新型艦載剛性充氣艇艇型設計研究

陳 練，孔祥明，何遠玲

(中國船舶信息中心，北京 100192)

0 引 言

近年來，海軍護航任務日趨頻繁且多樣化、復雜化，常規(guī)艦載艇的性能已很難滿足任務需求[1]。目前我國艦載艇多以救助艇改裝船型為主，國內(nèi)很少有從事于剛性充氣艇的專項研發(fā)廠家，而歐美剛性充氣艇技術已非常成熟，且批量建造裝備部隊[2]。

本文根據(jù)艦載艇研制要求，確定了主尺度及總布置；結合主尺度及船型特點，設計了自扶正系統(tǒng)和充氣護舷；應用CFD數(shù)值仿真軟件FINE/Marine對7組船型方案做仿真計算，根據(jù)分析結果確定了較優(yōu)的船型方案，并通過船模試驗探究了重心縱向位置及排水量對該船型阻力及航行姿態(tài)的影響，最終確定了較優(yōu)的重心縱向位置范圍，為艦載剛性充氣艇的船型設計提供參考。

1 船型方案設計

1.1 主要要素

根據(jù)艦載艇的使用要求和技術要求，本文采用單體滑行艇，舷側(cè)配備剛性充氣護舷，尾部設置自扶正系統(tǒng)。根據(jù)艦載艇在母船上的布置空間要求及母型艇的主尺度，本艇主要參數(shù)如表1所示。艇體采用尖首、方尾、深V型艇。采用舷內(nèi)柴油噴泵推進，主機型號為CUMMINS QSB6.7INT，其額定功率為353 kW；噴泵型號為Hamilton HJ274，最大輸入功率330 kW，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。該艇采用高性能纖維增強樹脂復合材料，既保證了結構強度，又降低了結構重量。

表 1 艦載剛性充氣艇主要參數(shù)Tab. 1 Main elements of shipboard RIB

1.2 總布置設計

在滿足《艦用小艇規(guī)范》[3]和航行性能相關要求下，根據(jù)相關的設計要求和原則，對小艇進行合理的總體布局（見圖1）。本艇設置露天干舷甲板、1張駕駛座椅及駕控臺，首部升高甲板設計機槍架兼做系纜樁。在駕駛臺下方配置蓄電池2只，駕駛臺側(cè)壁、船首、船尾共設置3個1 kg的干粉滅火器。本艇采用單點吊形式，用于吊運該艇。艇的舷側(cè)設有的充氣護舷，提供足夠的儲備浮力并保護艇體。艇體尾部設有自扶正系統(tǒng)，保證小艇在傾覆時能自動扶正。

1.3 型線設計

型線設計是決定艇型性能的主要因素[4]，目前滑行艇艇型設計已從一味追求快速性向重點考慮具有優(yōu)異的適航性條件下兼顧快速性方向發(fā)展[5]。高海況下的航速穩(wěn)定性、高速航行時的平臺穩(wěn)定性和海豚效應成為衡量滑行艇艇型優(yōu)良的關鍵標志。在艇型設計中，斜升角和護舷是影響其主動力性能的主要參數(shù)，其中斜升角主要影響滑行艇的快速性和穩(wěn)定性，護舷主要影響艇的橫向穩(wěn)定性和耐波性。選取最優(yōu)的斜升角與護舷配置是艇型設計的關鍵。

1.3.1 船型方案

在對國外同級別艇型進行深入的研究后，基于原型艇型線，以 17°，19°，21°，23°斜升角分別建模，通過FINE/Marine計算，確定較優(yōu)的斜升角；針對較優(yōu)斜升角根據(jù)護舷不同安裝高度位置，確定3個船型方案，具體船型方案如表2所示。

表 2 船型方案Tab. 2 Plan of ship type

1.3.2 FINE/Marine 仿真計算

1）船模參數(shù)

為了減少計算時間和計算成本，本文縮尺比為1:3.5的船模計算，主要參數(shù)如表3所示。

表 3 船模參數(shù)Tab. 3 Ship model parameters

2）計算結果

基于FINE/Marine的快速性能數(shù)值仿真方法，對表2中的7個船型方案取靜水中5個不同航速，分別仿真計算阻力、縱傾角及升沉幅值，具體結果如下：

圖 1 艦載剛性充氣艇總布置圖Fig. 1 General layout plan of shipboard RIB

①阻力仿真結果

通過表4可知，在方案1到方案4中，隨著斜升角的減小，阻力值也不同幅度的降低，斜升角17°的船型方案即方案4阻力值最小。在不同護舷安裝位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，阻力值在方案5中最小且與方案4的阻力值相近。

表 4 阻力計算表Tab. 4 Resistance result table

②縱傾角仿真結果

通過表5可知，在方案1到方案4中，隨著斜升角的減小，縱傾幅值值也不同幅度的降低，斜升角17°的船型方案縱傾幅值最小。在不同護舷安裝位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，方案5的縱傾幅值最小，且優(yōu)于方案4。

表 5 縱傾角計算表Tab. 5 Trim angle result table

③升沉仿真結果

通過表6可知，在方案1到方案4中，升沉幅值幅值隨斜升角的減小無明顯的變化規(guī)律，總體而言方案1在高速航行時，升沉幅值較小。在不同護舷安裝位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，方案5的升沉幅值最小且優(yōu)于方案1。

基于上述仿真結果，最終選取方案5為較優(yōu)船型方案，船型橫剖面圖如圖2所示。

2 自扶正系統(tǒng)

2.1 自扶正原理

自扶正能力屬于安全救生能力的一種，指船艇傾覆時可以依靠自身的能力回正，增強了船舶的生存能力。目前小艇自扶正能力的實現(xiàn)主要依靠自扶正裝置，如圖3所示。船艇傾覆后打開自扶正裝置，改變吃水、浮態(tài)和浮心位置等參數(shù)從而使船舶的靜穩(wěn)性力臂為正，達到回復正浮狀態(tài)的目的[6]。

表 6 升沉幅值計算表Tab. 6 Lifting amplitude result table

圖 2 橫剖面圖Fig. 2 Cross section

圖 3 自扶正原理圖Fig. 3 Self-righting principle diagram

2.2 自扶正系統(tǒng)設計

自扶正系統(tǒng)主要包括：自扶正氣囊1；自扶正架2，自扶正架2通過連接法蘭8和9，10與尾封板固定連接；自扶正架上的固定安裝彎管3，彎管3上固定安裝自扶正氣囊1，彎管3呈弧形與自扶正氣囊1滿氣狀態(tài)的外圓完全吻合；彎管3底部分別安裝充氣瓶4和自動充氣裝置5，通過卡箍6與彎管3固定連接，自動開啟裝置5分別通過進氣管7與充氣瓶4和自扶正氣囊1相連，自動開啟裝置5遇水后會自動開啟，進行充氣。

小艇在正常航行時，自扶正氣囊1處于非充氣狀態(tài)，可以減小航行時的空氣阻力。當小艇發(fā)生傾覆時，自動充氣裝置5會及時打開充氣瓶4對自扶正氣囊1進行充氣，小艇進行自動扶正。

圖 4 自扶正系統(tǒng)圖Fig. 4 Self-righting syetem diagram

3 充氣護舷設計

護舷在設計時，強調(diào)為小艇提供足夠的儲備浮力，在小艇布放、回收或與艦船、碼頭靠幫時提供防護，同時提高小艇在高海況條件下的適航性。

護舷結構采用全充氣式護舷結構形式，增加多獨立艙室結構設計，保證相鄰艙室發(fā)生損壞時，整體護舷的可用性；增加內(nèi)部骨架設計，防止反復充放氣的形狀變形。鑒于剛性充氣艇的工作環(huán)境及用途，選擇多獨立艙室式護舷。多獨立氣室式一般有5個或7個氣室，根據(jù)該小艇的主尺度，選取7個獨立氣室的護舷?！堆睾Ｐ⌒痛胺ǘz驗技術規(guī)則》5.4.2.1對甲板艇儲備浮力的要求為不小于100%滿載排水量[7]。本艇儲備浮力由充氣護舷提供，小艇滿載排水3.7 t，通過計算最終確定護舷直徑560 mm。

此外，本艇的護舷在與艇體結構連接時，不僅采用了填充密封膠的方式讓護舷和船體貼合更為緊密、隨型性更優(yōu)，同時也在護舷位于船體兩側(cè)各增加了一塊連接布，采用打孔填充密封膠再與船體鉚接的方式，一方面增加了護舷和船體連接的緊固效果，另一方面使得船體在發(fā)生碰撞時護舷能夠更好地吸收沖擊產(chǎn)生的能量，同時也提高了本艇的航行穩(wěn)定性。

圖 5 充氣護舷外型及氣室布置簡圖Fig. 5 Brief diagram of inflatable fenders and air chamber layou

4 水池試驗

4.1 船模簡介

試驗船?？s尺比λ=1:3.5，船模長2 143 mm，船模寬 786 mm，船模高 471 mm，站距 200 mm。船模的站位編號從尾往首依次增加，船模的0#站位置為距護舷尾端面沿首方向205.71 mm處豎直平面，均勻向船首方向分布各站位，共10個站位。由中國特種飛行器研究所高速水動力實驗室按照型線圖加工，模型采用木料進行加工，經(jīng)做防水、噴漆處理而成。船模表面光滑，符合《CB/Z244-88滑行艇船模阻力測試方法》中規(guī)定的允許誤差標準。

圖 6 船模實物圖Fig. 6 Model physical map

4.2 試驗方案

本試驗為探究不同排水量及不同重心縱向位置對剛性充氣艇性能影響，確定了3個重心縱向位置及2個排水量，共6種工況。靜水試驗速度共13個，分別為：2. 0 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s，5.0 m/s，6.0 m/s，7.0 m/s，8.0 m/s，9.0 m/s，10.0 m/s，11.0 m/s，12.0 m/s，13.0 m/s和13.7 m/s，主要測量參數(shù)包含靜水試驗中的阻力、升沉（重心處）和縱傾角，具體工況見表7。

4.3 試驗結果及分析

1）縱傾角

由圖7可知，對同一排水量船模而言，縱傾角隨航速增大先增大后減小最后趨于穩(wěn)定；對同一排水量不同重心縱向位置船模而言，重心縱向位置越接近尾部縱傾角越大。Case3在航速=9 m/s發(fā)生縱搖現(xiàn)象；Case6在航速=12 m/s發(fā)生縱搖現(xiàn)象。換言之，當重心縱向位置在=628.6 mm，船模在不同排水量狀態(tài)下，存在某一航速使之發(fā)生嚴重縱搖。

表 7 水池試驗工況Tab. 7 Pool test conditions

圖 7 不同方案縱傾角圖Fig. 7 Diagram of trim for different schemes

2）重心處升沉幅值

由圖8可知，對同一排水量船模而言，重心處升沉幅值隨航速的增大而增大最后趨于穩(wěn)定。對同一排水量不同重心縱向位置船模而言，重心縱向位置越接近尾部重心處升沉幅值越大；重心縱向位置相同時，重心處升沉幅值隨排水量增大而增大。

圖 8 不同方案升沉幅值Fig. 8 Diagram of lifting amplitude for different schemes

3）船模阻力

圖 9 不同方案阻力圖Fig. 9 Diagram of resistance for different schemes

由圖9可知，重心縱向位置對相同排水量船模阻力影響較??；排水量大小對阻力影響較大，且隨著航速的增大，不同排水量船模阻力差值先增大后減小最后趨于穩(wěn)定。對同一排水量而言，低速時重心縱向位置越靠近尾部阻力越大；高速時重心縱向位置越靠近船尾阻力越小。

5 結 語

根據(jù)我國艦載艇使用現(xiàn)狀及發(fā)展需求，設計了一種性能較優(yōu)良的剛性充氣艇，考慮不同斜升角及護舷安裝高度7種剛性充氣艇船型方案，通過對靜水中快速性能和航行性能的仿真計算，最終選取方案5作為設計船型，對該船型做水池試驗，得出以下結論：

1）從阻力性能和航行性能2個主要指標考慮，選取較優(yōu)的船型方案：斜升角23°，護舷安裝高度下移25 mm。

2）通過船模試驗得出：重心縱向位置對航行姿態(tài)影響較大，并得出較優(yōu)航行性能的重心縱向位置范圍（685.7～742.9）mm。

本文得出的船型方案及重心縱向位置，對后續(xù)相似船型開發(fā)具有較大的借鑒意義；與之配套的自扶正系統(tǒng)和充氣護舷具有一定的工程價值。