綜合減搖技術(shù)在千噸級海警艦艇上的應(yīng)用研究

趙樹培

(公安海警學(xué)院機電管理系，浙江寧波315801)

0 引言

隨著“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的深入，建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略走向國家層面，中國海警艦艇在管轄水域履行執(zhí)法維權(quán)的作用日益凸顯。艦艇作為海警部隊最為重要的裝備載體，面對艦艇搖蕩所帶來的問題，需要強大的技術(shù)支撐，特別是現(xiàn)代裝備有艦載直升機的海警艦艇，劇烈的搖蕩會影響到直升機的起降。減搖裝置不僅有效地減小了艦艇搖蕩，提高了艦員的舒適感，而且降低了設(shè)備的搖晃、振動，提高了安全性。另外，減搖裝置還可以在一定程度上提高艦艇的航速、適航性和經(jīng)濟效益，為艦艇更好地完成任務(wù)打下堅實基礎(chǔ)。目前，海警千噸級以上的海警艦艇基本都設(shè)有直升機停機坪或機庫，對減搖能力的要求也隨之大增。本文主要從現(xiàn)代成效較為顯著的幾種減搖裝置出發(fā)，詳細(xì)闡述了其原理以及在海警艦艇上的應(yīng)用，然后進行分析比較，探討了綜合減搖技術(shù)的優(yōu)勢以及在大型海警艦艇上應(yīng)用的可行性，提出了綜合減搖技術(shù)在未來海警艦艇上應(yīng)用的幾點思考［1］。

1 舭龍骨的工作原理及應(yīng)用

舭龍骨是沿艦長方向，設(shè)在艦艇中段外側(cè)舭部的縱向鰭狀結(jié)構(gòu)，其主要功能是減小艦艇橫搖。每艘艦艇都裝有舭龍骨［1］，是應(yīng)用最廣泛的被動式減搖裝置，其布置如圖1所示。

圖1 舭龍骨布置圖

1．1 裝設(shè)舭龍骨的優(yōu)點

(1)低航速且設(shè)計合理，能有效減輕橫搖。

(2)基本不影響艦艇的空間和重量。

(3)建造成本較低，易于維護保養(yǎng)。

1．2 裝設(shè)舭龍骨的缺點

(1)減搖效果不高，一般在10% ～20%之間，難以滿足海警艦艇對高航速下減搖能力的要求。

(2)會使艦艇的阻力略有增加，影響艦艇的快速性［2］。

2 減搖水艙的工作原理及應(yīng)用

減搖水艙是安裝在艦艇體內(nèi)部的一種特制水艙，其工作原理如圖2所示。圖中，Mtmax為水艙最大減搖力矩。根據(jù)水艙的工作原理分為:主動式水艙、被動式水艙和被動可控式水艙［3］。

圖2 U型減搖水艙工作原理圖

圖2 中，在位置a)時，當(dāng)艦艇橫搖到右舷最大角度時，減搖水艙中的水快速向右舷流動，此時，艦艇受到復(fù)原力矩作用向左舷恢復(fù)，到達(dá)位置b)時，減搖水艙中90%以上的水流到了右舷。這樣，相當(dāng)于減搖水艙產(chǎn)生了一個用來抵消艦艇橫搖的減搖力矩。在位置c)時，艦艇達(dá)到向左的最大橫搖角，此時減搖水艙兩邊的液位差很小，沒有減搖力矩產(chǎn)生作用。在位置d)時，左舷邊艙的液位達(dá)到最大，對艦艇產(chǎn)生了最大減搖力矩克服艦艇的橫搖運動。當(dāng)艦艇再次達(dá)到位置a)時，就開始周而復(fù)始的循環(huán)運動，這就是U型減搖水艙的減搖原理。目前，海警艦艇上已安裝減搖水艙，減搖效果良好［4］。

3 減搖鰭的工作原理及應(yīng)用

減搖鰭是一種非常有效的主動式減搖裝置，它可以使橫搖角不超過3°，并且在航速方面也可以得到保證。減搖鰭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護成本較高，因此在海軍和海警等公務(wù)艦艇上應(yīng)用較多。艦艇以一定速度運動時，減搖鰭開始偏轉(zhuǎn)，根據(jù)流體力學(xué)的基本原理可知，在鰭葉上方的壓力小于下方的，且流速大于下方的流速，在鰭上就會產(chǎn)生一個向上的升力P。同時，在另一個鰭上也會產(chǎn)生一個向下的升力P，兩個力同時以R為減搖半徑對艦艇產(chǎn)生一個穩(wěn)定力矩作用，能有效降低艦艇橫搖［5］。

減搖鰭升力原理圖如圖3所示。

圖3 減搖鰭升力原理圖

千噸級海警艦艇采用由哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計的NJ5-3．5S-1型減搖鰭。該減搖鰭特點是由2對鰭組成整個減搖鰭系統(tǒng)，轉(zhuǎn)鰭隨動系統(tǒng)為泵控系統(tǒng)。目前，海警艦艇主要安裝的是固定式減搖鰭，其優(yōu)點體積小、構(gòu)造簡單、方便維護，特別是在艦艇速度大于14 kn以上時，減搖效果最佳［6］。但是，當(dāng)艦艇速度低于6 kn時，效果不明顯。南海海域的海警艦艇經(jīng)常處于高速航行狀態(tài)，非常適合安裝固定式減搖鰭，然而單獨使用減搖鰭并不能滿足海警艦艇在全海況下的減搖需求。

4 綜合減搖技術(shù)

綜合減搖技術(shù)是艦艇穩(wěn)定航行研究的重要課題之一，以減搖鰭、減搖水艙為基本單元，通過把單一的減搖裝置合理配置成系統(tǒng)，使艦艇在各種情況下都可以有效地減小橫搖、橫傾［1］。各種減搖裝置的性能對比見表1。

表1 各種減搖裝置的性能對比

由表1可知:面對不同海況，單獨使用任何一種減搖裝置在功能上都存在缺陷。

(1)艦艇速度方面的影響:減搖鰭表現(xiàn)最為明顯，艦艇速度越高，效果越好，低速無效。

(2)減搖效率方面的缺陷:減搖水艙雖然不受速度影響，但單獨使用效果卻不理想。

(3)航向上的局限性:艦艇在迎浪、尾斜浪作用下，搖蕩不規(guī)則時，單獨使用某一種減搖裝置效果不明顯［7］。

本文提出以“艦艇-減搖鰭-被動式減搖水艙”組成的綜合減搖技術(shù)作為現(xiàn)代大型海警艦艇的減搖方式［5］。根據(jù)艦船設(shè)計的理論研究，得到綜合減搖系統(tǒng)的橫搖方程［1］:

式中:φ為艦艇橫搖角，φ、φ為其微分;2Vφ為艦艇在減搖鰭和減搖水艙聯(lián)合作用下的橫搖衰減系數(shù);為艦艇在減搖鰭和減搖水艙聯(lián)合作用下的固有頻率;z為減搖水艙水位的相對位移;α1為艦艇波傾角;αe0為最大有義波傾角;β為比例系數(shù)。

綜合減搖裝置設(shè)計的思路是:當(dāng)艦艇處于中、高航速航行時，通過減搖鰭和減搖水艙配合產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩來抵抗海浪的干擾力矩，使艦艇具有較高的減搖效果。當(dāng)艦艇處于低航速或系泊狀態(tài)時，通過單獨使用減搖水艙進行平衡，保證艦艇具有基本的減搖效果［1］。在設(shè)計綜合減搖系統(tǒng)的配置方案時，必須考慮減搖鰭的最大靜特征數(shù)、減搖水艙的最大靜特征數(shù)、航速對減搖效果的影響、海況對減搖效果的要求、航向?qū)p搖效果的限制、綜合減搖系統(tǒng)功能及效果的實現(xiàn)性等因素。

以“艦艇-減搖鰭-被動式減搖水艙”組成的綜合減搖系統(tǒng)在海警艦艇上的應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景，其優(yōu)勢有以下幾個方面:

(1)突破了航速方面的限制，在各種航速下都能有效減小艦艇橫搖。

(2)放寬了設(shè)備的選擇范圍，與單獨使用減搖水艙的艦艇相比，綜合減搖系統(tǒng)的減搖水艙體積更小，也降低了對減搖鰭的特征數(shù)的要求，這對于安裝不可收放式減搖鰭的海警艦艇具有實際意義［4］。

(3)增強了艦艇的安全性，綜合減搖系統(tǒng)中減搖鰭、減搖水艙互為備用，在很大程度上增加了系統(tǒng)的安全性［4］。

5 結(jié)語

本文對各種減搖裝置的工作原理、性能等方面進行了詳細(xì)介紹，通過研究分析了被動式減搖水艙和減搖鰭在海警艦艇上的應(yīng)用效果。針對海警艦艇排水量越來越大，功能越來越全面，為適應(yīng)各種海況及作戰(zhàn)環(huán)境而對減搖的要求也越來越高的發(fā)展趨勢［7］，探討了以“艦艇-減搖鰭-被動式減搖水艙”系統(tǒng)為典型的綜合減搖技術(shù)在海警艦艇上的應(yīng)用和發(fā)展前景。

［1］ 趙為平．大型水面艦艇綜合平衡系統(tǒng)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2005．

［2］ 鄒寧．船舶減搖裝置及其應(yīng)用［J］．船舶工程，2012(增刊2):271-277．

［3］ 楊輝，宋金龍．船舶減搖方式介紹及發(fā)展趨勢［J］．江蘇船舶，2007，24(4):14-16．

［4］ 賁成華．船舶水艙-鰭減搖和抗傾系統(tǒng)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2006．

［5］ 馬云飛．基于擾動補償?shù)拇皺M向運動LQG控制研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009．

［6］ 趙為平，金鴻章，張海鵬，等．鰭/被動水艙聯(lián)合減搖理論研究［J］．中國造船，2004(3):84-87．

［7］ 董美華，馬汝建，趙東．船舶減搖技術(shù)研究進展［J］．濟南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(2):76-81．