超高速水陸兩棲車技術(shù)研究*

賈小平,馬 駿,于魁龍,楊 眾

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系,北京 100072)

超高速水陸兩棲車技術(shù)研究*

賈小平,馬 駿,于魁龍,楊 眾

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系,北京 100072)

近年來,不斷出新的高速航渡技術(shù)大大地提高了兩棲車輛的水上行駛速度,輪式和履帶式高速兩棲車輛航速指標(biāo)均超過了45 km/h,部分接近100 km/h。能否進(jìn)一步減阻增速,達(dá)到近似飛行狀態(tài),給出了超高速兩棲車的概念方案,并作了相關(guān)分析和總結(jié)。

車輛工程;超高速;兩棲車;墊升式

0 引 言

自水陸兩棲車問世至今,已經(jīng)歷近一個世紀(jì),陸續(xù)出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)和用途的兩棲車輛,相關(guān)技術(shù)水平和水上性能也有了質(zhì)的飛躍。不過,目前兩棲車輛總體來說仍舊有排水型和滑水型兩大類,水上航速極限還未超過100 km/h[1]。

目前,普通兩棲車由于水上速度較低,抗風(fēng)浪能力較弱,正在慢慢淡出研究領(lǐng)域。研究人員關(guān)注的焦點放在了高速兩棲車的核心技術(shù)——水上減阻技術(shù)。因為無論是軍用還是民用,高速兩棲車都有較大的市場需求,如在軍用方面可用于兩棲快速登陸突擊、空投、巡邏;在民用方面則可用作抗洪搶險救災(zāi)、兩棲地帶運送物資、灘海娛樂等[2]。高速兩棲車已成為國內(nèi)外投入大量經(jīng)費并積極開展研究的重要項目之一。

但是,至今為止鮮有提及更高航速兩棲車輛的相關(guān)研究內(nèi)容,也就是水上速度能夠達(dá)到150 km/h以上的“超高速兩棲車”。該車的應(yīng)用前景更為廣闊,意義更為重大。當(dāng)然,要實現(xiàn)這一目標(biāo),必須進(jìn)一步縮小車底部與水的接觸面積,降低水上滑行阻力,達(dá)到近似“貼著水皮飛”的狀態(tài)才行,實現(xiàn)難度較大。

1 普通兩棲車現(xiàn)狀

此處提到的普通兩棲車是指水上速度能夠達(dá)到10 km/h左右的兩棲車輛(能夠漂浮在水上、單靠車輪或履帶劃水、水上速度僅有5 km/h的兩棲車輛除外),屬于排水型兩棲車。這類兩棲車主要出現(xiàn)在70年代以前,速度較低,主要用于克服一些江河湖泊。

1.1 結(jié)構(gòu)特點

普通兩棲車輛多數(shù)都是在各類基型底盤上進(jìn)行改裝而來,只是將車輛底部進(jìn)行了防水密封處理,外觀一般采用船形車體,與一般車輛相比,車頭位置較高,類似船頭,一部分會安裝有防浪板,在車輛尾部會多出1～2個螺旋槳或噴水推進(jìn)器和舵槳機(jī)構(gòu),較容易識別。但是為了保證懸掛減振性能,其后橋、減振器、緩沖等零部件不可避免的暴露在車體外面。也就是說,在水中行駛時,由于沒有地面的反作用力,車輪、后橋等部件相對于車底會進(jìn)一步下沉,造成水阻力過大,而且該阻力與水上速度呈正比,增加發(fā)動機(jī)功率也無濟(jì)于事,這也是普通兩棲車輛無法進(jìn)一步提高航速的主要原因。

1.2 性能特點

由于普通兩棲車輛體型小、速度低,大部分車體都浸泡在水中,干舷較低,吃水深,水上行駛阻力主要是由車體外形和外掛附件造成。因此,即便采用了螺旋槳和噴水推進(jìn)裝置,也僅能夠使兩棲車輛在水上達(dá)到12～13 km/h的航速,只能克服一般的江河湖泊等水障礙。在滿足海上搶灘登陸和抗洪搶險救災(zāi)所提出的要求還相差較遠(yuǎn),如圖1為輪式和履帶式普通水陸兩棲車。

圖1 輪式和履帶式普通水陸兩棲車

2 高速兩棲車研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

高速兩棲車輛的速度均超過了對應(yīng)的阻力峰值(一般為22 km/h),進(jìn)入了滑水狀態(tài),隨著速度的進(jìn)一步增加,阻力隨之呈下降趨勢。

從80年代末開始,國外開始將滑水、水翼、氣墊等技術(shù)應(yīng)用于兩棲車輛,在輪式和履帶式高速兩棲車領(lǐng)域均取得了較大進(jìn)展。其中最具代表性的是美國的AAAV水陸兩棲履帶式突擊戰(zhàn)車,輛航速已達(dá)到45 km/h,英國Gibbs Technologies公司也開發(fā)出高速兩棲汽車(HSA)技術(shù),的輪式兩棲車已經(jīng)達(dá)到55 km/h,瑞士Rinspeed公司生產(chǎn)的兩棲汽車已經(jīng)達(dá)到80 km/h,據(jù)最新報道,水上時速達(dá)98 km/h的輪式兩棲車輛已經(jīng)下水。

最近,Gibbs技術(shù)公司和洛克希德·馬丁公司又開始聯(lián)合為軍方開發(fā)三種兩棲運載平臺:①兩棲遠(yuǎn)征作戰(zhàn)飛行器(ACC-E),此飛行器長為6.096 m,水上速度為72.4 km/h,陸上速度為128.7 km/h;②兩棲河戰(zhàn)飛行器(ACC-R),此飛行器長為10.668 m,水上速度為64.4 km/h,陸上速度為104.6 km/h;③Terraquad,其水上速度超過88.5 km/h,陸上速度為80.5 km/h。英、美兩國的聯(lián)合開發(fā)計劃促動了新一輪軍用高速兩棲車輛的研制[3]。

至今以來高速水陸兩棲車同樣也分為履帶式和輪式兩種,但其水上關(guān)鍵技術(shù)既有相同也有不同之處。目前已經(jīng)下水的國內(nèi)外高速兩棲車輛主要采用滑行車體技術(shù)和水翼技術(shù)。

2.1 滑行車體技術(shù)

滑行車體的核心技術(shù)是在水中如何使車輛底盤變?yōu)槊芊獾牧骶€型船體,一般是通過升降行走機(jī)構(gòu)來達(dá)到此目的。

從行動部分結(jié)構(gòu)來看,履帶式車輛的提升高度有限,實現(xiàn)滑行車體的難度要大一些,只能部分減小附件阻力。如圖2是2004年美國民間研制出的履帶式高速兩棲車,水上最高速度能達(dá)到48 km/h,而且能夠輕松對付泥濘的平地、沼澤、冰面、雪地和湖泊,同時能夠攜帶680 kg的負(fù)載。車長6.4 m,安裝了橡膠履帶,使用了結(jié)構(gòu)簡單的垂直液壓裝置,入水后能讓履帶直接升起,收放自如。圖3為美國的AAAV水陸兩棲履帶式突擊戰(zhàn)車水上推進(jìn)系統(tǒng)總布置。

圖2 民用履帶式高速兩棲車

圖3 履帶式高速兩棲車水上推進(jìn)系統(tǒng)總布置

而輪式車輛一般都是通過組合式“翻轉(zhuǎn)-提升”車輪來實現(xiàn)滑行車體,提升高度可達(dá)500～600 mm,滑行狀態(tài)下可基本避免附件阻力影響。如英國Gibbs公司生產(chǎn)的Aquada于2003年末首次亮相,如圖4所示。當(dāng)汽車駛?cè)胨?計算機(jī)感應(yīng)到水深已經(jīng)能夠滿足飚船深度,就會把車輪收到車底盤,從汽車變形成為船的過程僅需6 s。水上時速55 km/h,陸上時速160 km/h,該車動力是一個175馬力、2.5升、24閥的V6發(fā)動機(jī)。噴水推進(jìn)器是Gibbs公司開發(fā)的專有部件,重量輕巧且體積緊湊?？商峁? t的推力,推進(jìn)器長0.89 m,重40 kg。

但輪式車輛提升車輪的同時也會引起相應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)干涉、動力輸出機(jī)構(gòu)解脫、懸掛阻力突增等難題。目前能夠?qū)崿F(xiàn)車輪提升的技術(shù)方案有兩種可行:①采用可控油氣懸掛技術(shù),結(jié)構(gòu)簡單,如圖5所示為英國Gibbs公司的HSA技術(shù)。但其成本較高,且可靠性和壽命取決于工藝技術(shù)水平高低。最關(guān)鍵的是該技術(shù)對陸地行駛狀態(tài)下輪胎擺動和磨損情況還沒有獲得數(shù)據(jù)驗證;②采用扭桿懸掛匹配閉鎖油缸技術(shù),結(jié)構(gòu)與英國Gibbs公司的HSA技術(shù)完全不同,但成本低,可靠性高。試驗證明不會對原有陸地行駛性能有任何改變,如圖6所示。

圖4 Aquada高速兩棲轎車

圖5 Gibbs公司的HSA技術(shù)

高速兩棲車輛的油氣懸掛系統(tǒng)不同于一般的陸地行駛車輛使用的距地高度可調(diào)的油氣懸掛。因為車輛入水之后,車輪呈自由下垂?fàn)顟B(tài),沒有支撐反作用力。此時,車輪的提升和翻轉(zhuǎn)需雙向作用油缸來實現(xiàn),而且還要確保靜位置下的預(yù)緊壓力不變。所以還需另一個油缸來保證預(yù)緊油量。也就是說每個車輪需要2個油缸才能完成準(zhǔn)確的車輪升降動作。當(dāng)然,采用一個油缸和位置監(jiān)測系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)該功能,但從可靠性、精度和成本上考慮,并不是最簡潔方案。

2.2 水翼技術(shù)

水翼船是一種在普通體下安裝有浸在水中的水翼的船舶。它在高速航行時,水翼產(chǎn)生升力,速度愈快,升力愈大,將船體抽上拖起,它可明顯減小船體在水中航行所產(chǎn)生的阻力。

借鑒于船舶的水翼技術(shù)也能夠使車輛實現(xiàn)在水面上高速航行的目的,只是此時車體完全在水面以上,沒有任何阻力產(chǎn)生,也不用提升車輪。

由瑞士Rinspeed生產(chǎn)的水陸兩棲車Splash采用了水翼艇技術(shù),可以讓車身整個浮在水上行駛,使用環(huán)保的天然氣作為燃料,在水上的最高時速可以達(dá)到80 km/h,陸上達(dá)到200 km/h[4]。但水翼技術(shù)需要提供較大的推進(jìn)功率才能產(chǎn)生足夠的升力托起整個車體,該車在低速航行條件下阻力較大,其推進(jìn)系統(tǒng)和水翼翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也并不簡單,如圖7所示。

圖6 扭桿翻轉(zhuǎn)—提升技術(shù)

圖7 瑞士Splash高速水陸兩棲車

3 未來超高速兩棲車技術(shù)展望

未來高速水陸兩棲車輛的高速航渡技術(shù)下一步如何發(fā)展,航速如何進(jìn)一步提高,還要借鑒許多船舶、快艇和地效飛行器方面的新技術(shù)。從目前來看,有動力氣墊技術(shù)和地效翼技術(shù)兩種技術(shù)可以借鑒。

3.1 動力氣墊技術(shù)

動力氣墊和靜氣墊相比,直觀的看,沒有通常的圍裙,也沒有專用的鼓風(fēng)機(jī)。它是利用了地面效應(yīng)的動力氣墊原理,即將動力裝置產(chǎn)生的螺旋槳滑流或噴氣流引入船身下部空間,產(chǎn)生支承全艇大部分重量的動力氣墊,將船身大部分抬離水面,從而大大減少航行時的水動阻力?？蓪崿F(xiàn)超淺吃水航行或在沼澤、灘涂和沙灘上快速運動。動力氣墊的特點是在運動中始終不離開水(地)面,其行駛穩(wěn)定性優(yōu)于靜氣墊。目前,俄羅斯也將動力氣墊技術(shù)納入A類地效翼船范圍,并稱為TAP(兩棲運輸平臺)技術(shù)[5]。

巡航狀態(tài),氣動力和沖翼效應(yīng)產(chǎn)生的升力支承了75%～80%的船重,其余20%～25%的船重由船身吃水的濕表面水動升力支承,這樣使船身始終處于淺吃水狀態(tài)運行,也保證了TAP的推進(jìn)品質(zhì)(Kη=GV/ 75 N)在傅汝德數(shù)FrD=6～8時,可達(dá)到5～7,實際上已經(jīng)超過了全墊升式氣墊船和側(cè)壁式氣墊船[6]。

據(jù)報道,最小的動力氣墊船僅采用1臺25馬力的RMZ640發(fā)動機(jī),就能夠搭載2人,創(chuàng)造時速75 km/h的速度記錄。從統(tǒng)計結(jié)果看,TAP常用的航速一般在90～220 km/h左右,波浪下航速在60～180 km/h左右,如圖8、9所示。

圖8 TAP自航模試驗

圖9 動力氣墊快艇

高速兩棲車輛采用TAP技術(shù)后,帶來的將螺旋槳滑流或噴氣流引到車體下部空間,在車底和水面之間產(chǎn)生支承全艇大部分重量的動力氣墊,可使車體大部分抬離水面,減少航行時的水阻力,可以大幅提高航行速度。從結(jié)構(gòu)上看,不需要單獨設(shè)置圍裙,也不需要機(jī)翼。更不需要大功率鼓風(fēng)機(jī)。其最大特點是可以實現(xiàn)低速墊升,小半徑轉(zhuǎn)向。

但是,需要解決的是:在地面如何實現(xiàn)車輪支撐和墊升重量比例分配問題。目前來看,采用大行程擺臂式油氣懸掛結(jié)構(gòu)能夠解決該問題。

3.2 地效翼技術(shù)

地效翼實際上是在前面提到的TAP平臺增加了機(jī)翼,可以使車體和附件進(jìn)一步與水面分離,甚至完全離開水面,進(jìn)入飛行狀態(tài),成為真正的地效飛行器。

地效飛行器的航速是普通艦艇的10倍甚至10倍以上,是氣墊船的3倍以上。其次是安全性高。地效飛行器在距離水面1～6 m的高度低空飛行,一旦出現(xiàn)緊急情況,可隨時在水面降落。再者,地效飛行器具有較好的抗浪性,小型機(jī)可抗浪1 m左右,中型機(jī)可抗3 m左右的浪,大型機(jī)對5 m的浪也無需過慮。當(dāng)然,在陸地上,也可以輕易飛越沙漠、沼澤、雪地[7]。地效飛行器用于軍事領(lǐng)域的優(yōu)點也顯而易見:航速快、承載量大、隱形效果好、適航性優(yōu)異,能貼近地面或海面、沙漠或沼澤表面飛行,可以利用雷達(dá)的盲區(qū),悄無聲息地快速接近目標(biāo),用于突擊登陸,能夠輕易越過岸邊反登陸障礙物和地雷,圖10為三棲裝甲突擊車的概念圖。

圖11所示的就是2007年美國Terrafugia公司推出的飛行汽車。該車重量僅為0.5 t左右,承載重量約195 kg,可搭載兩個成年人和一些行李[8]。發(fā)動機(jī)動力為100馬力,機(jī)翼可折疊,只需按一下按鈕,即可變成一架翼展7 m多、時速可達(dá)200 km/h的“飛機(jī)”。理想的飛行高度為100～300 m。

圖10 三棲地效裝甲突擊車

圖11 小型地效翼三棲飛 行車輛

3.3 超高速兩棲概念車

討論的任何一種高速兩棲車,任何一種滑行姿態(tài),其車體底部都還離不開水面,仍舊存在著較大的水上阻力,這一點是毋庸置疑的。若要進(jìn)一步提高航速,達(dá)到超高速兩棲車輛的技術(shù)指標(biāo)(我們認(rèn)為超高速兩棲車輛的水上速度起碼應(yīng)該大于150 km/h,)就需要進(jìn)一步降低水上阻力,要實現(xiàn)這一點難度是相當(dāng)大的。若能將動力氣墊和地效翼技術(shù)結(jié)合起來,再根據(jù)兩棲車輛特點適當(dāng)取舍,形成超高速兩棲車的技術(shù)方案,需要遵循兩個設(shè)計原則:①必須要有兩個側(cè)板插入水中形成封閉氣流通道;②最好有雙翼提供更大的垂直升力。

由于兩棲車輛的尺寸不能夠像船舶和飛行器那樣隨意放大,重量和負(fù)載較重,所以,目前也沒必要要求超高速兩棲車實現(xiàn)飛行,只要能夠利用動力氣墊托起車體,車底部和附件離開水面,兩翼插入水中(不提供升力),避免較大的水阻力出現(xiàn),就可以進(jìn)入不同于前面高速兩棲車的超高速墊升滑行狀態(tài)。

但是根據(jù)以上要求設(shè)計超高速兩棲車遇到的難題是:①兩側(cè)板布置過低會影響地面行駛通過性,過高在水上影響通道封閉,還要設(shè)計一套車輪提升裝置,結(jié)構(gòu)復(fù)雜并增加重量;②雙側(cè)機(jī)翼造成車輛寬度尺寸較大,影響道路行駛,且機(jī)翼的收放還要有折疊機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng),空間狹小,難以實現(xiàn)。為此,提出一種墊升式超高速兩棲車輛,是一種將動力氣墊、地效翼和地面車輛技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它采用可變形的組合式車體,變形后的車體在水上組成一個倒置的W形密封車體,具有2個線型光滑的底部氣流通道和較大的氣墊面積。這種結(jié)構(gòu)方式既能保證路面的正常行駛通過性,也能達(dá)到兩側(cè)插板和機(jī)翼功能的要求,如圖12。

它具有二種工作模式:陸地工作模式-水中工作模式,對應(yīng)的兩種工作狀態(tài):車體收攏狀態(tài)和車體展開狀態(tài)。①陸地工作模式:當(dāng)兩側(cè)邊車體收攏時,車體外廓與普通車輛相同,所有車輪(履帶)通過懸掛系統(tǒng)接地。此時,利用地面提供的附著力,通過輪轂電機(jī)或機(jī)械裝置推動車輛完成直線、轉(zhuǎn)向行駛;②水中工作模式:當(dāng)兩側(cè)邊車體展開時,全部車輪(履帶)翻轉(zhuǎn)到水面以上,首先可以獲得一個類似于三體船的光滑外廓,組成一個倒置的W型結(jié)構(gòu),形成2個獨立的縱向通道。同時,車體的底部面積成倍增加,可進(jìn)一步降低墊升氣流壓力要求。

圖12 墊升式超高速兩棲車輛原理圖

水中超高速行駛時,將涵道風(fēng)扇的氣流引入車體下部的兩個通道中,氣流在車底和水面之間形成動力氣墊,動力氣墊抬升車體,同時提供推力,隨著車體位置升高,吃水線減少,水上行駛阻力會再度下降,便可實現(xiàn)水上超高速航行,速度可達(dá)到150～200 km/h。若要進(jìn)一步降低燃油消耗,可增加一個噴水推進(jìn)器,僅在中低航速下行駛既可。

4 結(jié) 論

雖然近年來國內(nèi)外在高速兩棲車輛技術(shù)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步,但從部隊作戰(zhàn)和民用市場的需求來看還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,采用動力氣墊和地效翼技術(shù)相結(jié)合的方法可有望研制出性能更好的超高速兩棲車輛,使其技術(shù)指標(biāo)獲得進(jìn)一步提高。為國家和軍隊提供更先進(jìn)的水陸兩棲快速機(jī)動平臺。

[1] 白向華,呂建剛,高 飛,等.基于蛇怪蜥蜴踏水機(jī)理的水面推進(jìn)技術(shù)研究[J].實驗流體力學(xué),2012,25(6):6-10.

[2] 徐一新.基于運動特性的兩棲車輛關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué),2013.

[3] 宋桂霞.水陸兩棲車輛減阻增速關(guān)鍵問題研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008.

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Technology Research on Ultra High Speed Amphibious Vehicle

JIA Xiao-ping,MA Jun,YU Kui-long,YANG Zhong
(Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

In recent years,a new high-speed navigation technology greatly improves the water speed of amphibious vehicle, the speed indicators of both wheel type and tracked high-speed amphibious vehicles are more than 45km/h,some are close to 100km/h.Whether it could increase velocity by resistance reduction to achieve the approximate flight state or not,the concept of ultra-high speed amphibious vehicle is given in this paper,and the relevant analysis and summary are then made.

vehicle engineering;ultra high speed;amphibious vehicle;cushion type

TH132

A

1007-4414(2015)05-0046-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.015

2015-08-05

賈小平(1958-),男,云南昆明人,教授,研究方向:車輛系統(tǒng)論證、仿真與評估。