000噸級(jí)可用于陸島之間的車客渡輪。同時(shí)這2種型號(hào)在軍事上也有著廣闊的應(yīng)用前景。

為滿足市場的需求、適應(yīng)高速船發(fā)展的需要，應(yīng)在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)大噸位、穩(wěn)定性及舒適性均優(yōu)的氣墊船。由于氣墊船具有應(yīng)用領(lǐng)域廣，受限條件少等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其研制和開發(fā)具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 國內(nèi)外氣墊船發(fā)展概況

按照維持氣墊壓力的形式不同，氣墊船可分為全墊升式氣墊船 (ACV-Air Cushion Vehicles）和側(cè)壁式氣墊船 (SES-Surface Effect Ship）。

1.1 全墊升氣墊船［1］

全墊升氣墊船船體重量全部由氣墊支撐，通過船體周圍的圍裙封閉氣墊。通過產(chǎn)生高于大氣壓的氣墊，把船體完全托離水面 (地面），因此船的吃水極小或?yàn)樨?fù)值，具有良好的兩棲性。通過空氣裝置進(jìn)行控制，用空氣螺旋槳對(duì)其推進(jìn)。

全墊升氣墊船:速度高，具有兩棲性，甲板寬敞，對(duì)支撐面的壓力小。平時(shí)可用作島嶼間的交通艇，戰(zhàn)時(shí)可作為登陸艇使用。

英國是氣墊船的發(fā)源地，氣墊船技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。以發(fā)展民用為主。其中SR.N4型氣墊渡輪在英法海峽之間作為車－客混乘渡船，是目前世界上最大的一型民用氣墊艇，其運(yùn)輸量占海峽年總運(yùn)輸量的62%。

美國著眼于發(fā)展軍用氣墊船。20世紀(jì)70年代初，貝爾宇航公司和通用噴氣公司為美國海軍研制160噸級(jí)兩棲攻擊氣墊登陸艇JEFFB和JEFFA，可裝載登陸部隊(duì)、坦克和裝甲車，并能自由出入大型船塢登陸艦。LCAC作為快速兩棲作戰(zhàn)登陸艇，有效裝載能力為60 t，在海灣戰(zhàn)爭中有出色的表現(xiàn)。到目前為止，美國海軍建造了LCAC登陸艇100多艘，耗資近20億美元。

前蘇聯(lián)從20世紀(jì)60年代初開始發(fā)展氣墊技術(shù)，著重于軍用發(fā)展。目前已經(jīng)編入海軍裝備的兩棲登陸艇主要型號(hào)有:Gus“鵝”級(jí) (27噸級(jí)），Lcbcd“天鵝”級(jí) (86噸級(jí)），Aist“鶴”級(jí) (260～270噸級(jí)），Pormornik級(jí) (350噸級(jí)）等共80余艘。主要用于艦載登陸使用。

隨著經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)的調(diào)整，發(fā)展一定數(shù)量的兩棲作戰(zhàn)艦艇和提高現(xiàn)役兩棲艦艇的多用途能力，已經(jīng)提到了各國海軍的發(fā)展日程。日本、朝鮮、韓國、中國臺(tái)灣、泰國、印度、新加坡、印度尼西亞、澳大利亞等國家和地區(qū)也加緊引進(jìn)和研制自己的全墊升氣墊兩棲登陸艇。

我國從20世紀(jì)60年代開始研究和開發(fā)氣墊船，80年代中期進(jìn)入實(shí)用發(fā)展階段。由于全墊升氣墊船的4大關(guān)鍵設(shè)備 (艙體材料、圍裙、主機(jī)、空氣螺旋槳）等已基本解決 (尤其對(duì)小型艇而言），因此從80年代開始建成各種船型共50余艘，主要用于旅游、客運(yùn)及油田交通等用途。但是單船型較小，無大噸位船舶。表1列出了國內(nèi)外部分全墊升氣墊船的主要性能參數(shù)。

1.2 側(cè)壁式氣墊船［1］

側(cè)壁式氣墊船是在全墊升氣墊船基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。為節(jié)省飛升功率起見，船的兩舷采用剛性側(cè)壁，首尾部采用柔性氣封裝置。由于這種氣墊船采用水螺旋槳或噴水推進(jìn)裝置，所以船體側(cè)壁必須插入水中故喪失了兩棲特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性較好，飛升時(shí)消耗功率較小。由于采用水下推進(jìn)的方式，所以螺旋槳較小，有利于船體向大型化發(fā)展。此外還具有較好的橫穩(wěn)性和耐波性;吃水淺，水下物理場小。目前主要用于交通艇和巡邏艇等。

國外從20世紀(jì)60年代末研制側(cè)壁式氣墊船。美國在80年代后期生產(chǎn)了200噸級(jí)巡邏艇WSES型，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前已經(jīng)建成14艘，主要擔(dān)負(fù)巡邏、緝私、緝毒等工作。法國、瑞典和挪威等國相繼開發(fā)了200噸級(jí)側(cè)壁氣墊導(dǎo)彈艇、140噸級(jí)的隱身導(dǎo)彈艇、375噸級(jí)的氣墊導(dǎo)彈艇。日本認(rèn)為此型船的突出優(yōu)點(diǎn)是易于向大型化發(fā)展，隨著船體的改善其經(jīng)濟(jì)性、快速性以及耐波性能將會(huì)得到極大的提高。

我國的研制工作起步于20世紀(jì)60年代。目前已開辟近10條民用航線 (分別位于長江、港、穗、青島等江海流域）。表2列出了部分側(cè)壁式氣墊船的主要性能參數(shù)。

2 全墊升氣墊船綜合控制研究現(xiàn)狀

全墊升氣墊船的綜合控制包括水平運(yùn)動(dòng)控制和升沉運(yùn)動(dòng)控制2部分。水平運(yùn)動(dòng)控制主要采用多個(gè)操縱面復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn)氣墊船水平面運(yùn)動(dòng)的航向穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。升沉運(yùn)動(dòng)控制主要控制氣墊進(jìn)氣量及泄放閥的開閉程度，實(shí)現(xiàn)氣墊船垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的升沉穩(wěn)定性［2－4］。

表1 國內(nèi)外部分全墊升氣墊船主要性能參數(shù)表Tab.1 The rise of themat at home and abroad and the performance parameters table

表2 國內(nèi)外部分側(cè)壁式氣墊船主要性能參數(shù)表Tab.2 Part of the wall at home and abroad themain performance parameter table

2.1 全墊升氣墊船水平運(yùn)動(dòng)控制［5－6］

盡管全墊升氣墊船的性能介于船舶和飛行器之間，但其水平操縱控制方法與它們卻相差很大。例如與普通船舶不同的是，全墊升氣墊船在掉頭或轉(zhuǎn)彎時(shí)由于船浮在水面上因此與水之間的摩擦阻力很小，若此時(shí)氣墊船的一側(cè)漏氣，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的側(cè)漂現(xiàn)象。因此它在改變航向時(shí)會(huì)出現(xiàn)橫傾、縱傾、側(cè)漂及偏航等綜合運(yùn)動(dòng)。而飛行器在飛行時(shí)為產(chǎn)生回轉(zhuǎn)向心力可充分利用尾翼、副翼等作用造成機(jī)身內(nèi)傾，縮小回轉(zhuǎn)半徑。況且有較遼闊的空間任其翱翔。即使發(fā)生側(cè)滑，也存在一定的時(shí)空空間供其控制。而氣墊船卻必須在水面、航道、冰面及船塢完成這些控制，其難度是較大的。

為了保證氣墊船在風(fēng)浪作用下運(yùn)動(dòng)以及在零速墊升狀態(tài)的操縱性，氣墊船上采用了專門的操縱裝置。氣墊船的操縱面是種類繁多的，但歸納起來只有3大類，即舵輪裝置、利用空氣推進(jìn)器的操縱面、利用氣墊力的操縱面。

舵輪裝置包括垂直空氣舵、可回轉(zhuǎn)的空氣安定面、可伸縮的水舵、噴氣空氣舵、水平空氣舵及地面導(dǎo)向輪等。

利用空氣推進(jìn)器的操縱面包括利用2臺(tái)或2臺(tái)以上空氣或?qū)Ч芸諝饴菪龢霓D(zhuǎn)速差、可回轉(zhuǎn)的槳塔、空氣 (或?qū)Ч芸諝猓┞菪龢淖兙嘌b置、可轉(zhuǎn)動(dòng)的噴氣推力器及側(cè)噴口裝置等。

利用氣墊力的操縱面包括柔性圍裙提升裝置、柔性圍裙橫移裝置和氣道閥門，利用幾臺(tái)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速差或調(diào)節(jié)風(fēng)扇葉片，調(diào)節(jié)水 (油）艙從而調(diào)節(jié)縱橫傾以提供側(cè)向力等。

圖1分類列出了氣墊船水平運(yùn)動(dòng)操縱裝置中可供選擇的操縱面詳細(xì)配置情況。表3列出了部分全墊升氣墊船的操縱面配置情況。

圖1 全墊升氣墊船水平操縱裝置Fig.1 Themat liters hovercraft level control devices

氣墊船平面運(yùn)動(dòng)的研究方法與常規(guī)船舶和飛機(jī)并沒太大區(qū)別，只不過它不僅要考慮空氣外部動(dòng)力學(xué)、流體外部動(dòng)力學(xué)，而且還需考慮氣墊內(nèi)部動(dòng)力學(xué)，因而力學(xué)模型也較為復(fù)雜［10］。

表3 國內(nèi)外部分全墊升氣墊船操縱面配置現(xiàn)狀Tab.3 The rise ofmat at home and abroad the hovercraft control surfaces with the status quo

目前，研究范圍主要集中在:

1）各種操縱面操縱效果的研究及其在船上單個(gè)或聯(lián)合使用的效果分析;

2）低速航行時(shí)操縱性和機(jī)動(dòng)性的試驗(yàn)研究;

3）高速航行時(shí)操縱性的試驗(yàn)研究;

4）船在低速和高速航行時(shí)操縱性的理論研究。

2.2 全墊升氣墊船升沉運(yùn)動(dòng)控制［7，13］

全墊升氣墊船的氣墊必須不斷地給它供應(yīng)超壓氣流，而且要將氣墊固定在船體之下。做到這點(diǎn)在風(fēng)平浪靜的水面上較容易，但在波濤洶涌的環(huán)境下則比較困難，且船體越大，需要的氣流也越大，控制起來也越困難。據(jù)推算，在沿海航行的氣墊船其墊升功率至少比內(nèi)河航行的氣墊船大30%。

氣墊船升沉運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)從性能上可分為3個(gè)基本子系統(tǒng):風(fēng)扇、風(fēng)道和氣墊的墊升系統(tǒng)，在氣墊動(dòng)力或水動(dòng)力作用下的圍裙變形系統(tǒng)和船體系統(tǒng)。這3個(gè)子系統(tǒng)又可分別組合為氣墊－船體系統(tǒng) (圍裙為絕對(duì)剛性時(shí)）、圍裙－氣墊系統(tǒng) (船體不動(dòng)時(shí)）、圍裙觸水時(shí)圍裙－水動(dòng)力系統(tǒng)。圍裙氣墊系統(tǒng)在原來的氣墊系統(tǒng)和船系統(tǒng)之間形成1個(gè)隔振系統(tǒng)，其對(duì)氣墊船的升沉運(yùn)動(dòng)和垂向加速度有著極其重要的影響。

從運(yùn)動(dòng)性能方面講，其運(yùn)動(dòng)過程要考慮到固體(船體）—?dú)怏w(氣墊）—流體(波動(dòng)的水面）三者相互之間的作用，故而運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。另外，由于風(fēng)道風(fēng)扇的混合振動(dòng)、非線性影響、氣墊壓縮性影響、氣墊壓力的空間分布、氣墊阻尼與附加質(zhì)量的確定等構(gòu)成了研究氣墊船在波浪中運(yùn)動(dòng)的一系列難點(diǎn)，而且氣墊船的升沉運(yùn)動(dòng)與船體的縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)之間存在強(qiáng)耦合，從而使研究工作十分困難。

氣墊船升沉運(yùn)動(dòng)操縱中采用了許多操縱面，其中主要采用調(diào)節(jié)風(fēng)扇的葉片角控制進(jìn)氣量和調(diào)節(jié)泄流閥控制泄流量。采用的各操縱面及其作用詳見圖2。

圖2 氣墊船橫傾、縱傾操縱裝置Fig.2 The hovercraft is horizontal，vertical pour out of the control devices

有關(guān)升沉運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制是從20世紀(jì)70年代中期開始的。美國的氣墊船上安置了氣墊放氣系統(tǒng)，80年代又引入了風(fēng)扇進(jìn)氣裝置，對(duì)氣墊船升沉進(jìn)行控制。事實(shí)證明，這種氣墊直接放氣方式雖然對(duì)減少氣墊船的垂向加速度起了一定的作用，但造成了氣墊船較大的失速［9］。英國、瑞典等國也采用相似的方法進(jìn)行研究和試驗(yàn)。

調(diào)節(jié)進(jìn)入氣墊的空氣流量能夠顯著改變船的特性，如果加以正確應(yīng)用，將得到更安穩(wěn)的航行品質(zhì)［8］。在倫敦大學(xué)學(xué)院，風(fēng)扇的流量控制被選作可改善船舶搖蕩的最有效最靈敏的手段。可通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)扇進(jìn)氣導(dǎo)流葉片改變進(jìn)入風(fēng)扇的氣流量，或動(dòng)態(tài)改變風(fēng)扇進(jìn)出口外形以改變進(jìn)入氣墊的氣流量。

中國船舶工業(yè)總公司曾進(jìn)行過一項(xiàng)關(guān)于側(cè)壁式氣墊船航行控制的預(yù)研課題［9］，其通過風(fēng)扇進(jìn)氣和氣墊、囊放氣控制首尾圍裙在波浪上的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)。它比氣墊直接放氣技術(shù)有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)［10］:1）可減小圍裙在波浪上的阻力;2）圍裙下端放氣在船寬范圍內(nèi)可獲得較大的控制力;3）首尾氣墊封同步控制升沉，有相位差時(shí)可控制縱搖。

Daniele Bertin［11］和 A.J.Sorensen 等［12］對(duì)側(cè)壁式氣墊船的升沉控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Daniele Bertin等采用主動(dòng)控制泄放閥的方法來調(diào)整首尾部分的氣墊壓力，使其接近標(biāo)稱氣墊壓力，以減輕“鵝卵石效應(yīng)”的影響。

3 結(jié)語

我國擁有長江、珠江、西江、黑龍江等河流和渤海、黃海、東海、南海等沿海航道，主要水上高速客運(yùn)航道已有50余條，總客位保有量約為19 700個(gè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，旅游業(yè)的發(fā)展，客流量將不斷增加，對(duì)高速客船的市場需求也會(huì)進(jìn)一步加大。

軍用氣墊船最初主要用途是搶攤登陸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界海岸適合于干登陸的海灘，既可用排水型登陸艇又可用氣墊船登陸的僅為25%，其余75%的海灘只能由氣墊船登陸。除沖灘登陸外，各國軍方對(duì)氣墊船執(zhí)行反水雷戰(zhàn)任務(wù)相當(dāng)重視并取得了較大進(jìn)展。此外，氣墊船在軍事上的用途還包括近海巡邏、反海盜、搜索救助等。從軍用氣墊船的技術(shù)發(fā)展看，無論是總體性能還是運(yùn)行費(fèi)用都已經(jīng)達(dá)到了較為成熟的階段。隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)，尤其是材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)軍用氣墊船的性能，特別是有效載荷、推重比、耐波性、操縱性和航速方面將有更大進(jìn)步。

氣墊船造價(jià)低。盡管我國自行研制的氣墊船采用了世界名牌主機(jī)，使主輔機(jī)價(jià)格占整個(gè)船價(jià)的25%～50%，但與國際市場相比，我國氣墊船的造價(jià)仍很低，僅為進(jìn)口船的1/3～1/4。

氣墊船運(yùn)營成本低。由于氣墊船的可靠性、營運(yùn)率有所提高，主機(jī)、圍裙等關(guān)鍵設(shè)備的壽命逐漸提高，使維修費(fèi)用及油耗減少，船營運(yùn)成本降低，從而使氣墊船航線能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

氣墊船營運(yùn)收益高。船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性還與票價(jià)有關(guān)。隨著國民經(jīng)濟(jì)和旅游業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)高速客運(yùn)的要求越來越迫切，優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)、高速高價(jià)的觀念普遍被人們所接受。

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Themat liters hovercraft in control

YU Yi-fan，LIU Jun，ZHOU Xiang-long
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266044，China）

This paper introduces the properties，features and the domestic and foreign，the development situation of comparison and analysis on the two types hovercraft(the cushion of the lateralwall type，rise the hovercraft）of the main properties and its main application range，introduces the mat the hovercraft，wall type/the hovercraft comprehensive control research status，simple introduces the mat liters hovercraft levelmotion control，rises the heavy motion controlmethod，and looks forward to the application prospect of the mat rise and brought about by the social benefit，analyzing the market to the needs and feasibility of promotion.

mat liters hovercraft;air external dynamics;fluid external dynamics

U674.943

A

1672－7649(2012）09－0011－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.09.002

2012－05－14;

2012－07－11

于亦凡(1968－），女，副教授，主要從事電氣設(shè)備自動(dòng)化研究。