新型鋁鎂合金剛性充氣高速艇的研發(fā)與應用

郭宇平

(廈門港務集團，福建 廈門361000)

0 引言

目前國內(nèi)小型高速執(zhí)法/救助艇一般采用玻璃鋼材質(zhì)居多[1]。由于玻璃鋼材料存在不耐火、不耐磨及無法降解回收利用的弱點，因而國際上執(zhí)法艇建造采用鋁鎂合金材料替代玻璃鋼已成行業(yè)趨勢。與此同時，剛性充氣艇技術(RIB)是剛性艇體與充氣護舷組合而成的新船型，以重量輕、儲備浮力大、抗撞擊、便于艦載收放、能耗低等優(yōu)越性能[1]，正逐步應用于海洋行政執(zhí)法艇。

本文根據(jù)國內(nèi)海洋行政執(zhí)法機構的需求，將鋁鎂合金材料與剛性充氣艇技術融合一體，用于新一代高速執(zhí)法艇的研發(fā)，使得新型執(zhí)法艇在裝備制造環(huán)節(jié)，就能體現(xiàn)綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展理念，在港口巡邏、引航救助、漁業(yè)管理、海洋環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮更大作用。

1 船型方案

1.1 概述

12.7m高速艇為敞篷式鋁鎂合金底高速剛性充氣執(zhí)法艇,船體采用鋁鎂合金材料，船舷采用海帕龍(HYPALON)充氣護舷，屬于高速敞口船，具有重量輕、航速快、耐波性好、抗撞擊、機動靈活等特點。該艇配備2臺221 kW柴油舷內(nèi)外機,具備夜航能力，用于國內(nèi)海洋平靜水域營運限制區(qū)域的海上執(zhí)法巡邏和應急救助搶險。

1.2 設計依據(jù)

設計依據(jù)為國家海事局《沿海小型船舶檢驗技術規(guī)則2016》[2](簡稱《小船法規(guī)2016》)。

1.3 艇體結構采用鋁鎂合金材料的優(yōu)勢

鋁鎂合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點，用于船體建造具有如下優(yōu)點：

(1)比重小，可減輕空船重量，降低能耗。

(2)強度高耐摩擦，抗腐蝕性能好，能減少維護費用，可延長使用年限(通常在20 a以上)。

(3)加工成形和焊接性能好。

(4)彈性模量小，吸收沖擊應力的能力大。

(5)鋁廢料可回收循環(huán)使用。

(6)無低溫脆性，最適合做低溫設備。

(7)非磁性，羅盤不受影響。

(8)沒有蟲害和干燥變形。

(9)阻燃，遇火災較安全。

鋁鎂合金材料解決了玻璃鋼材料不耐火、不耐磨及無法回收利用的弱點，加工制造環(huán)節(jié)減少了模具成本，大量節(jié)約了木材，因此無論從安全可靠性、維護便利性、經(jīng)濟性及環(huán)保角度考慮，公務執(zhí)法艇的船體采用鋁鎂合金材料的優(yōu)勢更加明顯[3]。

1.4 型線及主尺度方案確定

本艇型線方案綜合考慮了穩(wěn)性、快速性、耐波性和總布置的要求。

1.4.1 折角線型

本艇長度弗勞德數(shù)Fr約為1.71，屬于高速滑行艇。由于滑行狀態(tài)時僅艇底部與水面接觸，因此型線的主要特征尺度體現(xiàn)在折角線的尺度上[1]。參考優(yōu)秀母型船，本艇采用深V折角線型，型線中部底斜升角25°，設計水線首端進水角20°。

1.4.2 船中折角線寬

為獲得有利攻角，滑行艇存在理論上的最佳折角線寬度，但綜合考慮布置、結構重量及造價因素，12.7 m高速艇以機艙布置雙主機的需求來確定船中折角線寬度b(取b=2.37 m)。由于雙機動力布置在艉部，艉部寬度太小將導致艉傾增大，增大艇首的抨擊和噴濺，對快速性不利，因此艉部寬度與中部基本一致。

1.4.3 艇長度

根據(jù)國外統(tǒng)計資料，剛性充氣艇折角線長度與寬度比值約為4～6[1]，艇長度的確定主要考慮船舶布置、結構重量控制需求。本艇水線長度取Lwl=11.30 m,Lwl/b=4.76。

1.4.4 重心縱向位置

滑行艇重心縱向位置對航行性能影響較大。為有效控制海豚運動及艇首的波浪抨擊，必須對全船結構重量、舾裝重量、油水備品裝載重量進行精確分析計算[1]。

1.5 主要技術參數(shù)

總長12.70 m，含首尾附體總長13.80 m，船長11.25 m，最大船寬(含護舷)3.334 m，型寬2.85 m，型深1.37 m，設計吃水0.60 m， 滿載排水量7.20 t，設計載重量2.00 t，護舷氣囊直徑0.5 m，氣室數(shù)7個，續(xù)航力300 n mile，乘員定額10人。

1.6 艇體的布置

全船總布置圖見圖1。艙室布置具體如下：

圖1 12.7 m高速艇總布置圖

(1)艉～Fr3為機艙，內(nèi)設2臺221 kW柴油舷內(nèi)外機。

(2)Fr3～Fr6為后油箱艙，內(nèi)設1個600 L鋁合金柴油燃料箱。

(3)主甲板以下Fr6～Fr13為前油箱艙，內(nèi)設1個900 L鋁合金柴油燃料箱，油箱兩側為浮力空艙；主甲板以下Fr13～Fr15為浮力空艙。主甲板以上為開敞駕駛艙，配鋁質(zhì)駕駛臺1套，駕駛座位2個，騎乘式乘員座位8個，駕駛艙上方配1座鋁合金天棚；天棚上布置航行燈架1座、旗桿插座、雷達天線等。該處下凹甲板區(qū)域配備自動排水系統(tǒng)。

(4)Fr15～Fr20為前封閉艙室，用于存放備品備件。

(5)Fr20～艏為艏尖艙室，內(nèi)設錨鏈(索)及錨。

1.7 抗沉性

本艇具有良好的抗沉性能。其充氣護舷分隔為7個主氣囊室，且浮力空艙中填充阻燃EVA泡沫，全艇艙室在完全充滿水或傾覆狀態(tài)下不會沉沒。

1.8 燃油和淡水儲量

本艇燃油儲備1 500 L，淡水儲備110 L。

1.9 主機及設計航速

本艇安裝2臺D4-300-DP柴油舷內(nèi)外機。單機額定功率221 kW，額定轉速3 500 r/min，油耗57.5 L/h,排放標準US EPA Tier 3。

本艇滿載且在風力不超過蒲氏二級的靜水試航，2臺221 kW舷內(nèi)外機滿負荷的工況下，航速不少于35 kn。

1.10 艇體的結構

艇體采用中國船級社認可的船用5083H116鋁鎂合金材料制造，其結構為縱骨架式結構，其中：船底外板6 mm，舷側板4 mm，主甲板4 mm，艙壁板4 mm，結構設計均滿足《小船法規(guī)2016》對鋁合金高速船的要求。

1.11 結構防火

本艇機艙整體四周采用不燃材料(船用鋁鎂合金5083H116)圍閉。

機艙與后油箱艙的相鄰限界面設25 mm厚度A30巖棉隔熱材料，其表面應防止油類吸附。

機艙后壁與救生筏存放處所相鄰的限界面，設25 mm厚度A30巖棉隔熱材料，其表面應防止油類吸附。

機艙設有風油應急切斷開關，能在機艙外的駕駛臺遙控。

2 充氣護舷技術特點

剛性充氣艇的典型特征就是設置較大的充氣護舷，護舷的直徑一般取500 mm至600 mm[1]，本艇取500 mm。大尺寸的護舷耐撞擊、易維護，采用膠粘方式固定在船舷兩側舷頂位置。與艇體結構比，其重量較輕，有利于控制艇體重心高度，在船舶橫傾時護舷提供了較大的浮力和復原力矩，以確保惡劣海況下航行安全[1]。

本艇充氣護舷采用海帕龍(HYPALON)材料制造，氣囊采用1.1 mm PU(聚氨脂)無臺階焊接成型，設有7個獨立氣密室，任一氣室破損時不會導致整艇功能喪失。艇艏部分加裝防護罩1件以保護充氣護舷。舷側設拉手和救生繩。

3 剛性充氣艇的穩(wěn)性

根據(jù)《小船法規(guī)2016》，本艇的完整穩(wěn)性應滿足對平靜水域營運限制區(qū)域高速船舶的要求，且必須通過實船試驗檢驗回航時的穩(wěn)性。由于本艇屬于敞口船，首制船還應通過灌水試驗驗證破損穩(wěn)性[2]。

對于剛性充氣艇新船型，審圖機構在審核圖紙過程中，要求計算完整穩(wěn)性時護舷體積不得計入，做實船灌水試驗時護舷必須處于未充氣狀態(tài)，理由是護舷材料的強度無法達到船體結構件同等要求。此項要求導致“剛性充氣艇”這一新船型的優(yōu)越性無法在送審圖紙中體現(xiàn)，扣除護舷體積的貢獻后船型性能大打折扣，有些船型可能不得不增加船寬以滿足審圖要求。隨著國內(nèi)外剛性充氣艇船型數(shù)量增加，有足夠工程數(shù)據(jù)積累基礎后，法規(guī)應針對護舷參與穩(wěn)性計算給出具體條件,允許滿足條件的護舷體積計入穩(wěn)性。

4 無人化發(fā)展趨勢

將鋁鎂合金船體與剛性充氣護舷組合而成的新一代執(zhí)法艇船型，其重量輕、航速快、耐波性好、抗撞擊、機動靈活的優(yōu)點，特別適合無人化發(fā)展。以本艇為例，未來可以根據(jù)不同的任務需求，進行控制系統(tǒng)模塊化設計，改裝成無人環(huán)保監(jiān)測艇、無人引航艇、無人搜救艇、無人海警巡邏艇等[1]。

5 結語

本船型首制船于2019年底下水后，輕載試航航速達到40 kn，顯示出卓越的快速性和安全性。研究及實踐結果表明：采用鋁鎂合金艇體與充氣護舷組合而成的新船型，總體性能優(yōu)良，綠色節(jié)能效益顯著，未來該類新船型必將在公務及商用領域展示出巨大的應用價值。