萬玉春 張洪燕 彭千燁 吳芮 黎武鑫
摘 要:本作品設計出了一種履帶式冰區(qū)海域兩棲科考艇,它能夠輕松實現(xiàn)水、冰區(qū)域的航行轉換模式,具有一定的自主破冰功能。在水中以螺旋槳和履帶雙重推進模式航行,在到達冰面以后采用履帶在冰面行駛,破冰船首設置為錐形船首,并在船首上方設置傾斜的破冰刃,更有利于薄冰層的破碎。
關鍵詞:極地科考艇;破冰;兩棲船舶
0 引言
北極航道縮短我國與西歐、我國與北美洲東海岸的距離,北極黃金水道全部開通將為我國降低533億~1 274億美元的國際貿易海運成本,降低途經馬六甲海峽、蘇伊士運河和索馬里海域等高敏感區(qū)的政治風險。北極蘊藏豐富的油氣、礦產、漁業(yè)、旅游等資源,北極將成為新的海外資源能源重要采購地,為我國高速經濟發(fā)展提供清潔能源、戰(zhàn)略金屬資源、優(yōu)質蛋白質的有效供給。
我國開展北極科考、資源開發(fā)等極地活動均離不開極地科考艇,此外我國極地權益的維護需要極地船舶提供裝備支撐。但我國極地科考艇船舶裝備在研發(fā)設計方面還存在一定的缺陷。
1 設計思路
由于極地區(qū)域的冰區(qū)分布的特殊性,不論是現(xiàn)有的“黃河號”科考艇還是水冰兩棲船,均難以解決目前冰區(qū)航行、科考作業(yè)存在的問題,因此為解決以上兩種現(xiàn)有方式存在的問題,本作品設計出了一種履帶式冰區(qū)海域兩棲科考艇,它能夠輕松實現(xiàn)水、冰區(qū)域的航行轉換模式,在水中以螺旋槳和履帶雙重推進模式航行,在到達冰面以后采用履帶在冰面行駛;破冰船首設計為錐形船首,并在船首上方設置傾斜的破冰刃,更有利于薄冰層的破碎。能夠在極地各種復雜地形和極端天氣下進行作業(yè),比傳統(tǒng)的水冰兩棲船更具有靈活機動性,防止發(fā)生科考人員被困冰面的情況,節(jié)約科考人員體力和寶貴的科考時間。
2 工作原理
2.1 錐形船首的設計
常見的科考艇船首并不具有特殊的破冰功能,考慮到冰區(qū)航道的浮冰再次聚集形成厚冰層的情況,為保證科考艇作業(yè)的安全系數(shù),所以本作品的船首設計成一種具有破冰功能的錐形式船首,水線以上為后傾式船首,水線以下為普通的前傾式船首,可利用傾斜向后的船首線型,并在船首上方設置傾斜的破冰刃,破冰刃對于薄冰層具有自后下、往前上方向的破冰作用力,更有利于薄冰層的破碎。這種形式的破冰船船首結構緊湊,體積更小,輕便性更好,更符合本作品設計的兩棲科考艇的船首,此外本作品的兩體的形狀也類似于錐形,同樣具有一定的破冰能力。
當科考艇脫離母船,到達薄冰區(qū)時采用船首連續(xù)破冰的方式前進,通過調節(jié)船首尾的壓載水艙使得船舶適當首傾,使船首進入冰層以下,利用艏部浮力與推進力的合力進行破冰。
2.2 履帶懸掛行走機構的設計
為了提高在冰區(qū)水域航行的穩(wěn)性,我們考慮將船型設計為三體船型,并將旁邊的兩體上設置履帶輪,船體四周及底部設置總浮力大于兩棲船總重量的水密隔艙、船艙的甲板上方四周設置隔水圍擋。在厚冰區(qū)時,采用上冰面的方式行進可以有效地提高作業(yè)效率。當?shù)竭_厚冰面將要上岸時,需要將船舶保持適當?shù)奈矁A狀態(tài),將船尾的壓載水打入,使船頭翹起,減少上岸時與陸地的沖撞,同時,水艙能夠使船體在陸地上行駛更好地調節(jié)重心,能夠提高行駛速度。
3 創(chuàng)新點
3.1 設計了一種適合冰區(qū)惡劣環(huán)境下的兩棲船舶行進方式
本作品所設計的履帶式冰區(qū)海域兩棲科考艇,在寬敞的冰區(qū)航道可利用螺旋槳推進自由航行,在厚冰區(qū)、冰原區(qū),通過船身兩側的履帶登陸上冰層,與傳統(tǒng)方式相比上冰過程更安全,在冰面上利用特制的履帶機構行走,能夠實現(xiàn)高效率的科考作業(yè),節(jié)約科考人員的體力。
3.2 設計具有后傾線型的船首,并加裝冰刃,破冰效果好
利用傾斜向后的船首線型,并在船首上方設置傾斜的破冰刃,破冰刃對于薄冰層具有自后下、往前上方向的破冰作用力,更有利于薄冰層的破碎。這種形式的破冰船船首結構緊湊,體積更小,輕便性更好,更適合科考艇這種小型船舶的船首設置。
4 結束語
綜合國內外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn),國內外許多學者在科考艇上做了一定的研究,并取得了一定的成果,但關于履帶式的冰區(qū)航行船舶并沒有相關研究,后續(xù)制作出完善作品以后,將實地測試冰區(qū)的破冰功能以及是否在冰面具體能夠承受多大的載重,將不斷優(yōu)化履帶的結構,以及校核上層建筑、人員的設計載荷。
參考文獻:
[1]師桂杰,高大威.我國極地船舶能力分析與發(fā)展建議[J].極地研究,2018,30(04):429-438.
[2]張磊,朱越星,張艷,劉文華,陸琛亮.一種新型破冰船船首[P].中國專利:CN204432918U,2015-07-01.
[3]王曉曉.兩棲船履帶行駛系統(tǒng)設計與仿真研究[D].江蘇大學,2019.
[4]王鳳華.SISUNA系列橡膠履帶兩棲全地形車輛[J].重型汽車,1996(01):41-42.
[5]姚宇輝,吳恭興,操安喜,張健.新型極地科考艇上冰過程的強度分析及可行性研究[J].船舶工程,2018,40(05):4-8+24.
[6]張健,徐振桓,張焱飛,姚宇輝,劉凡.一種水冰兩棲科考艇[P].中國專利:CN104626901A,2015-05-20.
[7]崔連正,徐雙喜,鄭自強,張文哲,黃家樂,董威.一種撬冰式破冰艏設計及靜水阻力計算[J].船舶工程,2018,40(08):1-4+71.