新型氣墊船的一體化創(chuàng)新設(shè)計

譚杰尹 李曉科 張藝

摘要：傳統(tǒng)氣墊船的動力系統(tǒng)布局使其在許多地區(qū)航行受到了限制，文章基于傳統(tǒng)氣墊船的穩(wěn)定性差和通航性低的兩大不足，對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計出一種新型布局的全墊升氣墊船。該艇通過重新一體化設(shè)計船體動力布局，降低船體高度，增強(qiáng)了其航行穩(wěn)定性，實現(xiàn)了更好的通航能力，同時提高了不同船體部件的高通用性以及標(biāo)準(zhǔn)化，通過對部分零件進(jìn)行設(shè)配，便可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局通用，大大降低了重新設(shè)計和維護(hù)的成本。

關(guān)鍵詞：全墊升;氣墊船;動力系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：U674 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

當(dāng)前各個國家對氣墊船在軍用與民用方面的價值高度重視。在民用方面，氣墊船的用途極為廣泛，涉及娛樂項目、家用救援、客運(yùn)航線以及特殊水域航行等多個領(lǐng)域。氣墊船特有的墊升系統(tǒng)是其與其它類型船舶的主要區(qū)別所在，大到導(dǎo)彈艇、護(hù)衛(wèi)艦，小到個人載具、家用載具，氣墊船以其遠(yuǎn)高于其他類型船舶的通航能力脫穎而出。在探索特殊水域時，如沼澤、灘涂等常規(guī)船只難以通行的水域，氣墊船可以依靠氣墊和不在水面下推進(jìn)的動力系統(tǒng)航行;氣墊船因其在不同地形限制條件下也能夠安全行駛這一特性，非常適宜在民用短途航線、科研任務(wù)的水域探索和家庭抗洪救災(zāi)中使用。其寬泛的適應(yīng)能力被許多軍民用部門與個人青睞，中小型專業(yè)氣墊船近幾年的發(fā)展相當(dāng)迅速。

然而，傳統(tǒng)氣墊船的動力系統(tǒng)布局使其在許多地區(qū)航行受到了限制，高大的外置推進(jìn)扇葉，導(dǎo)致氣墊船在一些特定的狹小低矮空間很難通行，例如因科研需求要進(jìn)入的林區(qū)水道，會因外置的船體動力系統(tǒng)過高而無法通航。大型氣墊船在大風(fēng)條件下也會因其高大的上層建筑失去其特有的高航速與穩(wěn)定性，故而，通過對氣墊船動力系統(tǒng)的重新布局來降低大風(fēng)對氣墊船的影響顯得尤為必要。這樣，讓氣墊船的航行不僅僅局限在開闊的海況、河況，對于難以開拓和探索的較高風(fēng)險地區(qū)也能適應(yīng)。尤其體現(xiàn)在面對惡劣自然環(huán)境的應(yīng)急救援方面，使用重新布局后的氣墊船會大大提高適應(yīng)性和高效性。

受一些設(shè)計成熟的氣墊船啟發(fā)（如：俄羅斯的“歐洲野?！奔墸绹摹癓CAC”級兩類大型運(yùn)輸氣墊船），以降低船體后部發(fā)動機(jī)系統(tǒng)高度提高通航能力為目標(biāo)，以提高結(jié)構(gòu)通用性以及動力系統(tǒng)改進(jìn)為宗旨，設(shè)計開發(fā)出一種新型氣墊船在降低傳統(tǒng)設(shè)計中高大的風(fēng)機(jī)帶來的整體船體高度偏高的情況下，保證其航行性能穩(wěn)定以及氣墊船應(yīng)有功能的完備，還有相對較低船體帶來的更好通航能力的氣墊船布局。本系統(tǒng)擬采取整合發(fā)動機(jī)推進(jìn)扇葉及轉(zhuǎn)向舵葉等零部件的模塊化動力包設(shè)計，使動力系統(tǒng)一體化，并可以同時提高不同船體部件的高通用性以及標(biāo)準(zhǔn)化;在大、小型船型的設(shè)計中，通過對部分零件進(jìn)行設(shè)配，便可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局通用，大大降低重新設(shè)計的成本。其技術(shù)對推動我國氣墊船的發(fā)展以及提高相關(guān)國際市場競爭力都有比較重要的意義[1-2]。

2 新型氣墊船的整體設(shè)計

本設(shè)計是在現(xiàn)有的各類成熟氣墊船設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行的創(chuàng)新，采用斜置雙風(fēng)道，分別放置兩臺大功率發(fā)動機(jī)，斜置發(fā)動機(jī)的優(yōu)點在于相應(yīng)的風(fēng)道也可以隨著發(fā)動機(jī)的放置同時斜置，較大限度地降低船體后方高度，從而降低傳統(tǒng)氣墊船的后部發(fā)動機(jī)帶來的后部動力組高度，大大降低船體阻力以及后部結(jié)構(gòu)帶來的不利航行的影響，但是相應(yīng)帶來的問題就是動力系統(tǒng)大部分整合到了船體后部，預(yù)留的進(jìn)氣道會擠占較大的后部空間，運(yùn)載能力可能會受到一定程度的削減。設(shè)計示意圖如圖1所示。

兩臺推進(jìn)發(fā)動機(jī)后部采取“斜向——平直風(fēng)道”，將推進(jìn)氣流從船體后部導(dǎo)出從而形成前進(jìn)的推力，為氣墊船提供動力，驅(qū)動氣墊船向前航行，而扇葉后方，兩具風(fēng)道各兩片倒流舵。由舵機(jī)和聯(lián)桿帶動，可以使方向舵較大幅度地擺動，控制氣流的推進(jìn)方向，從而控制船舶的航行狀態(tài)，也可以為登灘后返回航線的大幅度轉(zhuǎn)向提供動力。

全墊升氣墊采用兩/四臺風(fēng)機(jī)充當(dāng)氣墊鼓風(fēng)機(jī)，內(nèi)置在船體當(dāng)中，船體表面設(shè)置兩具與風(fēng)機(jī)相通的內(nèi)嵌式進(jìn)氣道，為船體的全墊升氣墊鼓風(fēng)從而達(dá)到撐起氣墊的目的，內(nèi)置風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢在于相較于靠舷側(cè)的開放式鼓風(fēng)機(jī)，位置更高，并且有著進(jìn)氣道的保護(hù)，防止海水在高速航行時涌進(jìn)風(fēng)道導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障;進(jìn)氣道在高速航行時，也能為鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量帶來一定提升，保證氣墊的充盈。

因為發(fā)動機(jī)采取風(fēng)道斜置的設(shè)計方案，使船體表面除了艦橋以及鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣道以外無更多船體表面凸起物和附件增加航行阻力，借此可以在兼顧以及保證氣墊船該有的運(yùn)載能力和全墊升氣墊船擁有的登灘能力下，設(shè)計出可以適應(yīng)高速航行的低阻船體外形，進(jìn)一步優(yōu)化與提升航行速度。動力系統(tǒng)采用模塊化的動力包系統(tǒng)，風(fēng)道、發(fā)動機(jī)以及風(fēng)機(jī)支架全部整合為一個模塊化動力包，緊急情況下可以將整體動力包進(jìn)行拆卸替換?；蛘咂饺站S護(hù)修理，拆卸后檢修更換扇葉等，可以較大程度地降低維修成本、工時與提高維護(hù)效率[3-4]。

3 新型氣墊船設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過Solidworks繪圖軟件構(gòu)建好氣墊船的模型以及各個零部件，校對各個部件數(shù)據(jù)，確認(rèn)其可行性。

新型氣墊船的縮比模型使用1：50的比例進(jìn)行制作，采用組件一體設(shè)計，動力包、船底氣墊、船體均為分離式單獨部件。動力系統(tǒng)控制采用一臺8通道航模遙控器，風(fēng)道內(nèi)各放置一臺模型電機(jī)連接兩具模型電子調(diào)速器，然后用XT30插頭并聯(lián)統(tǒng)一控制;左側(cè)風(fēng)道出口末端埋置一臺舵機(jī)，與左側(cè)風(fēng)道的方向舵相連，并通過舵面上的連接軸控制四具方向舵的統(tǒng)一擺向，進(jìn)而驅(qū)使模型船體進(jìn)行轉(zhuǎn)向，如圖2所示。

船體設(shè)計上，采用船體組件一體設(shè)計，較低風(fēng)阻的一體化殼，發(fā)動機(jī)用螺絲等固定于后方開槽，增加穩(wěn)定性，同時船艏較高，雖然說會提升一定的航行風(fēng)阻，但是相應(yīng)的也加大了船艏跳板的空間，可以允許體積更大的裝備或者載具，裝載船艙內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸，在鼓風(fēng)機(jī)位置，船體內(nèi)部設(shè)立單獨艙室為充氣電機(jī)與扇葉預(yù)留空間，船體表層則預(yù)留進(jìn)氣道，如圖3所示。

船體、船底組件唯一的向下開口為鼓風(fēng)機(jī)的獨立艙室以及船底預(yù)留的風(fēng)道，在氣墊破損或者無法墊升的情況下，保證各個艙室獨立，維持船體的密封性，保證航行安全。船體底板與分件船體部件相對應(yīng)的設(shè)計嵌合式船體，充氣氣墊的材料則內(nèi)卷，夾在船底板和船底之間，再通過螺絲鉚接固定船底和船體，讓各個零部件更加牢固地拼接在一塊，組成完整的氣墊船模型，如圖4所示。

4 結(jié)論

文章通過對傳統(tǒng)氣墊船的一體化創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)動力系統(tǒng)布局優(yōu)化、促進(jìn)零部件標(biāo)準(zhǔn)化。提高氣墊船通航性的同時，改善傳統(tǒng)氣墊船的穩(wěn)定性，提高不同船體部件高通用性以及標(biāo)準(zhǔn)化，在營運(yùn)過程中，通過對部分零件進(jìn)行設(shè)配，便可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊通用，大大降低重新設(shè)計和維護(hù)的成本。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

參考文獻(xiàn)：

[1]姜忠濤.美國可變船型氣墊船（T-Craft）技術(shù)方案[J].船舶，2012（05）：1-6.

[2]馬濤，鄔成杰.氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統(tǒng)流體動力設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[3]趙宇南，余又紅，賀星.大型氣墊船阻力特性仿真與影響因素分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019（10）：55-58.

[4]張宗科.全墊升氣墊船高速埋首與低速側(cè)翻的機(jī)理分析及應(yīng)對措施[J].船舶，2019（04）：15-27.