游輪可控剛性空腔翼防傾覆裝置

劉琛翔

洞庭天下水，岳陽(yáng)天下樓。從古至今，八百里洞庭都是無(wú)數(shù)中外游客向往的旅游勝地。環(huán)洞庭湖觀光游已成為我們湖南一張亮麗的名片。我們學(xué)校就在洞庭湖邊，平時(shí)我喜歡到湖邊游玩。一天，看到游輪在湖面上來(lái)來(lái)去去，我不由得想起了“東方之星”游輪發(fā)生的災(zāi)難事故……

是啊，在航道上航行，任何游輪都無(wú)法保證其不遭受意外，杜絕游輪傾覆事故的發(fā)生。我突發(fā)奇想，能不能設(shè)計(jì)出一種裝置，在緊急情況下可以有效增加游輪的浮力和穩(wěn)定性，防止游輪傾覆呢？

一、方案設(shè)計(jì)與選擇

（一）方案構(gòu)思

我經(jīng)過(guò)反復(fù)琢磨，在不影響船體強(qiáng)度和水密性的前提下，根據(jù)仿生學(xué)原理，提出了給游船加翅翼的方案。平時(shí)不展開(kāi)時(shí)如鳥(niǎo)靜立的形態(tài)，隱翅在船舷兩側(cè)（或夾板內(nèi)），緊急情況下如同鳥(niǎo)的翅膀展開(kāi)，側(cè)翼漂浮在水面上，通過(guò)增加船的寬度，從而保持游輪整體平衡。為此我設(shè)計(jì)了三種方案：第一種方案是側(cè)翼型，翅翼連同固定式安全氣囊從船的兩側(cè)展開(kāi)；第二種方案是平展型，翅翼連同固定式安全氣囊水平由內(nèi)向外展開(kāi)；第三種方案是剛性空腔翼水平展開(kāi)。

【方案一】 側(cè)翼展開(kāi)型

這是一種翅翼從水里展開(kāi)的方案。這種方案在船體的兩側(cè)各設(shè)置一平衡翼，并在船舶載重線的舷外兩側(cè)板上，各開(kāi)設(shè)一個(gè)向內(nèi)凹的放置“隱形翅膀”的箱體。正常情況下固定式安全氣囊有序地疊放在側(cè)翼內(nèi)，側(cè)翼與箱體密閉成為舷側(cè)板的一部分。當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)時(shí)，可以迅速啟動(dòng)應(yīng)急安全裝置，伸展開(kāi)側(cè)翼（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），打開(kāi)安全氣囊，通過(guò)增大船體與水面的接觸面積，從而減小風(fēng)浪對(duì)船體的沖擊，確保船體的安全穩(wěn)定。

【方案二】 水平移動(dòng)型

這是一種翅翼平行向外移動(dòng)展開(kāi)的方案。此方案在甲板底層加設(shè)一層左右對(duì)稱的平衡翼，平衡翼呈兩層結(jié)構(gòu)，上層為空心不銹鋼結(jié)構(gòu)，下層為固定式氣囊。當(dāng)游輪在水上突遇風(fēng)浪等險(xiǎn)情時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，控制裝置迅速自動(dòng)投入工作，平衡翼向外伸出，氣囊打開(kāi)，使船舶快速平衡，防止傾覆。

【方案三】 可控剛性空腔翼型

這種方案與方案二的設(shè)計(jì)有些相同的地方，在甲板底層加設(shè)有左右對(duì)稱的四個(gè)可控剛性空腔翼，這種可伸縮可控剛性空腔翼一端設(shè)有與微電機(jī)相連接的樞軸，而微電機(jī)與控制裝置相連接。與方案二不同的是，可控剛性空腔翼將方案二的翅翼和固定式氣囊合二為一，變?yōu)橐粚涌招牟讳P鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)游輪在水上突遇風(fēng)浪等險(xiǎn)情時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，該裝置迅速自動(dòng)投入工作，剛性空腔翼向傾斜的一側(cè)伸出（另一側(cè)不動(dòng)），使船舶快速平衡，防傾覆。

（二）方案比較與實(shí)驗(yàn)

我通過(guò)反反復(fù)復(fù)分析和紙質(zhì)模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

方案一和方案二在游輪載重線的舷外兩側(cè)板上（或甲板內(nèi)）加設(shè)翅翼，翅翼內(nèi)側(cè)安裝與之相結(jié)合的固定式安全氣囊，進(jìn)入緊急狀態(tài)時(shí)，固定式氣囊通過(guò)充氣機(jī)迅速充氣，兩側(cè)翅翼隨之張開(kāi)，整個(gè)船體變成“方舟”；當(dāng)緊急狀態(tài)解除后，再用抽氣機(jī)將氣囊內(nèi)空氣抽出并把氣囊收回，翅翼與船體（箱體）密閉關(guān)緊。這兩種方案的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但科技查新結(jié)果顯示為已有，故這兩個(gè)方案淘汰。

方案三“可控剛性空腔翼防傾覆裝置”的設(shè)計(jì)原理和特征在于：密封空腔與氣囊在利用水的浮力、增大船體與水面的接觸面、增強(qiáng)船體的平衡性能等方面的科學(xué)原理與應(yīng)用效果雖然相同，但在工程學(xué)上具有以下突出的優(yōu)勢(shì)：

1. 剛性空腔直接從船體吃水線兩側(cè)平行伸出，避開(kāi)了氣囊展開(kāi)過(guò)程中水對(duì)它的巨大阻力，減少了充氣過(guò)程的耗時(shí)耗能，有利于快速反應(yīng)，爭(zhēng)得寶貴的自救時(shí)間。

2. 剛性空腔具有維護(hù)方便的特點(diǎn)，避免了氣囊折疊伸縮過(guò)程中易損漏氣的隱性危險(xiǎn)因素，不會(huì)貽誤自救。

3. 剛性空腔翼僅需油壓機(jī)提供伸縮動(dòng)力，無(wú)須空壓機(jī)、抽氣機(jī)協(xié)助救援，既省時(shí)間，又能減少出現(xiàn)故障的概率，且簡(jiǎn)化了裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)置，省去了煩瑣的控制和操作。

4. 剛性空腔翼采用人工控制和自動(dòng)控制雙控制系統(tǒng)，可降低控制失靈的概率。

根據(jù)以上特點(diǎn)，我把方案三作為設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案。

（三）游輪模型及可控剛性空腔翼裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本游輪模型及可控剛性空腔翼裝置的基本結(jié)構(gòu)如上所示。其創(chuàng)新設(shè)計(jì)部分主要是執(zhí)行、動(dòng)力、控制三大系統(tǒng)，其中船體兩側(cè)設(shè)有執(zhí)行系統(tǒng)中的翅翼承力舷、用來(lái)隱匿收藏翅翼的翅翼艙、可控剛性空腔翼，在船艙內(nèi)安裝有動(dòng)力系統(tǒng)中的油壓機(jī)和控制系統(tǒng)等主要部件。

自動(dòng)控制系統(tǒng)由信息采集器、信息處理器、控制器、信息反饋器等構(gòu)成，整體工作流程如下圖所示。

由于目前本人只是一個(gè)小學(xué)生，尚無(wú)能力完成自動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，暫時(shí)只能作為創(chuàng)意提出，為以后進(jìn)一步研究提供參考。

二、模型的制作

（一）材料選擇

空腔翼是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，空腔翼材料在方便智能收放的同時(shí)，還必須比較薄，同時(shí)還得有足夠的硬度。我先后用塑料板、木板等材料制作空腔翼，但都達(dá)不到要求。后來(lái)，我發(fā)現(xiàn)不銹鋼材料的重量和硬度基本都可以滿足要求，于是就采用不銹鋼作為剛性空腔翼的主體材料。

（二）模型制作

在材料準(zhǔn)備齊全的基礎(chǔ)上，我請(qǐng)五金加工廠的孫師傅和袁師傅，按我的設(shè)計(jì)圖紙和要求，完成了具有“可控剛性空腔翼防傾覆裝置”游輪模型的加工制作。

（三）模型應(yīng)用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

模型制作完成后，我在老師的幫助下，來(lái)到洞庭湖邊進(jìn)行測(cè)試和檢驗(yàn)。我用鼓風(fēng)機(jī)制造風(fēng)浪，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速到高擋時(shí)，輪船開(kāi)始傾斜，這時(shí)我輕輕按下遙控開(kāi)關(guān)，僅幾秒鐘的時(shí)間，剛性空腔翼受驅(qū)動(dòng)，同步展開(kāi)向外移動(dòng)伸出，使游輪迅速上浮，恢復(fù)平衡。當(dāng)將鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速至最高擋時(shí)，游輪依然沒(méi)有明顯傾斜。

雖說(shuō)手工制作的模型很粗糙，外觀也不精美，但基本達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，沒(méi)有翻船，這說(shuō)明我的設(shè)計(jì)是具有可行性的。

老師評(píng)價(jià)說(shuō)，你設(shè)計(jì)的可控剛性空腔翼防傾覆裝置，能為游輪在遭受大風(fēng)浪和快速轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全行駛提供相應(yīng)保障，但模型所用材料和外觀設(shè)計(jì)、加工精度等還有待進(jìn)一步完善。

（四）改進(jìn)思路

在游輪的預(yù)警機(jī)制上，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，岸上的指揮中心可以及時(shí)、準(zhǔn)確地知道游輪的航行情況，便于救援、指揮。

三、研制體會(huì)

在這個(gè)裝置的設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了上網(wǎng)搜尋資料的一些基本方法。我不光在網(wǎng)上找了許許多多的游船圖片，學(xué)習(xí)了輪船的一些基本知識(shí)，還有許多在研制過(guò)程中遇到的困惑，都基本在網(wǎng)上找到了答案。過(guò)去我上網(wǎng)玩游戲玩得太多，現(xiàn)在每次上網(wǎng)都能學(xué)習(xí)一些新知識(shí)，有意思多啦！

還有，我在反反復(fù)復(fù)的制作過(guò)程中，真正感受到了完成一件創(chuàng)新作品真的要付出很多。我記得在考慮選用什么材料做船體時(shí)就遇到了很多阻力，那時(shí)候我和爸爸去了建材市場(chǎng)好多回，考慮過(guò)洗碗的槽、路燈的外殼，最后不得不設(shè)計(jì)圖紙，請(qǐng)加工師傅幫忙制作游船。游輪用什么材料制作，上面安裝哪些物件，選擇什么方案，基本上每一項(xiàng)都大費(fèi)周折。我在設(shè)計(jì)與具體制作中碰到了很多困難，不得不反反復(fù)復(fù)地修改、調(diào)整方案。在制作過(guò)程中，我前一次的失敗，都為后面設(shè)計(jì)更科學(xué)的新方案提供了經(jīng)驗(yàn)。我要是因?yàn)槟炒问《艞?，那就永遠(yuǎn)體會(huì)不到成功的快樂(lè)了。所以，我覺(jué)得搞發(fā)明創(chuàng)新對(duì)人的毅力是一種考驗(yàn)，只有經(jīng)歷過(guò)挫折，人的才干、能力才能在創(chuàng)新實(shí)踐中逐步提高。

所以，我將再接再厲，認(rèn)真學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，積極參與各項(xiàng)有益的實(shí)踐活動(dòng)，不斷提升自己的才干和綜合能力，讓自己成為一個(gè)有益于社會(huì)的人！

四、鳴謝

在這個(gè)裝置的研制過(guò)程中，我得到了學(xué)校校長(zhǎng)、科學(xué)老師、學(xué)校聘請(qǐng)的校外科技輔導(dǎo)員、五金加工廠師傅、造船廠師傅、海事局專家等長(zhǎng)輩們的精心指導(dǎo)和全力幫助，并得到了老爸老媽和同學(xué)們的大力支持，在此對(duì)他們深表感謝！

（指導(dǎo)教師 李宏亮 編 輯 巧克力）