局部氣墊登陸艇概念研究

鄒勁，孟慶杰，林壯，李曉文

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

在各國(guó)海軍越來(lái)越重視兩棲登陸和瀕海作戰(zhàn)的21世紀(jì)，各海上強(qiáng)國(guó)都在發(fā)展并加強(qiáng)兩棲突擊能力。局部氣墊雙體登陸艇的高航速高適航性，使該船型具有在高速時(shí)運(yùn)載潛在軍事載荷的能力，已成為美、俄、英、法、挪威等國(guó)家致力研究的船型。本設(shè)計(jì)結(jié)合我國(guó)海軍需求的實(shí)際情況，在船型設(shè)計(jì)上結(jié)合傳統(tǒng)的機(jī)械裝置、抬升系統(tǒng)與氣墊船型的低阻力、快速性以及雙體船型高穩(wěn)性、寬甲板的優(yōu)勢(shì)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，減少阻力與吃水。

1 局部氣墊艇型國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 登陸艇型分類

目前，各國(guó)服役的主流登陸艇主要分為常規(guī)排水型登陸艇和氣墊登陸艇。氣墊登陸艇又分為全墊升氣墊船型和部分墊升氣墊船型。部分墊升氣墊船又可分為側(cè)壁式氣墊船型與局部氣墊雙體船型。

1.2 局部氣墊艇型的發(fā)展現(xiàn)狀

1985年西德布洛姆·福斯造船公司便開(kāi)始對(duì)這種雙體氣墊船進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)，并對(duì)樣型作了長(zhǎng)達(dá)4年之久的測(cè)試、修改，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，推出了1種新型的比較成熟的雙體氣墊船——MEKET（長(zhǎng)43.2 m，寬14.4 m，航速50 kn），見(jiàn)圖1。

挪威對(duì)新型高速巡邏艇的設(shè)計(jì)要求最初在1986年就已經(jīng)形成。1994年，挪威國(guó)防部做出決定，發(fā)展1種氣墊雙體船。1999年，“盾牌”號(hào)高速巡邏艇進(jìn)行海試，在進(jìn)行低速、中速及高速（最高航速達(dá)到59 kn）航行時(shí)，都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。2003年10月21日，世界排名第一的“盾牌”號(hào)高速艇進(jìn)入生產(chǎn)階段（長(zhǎng)46.9 m，寬13.5 m，航速56 kn），見(jiàn)圖2。

為了滿足德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防技術(shù)采購(gòu)辦公室（BWB）的要求，2004年5月，德國(guó)IMAA公司提出了一項(xiàng)創(chuàng)新性的局部氣墊雙體（PACSCAT）設(shè)計(jì)，并聯(lián)合德國(guó)戰(zhàn)艦設(shè)計(jì)署共同設(shè)計(jì)出1艘高速局部氣墊雙體船瀕海戰(zhàn)斗艦（長(zhǎng)110 m，寬21 m，航速50 kn），見(jiàn)圖3。

軍事版本的PACSCAT也已經(jīng)過(guò)英國(guó)皇家海軍、美國(guó)海軍的審查，并為英、美兩國(guó)海軍開(kāi)發(fā)完成高速登陸艇設(shè)計(jì)（長(zhǎng)30 m，寬7.7 m，航速30 kn）［1］，見(jiàn)圖4。

2 局部氣墊船型用作戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)平臺(tái)的先進(jìn)性

2.1 高負(fù)載能力與出色的搶灘能力

圖4 英國(guó)局部氣墊雙體登陸艇PACSCATFig.4UK local landing craft air cushion catamaran PACSCAT

雙體船的結(jié)構(gòu)使其具有較大的甲板面積。該船型的甲板面積是長(zhǎng)度相同的高速攻擊艇的3倍，這一特點(diǎn)使其成為理想的武器搭載平臺(tái)。氣墊支撐該船型80%的重量，使該船型吃水僅0.7 m，不僅有效減小了該船型的摩擦力和波浪阻力，而且沒(méi)有單體船常常蒙受的速度耗損（淺水效應(yīng)），可使該船型能在毗鄰海岸線和海灣的地方行駛，可方便高效地進(jìn)行人員和裝備的登陸作戰(zhàn)。

2.2 高效高速

相關(guān)船型數(shù)據(jù)證明，在高速航行下，所需功率僅為相同排水量的高速攻擊艇所需功率的一半，且以最高速度航行時(shí)，該船型的續(xù)航力高出同級(jí)別全墊升氣墊登陸艇的20%。

2.3 出色的穩(wěn)性

寬闊的片體結(jié)構(gòu)與大而平的氣墊首尾封是船體結(jié)構(gòu)的一部分，對(duì)船舶在各種海況下，不管是靜止還是航行中的穩(wěn)性，都有出色的貢獻(xiàn)。

2.4 淺吃水

該船型墊升狀態(tài)的吃水為靜止排水狀態(tài)吃水的一半。用較小功率的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇就可維持在碼頭墊升。與常規(guī)雙體船相比，該船型的吃水極淺，特別是在重載情況優(yōu)勢(shì)尤為突出，見(jiàn)圖5。

圖5 局部氣墊雙體船型與常規(guī)雙體船吃水的比較Fig.5The compare of waterline between PALC and catamaran

2.5 低磁特性

該船型的外形與玻璃鋼夾層的斷面，大大降低了該船的雷達(dá)、紅外和磁信號(hào)特征，從而把敵方的可探測(cè)距離減至最小。此外，由于局部氣墊船型可在淺水區(qū)作業(yè)，它還可以利用海岸線和島嶼作掩護(hù)，盡量避免被敵方探測(cè)到。

2.6 安全性

由于氣墊的存在，可減小水下爆炸沖擊對(duì)艇體的影響并使該船型在惡劣海況下仍可保持高速，而沒(méi)有浪擊損壞船體和甲板設(shè)備的危險(xiǎn)。此外，本船型采用剛性氣封，避免了柔性氣封無(wú)法保持氣墊的存在與穩(wěn)定性，這可能會(huì)引起船體“鵝卵石打水漂”式行駛以及柔性封易損，易被艇抗登陸炮火擊壞等先天性不足。

3 船體設(shè)計(jì)

3.1 船型及用途

本船型采用楔形側(cè)體，雙首、單滑行面尾板、剛性首尾封、噴水推進(jìn)方式的局部氣墊雙體船型。

本船主要用于100 n mile以內(nèi)海域的人員、裝備、物資等的快速輸送任務(wù)。

3.2 主尺度

總長(zhǎng)30.00 m;寬6.60 m;排水狀態(tài)水線長(zhǎng)28.00 m;墊升狀態(tài)水線長(zhǎng)27.15 m;排水狀態(tài)吃水1.45 m;墊升狀態(tài)吃水0.70 m;滿載排水量120 t。

3.3 型線設(shè)計(jì)

型線設(shè)計(jì)要考慮穩(wěn)性及航區(qū)和作業(yè)狀況的要求，為保證技術(shù)要求的合理，應(yīng)對(duì)作業(yè)情況和快速性與穩(wěn)性進(jìn)行綜合考慮，以使良好的快速性和良好的穩(wěn)性達(dá)到綜合平衡［2］。

本研究結(jié)合氣墊船與雙體船設(shè)計(jì)要點(diǎn)，參照實(shí)艇型線資料，對(duì)局部氣墊登陸艇的型線設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探索。典型橫剖線見(jiàn)圖6。

圖6 局部氣墊船設(shè)計(jì)典型橫剖面示意圖Fig.6Typical cross section sketch map of PALC

3.4 總布置

考慮到本艇為軍用艇，總布置中除保證船舶滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，更多考慮的是具有良好的航行性能以及高度的安全性。

本船為作業(yè)艇，在滿足設(shè)計(jì)要求前提下，為減輕重量艙室設(shè)置較為簡(jiǎn)單，僅設(shè)駕駛室、首前艙、機(jī)艙以及燃油、冷卻水等艙室?？偛贾脠D見(jiàn)圖7。

圖7 總布置圖Fig.7General arrangement

3.5 三維圖形仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成艇型三維圖形建模，如圖8所示。

圖8 典型裝載的三維建模Fig.83D modeling

4 性能計(jì)算

4.1 靜水力計(jì)算

船舶靜水力曲線圖全面表達(dá)了船舶在靜止正浮狀態(tài)下浮性和穩(wěn)性要素隨吃水而變化的規(guī)律［3］。準(zhǔn)確地確定排水量、浮心坐標(biāo)等，進(jìn)而計(jì)算出初穩(wěn)心高和縱傾等，從而對(duì)船的性能有一個(gè)準(zhǔn)確的了解。浮態(tài)及初穩(wěn)性計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 浮態(tài)及初穩(wěn)性計(jì)算Tab．1Floating state and initial stability calculation

結(jié)合建模軟件的測(cè)量功能并計(jì)算可得各船型系數(shù):水線面系數(shù)CWP=0.773 5;中橫剖面系數(shù)CM= 0.522 0;方形系數(shù)CB=0.481 0;棱形系數(shù)CP= 0.694 0。

4.2 大傾角穩(wěn)性計(jì)算及穩(wěn)性校核

本次計(jì)算利用已有的側(cè)壁式氣墊船穩(wěn)性的結(jié)果直接計(jì)算恢復(fù)力矩［4］。計(jì)算用圖見(jiàn)圖9，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖9 大傾角穩(wěn)性計(jì)算用圖Fig.9Calculation diagram for large angle stability calculation

以橫傾角為橫坐標(biāo)，以對(duì)基點(diǎn)K的靜穩(wěn)性力臂l0為縱坐標(biāo)，繪制靜穩(wěn)性曲線，如圖10所示。

表2 大傾角穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果Tab．2Calculation result of large angle stability calculation

圖10 靜穩(wěn)性曲線Fig.10Static stability curve

從靜穩(wěn)性曲線的形狀可以看出，雖然初穩(wěn)心高較小，但曲線很快超出在原點(diǎn)處的切線，lmax也不小，穩(wěn)性消失角比較大?？梢?jiàn)其大傾角穩(wěn)性是足夠的。穩(wěn)性是比較理想的。

4.3 阻力計(jì)算與快速性估算

氣墊船阻力成分主要有氣墊興波阻力、氣動(dòng)阻力、船體水阻力3部分。其中，氣動(dòng)阻力又包括空氣型阻力、空氣動(dòng)量阻力、首尾空氣泄流動(dòng)量差阻力［5］。

直接用于氣墊船的氣墊興波阻力計(jì)算是由紐曼（J．N．Newman）與波爾（A．P．Poole）提出的。本艇B/ L=0.157 416，氣墊興波阻力系數(shù)曲線CW計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。本艇墊升狀態(tài)的氣墊興波阻力見(jiàn)圖12所示，氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖11 本艇氣墊興波阻力系數(shù)曲線Fig.11The wave resistance coefficient curve of PALC

圖12 氣墊興波阻力曲線Fig.12The wave resistance curve of PALC

表3 氣動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果Tab．3Calculation result of aerodynamic drag

應(yīng)用回歸分析法估算本艇墊升狀態(tài)的船體水阻力。本艇墊升狀態(tài)的艇體阻力見(jiàn)圖13。

圖13 艇體水阻力曲線Fig.13The hydraulic resistance curve of PALC

艇體總阻力R=RW+Ra+Rt。該艇的各種阻力成分及總阻力曲線見(jiàn)圖14。

在由靜止到全航速的過(guò)渡過(guò)程中，本艇船體將遭受較大的阻力峰。確定該阻力峰值以選擇必要的越峰主機(jī)功率。主機(jī)功率及航速預(yù)估曲線見(jiàn)圖15。

由圖15可以預(yù)估航速為35 kn。所需主機(jī)功率約為1 300 kW，所需功率不足美國(guó)LCAC氣墊登陸艇所需功率的一半。主機(jī)選擇2×MWM TBD616V12，每臺(tái)額定功率1 360 kW。

5 結(jié)語(yǔ)

局部氣墊雙體登陸艇型獨(dú)特，屬新型高性能船舶。通過(guò)總體設(shè)計(jì)與性能計(jì)算可看到，本艇具有寬甲板、高航速、低阻力、低吃水、高穩(wěn)性等優(yōu)點(diǎn)，是日后有潛力進(jìn)行開(kāi)發(fā)的新型艇。

［1］Air Cushion，Catamaran Contribute to an Innovative British Hybrid Landing Craft Design［EB/OL］．http://defenseupdate．com/produ cts/p/pacscat_landing_craft_ 16082010．html．2010－08－16/2011－06－03．

［2］程斌，潘偉文．船舶設(shè)計(jì)教程［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，1990.22－26．

［3］李云波．船舶阻力［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005.123－128．

［4］左遠(yuǎn)源．側(cè)壁式氣墊船大傾角穩(wěn)性的探討［J］．Ship Engineering，1983，3（2）:11－19．

［5］趙連恩．高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.217－222．