[00324267]穿浪型侧壁气垫船

        项目简介：

　　目前，国际上有很多个国家在研究开发气垫船，但各国发展气垫船的水平不等，气垫船的优良性能以用于军事著称，随着用于气垫船橡胶围裙技术水平不断提高，气垫船的性能达到了一定的提高，迎来了气垫船发展的黄金时期，气垫船发展讯猛，有条件的国家争相研制。英国是世界上研究气垫船最早的国家，至今已拥有一支很强气垫研究、制造团队。气垫船的缺点是在相同载重艇重条件下，体积较大、对重量变化敏感、操纵较为复杂。至气垫船后又引伸出侧壁气垫船，侧壁气垫船属于气垫船的一种形式，侧壁气垫船结合了气垫船及普通双体船的优点，除不能登陆外同样有气垫船一样优良性能，如航速快、比气垫船载重量大、稳定好等、特别是对重量变化敏感比气垫船有所提高、操纵性能也有所增强、同时更多的节约能源，这些都是在侧壁气垫船性能上的提升。由于甲板面积大，更利于向大型化发展，前苏联是较早研究气垫船的国家之一，主要代表是“野牛”气垫登陆艇，“布拉风”侧壁气垫船导弹艇是目前世界上最大的气垫船。美国气垫船研究较晚，但是在美国海军的大力支持下，研究速度发展很快。美国海军1963年成功试制一首XR-1气垫船，在此基础上拟创以气垫船为主要战力的80kn的高速水面船，并于1976年建造了SES-100A\SES-100B两艏试验艇，速度分别为80kn和90kn，但由于技术上的一些原因没有得到推广应用。

　　我国也开展侧壁气垫船研究，但起步较晚，现已制造有多个型号的侧壁气垫船，但大多是载重量小，航速低的小型船，多用于内河和近海交通船。经过多年的设计经验，对侧壁气垫船的开发及研制趋于成熟，取得了喜人的成果，但在侧壁气垫船大型化的技术研究任处于起步阶段，同时在控制高速航行时兴波阻力过大等直接影响到侧壁气垫船越峰性能的技术还没有得到解决。

　　到现在为止，对侧壁气垫船性能的研究大都是针对气囊围裙进行，力图在气囊尺寸、越峰，推水、兴波等技术问题力求寻找一个合理的组合，以便侧壁气垫船在高速航行时达到最佳状态。但是，美军拟定的3KSES计划，准备建造3000t级80kn大型高速气垫导弹躯逐舰，由于气囊围裙在80KN高速航行时的高频振动，产生500克以上的加速度，剧烈的升温等物理现象，使围裙寿命大幅下降，是导至该计划最终取消的主要原因，其事实告诉我们，用气囊式的侧壁气垫船来达到其更高性能的目的是不能实现的，研究必须另辟捷径寻求一种新方法来解决在高航速下的耐波和高频振动的问题。

　　另外看起来非常简单的气囊与水面缝隙漏气问题也一直未解决，由于密封条件要求特殊，原理简单但做起来很难，这是侧壁气垫船大型化主要原因，被大家忽略了这方面的研究，所以在怎样防止气囊与水面缝隙形成的漏气的密封问题的研究还是空白，都是对气垫加大充气量提高气垫压力来增加侧壁气垫船的载重量，是现在世界上惯用的方法。

　　一  侧壁气垫船发展中存在的技术

　　侧壁气垫船经过几十年的发展到现在，已积累了很多技术，上世纪九十年代前苏联制造的“布拉风”侧壁气垫船载重已达到千吨级，最大速度为50kn，到现在还没有超过这个数量级的侧壁气垫船出现。主要是气垫密封升压技术原因受到限制使侧壁气垫船发展缓慢。侧壁气垫船载重的70%是由气垫承担，气垫压力的高低直接影响到侧壁气垫船的载重，侧壁气垫船再进一步发展，需要关键技术突破；水面缝隙密封技术，即艏艉封漏气使气垫压力不高是影响载重的关键，这个技术到目前还没有达到有效解决，从资料和现实了解到还没有这方面的研究成果。

　　㈠ 围裙与水面缝隙密封

　　侧壁气垫船载重量大小由船体尺寸和气垫压力决定的，船体大载重量就大，但不能无限制的增大船体尺寸来增加载重量，唯有用提升气垫压力来增加载重量才是一个合理有效的方法。现在的气垫压力都很低，通常在5kPa—10kPa之间，决定了船的在载重量，围裙与水面接触的缝隙漏气是影响气垫压力主要因素之一，侧壁气垫船围裙缝隙漏气没有任何密封措施，靠水面和气囊底部接触面密封，密封阻力很小，垫升气从这里漏出时形成一点节流，使气垫保持有一定压力，进气和出气保持相等达到动态平衡，才能保持气垫压力稳定，漏气问题无法克服是直接影响气垫压力低是难以大型化的主要原因。要保证气垫不漏或者少漏气，又不能产生有推水和兴波阻力的增加又能密封漏气的技术，到目前为止还没有很好的解决方法，现在世界上侧壁气垫船的垫升气压力都是靠不断充气来维持。

　　㈡  耐波能力

　　翘头埋艏是当下侧壁气垫船航行都存在的，因为船体结构和采取航行的方式而局限，耐波性能很差，振动大这是不可克服的弱点。要改变这种状况需要一种耐波能力强的响应围裙，并不能对船体有阻力峰影响和推水的状况存在，在海况中行能做到全响应。

　　㈢  现行船体结构不合理，平船首不适应大海况中航行，围裙同时触浪对船体瞬间冲击力大和形成更大的越峰阻力和高频振动，增加额外的越峰功率。

　　项目核心创新点：

　　针对侧壁气垫船技术现状，高性能在多个方面进行研究和改进，做到二突破三改进和一消除等多项性能上达到提高。

　　㈠  二突破

　　1、载重量突破

　　提高垫升气压力的唯一方法就是对于围裙与水面的缝隙漏气增大漏气阻力，增大漏气阻力同时不能让围裙产生推水、增大兴波阻力和降低耐波条件的前提下进行，其条件特殊，用一些方法上不可行。采用一种高压喷水的方法来实现，水在高压下形成一道水帘，水帘的动能由加压装置不断的供给。水是一种很特殊的物质，密度比空气大，含能量高，易于塑形，充、放能量快，取水容易，能连续不断保持一种形状。其关键的特点是水束自身动能在消耗完后不会对其它船体造成影响和破坏，利用水帘喷射这一特点来用于艏尾缝隙密封。将喷嘴设计成一个长条的矩形喷咀，横向安装在侧壁气垫船的前、后部位漏气缝隙的上方，惯穿整个迎水面。喷出一道连续成片体状水帘，使其紧密无间隙，喷射水帘所具备的能量必须大于所漏气体的能量，才能克服气垫对它的作用力，达到密封气体的目的。喷出的具有能动的水帘，离开喷咀后动能自行衰减，除了由喷咀给定的初始动能外，与船体没有任何联系，是一道动态的密封层，不会对船体产生兴波阻力和其它影响。水帘插入水中的深度取决于喷咀喷出的动能，插入水中的深度与喷水压力成正比，反之就小。气垫内的气体要通过水帘的底部并克服水帘外部水层高度的压力才能漏出，已此保持气垫所需要的压力，使侧壁气垫船达到大型化的目的。通过模拟试验装置，在满足缝隙条件下，测试喷射水帘的抗阻密封能力，喷射水帘对缝隙气体的抗阻密封压力成倍增加，可达到60KPa。

　　2、耐波性能突破

　　采用喷射式围裙提高耐波性能，喷射式围裙均为单元式结构，喷射式响应围裙整体是一块矩形钢结构形状，包括有支架、旋转轴承、旋转轴、四周有通水通道、通道上的喷嘴和面板组成，在围裙上方两边的支架进入船体并固定在船底，支架内安装有有旋转轴承，旋转轴承内安装旋转轴并将围裙悬挂在船底。围裙由支架悬挂在船底前后，悬挂处由旋转轴承连接，其余部分与船底和侧壁保持无接触，均保持有一定间隙，围裙四周设置的喷嘴，由装在船内加压泵提供压力水源，喷射出的高压水帘对与侧壁有相对运动的部位进行全方位喷射水帘密封，围裙除轴承外与侧壁没有任何接触摩擦点。围裙外侧承受浪峰的冲击力,内侧受气垫压力向外的推力。在海况航行时，海浪冲击力大于前围裙的推力时，推动前围裙向气垫内开启作扇形运动，浪峰进入气垫腔并运动到后围裙处，后围裙被冲开放出浪峰，围裙在设计耐波范围内能做到全响应，围裙旋转推动时船头不会翘头，围裙高度变化由浪峰高度补充，浪峰过后围裙在气垫压力的推动下迅速复位，船头不会埋首，使船在海况下平稳航行。

　　㈡  三改进

　　1、船体结构改进

　　改变船体结构，用浮航型水面船穿浪船体与侧壁相结合，改变原侧壁气垫船惯用的平船艏，集水面船穿浪与侧壁气垫船为一体，形成一种穿浪型侧壁气垫船复合船型，穿浪型侧壁气垫船船体前端为穿浪船艏，前端形成角度适应穿浪需要形成悬梁船艏。悬梁船艏在前围裙顶部悬空伸出一定长度。海况时先由围裙吸浪，超出围裙吸浪范围由船浪船体进行穿船浪浮航，使船体在海况中承受的耐波能力达到分解，增大耐波能力。

　　2、四侧壁改进

　　船体底部四侧壁结构，四侧壁呈阶梯形错层排例，分为左右前侧壁和左右后侧壁，左右前侧壁之间有一定间距，左右前侧壁的尾端伸入左右后侧壁前端之间形成重叠区，左右前侧壁、左右后侧壁之间相隔有距离，且侧壁之间平行设置，左右前侧壁前端之间的宽度与该处船体的左右玄宽度相等，左右后侧壁前端相距宽度于该处船体的左右玄宽度相等。

　　3、围裙错层设置改进

　　喷射式围裙分为前围裙、中围裙和后围裙；前围裙设置于左右前侧壁靠近悬梁船首的前端之间；中围裙设置于前侧壁后端外侧的重叠区并位于左右前侧壁外侧壁与左右后侧壁内侧壁之间；后围裙设置于左右后侧壁后端内侧之间。前围裙、中围裙呈阶梯形排列前侧壁和后侧壁前端，不在一条迎水面上，前后间隔有距离。前围裙、中围裙、后围裙顶端与船体底部转动连接，其底部均为活动端，可在0o～90o之间作旋转运动。

　　㈢  一消除

　　高频振动消除

　　海况中波峰不断重复就对船体的进行冲击振动，速度越快振动频率越大，海况越大振动强度越大，对船体结构、设备、仪器和船员健康都造成极大的危害，这是现在的侧壁气垫船不可回避的现象，要消除这种现象，必须对引起高频振动围裙进行结构上改进。采用喷射式围裙将来改变这一现象，喷射式围裙上端由轴承固定在船底，围裙的下端无固定，围绕轴承作圆周转动，对波峰水平冲击进行吸收和转换，有效化解波峰对船体的冲击。围裙除轴承旋转产生摩擦外其它均无摩擦部位，轴承具有灵活性强摩擦阻力小承受负荷大转速快，而其圆周运动幅度很小，还具有的耐用性可长时间运转，利用这一优点充分化解波峰高频振动对船体的影响。

　　项目详细用途：

　　通过以上技术的突破和改进，侧壁气垫船整体性能达到很大的改善，具有实用价值，同等尺寸的侧壁气垫船载重量能成倍增加，是提高侧壁气垫船载重量和高性能的很好选择，主要的用途如下：

　　1、增加载重；气垫压力升高使侧壁前垫船载重量增加，改变在相同载重艇重条件下体积较大的缺点，提高船体的有效载重比，同现有等尺寸侧壁气垫船的载重有成倍增加，是侧壁气垫船大型化发展关键技术，具有更大的发展前景和广阔的使用空间。若将“布拉风导弹艇”气垫压力提高到20kPa，其它尺寸不变，载重能从1000t提高到2000t，增加不同气垫压力，载重可提高1-5倍。同等载重艇重减少；　　

2、节能；喷射水帘密封水面缝隙漏气后，漏气量大幅减少，用于加压喷水和补气耗能很小。根据前苏联“布拉风导弹艇”标准排水量750t,满载排水量1050t，估算垫升气压强在7.5kPa-10.5kPa之间，速度达到45kn-50kn,用于垫升气能耗6600匹马力，水线长度60.5m,最大宽度17m,按两边侧壁5m计算，气垫宽度为12m,前后气垫宽度为24m,1m长度气垫耗气功率为275匹马力/m，“野牛”气垫船满载排水量555t，垫升气压强在4.6kPa -5.5kPa之间，垫升气能耗23340匹马力,长度56m，宽度26m，1m气垫耗气功率为142匹马力/m，以这两个1米气垫耗能数据用座标法得出，气垫压力为20kPa 时1米气垫耗能为485匹马力，而喷射密封20kPa时1米最低耗能只有不到8马力，节能效果明显；

　　3、能保持气垫船高速性能；

　　4、降低制造成本；同等尺寸载重量增加一倍，则单位制造成本降低1倍，气垫压力越高，节约的制造成本更加明显；

　　5、穿浪船体与全响应围裙结合承受4-5级海况，适应更大海况航行；

　　6、高频振动转换，利用围裙的旋转运动转化波浪对船体冲击振动，改善船员、设备及仪器工作环境。

       7、增加载重后能承载的物资增加，有效提高续航能力；

预期效益说明：

　　通过改进，形成在现有侧壁气垫船基础上的一种新船型，性能指标大幅度提高。在同等尺寸条件下载重量能成倍增加、能耗降低、速度高，解决了长期困扰侧壁气垫船载重量难以提高的技术难题。适应面广，能在海洋、内河、湖泊使用，制造成本低，节能，运行成本低，响应围裙经久耐用，减少维修成本，侧壁气垫船在未来的吨位和数量空间巨大。侧壁气垫船的发展在使用及经济上迎来质的飞跃，为万吨级及更大的浮岛式海上工作平台提供可靠的技术支撑并有速度的保证。为我国的经济建设，航运事业和国防建设提供优质的水上交通工具，为我国新型侧壁气垫船走向世界提供有利条件，将会创造更的经济效益。