基于ax型熱氣球的海上自主救援裝置

任席偉，傅耀方

基于ax型熱氣球的海上自主救援裝置

任席偉，傅耀方

（武漢理工大學，湖北 武漢 430063）

基于ax型熱氣球的海上快速自主救援裝置，將熱氣球、救生筏以及風翼技術(shù)進行結(jié)合改進，完成了海上遇難人員通過空中逃生路線進行自主救援。熱氣球為裝置提供升力，救生筏能夠保障人員的生存問題，風翼能夠為裝置提供前進方向的推進力和垂直前進方向的橫向力，從而使人員快速離開逃生現(xiàn)場或者躲避障礙物。此外，還對風翼受風時的受力情況進行了分析，為裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。

救生筏；熱氣球；風翼；救援

海上航行人員的安全逃生問題一直以來被人們熱切關(guān)注，現(xiàn)有的主要救生設(shè)備有救助艇、救生艇、救生筏和救生浮具等。這些救生設(shè)備各有優(yōu)缺點，其共同點都是通過水面進行逃生，但是當水面發(fā)生重大油火類災(zāi)害或者發(fā)生化學反應(yīng)導致有毒氣體生成時，水面路線逃生方式會對人員的生命安全造成極大威脅，因此，僅通過水面逃生在某些情況下無法滿足人們的逃生需求，并且隨著現(xiàn)代救援力量的增強，只要保證黃金救援期內(nèi)在海上存活，遇難人員便有很高的獲救概率。因此，需要現(xiàn)代的救生裝置具備能快速逃生、保障短時間內(nèi)的生存且易于被快速發(fā)現(xiàn)等特點。

救生筏作為沉船或營救時的重要工具[1]，能保障人員在一定時間內(nèi)的人身安全。氣球經(jīng)過發(fā)展，在空中交通、空中偵察和氣象探測等各個方面都有著廣泛的應(yīng)用[2]。其中ax型熱氣球為通過加熱球囊內(nèi)氣體提供動力的氣球。本文提出將救生筏與與ax型熱氣球進行結(jié)合，將熱氣球的載人部分替換為救生筏。但是，熱氣球自身基本沒有輔助動力系統(tǒng)，飛行員一般僅通過大氣中不同高度的氣流來控制熱氣球的速度與方向，因此對熱氣球的操控存在一定缺陷。祝遠程[3]提出設(shè)置拉繩和魔術(shù)貼來控制熱氣球的旋轉(zhuǎn)和橫移，這些改進雖然在一定程度上改善了熱氣球的操控性能，但會使熱氣球所能提供的浮力下降，埋下一定的安全隱患。從夏焌峰[4]的研究中可知，類似于風翼結(jié)構(gòu)的翼帆在風的作用下，會同時產(chǎn)生升力和阻力。因此，可將救生筏、熱氣球與風翼進行結(jié)合，設(shè)計出一種基于ax型熱氣球的海上自主救援裝置，滿足人們對逃生裝置操縱性和安全性的需求。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，風翼處結(jié)構(gòu)如圖2所示，吊籃框架如圖3所示。

海上自主救援裝置包括熱氣球和可設(shè)置在所述熱氣球的吊籃框架內(nèi)的救生筏。救生筏可以是正八邊形氣脹式救生筏。吊籃框架可為正八邊形吊籃，并可由藤條編織而成。所述熱氣球的燃燒器設(shè)置在托盤上，托盤的支架可通過螺栓等緊固件可拆卸地固定在吊籃框架上。

1—吊籃框架；2—滑輪；3—救生筏；4—下圓環(huán)；5—卡死裝置；6—風翼控制器；7—控制閥門；8—燃燒器托盤；9—繩索；10—燃燒器；11—熱氣球氣囊；12—風翼框架；13—繩索固定系扣；14—帆布；15—上圓環(huán)；16—球囊加固帶。

所述熱氣球包括風翼、控制裝置和加固帶。

對于不同形狀風帆的研究表明，圓弧形風帆的空氣動力性能比較優(yōu)良，制造和操縱比較簡便易行，比較適用于現(xiàn)代船舶[5]，因此將風翼的形狀選為圓弧形。加固帶固定在所述熱氣球的球囊上，由比球囊厚的布料制成。加固帶可設(shè)置在球囊的赤道位置。所述風翼的帆布設(shè)置在硬質(zhì)框架內(nèi)，框架大致為H狀。框架通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)安裝在加固帶上，能繞轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)在水平面轉(zhuǎn)動?？刂蒲b置通過繩索與風翼連接以控制風翼在水平面轉(zhuǎn)動。在一種可能的實施方式中，兩個所述風翼關(guān)于環(huán)形加固帶的圓心中心對稱，每個所述風翼連接有一個所述控制裝置。

9—繩索；11—熱氣球氣囊；12—風翼框架；13—繩索固定系扣；14—帆布；15—上圓環(huán)；16—球囊加固帶；17—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

所述控制裝置包括轉(zhuǎn)動盤，其通過轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動設(shè)置在吊籃框架的上沿。

所述轉(zhuǎn)向軸的上端和下端具有卷繞繩索的環(huán)形凹槽。繩索的中部固定在風翼框架的系扣上，繩索的兩端經(jīng)繩索導引裝置分別卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸的上端和下端的環(huán)形凹槽內(nèi)。其中繩索的兩端應(yīng)同方向卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸上。此外，繩索上設(shè)有刻度，通過刻度來反映所述風翼的角度。

1—吊籃框架；2—滑輪；3—救生筏；4—下圓環(huán)；5—卡死裝置；6—風翼控制器；7—控制閥門；8—燃燒器托盤；9—繩索；10—燃燒器。

所述繩索導引裝置包括安裝在所述風翼兩側(cè)的加固帶上的上安裝環(huán)，安裝在吊籃框架上端并在所述轉(zhuǎn)向軸兩側(cè)的下安裝環(huán)，以及位于下安裝環(huán)下方的滑輪。繩索的一端經(jīng)所述風翼右側(cè)的上安裝環(huán)、右側(cè)的滑輪、所述轉(zhuǎn)向軸右側(cè)的下安裝環(huán)后卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸上端的環(huán)形凹槽內(nèi)。繩索的另一端經(jīng)所述風翼左側(cè)的上安裝環(huán)、左側(cè)的滑輪、所述轉(zhuǎn)向軸左側(cè)的下安裝環(huán)后卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸下端的環(huán)形凹槽內(nèi)。

所述控制裝置包括鎖緊裝置，其為伸縮式結(jié)構(gòu)。鎖緊裝置滑動設(shè)置在吊籃框架的上沿，并靠近轉(zhuǎn)動盤的所述轉(zhuǎn)向軸上。鎖緊裝置處于收縮位置時，可移動到轉(zhuǎn)動盤正下方；鎖緊裝置處于伸出狀態(tài)時可從轉(zhuǎn)動盤的開口伸出，防止轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動。

2 裝置操縱方案

該裝置用于海難事故時的人員逃生，平時救生筏和熱氣球折疊之后存儲。

2.1 裝置離開船舶升向空中之前

使用時，將救生筏取出放置于吊籃內(nèi)部，將其靜水壓力釋放器打開，使氣脹式救生筏充脹成型。

裝置放置如圖4所示。

圖4 裝置放置示意圖

整個裝置位于船舶生活區(qū)的延長甲板上。通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接好風翼與熱氣球并系好裝置上的相關(guān)繩索后，再使用固定繩索一端系固于熱氣球上的上圓環(huán)，另一端系固在船舶上。之后用船用鼓風機對熱氣球快速充入熱氣，當氣球充脹成型之后使用燃燒器繼續(xù)對熱氣球進行加熱。當加熱到所產(chǎn)生的的浮力足以使裝置和所載人員浮起后，將用于固定裝置的繩索解開，隨后該裝置離開遇險船舶。

2.2 裝置離開船舶升向空中之后

裝置上的風翼可以繞位于熱氣球加固帶上的旋轉(zhuǎn)軸在半圓的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，操作人員可通過風翼控制器來改變風翼的角度從而在一定程度上改變裝置的運動狀態(tài)。

裝置的運動控制如圖5所示，圖5中白色箭頭為風向，也是未使用風翼時裝置的運動方向，黑色實體箭頭為裝置的擬運動方向。當裝置需要順風的推力來加速離開事故現(xiàn)場并且不需要垂直于風向的作用力時，將風翼展開至與風向垂直，如圖5中（a）；當裝置不需要額外的推力時，將風翼緊貼熱氣球，如圖5（b）；如果裝置需要垂直于風向的作用力時，將風翼調(diào)整至一定夾角，如圖5（c）和圖5（d）；如果需要快速實現(xiàn)裝置轉(zhuǎn)向操作時，可將一端風翼緊貼熱氣球，另一端風翼調(diào)整至與風向垂直，如圖5（e）和圖5（f）。通過繩索結(jié)構(gòu)來控制風翼的旋轉(zhuǎn)角度。

當裝置載著人員到達安全水域后，通過控制燃燒器的控制閥門使裝置產(chǎn)生的浮力減小。最終裝置在重力的作用下降落到水面上。

2.3 裝置降落到水面之后

當裝置降落到水面后，將燃燒器下方支架與吊籃框架的連接處解開，使救生筏從吊籃框架中脫離出來，便于人員后續(xù)求生。船上的人員可將裝置上的繩索與救生筏連接，由于熱氣球球囊目標巨大，可起到阻流作業(yè)，防止救生筏漂向很遠的地方，并提高人員被發(fā)現(xiàn)的概率。

圖5 裝置的運動狀態(tài)控制示意圖

3 受力分析

熱氣球雖然也屬于航空器，但它不能像飛機一樣自由飛翔。操作人員只能控制裝置的飛行高度。因此，在無風的環(huán)境中，熱氣球只能上下飄動。但大氣時刻都在運動著，即便在看起來“無風”的天氣中，局部空氣垂直對流會影響近地表層局部的不同方向的空氣運動。飛行員在空中通過氣球與地面的相對運動，體驗各個高度層的不同風向，然后操縱氣球升或降至自己所需要的風向那一高度，并保持這一高度飛行，便可達到自己要飛往某個目標的目的。由于水平氣壓梯度力不同，海面上往往伴隨著風。

當高度一定，該裝置在隨風運動的過程中可能會遇上前方有燈塔等障礙物的情況。裝置本身的風翼為裝置提供垂直于風向的橫向作用力，從而改變裝置的運動軌跡，如圖6所示。裝置在風的作用下前進，如果沒有風的作用，便會按照虛線與障礙物相撞。但風翼的形狀與機翼相仿，當平行于翼弦的氣流流經(jīng)風翼時，由于風翼的阻礙導致風翼上下表面的流速均增加。根據(jù)伯努利原理，上表面的流速要高于下表面，因此上下表面會存在壓差，使得機翼最終受到向上的合力，即升力。在風的作用下，風翼也會產(chǎn)生阻力。升力和阻力在垂直于裝置前進方向上的力即為橫向力。在橫向力的作用下，裝置會沿著虛線旁邊的實線路徑運動。

圖6 風翼影響的軌跡圖

風翼的受力分析如圖7所示，以裝置風翼弦的中點為原點建立坐標系進行受力分析，定義此時裝置的前進方向為軸，垂直于裝置前進方向為軸。

風翼可繞位于裝置氣球加固帶上的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，以下就以圖7所示的兩種情況進行分析。

相關(guān)符號定義及說明如表1所示。

表1 符號定義及說明

符號說明 V1視風 V2裝置飛行引起的風速，即航行風 V3真風 α視風與風翼弦的夾角，即風翼攻角 β風翼弦與x軸的夾角，即轉(zhuǎn)翼角 θ視風與x軸的夾角，即相對風向角 γ視風與y軸風夾角 L升力 D阻力 Fx橫向力 Fy推進力

注：未列出的以及重要的符號均以出現(xiàn)處為準。

風翼的空氣動力性能與與機翼相仿，當風以某一攻角吹向風翼，風翼上的升力和阻力會隨著攻角的變化而變化[6]。在裝置前進方向上的合力構(gòu)成了裝置的推進力，在垂直于前進方向上的合力形成了橫漂力。

在裝置前進方向上的合力構(gòu)成了裝置的推進力Y，在垂直于前進方向上的合力形成了橫漂力X，按幾何關(guān)系可以得出：

X=sin－cos，Y=cos－sin

對于一端風翼，其輸入量為風的絕對速度和風的絕對角度；輸出量為與風向平行的阻力和垂直于來流風向的升力。升力和阻力的方程式為：

式（1）（2）中：為空氣密度；為風翼面積；L和D為風翼的無因次升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

風翼的空氣動力特性如圖8所示。

L和D隨著風翼攻角變化，以為參數(shù)，將L，D表示在同一張圖上，得到L～D的極坐標圖，表征某一特定風翼的空氣動力特征。設(shè)視風與裝置前進的垂直方向即橫向線夾角為，使L～D的橫坐標與視風平行且同向，裝置的橫向線通過坐標原點，沿此橫向線做它的垂線，并與L～D曲線相切（比如切于圖中的點），切點對應(yīng)的攻角即為風翼的最佳攻角。在橫向線上的最大投影x即為最大橫推力系數(shù)[8]，在垂直于橫向線方向上的投影則為推力系數(shù)。根據(jù)=－的關(guān)系即可得出最佳控制角度。

4 結(jié)束語

熱氣球、救生筏和風翼的結(jié)合實現(xiàn)了一種新的逃生方法。熱氣球為裝置提供升力，救生筏能夠保障人員的生存問題，風翼能夠為裝置提供前進方向的推進力和垂直前進方向的橫向力，從而使人員快速離開逃生現(xiàn)場或者躲避障礙物。通過控制風翼對裝置的運動軌跡進行調(diào)整，能夠提高海上遇險時該裝置的操縱性和安全性。

圖8 風翼的空氣動力特性

［1］劉鵬，田少男，侯昌金.一種救生筏架的優(yōu)化設(shè)計［J］.廣東造船，2018，37（1）：37-38，41.

［2］盧新來，羅明強，孫聰，等.系留氣球的升空模擬［J］.航空學報，2006（5）：768-772.

［3］祝遠程.熱氣球旋轉(zhuǎn)和橫移控制裝置［J］.中國高新區(qū)，2018（1）：187.

［4］夏焌峰.風翼實驗平臺的控制系統(tǒng)研究［D］.大連：大連海事大學，2015.

［5］王迪，孫培廷，張躍文，等.風翼助航船舶風翼攻角控制策略［J］.大連海事大學學報，2019，45（1）：1-10.

［6］沈智鵬，姜仲昊.風帆助航船舶運動模型［J］.交通運輸工程學報，2015，15（5）：57-64.

［7］FUJIWARA T，HEARN G E，KITAMURA F，et al.Sail—sai 1 and sail—hull interaction effects ofhybrid—sail assisted bulk carrier［J］.Journal of Marine Science and Technology，2005，10（2）：82-95.

［8］繆國平.帆船運動的力學原理［J］.力學與實踐，1994（1）：9-18.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.009

2095－6835（2019）20－0022－04

〔編輯：張思楠〕