气垫船原理及先进制造水平

气垫船工作原理及先进制造水平(张媛媛20121676孙建 20121678刘超杰20121701许杉20121729)

摘要：气垫船是一种以空气在船只底部衬垫,利用船底与水面间的高压气垫作用,让船体部分或全部提升,能够快速水上行进的运载工具。本文主要对气垫船的工作原理、世界上气垫船的最先进制作技术以及我国气垫船的研究和制造水平进行了概要论述。关键词：气垫船工作原理最新技术研究和制造水平

前言：作为一种理想的海洋登陆运载工具,气垫船自诞生之日起就受到了人们

的重视。它是一种以空气在船只底部衬垫,利用船底与水面间的高压气垫作用,让船体部分或全部提升,能够快速水上行进的运载工具,人们称之为气垫船或者气垫登陆艇。由于气垫船不是排水型舰船,航行时不需要利用水的浮力支持船体,因此除了可以在水面航行,还可以在沼泽地、湿地以及较为平坦的陆地上行驶。这些功能是其他水面舰船所不具备的优势,因此可作为江河湖海的运载工具,广泛用于运输大型货物,在那些浅水急流、江河上游险滩、沼泽地带、浅海滩涂、河口近岸以及冰雪地段航行更能够体现出气垫船的使用价值。

一、气垫船分类及工作原理

气垫船按照垫升方式可分为全垫升式和部分垫升式[1]。全垫升式气垫船又称为全浮式气垫船,是在船底四周设有柔性橡胶围裙,约束空气形成,使得整个船体在压缩的空气作用下升离水面,使用空气螺旋桨推进,用空气舵控制方向（如图1）;而部分垫升式气垫船,也称为侧壁气垫船[2],是在船体两侧设置刚性侧壁,而在船首和船尾下螺旋桨或喷水装置,其能航行于水面,航行速度高于普通船只,但是低于全垫升式气垫船。显然全垫升式气垫船是一种很好的登陆工具。

工作原理：

气垫船是利用高压空气在船底和水面（或地面）间形成气垫，使船体全部或部分垫升，从而大大减小船体航行时的阻力，实现高速航行的船只。气垫是用大功率鼓风机将空气压入船底下，由船底周围的柔性围裙或刚性侧壁等气封装置限制其逸出而形成的。（如图1）

气垫船风机提供有效升力和推力，使得气垫船安全的行进。通过控制手柄的操纵改变风扇后面的垂直舵来产生风扇舵效应使之气垫船转向。转向也可以通过体重控制位移来实现。

二、先进制造技术

我国气垫船的发展经历了一个艰难曲折的原理研究、模型试验、中间试验和试用的过程[3]。

近20年来,国外研制和开发的中、大型重载气垫船,都获得了成功应用。这首先是气垫船具有全天候应用的优势,可以在那些浅水急流、沼泽地带、浅海深滩以及冰雪冻土地带行驶,特别是在环境苛刻的水路、陆路行驶,显示出了普通船只不可比拟的优势。美国、俄罗斯、英国、法国等国家都成功地研制出了一系列气垫船,其主要应用情况如下。[4]

美国

从上个世纪70年代开始,美国就开始了大型气垫登陆艇的研制工作。美海军以JEFF(B)型试验艇作为继续研制的基础,最终发展成LCAC大型气垫登陆艇。

LCAC采用了开放式甲板构型,以一个扁平的铝合金箱型主承力结构为基础,箱体上平面是主甲板,箱体内部则配置燃油箱、水密隔舱、风道等。底部是允许直接接触地面的加强结构,箱体四周安装有气垫围裙。在非气垫充气状态,浮力由箱体直接提供;在气垫充气工作状态,则从垫升风扇输送的高压气体,经过风道进入气垫船的下方,依靠产生的压力将整个气垫船托起,升离水面。在主箱体顶部两侧中部,对称布置着左、右机舱,每个机舱横向布置燃气轮机,一台用于驱动垫升风扇,另一台用于驱动空气螺旋桨。LCAC系统总体布置见图5。

LCAC气垫登陆船具有理想的快速性、良好的通过性和两栖行驶性,大幅度减少了因潮汐、水深、雷区、登陆障碍和近海岸坡度等对登陆行动的限制。这种LCAC 气垫登陆艇可以在全世界70%以上的海岸实施登陆行动。资料显示,LCAC稍作改动即可执行诸如扫雷、反潜和导弹攻击等军事任务。LCAC气垫登陆艇是美国海军陆战队进行登陆作战的利器,可实施美军人“不沾水“的登陆,以最快的速度把登陆部队送上敌方滩头。海湾战争中,美海军2个两栖编队携带17艘LCAC气垫登陆艇,频频进行两栖登陆佯动,对伊军起到威胁和牵制作用。在索马里、海地危机以及孟加拉抗洪救灾行动中,LCAC都有成功的应用记录,被誉为现代登陆艇中的佼佼者。美军LCAC装备数量已经超过80艘。LCAC气垫登陆艇不但现在是,而且在未来较长一段时间内依然是美海军以及海军陆战队必须配置的装备。同时它也被欧洲及其盟国采用。[5]

英国

英国是最早研制气垫船的国家, 1959年英国建造了第一艘气垫船,在横渡英吉利海峡的航行试验中,它在诺曼底附近仅用2个小时零5分钟就横穿了海峡,并直接冲上法国诺曼底海岸的沙滩。气垫船的性能给英国军方留下深刻印象,随即英国海军组建了气垫船试验分队,并用于水面扫雷、两栖登陆、导弹发射等军事科目试验。[6]

俄罗斯

俄罗斯从上个世纪70年代就开始了大型气垫船的研制工作。俄罗斯现在服役的是新一代“野牛”大型气垫登陆艇。野牛气垫登陆艇是目前世界上最大的气垫登陆艇。[7]

“野牛”气垫登陆艇采用有利于长时间海上航行的遮蔽式甲板构型,主动力装置M70型燃气轮机是一款专门设计的第三代舰用燃气轮机,已成为一种成熟、可靠而又不失其先进性的优秀的舰用推进动力装置。

“野牛”大型气垫登陆艇是体现俄罗斯运载工具粗犷风格的杰作,由于运载能力强大,可达到150 t，几乎所有俄罗斯海军陆战队的装备都可以轻易搭载。只需少量的“野牛”就可以在同一登陆点集结强大的兵力,对敌军岸防造成重大威胁,可以说“野牛”级大型气垫登陆艇引起了人们广泛的关注。该艇不仅装备了俄罗

斯海军、乌克兰海军,还出口到了希腊。[8]

三、我国研究和制造水平

3.1在改革开放政策的指导下，有关部门引进国外先进技术和设备，经过五年的努力，主要关键器材设备得到基本解决，气垫艇的开发事业终于进入实用化阶段。主要经历过程：内河用侧壁式喷水推进气垫客艇、港湾河口用侧壁式气垫客艇、小型全垫升式“气垫吉普”、沿海全垫升式气垫交通艇和登陆艇[1]。

图3 716型全垫升式气垫交通艇

3.2最近10多年来MAUIC（中国船舶及海洋工程设计研究院）在气垫船向中大型化发展的同时,在以下几项气垫船的关键技术方面取得了突破性的进展[9]。

1)总体性能优化技术

2)响应围裙系统

围裙系统是与气垫船阻力、稳性与耐波性等总体性能密切相关的关键技术围裙在气垫力与水动力联合作用下的响应能力,即在运行中围裙触水后上抬或下拖,取决于其压力几何刚度比及水动几何刚度比的优化设计,或气弹及水弹响应度的优化设计。

3)垫升流道系统

气垫船的垫升系统流t压头从风机出口到周边围裙大囊直到前后气垫的分布,受到总体布t中风机位t的约束,往往会造成囊压比分布的不均匀,给围裙系统的优化设计带来较大难度。为提供纵稳性,气垫分割成前后气室。为了抗低头埋首,在保证前气室足够流t的前提下要求有比后气室较高的囊压比。为了在垫升流道系统优化设计中达到上述要求,应用CFD的FLUENT软件对气囊流道的三维流动特性进行了数值模拟。

4)导管空气螺旋桨

气垫船要在高海况高速运行,其导管螺旋桨载荷很高,为了保证螺旋桨的推进效率,高升力系数与高升阻比的桨叶设计成为螺旋桨的关键技术。国外在原航空NACA系列冀型的基础上发展了ARAD系列,但其升阻比一般仍不超过100。为此通过翼型的优化设计与风洞试验研究发展了中国自己的新翼型系列。

5)稳性与安全性

气垫船高速运行于水气界面,风向风速对纵倾角影响很大,当航速达到50kn/s以上时,顺风低头很易造成脂部围裙缩进失稳,以及全船低头埋首纵向失稳的现象。根据广泛的船模试验与对包括围裙变形响应、气垫分割稳性以及流量压头分布影响的纵稳性理论分析,对提高高速纵向安全性提出了措施。

6)操纵性及横甩失稳