美國(guó)氣墊登陸艇圍裙技術(shù)發(fā)展及分析

傅 華

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011）

美國(guó)氣墊登陸艇圍裙技術(shù)發(fā)展及分析

傅 華

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011）

［摘 要］文中介紹了美國(guó)氣墊登陸艇（LCAC）圍裙的技術(shù)發(fā)展歷程，隨著艇裝載量、耐波性、全壽命周期維護(hù)等總體性能和作戰(zhàn)使用要求的提高，圍裙技術(shù)在不斷發(fā)展改進(jìn)。通過利用先進(jìn)的計(jì)算分析及三維設(shè)計(jì)軟件，提高了圍裙設(shè)計(jì)放樣精度與壽命，降低了波浪中阻力，改善高速抗埋首及側(cè)滑安全性，減輕自重也減少了維護(hù)工作量。此外，圍裙改進(jìn)均經(jīng)過拖曳船模試驗(yàn)以及實(shí)艇的長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)。這些技術(shù)手段及科研思路值得國(guó)內(nèi)學(xué)習(xí)與借鑒。

［關(guān)鍵詞］氣墊登陸艇；艦岸連接器；圍裙；套指；響應(yīng)度

引 言

圍裙、墊升風(fēng)機(jī)、導(dǎo)管空氣螺旋槳、首噴管是氣墊登陸艇特有的設(shè)備，其中圍裙與墊升風(fēng)機(jī)、氣道等組成墊升系統(tǒng)［1］。圍裙在高壓氣流作用下充氣圍成氣墊而墊升艇體，使艇具有兩棲性；高置的導(dǎo)管空氣螺旋槳推進(jìn)方式，使艇完全擺脫常規(guī)水螺旋槳受吃水的限制；首噴管增加了操縱手段，可提高艇低速操縱性、改善抗側(cè)風(fēng)性能。

美國(guó)氣墊登陸艇從20世紀(jì)60年代的母型試驗(yàn)艇JEFF A、JEFF B，到20世紀(jì)80年代開始列裝的LCAC和本世紀(jì)初的延壽型LCAC，再到正在建造之中的升級(jí)換代產(chǎn)品艦岸連接器（SSC），歷經(jīng)50余年的發(fā)展，其中圍裙、主機(jī)的升級(jí)換代尤為明顯［2］。這主要是因?yàn)橹鲬?zhàn)坦克的發(fā)展對(duì)艇裝載量提出了更高的要求，而塢載特點(diǎn)又限制了艇主尺度基本不變［3］。因此，為保證艇有效裝載量增大情形下艇總體性能仍有所提高，降低艇阻力與提高推力（主機(jī)功率）是主要手段，圍裙與艇阻力密切相關(guān)，其型線相當(dāng)于常規(guī)船的線型，關(guān)系到全墊升氣墊船的快速性、墊升性、穩(wěn)性、耐波性、操縱性、安全性等總體性能，因此，圍裙技術(shù)是氣墊艇發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，美國(guó)氣墊登陸艇圍裙技術(shù)經(jīng)過50余年的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，極大支撐了艇總體性能的提升。

1 LCAC圍裙總體構(gòu)型發(fā)展演化

英國(guó)是氣墊船研究的鼻祖，其氣墊船早期主要用作英吉利海峽渡輪，現(xiàn)Griffon系列氣墊船兼顧軍民兩用，英國(guó)氣墊船公司（BHC）最早在氣墊船上成功應(yīng)用囊指形低阻高耐波性響應(yīng)圍裙［4］。美國(guó)氣墊登陸艇圍裙技術(shù)起源于英國(guó)的BHC公司，LCAC圍裙即由BHC設(shè)計(jì)制造，后由CDIM-SDD（原Band， Lavis & Associations）公司負(fù)責(zé)圍裙技術(shù)研究，目前已開發(fā)出第四代深型響應(yīng)圍裙。

目前，LCAC的深型響應(yīng)圍裙代表圍裙系統(tǒng)綜合發(fā)展方向，其起源于BHC SRN4氣墊渡輪上所采用的囊指型圍裙，參見圖1。

SRN4從1968年開始穿梭于英吉利海峽，其最初長(zhǎng)約39.62 m（后MK3接長(zhǎng)到54.86 m）、寬約23.77 m、氣墊高2.44 m，擁有橫向與縱向穩(wěn)定隔裙，采用“T”型分隔形式將氣墊分為三部分（前氣室、左后氣室、右后氣室），提供艇墊態(tài)（側(cè)向）穩(wěn)性。20世紀(jì)70年代，貝爾宇航（Textron）在JEFF B上采用類似的囊指型圍裙系統(tǒng)，同樣包含橫向與縱向穩(wěn)定隔裙。隨后Textron在20世紀(jì)80年代為首艘LCAC安裝了基本相同的囊指型圍裙系統(tǒng)，但不久即認(rèn)識(shí)到尾部手指與縱向隔裙是產(chǎn)生大量維護(hù)花費(fèi)的源泉；為此將縱隔裙在橫隔裙前面的部分取消以減少維護(hù)工作量，使氣墊分隔由“十”字型變?yōu)椤癟”字型。

基于海軍20世紀(jì)70年代在Aerojet的SES-100A側(cè)壁式氣墊船（不具備兩棲性，同雙體船一樣有側(cè)部船體，但擁有首、尾氣封圍裙）使用經(jīng)驗(yàn)，尾部手指改用將滑行面添加到尾指底部的滑板指型式如圖2所示。

圖1 BHC公司開發(fā)的典型囊指型圍裙

圖2 尾部滑板圍裙指

與原尾部手指相比，也許滑行面盡管在艇倒退時(shí)更易受損，但滑板指被證明在艇正常運(yùn)行時(shí)更為耐用，同時(shí)也有利于減小阻力。大多基于費(fèi)用考慮，減少縱向隔裙維護(hù)分為兩步。首先，將縱向隔裙下端連續(xù)小囊更換為相互獨(dú)立的手指，由此減少維護(hù)工作，同時(shí)使縱向隔裙上部大囊維持初始裝艇狀態(tài)繼續(xù)使用。但當(dāng)由于主戰(zhàn)坦克自重增加而導(dǎo)致艇載重量增加時(shí)，顯然需要增大主機(jī)功率與提高圍裙系統(tǒng)性能，以使LCAC可在波高1.22～1.52 m的海浪中高速巡航。SLEP（延壽計(jì)劃）與LCAC“深型圍裙”可以滿足上述要求，同時(shí)取消縱向隔裙（同樣源于20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)80年代期間所獲得的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)）。此次，數(shù)據(jù)源于JEFF A試驗(yàn)艇，其采用D.R.LAVIS幫助研發(fā)的“囊筒指”以提供墊態(tài)橫傾/縱傾的復(fù)原力矩，而不是分隔氣墊的方法。不同于手指成型后圍成開式的“U型”，以使墊升氣流從圍裙大囊直接進(jìn)入氣墊，囊筒指成型后圍成自身封閉的“O型”，其內(nèi)部壓力隨縱傾或橫傾運(yùn)動(dòng)而升高。囊筒指處于艇周邊圍裙大囊下部以便分配氣流，因此，囊筒指型圍裙不再需要將氣墊分隔成氣室以產(chǎn)生橫傾/縱傾復(fù)原力臂/力矩，參見圖3、圖4。

圖3 JEFF B的囊指型圍裙與JEFF A的囊筒型圍裙

圖4 套指下端形成的封閉“O”型與開式手指下端形成的開放“U”型

圖5 側(cè)部套指圍裙橫穩(wěn)性原理示意圖

但是，囊筒指易于在后緣兜水而產(chǎn)生附加阻力。Textron通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為維持最低橫傾復(fù)原力矩，可在LCAC圍裙系統(tǒng)側(cè)部外手指的內(nèi)側(cè)安裝內(nèi)手指來獲得類似囊筒指的作用。該布置形成所謂的“O型”以產(chǎn)生橫傾復(fù)原力矩而阻力小于囊筒指的。為此，在深型圍裙系統(tǒng)中，LCAC并排裝有內(nèi)指并取消將氣墊分隔為氣室的縱向隔裙，在首部仍采用開式手指、尾部采用滑板指的同時(shí)，保留橫向隔裙以產(chǎn)生縱傾復(fù)原力矩。

總而言之，20世紀(jì)末，因LCAC拍岸浪區(qū)域內(nèi)的掃雷需求而開發(fā)了第一代深型響應(yīng)圍裙，裙高由1.52 m提高到2.13 m，以增加自由干舷并防止拍岸浪打到導(dǎo)管空氣螺旋槳，側(cè)部改為雙囊以維持圍裙墊態(tài)寬度不變，滿足進(jìn)出母艦塢艙要求；同時(shí)側(cè)部圍裙下部采用套指以提高橫穩(wěn)性，取消了縱向隔裙可減小其產(chǎn)生的阻力與高維護(hù)要求［5］。經(jīng)過縮尺1∶12拖曳船模上的墊態(tài)穩(wěn)性、阻力及耐波性試驗(yàn)，以及縮尺1∶6船模上的耐波性及不同拍岸浪情況下的推力需求試驗(yàn)，又在LCAC-66 和LCAC-15上分別進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)和實(shí)船運(yùn)行考驗(yàn)后，才正式確定換裝深型圍裙。

第二代深型響應(yīng)圍裙是為芬蘭的戰(zhàn)斗巡邏艇T-2000研制的，因T-2000不需要進(jìn)出母艦塢艙，屬于自由設(shè)計(jì)，可加大氣墊尺寸而使艇具有較低的氣墊密度，側(cè)部改為單囊套指圍裙，同時(shí)氣墊手指下端點(diǎn)外移、處于外接點(diǎn)之外，以增加響應(yīng)度［6］。2001年11月至2003年11月期間的航行試驗(yàn)表明，套指圍裙使得T-2000在某些運(yùn)行狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)率超過2 °/s；同時(shí)低頭埋首邊界大大超出艇的速度/海況/重心縱向位置的運(yùn)行限界；并且低頭埋首反應(yīng)比常規(guī)囊指圍裙大為緩和。這與安裝第一代深型響應(yīng)圍裙的LCAC（SLEP）上獲得的使用經(jīng)驗(yàn)相同。第三代深型響應(yīng)圍裙是為韓國(guó)的氣墊登陸艇LSF-II研制的，其充分借鑒了前二代圍裙的使用經(jīng)驗(yàn)，研究重點(diǎn)放在減小風(fēng)浪中的圍裙阻力與進(jìn)一步提高乘坐舒適度，因LSF-II需進(jìn)出“獨(dú)島”號(hào)兩棲攻擊艦的塢艙，氣墊尺度受限，側(cè)部又改回雙囊套指圍裙［7］。圍裙在波浪中的阻力逐代降低，見圖6。

圖6 LCAC前三代深型圍裙阻力成分比較

LCAC圍裙發(fā)展歷程如圖7所示。

圖7 LCAC圍裙發(fā)展（依次為JEFF B、JEFF B改進(jìn)、LCAC、LCAC（SLEP）、T-2000、LSF-II）

圖8 美國(guó)為SSC開發(fā)的第四代深型圍裙

第四代深型先進(jìn)圍裙系統(tǒng)（見下頁圖8）研究分三個(gè)階段進(jìn)行，第一階段著眼于圍裙方案設(shè)計(jì)、權(quán)衡比較與可行性研究以及其他運(yùn)行參數(shù)。第二階段進(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，為縮尺1∶12拖曳船模制作多套模型圍裙用于水池試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，第三階段開發(fā)、制作實(shí)尺度原型圍裙進(jìn)行試驗(yàn)，將選出的先進(jìn)圍裙系統(tǒng)制成實(shí)尺度原型圍裙并裝載于LCAC-66進(jìn)行實(shí)船試用。前期經(jīng)CDI Marine、Icon Polymer、Textron等三家公司的競(jìng)爭(zhēng)，通過1∶12縮尺船模三套圍裙大量的阻力、耐波性等方面的水池拖曳對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過一個(gè)多月加班加點(diǎn)的連續(xù)試驗(yàn)，最終優(yōu)選出顛覆圍裙傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的Textron減小裙高的單囊套指圍裙，保證了在艇高海況下航速及進(jìn)出母艦要求。研發(fā)前期階段的縮尺模型試驗(yàn)表明，先進(jìn)圍裙系統(tǒng)在減阻、維護(hù)、自重及費(fèi)用方面均優(yōu)于現(xiàn)有圍裙系統(tǒng)。2009年5月至2009年10月期間的實(shí)艇圍裙試驗(yàn)，主要集中在3個(gè)方面：圍裙靜態(tài)性能、航行安全性及阻力性能。其中，圍裙靜態(tài)性能測(cè)試包括在不同艇重及主機(jī)轉(zhuǎn)速下充氣成型幾何形狀與氣墊高度測(cè)量、陸上墊態(tài)縱/橫穩(wěn)性與囊壓比驗(yàn)證。航行安全性試驗(yàn)包括不同航速與海況條件下的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、觀察不同航速下艇縱向重心處于極限位置時(shí)低頭埋首趨勢(shì)，以及一系列高速側(cè)滑試驗(yàn)。阻力性能試驗(yàn)為艇排水量變化范圍為117.9～167.8 t、試驗(yàn)海況條件從靜水到有義波高1.40 m時(shí)的航速測(cè)試。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)分析，先進(jìn)圍裙系統(tǒng)展現(xiàn)出不僅具有足夠的航行安全性、動(dòng)穩(wěn)性，而且在不同海況及艇重時(shí)阻力下降5%～10%，這相當(dāng)于消耗相同功率情況下載重量增加6.8～13.6 t。除提高性能外，實(shí)尺度圍裙系統(tǒng)的維護(hù)性能也得到改進(jìn)，特殊部件種類減少，通用手指與側(cè)部分段數(shù)量增多。側(cè)部分段不再采用雙囊型式，從而消除雙囊之間水平隔片的維護(hù)要求，圍裙也因此可減輕約1.2 t。目前圍裙繼續(xù)在LCAC-66上進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)。計(jì)劃進(jìn)行實(shí)尺度圍裙系統(tǒng)在LCAC惡劣運(yùn)行環(huán)境條件下的長(zhǎng)期耐用性試驗(yàn)［8］。

美國(guó)氣墊登陸艇圍裙構(gòu)型如表1所示，美國(guó)為SSC開發(fā)的第四代深型圍裙參見圖8。

表1 美國(guó)氣墊登陸艇圍裙構(gòu)型

2 圍裙性能初步對(duì)比分析

2.1 側(cè)部圍裙典型剖面

氣墊船耐波性要求側(cè)部圍裙響應(yīng)度大，一般說來，側(cè)部圍裙手指下端點(diǎn)外移至剛性結(jié)構(gòu)（圍裙外接點(diǎn)）垂線之外，可獲得較大響應(yīng)度。LCAC圍裙因進(jìn)出母艦塢艙需控制側(cè)部圍裙充氣后的最大輪廓形狀（氣墊寬度），側(cè)部圍裙手指下端點(diǎn)位于剛性結(jié)構(gòu)（圍裙外接點(diǎn)）垂線之內(nèi)；而芬蘭的T-2000圍裙屬于自由設(shè)計(jì)，側(cè)部圍裙手指下端點(diǎn)位于剛性結(jié)構(gòu)（圍裙外接點(diǎn)）垂線之外，圍裙響應(yīng)度較大，從其航行試驗(yàn)錄像可以發(fā)現(xiàn)，在波浪中其側(cè)部圍裙具有明顯的隨浪起伏。

圖9 美國(guó)JEFF B、LCAC SLEP、T-2000、SSC的側(cè)部圍裙

表2 J EFF B、LCAC SLEP、T-2000、SSC的側(cè)部圍裙手指底端位置

2.2 首部圍裙典型剖面

在保證成型寬度基本不變的前提下，美國(guó)LCAC延壽計(jì)劃將圍裙墊升高度由1.5 m增加到2.1 m以改善適航性。主要變化還包括：首部圍裙大囊半徑隨其設(shè)計(jì)墊升高度變化而大幅增加，同時(shí)取消早期艇上的防飛濺裙。LCAC早期艇與延壽艇的首部圍裙大囊成型對(duì)比見下頁圖10、圖11。

LCAC延壽艇圍裙裙高的增加，主要出于改善拍岸浪中運(yùn)行安全性需要。為改善首部圍裙在高速觸水時(shí)的抗縮進(jìn)能力，增大首部圍裙大囊半徑以提高大囊張力，從而導(dǎo)致首部圍裙大囊成型類似“大包頭”形狀；結(jié)合手指傾角的減小抑制首部圍裙手指下端正面飛濺在艇整體氣流場(chǎng)作用下回卷形成而影響上層建筑的水霧量。減小手指傾角α可誘導(dǎo)正面飛濺盡量向遠(yuǎn)處而不是向高處噴濺；升高圍裙以及采用“大包頭”形狀，可利用高速航行形成正面下壓流場(chǎng)，抑制飛濺反卷至上層建筑的水霧量。通過實(shí)艇試驗(yàn)和使用表明，LCAC延壽艇首部圍裙獲得比早期艇設(shè)置防飛濺裙更佳的飛濺抑制效果，并且消除了設(shè)置防飛濺裙所帶來的航行安全隱患。

LCAC延壽艇的首部圍裙設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于飛濺具有一定的抑制作用，而且既避免原圍裙另外設(shè)置防飛濺裙所帶來的航行安全隱患，又不會(huì)增加艇重；因而廣泛運(yùn)用于美國(guó)幫助研發(fā)的芬蘭T-2000和韓國(guó)LSF-II等類似美LCAC的氣墊登陸艇上。正在建造中的新一代高密度塢載氣墊登陸艇SSC則繼續(xù)沿用該首部圍裙設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖10 LCAC上第一代深型圍裙與原1.52 m圍裙墊態(tài)成型比較

圖11 SSC上第四代深型圍裙與JEFF B原1.52 m圍裙首部圍裙成型比較

圖12 圍裙手指與大囊的連接及大囊門幅之間的連接

3 圍裙材料與壽命

典型圍裙系統(tǒng)包括大囊、手指、連接件等，其中大囊連于艇體或剛性結(jié)構(gòu)、手指連于大囊下部［9］，見圖12。

氣墊船首部圍裙經(jīng)受極端惡劣運(yùn)行環(huán)境條件，其膠布材料必須具備柔性、氣密性、高拉伸性與抗疲勞性能。因此，要求圍裙材料以織物為骨架基礎(chǔ)，正反兩面涂覆橡膠保護(hù)層經(jīng)高溫硫化而形成“三明治”式結(jié)構(gòu)的膠布［10］，見下頁圖13。骨架織物首選“尼龍66”，其具有優(yōu)良的抗疲勞性能及較低的吸水性。“尼龍66”高捻紗線采用平針編織形成具有小間隙的柔性織物，而使覆層橡膠透過織物間隙相互粘結(jié)在一起。覆層橡膠硫化后則可使膠布具有氣密性。LCAC圍裙膠布上涂敷的橡膠為天然膠與聚丁二烯的混合物，與汽車輪胎及傳送帶上使用的膠料完全相同。天然膠易于抗裂紋且具有較低滯后性，可抵御手指末端高頻振動(dòng)過程中的熱量積聚。氯丁膠也具有優(yōu)良的化學(xué)性能及抗紫外性能，從而得到廣泛應(yīng)用。

圖13 “三明治”式圍裙膠布典型結(jié)構(gòu)

第一代深型圍裙設(shè)計(jì)制造時(shí)，采用AutoCAD 3D建模并使用Ship-CAM軟件放樣展開。應(yīng)用于芬蘭的T-2000上的第二代深型圍裙吸取了第一代研發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用更為先進(jìn)復(fù)雜的3D建模技術(shù)，以優(yōu)化充氣成型幾何構(gòu)型并隨后放樣展開。該先進(jìn)建模技術(shù)與有限元分析（FEA）優(yōu)化，成功消除手指的應(yīng)力集中現(xiàn)象。實(shí)船運(yùn)行表明，手指使用超過400 h而無需大量維護(hù)，而且套指的內(nèi)側(cè)手指壽命預(yù)期可達(dá)800 h，而尾部滑板指壽命超過300 h。該技術(shù)手段應(yīng)用于后續(xù)深型圍裙的研制開發(fā)。

4 結(jié) 論

美國(guó)氣墊登陸艇經(jīng)大型兩棲戰(zhàn)艦塢載至目標(biāo)海域，裝載主戰(zhàn)坦克等重型裝備在地平線之外實(shí)施由艦到岸的超越式登陸。隨著主戰(zhàn)坦克的質(zhì)量增加導(dǎo)致裝載量增大以及耐波性要求的提高，利用現(xiàn)代計(jì)算分析及設(shè)計(jì)放樣技術(shù)結(jié)合模型、實(shí)船試驗(yàn)，圍裙技術(shù)處于不斷發(fā)展之中，并滿足不斷提高的總體性能要求；同時(shí)將每一代深型圍裙的實(shí)船使用經(jīng)驗(yàn)加以分析研究，在下一代圍裙上加以改進(jìn)［11］。除利用T-2000與LSF-II作為圍裙技術(shù)發(fā)展的試驗(yàn)艇外，在將新型圍裙列裝到實(shí)艇上之前均通過長(zhǎng)時(shí)間全方位的實(shí)尺度圍裙裝艇試用考驗(yàn)。

LCAC-91作為延壽計(jì)劃的原型艇，建造時(shí)就采用了第一代深型響應(yīng)圍裙與ETF40B燃?xì)廨啓C(jī)，目前LCAC-91主要作為新型電子設(shè)備的試驗(yàn)艇，以及與移動(dòng)登陸平臺(tái)（MLP，首制船為Montford Point，可搭載3艘LCAC自行上下）的配合試驗(yàn)等［12］。SSC計(jì)劃建造73艘，以逐步替代延壽后的LCAC，其中第1艘艇為試驗(yàn)與訓(xùn)練艇，其后的72艘為裝備艇。

圍裙作為氣墊船的特有設(shè)備，與艇總體性能密切相關(guān)，圍裙有些性能必須通過實(shí)船試驗(yàn)予以驗(yàn)證。美國(guó)LCAC圍裙技術(shù)發(fā)展中的做法值得我們學(xué)習(xí)與借鑒。

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［中圖分類號(hào)］U674.943

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0013-08

［收稿日期］2015-01-30；［修回日期］2015-03-02

［作者簡(jiǎn)介］傅 華（1968-），男，高級(jí)工程師，研究方向：艦船設(shè)計(jì)審查。

Development and analysis of skirt technology for US LCAC

FU Hua

(Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China)

Abstract：The development of the skirt technology of US LCAC has been introduced in this paper. It can be found that the skirt technology has been developed and improved with the enhancement of the combat capability and overall characteristics， such as hovercraft loadage， seakeeping capability， life-cycle management system （LCMS），etc. Based on the advance calculation analysis and 3-D design software， it develops the lofting precision and lifespan of the skirt， reduces wave resistance， improves anti-pitchpole ability and sideslipping safety at high-speed，and decreases the deadweight to ease maintenance. Moreover， the development of the skirt has been validated by towing model test and full-scale trial during a long period. These technologies and scientifi c research are well worth referring at home.

Keywords：LCAC， ship-to-shore connection； skirt； bag fi nger； response value