船舶及筏的滾動式航行方法

福建省船舶設(shè)計研究院 程根清

中國是一個幅員遼闊、河流縱橫、海岸線長、島嶼星羅棋布和人口眾多的國家，水路客運在過去的交通運輸中占有重要的地位。但是，由于近代鐵路、公路和航空技術(shù)的突飛猛進，促使傳統(tǒng)的水路客運趨向衰退。我國水上客運量在全社會客運量中所占的比重逐年下降，從1952年的14.7%降至1994年的2.4%。究其原因，現(xiàn)有水路客運船舶的航速慢是主要因素。

一、船舶科技領(lǐng)域里的兩道難題

眾所周知，船舶的高速阻力和淺水阻力大是存在于船舶科技領(lǐng)域里的兩道難題。它們嚴重地影響了水上交通運輸業(yè)的發(fā)展，尤其是水上客運事業(yè)的發(fā)展。面對逐漸衰退的水上客運事業(yè)，船舶科技工作的先驅(qū)者們曾經(jīng)作出過很大的努力，收獲過重要的成果。例如，為了降低船舶的航行阻力，提高船舶的航速，曾相繼發(fā)明了滑行艇、水翼艇、氣墊艇、穿浪型船、小水線面積船和動力氣墊地效翼船等新船型和新品種。但是，這些新船型和新品種還滿足不了人類對船舶快速和節(jié)能的期望和要求。

為此，要使人類水上客運事業(yè)大幅發(fā)展，必須使水上客運船舶的航速有大幅度的提高，必須使水上客運船舶技術(shù)有一個實質(zhì)性的突破，一定要突破現(xiàn)有的思路和方法，走一條船舶降阻增速技術(shù)的新路子。

二、船舶及筏的滾動式航行方法

船舶及筏的滾動式航行方法的結(jié)構(gòu)組成和運行原理與現(xiàn)有的船舶不同。它采用臥式浮筒體產(chǎn)生的浮力來支撐整艘船舶及筏的重量。利用浮筒體與浮筒體軸之間或浮筒體軸與支撐側(cè)體軸承之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系，使船舶及筏航行時與水面間的相對運動變成臥式浮筒體表面與水面之間的滾動關(guān)系，從而改變了船舶及筏航行時的水阻力成分，達到了降阻增速的目的和效果。船模試驗時觀察發(fā)現(xiàn)，水流速度越快，浮筒體的轉(zhuǎn)速越快，浮筒體上的受力（阻力）基本不變，趨于一個接近的穩(wěn)定值。把這種物理力學(xué)現(xiàn)象稱為船舶及筏的滾動式航行方法中的水流阻力逆來有限接受原理。正是由于滾動式航行方式具有這個原理，才能比較圓滿地解決船舶領(lǐng)域里高速阻力大的難題。

淺吃水是船舶及筏的滾動式航行方法具有的又一特性。它解決了船舶在淺水航道中航行時阻力大的又一難題，這亦是滾動式航行方法本身需要具備的重要功能。從圖1中可以看出，滾動式航行方法中推動浮筒體在浮筒體軸上轉(zhuǎn)動的水平推力F就是航行中的阻力。推力越小，意味著滾動式航行船舶的阻力越小。從圖1中還可以看出，作用于浮筒體上驅(qū)動浮筒體轉(zhuǎn)動的水平推力F距離浮筒體軸心的距離d越大，推力F就越小。反之則水平推力F越大。這就決定了滾動式航行的船舶必然或必須具備淺吃水的功能（相對于浮筒體直徑而言）。從阻力性能方面考慮，由理論和實踐得出結(jié)論：滾動式航行船舶的實用吃水h與浮筒體直徑D的比值一般取1/8~1/5為宜。

三、船舶及筏的滾動式航行方法的降阻增速性能

1. 模型計算

圖1 滾動式航行船舶吃水與阻力關(guān)系分析圖

船舶及筏的滾動式航行方法是船舶降阻增速領(lǐng)域里的一條新通道。這條新通道的重要特點就是能使船舶在航行中的水介質(zhì)阻力大幅度下降，尤其能使船舶的高速阻力接近于低速阻力而趨于一個相對較低的穩(wěn)定值，從而為水上客運和快運事業(yè)向高速化、節(jié)能化和高效化發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。那么，為什么這條新通道能出現(xiàn)這種新的、獨特的阻力性能，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)的船舶降阻增速方法則無法做到呢？下面就這一問題作具體解析：首先從物理力學(xué)方面。一個很大的力或潛能很大的力，作用在一個接受力較小的受體上，如果這個受體受力后能向作用力的相同方向作位移，那么，這個受體上接受的作用力大小就等于受體本身擁有的接受力，例如拔河運動等。如果這個受體受力后，不能位移或只能作與作用力方向相反的方向位移，這個受體上接受的作用力大小就等于作用力，例如撐船、撐筏和現(xiàn)有船舶的航行等。船舶及筏的滾動式航行方法就是應(yīng)用了物理力學(xué)原理中的拔河運動現(xiàn)象，即水阻力的逆來有限接受原理。圖2顯示的是一幅可以在軸上自由轉(zhuǎn)動的滾動式航行船舶的浮筒體與軸的組合輪廓圖。從圖2中可以看出，當作用在浮筒體上的水阻力F大于浮筒體本身的接受力FR1時，浮筒體便會繞浮筒體軸中心作順時針方向的迥轉(zhuǎn)，這時驅(qū)動浮筒體迥轉(zhuǎn)的接受力FR1的方向與作用力F的方向相同，這符合物理力學(xué)原理中的拔河運動現(xiàn)象，這時作用在浮筒體上的水阻力大小就等于驅(qū)動浮筒體本身迥轉(zhuǎn)的接受力FR。換句話說，采用船舶及筏的滾動式航行方法的船舶航行時，作用在船舶浮筒體上的水阻力大小，就等于驅(qū)動浮筒體迥轉(zhuǎn)的接受力FR。這種物理力學(xué)現(xiàn)象即滾動式航行船舶獨有的水阻力逆來有限接受原理。

根據(jù)物理學(xué)中摩擦力的計算方法，圖2中驅(qū)動浮筒體迥轉(zhuǎn)的接受力FR可用如下公式計算：

圖2 浮筒體與軸的組合輪廓運動原理圖

其中：μ為摩擦系數(shù)；W為滾動式航行船舶的滿載排水量（總質(zhì)量）。一般情況下，兩個運動件間的摩擦形式確定后，μ為常數(shù)，船舶的滿載排水量為定值，r1/r3為定值。這樣，滾動式航行船舶的接受力FR亦應(yīng)該為一個定值?；蛘哒f，滾動式航行船舶的航行水阻力F為一個相對穩(wěn)定的恒定值。這就是滾動式航行船舶獨有的“水阻力逆來有限接受原理”的理論由來。

滾動式航行船舶擁有的“水阻力逆來有限接受原理”給日趨衰退的水上客運事業(yè)帶來了新希望和實質(zhì)性技術(shù)進步。它不但能使?jié)L動式航行船舶突破現(xiàn)有船舶的實用經(jīng)濟航速極限，還能打破現(xiàn)有船舶航行時的主機能耗隨航速多次方遞增的運動規(guī)律，使水上高速客運和快運的運輸效率得到極大提高。下面就這方面問題舉百舸型模型船舶為例論述之。

百舸Ⅰ型船舶的主尺度為：總長4.6m，總寬2.20 m，吃水200 mm，滿載排水量W=400 kg，載客3人，設(shè)計航速36 km/h（10 m/s）。浮筒體外圍半徑r2=650mm，浮筒體寬B= 650 mm，浮筒體內(nèi)徑配202單列向心球軸承，計算摩擦半徑r1=10 mm，水阻力F或滾動式航行船舶接受力FR的作用半徑r3=517 mm，摩擦系數(shù)μ=0.1。

將上述已知數(shù)代入公式（1）得本百舸I型滾動式航行船舶的水阻力為

取空氣阻力FRa=0.1FRw，得本百舸I型滾動式航行船舶的總阻力為

本百舸I型滾動式航行船舶的主機功率為

本百舸I型滾動式航行船舶的運輸效率為

本百舸I型滾動式航行船舶的阻升比為

本百舸I型滾動式航行船舶的運載效率為

2. 與長城315三體消波快艇對比

為了對滾動式航行船舶技術(shù)的獨特先進性有確切的了解和認識，這里引入技術(shù)性能對比機制。下面介紹的是我國設(shè)計制造的一艘傳統(tǒng)的長城315三體消波快艇，其主尺度為：總長3.50 m，總寬1.52 m，航速35 km/h（9.7m/s），載客3~4人，主機功率18.6 kW。該快艇的運載效率為

由此可見，本百舸I型滾動式航行船舶的運載效率與長城315三體消波快艇相比，約為后者的80倍。

3. 與三種高性能船舶對比

設(shè)本百舸II型滾動式航行船舶的總質(zhì)量W=115 000 kg，航速vS=120 km/h（33.3 m/s），推進效率η=0.49，采用百舸I型滾動式航行船舶的阻升比λ=0.0022，得本百舸II型滾動式航行船舶的總阻力為

下面引入對比的是三種代表現(xiàn)有國際高速船水平的高性能船舶類型，分別為Jetfoil自控雙水翼艇（產(chǎn)于美國）、SEMO-SES側(cè)壁式氣墊船（產(chǎn)于韓國）、伏爾加-2型動力氣墊地效翼船（產(chǎn)于俄羅斯）。這三種船舶技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

從上述計算出的百舸II型技術(shù)性能數(shù)據(jù)來看，其技術(shù)性能優(yōu)勢十分明顯，滾動式航行船舶的運輸效率是自控雙水翼艇的51倍，是側(cè)壁式氣墊船的2 8倍，是動力氣墊地效翼船的55倍。

表1 三類高性能船舶技術(shù)性能參數(shù)一覽表

4. 與其他交通工具對比

將上述計算出的百舸II型滾動式航行船舶技術(shù)性能數(shù)據(jù)與AS332C直升機、輕型航空客機、倍爾捷電動自行車對比，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，滾動式航行船舶的運輸效率是直升機的89倍，是輕型航空客機的54倍，是陸用電動自行車的11倍。

表2 兩種航空和一種陸用交通工具技術(shù)性能參數(shù)一覽表

從表1和表2的參數(shù)中不難看出，船舶及筏的滾動式航行方法擁有的“水阻力逆來有限接受原理”，能給滾動式航行船舶帶來高速、節(jié)能和高效的獨特技術(shù)優(yōu)勢，能使?jié)L動式航行船舶在水上交通運輸工具中出類拔萃，獨占鰲頭。

四、船舶及筏的滾動式航行方法的航行安全性

滾動式航行方法的航行高度安全性是船舶及筏的滾動式航行方法創(chuàng)新技術(shù)的又一獨特技術(shù)優(yōu)勢。這種獨特技術(shù)優(yōu)勢來自滾動式航行方法的獨特結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)組成。本文前面已經(jīng)敘述過，滾動式航行船舶采用多個臥式浮筒體（包括深筒體式和淺筒體式）產(chǎn)生的浮力來支撐整艘船舶的重量，因而每個浮筒體必須是水密封閉型的，即相當于一個獨立的大浮力救生圈。當船舶承載時，僅僅使用了每個浮筒體浮力的一小部分（1/6~1/4的浮力），因此每艘滾動式航行船舶的儲備浮力都很大。即使發(fā)生海損事故也都不會下沉，除非3/4~5/6的浮筒體都失去了浮力。即使這樣，受損船上的乘客也有充分的時間和機會去求救和待救，避免了傷亡，這一特點是現(xiàn)有常規(guī)船舶絕對無法做到的。因此，這種船舶的航行具有很高的安全性。

五、總 結(jié)

船舶及筏的滾動式航行方法是船舶領(lǐng)域里的一項創(chuàng)新技術(shù)，它具有高速、節(jié)能、高效和航行高度安全的獨特技術(shù)性能，充分滿足了人類對水上客運船舶三要素（高速、節(jié)能和安全）的追求并達到了可能達到的最高期望值。它是船舶高速化過程中的一條節(jié)能、高效的新通道，必將為振興人類水上客運和快運事業(yè)作出杰出的時代貢獻。