極地氣墊破冰/運(yùn)輸平臺破冰機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)

高 嵩 張 俊 張 進(jìn)

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著北極冰層加速消融，北極地區(qū)的潛在價(jià)值日益凸顯。北極地區(qū)不僅蘊(yùn)藏豐富的油氣資源和海洋資源，同時(shí)作為連接大西洋-北冰洋-太平洋黃金航線之一的北極航道將極大改變目前我國80%以上的國際貿(mào)易依賴南海、馬六甲海峽航線的局面，為中國開辟一條新的遠(yuǎn)洋航運(yùn)通路，成為一條連接中國與歐洲、北美以及環(huán)北極等國家新的“海上絲綢之路”，極大地縮短我國與西歐及北美貿(mào)易航程，可減少航程 40%以上，其經(jīng)濟(jì)利益和商機(jī)十分可觀。

目前，我國對艦船進(jìn)入南北極、尤其是北極有著迫切需求，無論當(dāng)前對北極海洋環(huán)境的調(diào)查、對各類裝備在高寒高緯度條件下的性能試驗(yàn)，還是今后為其他艦船進(jìn)入北極提供航道及任務(wù)海區(qū)破冰保障、物資補(bǔ)給和情報(bào)支援，都對可在極地環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的破冰/運(yùn)輸船有著明確的需求。此外，極地地區(qū)物資運(yùn)輸主要通過“雪龍”號，該船無法將物資直接運(yùn)送到科考站，需通過直升機(jī)、雪橇車等運(yùn)輸工具進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，這些交通工具受環(huán)境、地形影響較大。因而，開發(fā)一型能夠用于極地等寒區(qū)低溫環(huán)境下應(yīng)用的，兼具破冰和運(yùn)輸功能的平臺對我國極地地區(qū)科考、延長北極航道通航期、寒區(qū)低溫環(huán)境物資及人員轉(zhuǎn)運(yùn)、應(yīng)急救援等都具有十分重要的意義。

1 氣墊破冰原理簡介

全墊升氣墊平臺是一種貼近支撐面（地面、水面、冰面等）滑行的高速運(yùn)載工具，具有許多優(yōu)良的特性，它航速快、兩棲性好、水下物理場小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等，在軍事、救援、破冰、掃雷等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢［1-2］，因而得到世界各國的高度重視。全墊升氣墊平臺的工作原理是利用大功率風(fēng)扇向船體底部快速壓入大量空氣，使船體底部與水面之間形成動(dòng)力氣墊，使船體全部脫離支撐面，同時(shí)使用柔性圍裙圍在船底封閉氣墊以增加船體飛高，提升沖灘和越障的能力［3］。傳統(tǒng)破冰船是依靠螺旋槳和船頭力量實(shí)現(xiàn)破冰，而氣墊平臺破冰是通過底部動(dòng)力氣墊與水耦合作用所產(chǎn)生的興波來實(shí)現(xiàn)。氣墊平臺具有兩種不同的破冰模式：低速模式和高速模式，也稱靜態(tài)破冰和動(dòng)態(tài)破冰［4］。

1.1 冰面靜態(tài)破冰機(jī)理

低速模式氣墊平臺又分為無動(dòng)力氣墊平臺和自航氣墊平臺，無動(dòng)力平臺是指氣墊平臺自身沒有推進(jìn)設(shè)備，只能依靠母船的推動(dòng)航行；而自航氣墊平臺是指平臺自身安裝了推進(jìn)系統(tǒng)，能夠依靠自身力量航行，兩者破冰機(jī)理并無明顯區(qū)別。低速模式氣墊平臺破冰機(jī)理如圖1所示。

圖1 低速氣墊破冰原理示意圖

氣墊平臺在全墊升狀態(tài)下被母船推動(dòng)（無動(dòng)力平臺）或通過自航模式，從水中低速接近冰層。由氣墊產(chǎn)生的表面興波隨船不斷前進(jìn)，興波傳遞的速度大于船速，因而當(dāng)船未到冰層時(shí)，興波已經(jīng)傳遞到冰層下方，如圖1（a）所示。

此時(shí)，興波將來自動(dòng)力氣墊的氣流也導(dǎo)入冰層下方，在冰層下方形成氣腔，形成冰層懸臂梁效應(yīng)。由于氣腔內(nèi)直通大氣環(huán)境，氣腔內(nèi)壓力為大氣壓力，因而冰層懸臂梁效應(yīng)產(chǎn)生的彎矩不會對冰層造成破壞，但是當(dāng)興波進(jìn)入冰層下方一定距離后會形成反射波，與新形成的興波耦合產(chǎn)生的氣腔周期性波動(dòng)。當(dāng)波動(dòng)頻率接近冰層固有頻率時(shí)，會引發(fā)冰層發(fā)生共振，產(chǎn)生破壞。如果沒有引發(fā)共振，則冰層不會出現(xiàn)破壞。隨著氣墊平臺不斷接近冰層，表面興波傳遞到冰層下方的距離減小，冰層下方形成的氣腔長度不斷增加。

氣腔周期性波動(dòng)頻率也不斷增加，當(dāng)氣墊平臺首部圍裙抵達(dá)冰層上方某一點(diǎn)時(shí)，形成的氣腔如圖1（b）所示。氣腔內(nèi)壓力用Pg表達(dá)，且有Pg= ρgh（h為氣腔的水頭壓力高度）。而位于冰層上方的氣墊壓力由Pc表達(dá)，氣腔的長度定義為d1。圖中可見，冰層受到的彎曲力矩Nz等于其自重在懸臂梁作用下產(chǎn)生的彎曲力矩與上下表面壓力形成的彎曲力矩之和，即

式中：FAVC、FC和Gi分別表示氣墊平臺產(chǎn)生的向下的壓力、氣腔內(nèi)空氣產(chǎn)生的向上的支持力以及被掏空冰層產(chǎn)生的向下重力；d1、d2和d3分別表示冰層上方氣墊壓心、冰層下方氣墊壓心以及被掏空冰層重心距離氣腔內(nèi)邊緣懸臂梁支點(diǎn)的距離。

當(dāng)Nz超過冰層能承受的破壞力矩后，發(fā)生冰層斷裂，達(dá)到破冰效果。如果當(dāng)興波第一次進(jìn)入冰層下方而沒有造成冰層斷裂，但會造成冰層出現(xiàn)放射狀的裂縫，這表明冰層已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際承壓能力，只是還不足以使冰層斷裂而已，但是冰層的強(qiáng)度已經(jīng)大幅下降。此時(shí)氣墊船仍在冰面上前進(jìn)，由于冰層并未斷裂，冰層下方興波將反射回氣墊平臺底部形成反射波，反射波與前進(jìn)的興波在冰層下方相互作用，使氣腔的體積不斷變化，d1、d2和d3隨之出現(xiàn)周期性波動(dòng)，導(dǎo)致破壞力矩Nz出現(xiàn)周期性波動(dòng)，從而使裂縫不斷擴(kuò)大，并最終導(dǎo)致冰層發(fā)生斷裂形成冰塊。此外，當(dāng)破壞力矩Nz的波動(dòng)頻率與冰層自身的固有頻率接近時(shí)，會引發(fā)冰層發(fā)生共振現(xiàn)象，從而出現(xiàn)大面積的冰層斷裂現(xiàn)象，大幅提高破冰效率。

通過上述分析可知，低速氣墊破冰的基本原理主要是通過空氣取代冰層下部水，冰面失去浮力支撐，形成懸臂梁效應(yīng)導(dǎo)致冰層斷裂。因而破冰能力與氣墊興波密切相關(guān)，主要取決于氣墊興波的波長和波幅，以及興波與反射波耦合產(chǎn)生的氣腔周期性波動(dòng)。其中，氣墊興波的波長和波幅主要與氣墊平臺氣墊壓力和航速有關(guān)，氣墊壓力越高，則破冰能力越強(qiáng)，當(dāng)然兩者為非線性相關(guān)關(guān)系；而航速越接近阻力峰航速，興波的波幅越大，形成的氣腔面積就越大，冰層懸臂梁效應(yīng)越大，破冰能力越強(qiáng)，這是氣墊船自身的固有特性。［4］

此外，通過上述破冰原理分析可知，破冰能力與水面興波的周期性波動(dòng)密切相關(guān)。波動(dòng)頻率越高，破冰效果越好，如果波動(dòng)頻率接近或達(dá)到冰層彎曲固有頻率，其破冰效果將會非常好。由此可進(jìn)一步分析，如果氣墊平臺自身能夠使產(chǎn)生周期性興波，也即為氣墊平臺通過調(diào)整墊升流量主動(dòng)引發(fā)顛振現(xiàn)象（在常規(guī)氣墊船設(shè)計(jì)中需避免的現(xiàn)象），使氣墊壓力出現(xiàn)周期性波動(dòng)，并控制波動(dòng)頻率接近冰層固有頻率引發(fā)冰層共振，從而將大幅提高破冰能力和破冰效率。

1.2 冰面動(dòng)態(tài)破冰機(jī)理

氣墊平臺高速動(dòng)態(tài)破冰的機(jī)理可認(rèn)為是移動(dòng)載荷激勵(lì)冰層引起的聚能共振增幅效應(yīng)。當(dāng)氣墊平臺以特定航速（臨界速度）航行于冰面上時(shí)，底部氣墊對冰層上表面施加移動(dòng)載荷，并在冰層表面形成動(dòng)態(tài)應(yīng)力變形船行波，且氣墊平臺始終位于船首部興波波峰后方，對所興起的船波起持續(xù)的推波作用，不斷補(bǔ)充波動(dòng)的能量，在冰面興起峰值較大且不斷前移的壓力波，激勵(lì)冰層反復(fù)變形形成冰面興波，氣墊平臺產(chǎn)生的興波過程如圖2所示。

圖2 高速氣墊破冰原理示意圖

冰面變形波的傳播速度vb與波形的固有頻率ωb之間存在如下關(guān)系

式中：k為波數(shù)/變形波長，與氣墊長度相關(guān)；ωb與冰層厚度、彈性模量、泊松比，甚至冰層下方水的密度等冰層-水層物理特性都有密切關(guān)系。

當(dāng)氣墊平臺的航行速度由靜止到逐漸接近冰面變形波速度vb時(shí)，冰面興波的波傾角不斷增加，冰層內(nèi)累積的波形能量也開始逐漸積聚，此時(shí)氣墊平臺的航行阻力也不斷增加，但冰層內(nèi)累積的能量尚不足以造成冰層斷裂，如圖2（a）所示。

當(dāng)氣墊平臺的航行速度與冰面變形波速度vb達(dá)到一致時(shí)，冰層內(nèi)累積的波形能量傳播速度與氣墊平臺的航行速度一致時(shí)，導(dǎo)致冰層內(nèi)累積的能量無法離開氣墊載荷輻射出去，在氣墊載荷連續(xù)興波作用下，冰層能量不斷累積，其波動(dòng)變形的幅值不斷增加，冰面興波的波傾角迅速增加，從而產(chǎn)生聚能共振增幅效應(yīng)，導(dǎo)致冰層內(nèi)應(yīng)力不斷增加。當(dāng)其超過極限應(yīng)力時(shí)，冰層將發(fā)生破裂，此時(shí)氣墊平臺的航行阻力和冰面興波的波傾角達(dá)到極大值，對應(yīng)的氣墊平臺航速稱為臨界航速，也即為氣墊平臺的冰面航行阻力峰速度，如圖2（b）所示。

當(dāng)氣墊平臺的航行速度大于冰面興波速度vb時(shí)，氣墊平臺超越船首的波峰，對所興起的船波起相反的壓制作用，波傾角開始減小，船首冰層內(nèi)能量無法持續(xù)累積，以散波的形式向氣墊平臺前進(jìn)方向傳播，也難以形成破冰效果，如圖2（c）所示。

當(dāng)冰層被破開后，氣墊平臺繼續(xù)向前航行，興波將隨船繼續(xù)向前推波補(bǔ)充能量，冰層的橫向彎曲變形和應(yīng)力重新積累，積累到一定程度時(shí)縱向裂縫前端的應(yīng)力集中效應(yīng)引發(fā)新的橫向破裂，開始新的破冰周期。由此可知，氣墊平臺動(dòng)態(tài)興波主要是通過平臺的航行速度接近冰面應(yīng)力興波的共振速度，導(dǎo)致興波能量無法耗散，只能持續(xù)積累，引發(fā)冰面大變形導(dǎo)致破裂。當(dāng)平臺航速小于臨界航速時(shí)，冰層表面興波能量不斷向外傳遞，無法積聚，也無法起到破冰效果；而當(dāng)平臺航速超過臨界航速時(shí)，氣墊平臺逐漸追趕并超越船首的波峰，對所興起的船波起相反的壓制作用，難以在冰面上興起峰值較大的船波，對破冰效果是不利的。因此，氣墊平臺高速動(dòng)態(tài)破冰能力主要取決于破冰臨界速度和氣墊壓力。［5］

高速模式通常能使冰層破裂成較大的冰片，尺寸比氣墊船的船長大，破冰效率高于低速模式。然而，考慮到冰層物理特性敏感參數(shù)較多，冰面興波固有頻率ω的值與冰的厚度、含鹽量、連續(xù)性、積雪情況等參數(shù)密切相關(guān)，難以計(jì)算氣墊興波在冰表面的傳遞速度，因而通過氣墊平臺動(dòng)態(tài)在臨界速度下進(jìn)行破冰難度較大，通常工程實(shí)踐中高速動(dòng)態(tài)破冰主要用于大面積開闊水域下的均勻連續(xù)冰層。

2 國外氣墊破冰船應(yīng)用情況

加拿大科研人員在1971年使用氣墊平臺運(yùn)輸設(shè)備時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)氣墊平臺具有破冰功能，引起近北極國家的高度重視。截至目前，俄羅斯、美國、芬蘭和加拿大等國開展了大量的氣墊破冰平臺機(jī)理和方法研究，在氣墊破冰船的試驗(yàn)及實(shí)船測試方面積累了豐富的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

美國海岸警備隊(duì)在1977~1978年冬季，在伊利諾斯州的密西西比河上利用LACV-30型自航氣墊平臺和RIVER GUARDIAN號非自航氣墊平臺開展了大量的實(shí)船破冰能力測試，最后證實(shí)氣墊平臺具有較強(qiáng)的破冰能力和較高的破冰效率，并對兩種氣墊平臺的破冰方法進(jìn)行詳盡研究。加拿大的Sunoco E&P有限公司于1971~1972年冬天在加拿大西北部的Great Slave Lake上開展ACT-100氣墊運(yùn)輸試驗(yàn)，重點(diǎn)研究其破冰能力與裝載、速度關(guān)聯(lián)性，試驗(yàn)結(jié)果顯示ACT-100在高達(dá)6.4 km/h速度下不斷破開68 cm的冰水層。該公司隨后在蒙特利爾用Terracross H-119氣墊拖船開展進(jìn)一步試驗(yàn)，該船能夠輕易破開23 cm的冰層。俄羅斯在氣墊破冰平臺方面也進(jìn)行了大量研究，并開發(fā)了LY等系列的氣墊破冰平臺，其研究至今仍在持續(xù)。

表1［6-7］中給出各個(gè)國家氣墊破冰平臺的基本性能指標(biāo)和破冰能力，圖3 -圖5分別給出美國的ACT-100、JEFF A和英國的AP1-88實(shí)船破冰照片。

表1 各國破冰氣墊平臺參數(shù)

圖3 ACT-100由常規(guī)破冰船頂推破冰

圖4 英國AP1-88氣墊渡船動(dòng)態(tài)破冰

圖5 美國氣墊船JEFF A以35 kn航速高速破冰試驗(yàn)

3 極地環(huán)境氣墊平臺設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

氣墊破冰/運(yùn)輸平臺能夠貼近冰面/水面航行，技術(shù)特性橫跨船舶與航空兩個(gè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)研究難度較大，而運(yùn)行于極地等低溫地區(qū)的氣墊平臺更是需要具備足夠的低溫冰雪環(huán)境下正常航行作業(yè)的能力。極地地區(qū)和國內(nèi)地區(qū)的主要區(qū)別在于其環(huán)境條件差別較大，平均溫度環(huán)境在-25℃以下，且常年被積雪覆蓋。當(dāng)氣墊平臺在極地環(huán)境下應(yīng)用時(shí)會遇到如下的問題：

3.1 空氣螺旋槳與墊升風(fēng)機(jī)結(jié)冰/掛冰問題

氣墊破冰/運(yùn)輸平臺在覆雪冰層上高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，尾部會形成氣-雪霧混合流場，空氣螺旋槳在該混合流場中，推進(jìn)效率會降低，產(chǎn)生動(dòng)力衰減；同時(shí)，氣墊平臺高速運(yùn)動(dòng)過程中，槳葉遇上水蒸氣產(chǎn)生凝華結(jié)冰或遇上過冷水會產(chǎn)生滴狀結(jié)冰，螺旋槳由于高速旋轉(zhuǎn)而能捕獲更多的過冷水滴。槳葉梢部由于動(dòng)力增溫，一般不會積冰，但根部及導(dǎo)管前緣積冰很快，使螺旋槳效率降低，并伴有由于結(jié)冰不規(guī)則所引起的槳葉振動(dòng)問題，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生強(qiáng)度問題。

3.2 耐低溫防脆化圍裙問題

極地低溫環(huán)境易造成氣墊破冰/運(yùn)輸平臺圍裙脆化破裂，冰水混合物中航行也導(dǎo)致圍裙易被浮冰刺穿或割裂，因而需開展專門的耐低溫、高強(qiáng)度圍裙膠布研制與試驗(yàn)工作，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)專用的破冰圍裙。

3.3 極地氣墊破冰平臺墊升系統(tǒng)設(shè)計(jì)及防飛濺問題

極地氣墊破冰平臺在運(yùn)輸模式下，為提高其快速性和適航性，要求低密度大流量的墊升系統(tǒng)；而在破冰模式下，為提高破冰能力和減小飛濺，需要高密度小流量的墊升系統(tǒng)，兩者互為矛盾。因此，在墊升系統(tǒng)方案中，需設(shè)計(jì)能夠兼顧運(yùn)輸與極地破冰模式的性能曲線并研發(fā)滿足該性能的風(fēng)機(jī)翼型，同時(shí)在方案中還需考慮圍裙系統(tǒng)的防飛濺設(shè)計(jì)。

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用問題

在極地低溫環(huán)境下，墊升、推進(jìn)等關(guān)鍵設(shè)備都會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，從而大幅影響氣墊平臺性能，因而采取相應(yīng)手段進(jìn)行防護(hù)。由于氣墊平臺對重量極為敏感，因此通過增加功率加熱手段受到較大限制，因而需要研究發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用技術(shù)，從而在解決低溫結(jié)冰同時(shí)大幅減低主機(jī)的負(fù)荷。

3.5 多界面地形條件下運(yùn)動(dòng)與操控問題

氣墊平臺在低速破冰過程中，引起圍裙泄流量和氣墊壓力改變，影響氣墊壓力的分布和姿態(tài)角變化幅值，從而影響到氣墊平臺的垂向與縱向穩(wěn)定性；氣墊平臺在覆雪冰層上高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，圍裙與冰面的摩擦力很小，在轉(zhuǎn)向操作中，會出現(xiàn)大側(cè)漂和甩尾現(xiàn)象，不易控制。在極地復(fù)雜地形下，冰脊隨處散布，因而需要?dú)鈮|平臺具有更好的操控性。因此，需對多任務(wù)條件下的氣墊平臺運(yùn)動(dòng)特性和操控策略進(jìn)行研究，進(jìn)而開發(fā)研制適用于多任務(wù)和復(fù)雜地形條件下的氣墊平臺操控系統(tǒng)，對保證平臺安全作業(yè)有著十分重要的意義。

只有在氣墊破冰/運(yùn)輸平臺設(shè)計(jì)中解決上述關(guān)鍵問題，才能開展適用于極地地區(qū)氣墊破冰/運(yùn)輸平臺總體方案研究，實(shí)現(xiàn)在極地地區(qū)裝備氣墊破冰/運(yùn)輸平臺。

4 結(jié) 語

極地氣墊破冰/運(yùn)輸平臺不僅可以用于極區(qū)人員物資轉(zhuǎn)運(yùn)和航道開辟，還能用作極地救援和科考平臺，具有應(yīng)用范圍廣、效率高、功率耗費(fèi)低、受季節(jié)和地形限制小等優(yōu)點(diǎn)，是極地地區(qū)有效的運(yùn)載工具。同時(shí)，應(yīng)用氣墊平臺進(jìn)行破冰，不僅具有應(yīng)用范圍廣、破冰范圍大、效率高、功率耗費(fèi)低，而且使用率較高，不受季節(jié)的限制，無需占用專門的?？看a頭，減小港口、碼頭的水位負(fù)擔(dān)。本文對氣墊平臺靜、動(dòng)態(tài)原理進(jìn)行深入分析，并對極地地區(qū)氣墊破冰/運(yùn)輸平臺設(shè)計(jì)所面臨的關(guān)鍵問題進(jìn)行梳理，為極地地區(qū)氣墊破冰/運(yùn)輸平臺的研制提供初步思路，也為進(jìn)一步研究新型極地裝備提供了一定參考。