全墊升氣墊船高速側(cè)滑后行為的理論與試驗(yàn)研究

張宗科

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船由于具有優(yōu)良的兩棲性，可裝載重型主戰(zhàn)裝備實(shí)現(xiàn)快速超越登陸，而被美、俄等軍事強(qiáng)國(guó)用作氣墊登陸艇來(lái)實(shí)現(xiàn)主戰(zhàn)坦克的末端輸送［1］。它使全世界可供登陸的岸線由17%激增到73%以上，是奪島戰(zhàn)、突襲登陸作戰(zhàn)的利器。全墊升氣墊船因氣墊壓力興波而存在兩個(gè)阻力峰，越出第一阻力峰后，船依靠氣墊圍裙系統(tǒng)基本懸浮在運(yùn)行表面之上，由導(dǎo)管空氣螺旋槳提供推進(jìn)力而高速航行，依靠槳后空氣舵來(lái)操控航向，美國(guó)氣墊登陸艇（LCAC）還有首推器提供部分推力及航向操控力［2］。

氣墊船越出阻力峰高速航行時(shí)，僅有圍裙下部手指末端與運(yùn)行表面接觸，故阻尼很小。若打舵過(guò)大或回轉(zhuǎn)率過(guò)高，船會(huì)發(fā)生甩尾側(cè)滑；若缺乏橫向運(yùn)動(dòng)控制手段，船易發(fā)生大角度側(cè)滑。由于橫向阻力大，橫向速度會(huì)快速衰減。當(dāng)側(cè)滑速度達(dá)到一定值時(shí)，橫向氣墊興波的波長(zhǎng)與船寬基本相同，這時(shí)船底的縱隔圍裙下端與興波波面之間的間隔增大，導(dǎo)致縱隔圍裙的氣墊分隔效果迅速變差，船墊態(tài)橫穩(wěn)性大幅下降，此時(shí)在外界擾動(dòng)（橫風(fēng)、橫浪）作用下，船易發(fā)生翻船風(fēng)險(xiǎn)。為避免發(fā)生以上安全性問(wèn)題，特給出嚴(yán)格的安全運(yùn)行限界，諸如最高航速限制、航行過(guò)程縱橫傾角限制、高航速只能點(diǎn)舵回轉(zhuǎn)、最大回轉(zhuǎn)角速度限制等。此外，LCAC還限定了不同航速下的漂角、回轉(zhuǎn)時(shí)漂角與回轉(zhuǎn)角速度，俄羅斯大型氣墊船ZUBR則規(guī)定了更嚴(yán)格的安全限界［2］。不過(guò)，過(guò)嚴(yán)的限界會(huì)嚴(yán)重制約氣墊船高速機(jī)動(dòng)性的發(fā)揮，甚至影響其戰(zhàn)斗力。對(duì)于因高航速時(shí)回轉(zhuǎn)而引發(fā)高速甩尾，繼而引起高速側(cè)滑等一系列后果進(jìn)行研究，評(píng)估其是否處于可接受范圍，從而合理制定安全運(yùn)行限界，提升高速機(jī)動(dòng)性等。

由于實(shí)船直接試驗(yàn)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，因此國(guó)外對(duì)該問(wèn)題的研究主要遵循船模試驗(yàn)、理論分析、實(shí)船驗(yàn)證、理論模型修正的一般規(guī)律，但相關(guān)研究較少［3］。國(guó)內(nèi)對(duì)此未進(jìn)行專門研究，僅在實(shí)船操縱性試驗(yàn)以及安全邊界航行試驗(yàn)中偶然發(fā)生過(guò)側(cè)滑現(xiàn)象［2］。

1 國(guó)外船模試驗(yàn)及理論分析

為研究裝備新型圍裙的氣墊船橫向側(cè)滑特性，文獻(xiàn)［3］利用LCAC拖曳船模先后5次進(jìn)行90°橫向減速試驗(yàn)。船模側(cè)向阻力、船模速度的時(shí)歷曲線見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)過(guò)程中可對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素加以控制，如在船模上增加保險(xiǎn)繩等，以保證不會(huì)側(cè)滑翻船。本文利用HUANG T T 等人［4］所發(fā)展的 Newman & Poole［5］興波計(jì)算方法，編程計(jì)算LCAC船模在不同橫向傅汝德數(shù)下的氣墊興波。船舯橫剖面處對(duì)應(yīng)的波面凹陷參見(jiàn)下頁(yè)圖 2。無(wú)因次波面升高系數(shù) η = ρgζ / Pc（其中：ζ為波面升高，m；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Pc為氣墊密度，Pa）。橫向傅汝德數(shù)（其中：V為航速，m/s；Bc為氣墊寬度，m）。無(wú)因次橫向位置y′= y/Bc（其中：y為沿船寬方向距船中縱剖面的距離，m）。

由圖2可見(jiàn),當(dāng)橫向傅汝德數(shù)FnB為0.3和0.55時(shí)，船前進(jìn)方向一舷為興波波峰，而隨邊一舷對(duì)應(yīng)波谷，前后興波高度差最大，對(duì)應(yīng)兩個(gè)阻力峰。在FnB=0.4處，氣墊興波波長(zhǎng)基本等于船寬，前后兩舷均對(duì)應(yīng)波峰，而中縱剖面對(duì)應(yīng)波谷。此時(shí)，船底與興波水面之間圍成的體積最大，而位于中縱剖面處的縱向分隔裙距水面間隙最大，其分隔效果最差，從而使船墊態(tài)橫穩(wěn)性變差，在外界風(fēng)浪擾動(dòng)下易發(fā)生大幅橫傾。理論計(jì)算得到的無(wú)因次氣墊興波阻力、總阻力系數(shù)與船模試驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)圖3。

由于常規(guī)阻力理論計(jì)算中，對(duì)隨邊一舷圍裙下部手指兜水阻力估算不足，理論總阻力小于船模實(shí)船預(yù)報(bào)值。相對(duì)而言，船模減速試驗(yàn)預(yù)報(bào)實(shí)船橫向側(cè)滑減速阻力的變化趨勢(shì)，與實(shí)船側(cè)滑中觀察到的現(xiàn)象更為接近。

2 國(guó)外實(shí)船試驗(yàn)與結(jié)果分析

作為氣墊船的特有系統(tǒng)，圍裙在船模與實(shí)船上所用制造材料的物理特性（如彈性模量、剛度）不能做到縮尺模擬，船模圍裙相對(duì)不易變形、剛度偏大，造成船模阻力、抗低頭埋首能力均偏大［6］。美國(guó)LCAC試驗(yàn)阻力與船模按縮尺比λ的三次方直接換算預(yù)報(bào)獲得的實(shí)船阻力相比偏大，且波浪阻力隨波高增加而明顯加大，因而提出將船模試驗(yàn)阻力預(yù)報(bào)到實(shí)船波浪中阻力的波高修正因子CWHF。同理，船模高速側(cè)滑后行為預(yù)報(bào)到實(shí)船也會(huì)存在較大的不相似性，因此利用實(shí)船進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證非常必要。

美國(guó)深型圍裙已發(fā)展到第三代，在LCAC的升級(jí)換代品——艦岸連接器SSC的圍裙競(jìng)優(yōu)中，通過(guò)大量拖模試驗(yàn)，Textron公司的側(cè)部單囊套指形式圍裙方案勝出。為驗(yàn)證裝備優(yōu)選圍裙的艇高速側(cè)滑后行為，在專用試驗(yàn)艇LCAC-66上進(jìn)行實(shí)船側(cè)滑試驗(yàn)。除航拍以外，為更清晰、全面地觀察記錄高速側(cè)滑時(shí)側(cè)部圍裙的變形響應(yīng)，在側(cè)滑前進(jìn)方向一舷安裝專門的舷外攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像。通過(guò)操艇經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員對(duì)空氣舵與首推器的精心聯(lián)合操作，使LCAC快速右轉(zhuǎn)，船向左高速橫向側(cè)滑（見(jiàn)圖 4）。

由于尾部圍裙下端的滑板指觸水較多，船尾承受阻力大，船橫向側(cè)滑后期出現(xiàn)左轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖5）。

側(cè)滑過(guò)程中，船的橫向速度隨時(shí)間變化參見(jiàn)圖6。

由于橫向側(cè)滑時(shí)隨邊一舷的圍裙下部手指兜水影響，橫向阻力較大，速度下降較快，甚至比LCAC的母型船JEFF B實(shí)船縱向慣性試驗(yàn)測(cè)得的螺旋槳與首推器反向推力剎車時(shí)的減速更快。側(cè)滑過(guò)程中，航向角與首向角變化率、橫傾角以及FnB的時(shí)歷曲線見(jiàn)下頁(yè)圖7。

基于本文編制的橫向氣墊興波計(jì)算程序，得到的LCAC實(shí)船側(cè)滑減速曲線與以往文獻(xiàn)中的比較見(jiàn)下頁(yè)圖8。以往文獻(xiàn)中僅計(jì)算水動(dòng)阻力，而本文計(jì)算中考慮了所有阻力的影響，因此結(jié)果與試驗(yàn)更為接近。

由圖3與圖5可知，首向角ψ轉(zhuǎn)過(guò)90°后，橫向傅如德數(shù)FnB從1.2下降至0.8，由于興波阻力增加不大，因此減速較慢；而當(dāng)FnB從0.8下降至0.2時(shí)則，由于興波作用艇橫向速度迅速減小，同時(shí)由于橫穩(wěn)性迅速變小，艇此時(shí)很不穩(wěn)定，加之本身隨橫向波傾角影響，橫傾角大幅波動(dòng)，因此在外界風(fēng)浪擾動(dòng)下會(huì)發(fā)生更為危險(xiǎn)的大幅橫搖。

從圖7可見(jiàn)，在短短5 s時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)nB從0.8下降至0.2、橫傾角從+6°迅速下降到-12°，舷側(cè)甲板上水。

3 國(guó)內(nèi)輕型氣墊船操縱性試驗(yàn)中的甩尾側(cè)滑

國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代的輕型氣墊船實(shí)船靜水操縱性試驗(yàn)中，左舵30°回轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生甩尾，船甩尾側(cè)滑后的速度、漂角、回轉(zhuǎn)角速度、縱/橫傾角、首向角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的時(shí)歷曲線如圖9所示［2］，各參數(shù)坐標(biāo)定義見(jiàn)圖10。對(duì)記錄的時(shí)歷曲線作數(shù)字化處理，所得側(cè)滑軌跡圖以及速度、橫向速度、橫向傅汝德數(shù)、縱/橫傾角的時(shí)歷曲線見(jiàn)下頁(yè)圖11。

從下頁(yè)圖12可見(jiàn)，首向角ψ從90°至270°范圍內(nèi)，船處于回轉(zhuǎn)失穩(wěn)甩尾狀態(tài)，回轉(zhuǎn)率γ（ψ ′）從 3°/s迅速增至 10°/s，橫傾角 φ 從 0.5°增至 5°。

4 國(guó)內(nèi)重型氣墊船航行試驗(yàn)中的意外側(cè)滑

國(guó)內(nèi)某重型氣墊船作自動(dòng)駕控系統(tǒng)安全航行邊界試驗(yàn)時(shí)曾發(fā)生意外高速側(cè)滑，所記錄的有關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的時(shí)歷曲線見(jiàn)圖12。經(jīng)分析得出，出現(xiàn)側(cè)滑的主要原因是為了盡快達(dá)到給定的回轉(zhuǎn)率而長(zhǎng)時(shí)間打大舵角，船超過(guò)穩(wěn)定界限后回轉(zhuǎn)率陡增導(dǎo)致。

從圖12可見(jiàn)，在第40～50 s內(nèi)，F(xiàn)nB從0.8降至0.2，而橫傾角φ從-0.5°到-8°再到3.5°，變化較大。

國(guó)內(nèi)重型氣墊船實(shí)船意外側(cè)滑運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖13所示。

船側(cè)滑過(guò)程涉及到時(shí)間戳、坐標(biāo)、速度、縱/橫傾角、航向角和側(cè)滑角等多個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在AutoCAD中利用Visual LISP進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將以上運(yùn)動(dòng)參數(shù)綜合體現(xiàn)在軌跡圖中（參見(jiàn)圖14），可更直觀顯示與分析處理。圖中的箭頭表示船首方向。

5 三型船側(cè)滑比較

高速側(cè)滑與高速低頭埋首一樣，都是全墊升氣墊船船型所特有的潛在風(fēng)險(xiǎn)。將三型船側(cè)滑的運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)歷曲線繪制在一起（見(jiàn)圖15）。

可以發(fā)現(xiàn)兩型重型高氣墊密度船具有較大的相似性。在FnB由0.8降到0.2時(shí)，船出現(xiàn)大幅橫向振蕩現(xiàn)象，橫傾角變化幅值達(dá)12°～18°，氣墊密度越大則橫傾角也越大。根據(jù)圖2計(jì)算求得船底氣墊壓力面興波在船舯橫剖面處的波形?？梢?jiàn)，在FnB=0.4處，氣墊興波波長(zhǎng)基本等于船寬，前后兩舷均對(duì)應(yīng)波峰，而中縱剖面對(duì)應(yīng)波谷，此時(shí)船底與興波表面之間圍成的體積最大。氣墊容積增大、囊壓比短時(shí)下降，而位于中縱剖面處的縱向分隔裙距水面間隙最大，其分隔效果最為惡化，使船墊態(tài)橫穩(wěn)性變差，從而導(dǎo)致外界風(fēng)浪擾動(dòng)下易發(fā)生大幅橫傾。

輕型低密度氣墊船操縱時(shí)很容易甩尾，回轉(zhuǎn)率γ可從3°/s增至10°/s，即使在FnB從0.8降到0.2的過(guò)程中，其橫傾角變化也不大，無(wú)論是低速甩尾還是高速甩尾，橫傾角始終在5°左右。這說(shuō)明氣墊密度低，則回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)阻尼小，且氣墊興波凹陷小，因而其橫穩(wěn)性在回轉(zhuǎn)中變化不大。

橫向氣墊興波使得縱向分隔裙下端與水面之間的間隙yc變大，參見(jiàn)圖16。橫傾時(shí)，隨邊一舷圍裙下部觸水增大，圍裙下端的開(kāi)式手指“兜水”后阻力激增，船又反向橫傾，呈現(xiàn)出大幅橫向振蕩現(xiàn)象（見(jiàn)圖17）。高速側(cè)滑時(shí)，隨邊一舷圍裙下部開(kāi)式手指“兜水”使船很快減速，側(cè)部圍裙與尾部圍裙以及圍裙內(nèi)安裝邊處的應(yīng)力集中區(qū)域存在因過(guò)載而受損的風(fēng)險(xiǎn)。?

由于氣墊興波的波高與氣墊壓力成正比，因此對(duì)于低氣墊密度的國(guó)內(nèi)輕型氣墊船，在最不利的FnB=0.4附近時(shí)，氣墊興波凹陷所造成氣墊容積的變動(dòng)仍相對(duì)較小，墊態(tài)橫穩(wěn)性下降較少，橫傾角變化幅值也較小。根據(jù)圖2計(jì)算得到的興波波形，可以換算得到橫向側(cè)滑時(shí)，船橫傾角隨橫向傅汝德數(shù)的變化關(guān)系（參見(jiàn)圖18）。當(dāng)船橫向減速較快，橫向速度衰減到FnB＜0.55時(shí)，自身氣墊興波引起的橫傾角急劇減小，自身慣性所產(chǎn)生的重力傾斜力矩較大，在FnB=0.4附近橫穩(wěn)性最小。此時(shí)，重力傾斜力矩作用下產(chǎn)生反向大幅橫傾，在觸水反彈力矩作用下，又產(chǎn)生正向大幅橫傾，形成快速橫搖。

高密度氣墊船在橫向傅汝德數(shù)FnB=0.4附近時(shí)會(huì)出現(xiàn)快速大幅橫搖，如美國(guó)LCAC實(shí)船試驗(yàn)中，橫傾角在4s時(shí)間內(nèi)從6°迅速減至-12°，基本接近右舷剛性船體結(jié)構(gòu)觸水，該側(cè)快速下沉激起的大量水花被吸入導(dǎo)管空氣螺旋槳與墊升風(fēng)機(jī)內(nèi)，有可能造成槳葉、風(fēng)機(jī)葉片損壞。低密度氣墊船與高密度的美國(guó)LCAC相比，在橫向阻力峰的波傾角小很多，如圖18所示，因此其在FnB=0.4附近橫傾角變化也遠(yuǎn)小于LCAC。

氣墊船橫向側(cè)滑在FnB=0.4附近時(shí)橫穩(wěn)性最差，易受外界風(fēng)浪干擾，如遭受橫向陣風(fēng)或橫浪，并且存在橫向翻船的風(fēng)險(xiǎn)（參見(jiàn)圖19）。由于橫穩(wěn)性最差，船可能向側(cè)滑前進(jìn)方向低頭埋首乃至向前翻船，也可能向后側(cè)翻船，這種隨機(jī)不確定性在國(guó)內(nèi)船模90°橫向側(cè)滑試驗(yàn)中也得到過(guò)驗(yàn)證。

氣墊船側(cè)滑甩尾在靜水中相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較小，但在波浪中風(fēng)險(xiǎn)也很大，因此在安全限界內(nèi)，應(yīng)與橫傾失穩(wěn)一樣加以嚴(yán)格限定。根據(jù)輕型與重型氣墊船的廣泛試驗(yàn)結(jié)果，一般均在側(cè)滑角β≥45°以及回轉(zhuǎn)率γ≥3°/s以后才開(kāi)始甩尾或大幅橫傾。

正是由于高速側(cè)滑存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)LCAC將側(cè)滑角與縱傾角、回轉(zhuǎn)率一起作為安全限界的重要指標(biāo)參數(shù)，在其操作手冊(cè)［7］中明確規(guī)定不同航速下的最大允許側(cè)滑角（Maximum Allowable Sideslip，MAS），參見(jiàn)下頁(yè)圖20。

根據(jù)國(guó)內(nèi)重型氣墊船的實(shí)船試驗(yàn)情況，提出高速側(cè)滑后避免大幅橫傾的應(yīng)對(duì)措施建議：在高速側(cè)滑發(fā)生時(shí)密切注意船側(cè)滑角與橫向速度，在側(cè)滑角超過(guò)60°且橫向速度下降到接近FnB=0.4對(duì)應(yīng)的橫向速度前，可加大導(dǎo)管空氣螺旋槳的槳距角以增加首向分速度，使船合速度增大，以避開(kāi)船自身的橫向興波范圍，從而避免大幅橫傾以及快速橫搖的出現(xiàn)。

6 結(jié) 論

全墊升氣墊船越出阻力峰后高速航行時(shí)，若操作不當(dāng)（如長(zhǎng)時(shí)間打大舵角等），會(huì)產(chǎn)生高速側(cè)滑。由于氣墊興波的影響，在FnB=0.4附近時(shí)，橫穩(wěn)性急劇下降，船在外界風(fēng)浪擾動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)大幅橫搖，從而給圍裙和船體結(jié)構(gòu)等帶來(lái)不利影響，危險(xiǎn)性較大。本文介紹了國(guó)外研究情況，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)船試航中出現(xiàn)的意外側(cè)滑進(jìn)行分析，表明高速側(cè)滑后橫向興波將引起船橫傾角大幅變化，且隨邊一舷圍裙下部手指嚴(yán)重兜水導(dǎo)致圍裙局部損壞，從而給氣墊船的安全性與可靠性帶來(lái)較大問(wèn)題。實(shí)際使用時(shí)可視要求放寬船的安全運(yùn)行限界，但這將使高速側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)大增，因此必須引起足夠重視！

［1］ YUN L，BLIAULT A. Theory and Design of Air Cushion Craft［M］. Holland：Elsevier，2000.

［2］ 馬濤，鄔成杰. 氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統(tǒng)流體動(dòng)力設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

［3］ COLE R E，BOZA J J. Comparison of Model-scale and Full-scale Deceleration of a Fully Skirted Air Cushion Vehicle in Sideslip［J］. Journal of Ship Production & Design，2011（4）：183-190.

［4］ HUANG T T，WONG K K. Disturbance Induced by a Pressure Distribution Moving Over a Free surface ［J］.Journal of Ship Research，1970（3）：195-203.

［5］ NEWMAN J N，POOLE F A P. Forces The Wave Resistance for a Moving Pressure Distribution in a Canal［J］. Schiffstechnik， 1962（9）：21-26.

［6］ MCRP 3-31.1A Employment of Landing Craft Air Cushion（LCAC） ［R］. USA：U.S. Marine Corps， 1997.