全墊升氣墊船高速埋首與低速側(cè)翻的機(jī)理分析及應(yīng)對措施

張宗科

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船最顯著特點(diǎn)是借助于船體下部安裝的柔性圍裙形成高壓氣墊，將船體托起懸浮于運(yùn)行表面之上［1］。墊態(tài)高速航行時(shí)，僅側(cè)后部圍裙手指底端與水面接觸，阻尼小，可以達(dá)到很高的航速（見下頁圖1）。但懸浮運(yùn)行的特點(diǎn)導(dǎo)致氣墊船存在三大特有的安全風(fēng)險(xiǎn)，即“高速縱向埋首”、“低速側(cè)滑翻船”和“高速轉(zhuǎn)彎甩尾失控”。［2-3］

由于墊態(tài)航行時(shí)氣墊船縱穩(wěn)性遠(yuǎn)小于排水狀態(tài)，因此較小的縱傾力矩便可產(chǎn)生較大的縱傾角。氣墊船一般采用尾部高置的空氣螺旋槳推進(jìn)，在高速航行時(shí)，船的縱傾角一般較小，在遭遇順著船前進(jìn)方向的突加陣風(fēng)作用下，螺旋槳的推力會突然變大，產(chǎn)生的低頭力矩會引起船低頭，有可能導(dǎo)致首部圍裙手指底端與水面接觸，使該處手指外表面由承受空氣動力作用轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡恿ψ饔?。由于水密度遠(yuǎn)大于空氣密度（約是空氣密度的800多倍），使手指承受力劇增，導(dǎo)致首部圍裙下拖失穩(wěn)縮進(jìn)，局部空氣壓力降低，船低頭角度突然增大，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生船體剛性結(jié)構(gòu)觸水、船速急劇下降，并導(dǎo)致設(shè)備受損與人員傷亡。英美等國在上世紀(jì)六七十年代發(fā)生多次此類事件［4］，國內(nèi)某氣墊船在1989年高速航行過程中也曾發(fā)生低頭埋首而導(dǎo)致首部圍裙大面積撕脫［5］。

圖1 氣墊船高速航行時(shí)僅側(cè)后部圍裙手指末端與水面接觸

另外一種情況是，船在高速航行時(shí)，突然遭遇其他船的尾浪，首部圍裙手指觸水也會引發(fā)圍裙縮進(jìn)、船低頭埋首現(xiàn)象發(fā)生。如2011年、2016年，國內(nèi)某小型氣墊船在測航速過程中，高速航行時(shí)曾先后發(fā)生過兩次該類埋首。

此外，也發(fā)生過因船高速航行時(shí)急轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致船不對稱埋首而翻船。如我國711型全墊升氣墊船在1966年5月的高速試航中，因避讓航道上的小船而急轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致船高速甩尾橫漂，之后大幅橫傾而翻船。［5］

1 氣墊船低頭埋首試驗(yàn)研究

在氣墊船研究的早期階段，高速低頭埋首曾是氣墊船發(fā)展的攔路虎，國內(nèi)外均作了大量研究。英國氣墊船公司（BHC）動用直升機(jī)對實(shí)船模擬高速低頭埋首進(jìn)行航拍，對埋首過程中的船首（尤其是首部圍裙）的行為進(jìn)行錄像，以便研究埋首機(jī)理。［4］國內(nèi)在同一時(shí)期內(nèi)也曾開展研究，但當(dāng)時(shí)條件簡陋，在淀山湖進(jìn)行的實(shí)船高速縱向埋首試驗(yàn)中，科研人員將家中五斗櫥上的鏡子拆下來安放在船首，人趴在船上，借助鏡子的反射成像觀察圍裙的動態(tài)變化。由于低頭埋首時(shí)船會突然急劇減速，巨大慣性可能導(dǎo)致觀察者落入水中，故比較危險(xiǎn)。我國科研人員因陋就簡，為科研不怕犧牲，通過多次低頭埋首試驗(yàn)基本弄清理了埋首機(jī)理［5］。美國在2009年研究LCAC高速側(cè)滑的實(shí)船試驗(yàn)中，則通過在左舷安裝伸出舷外的專用支架，在上面架設(shè)錄像機(jī)來觀察記錄圍裙動態(tài)變化［6］。

1.1 英國氣墊船低頭埋首試驗(yàn)研究

為研究氣墊船低頭埋首，英國采用SRNR6型氣墊船進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)［4］。SRN6氣墊船墊態(tài)主尺度（L×B）為14.76 m×7.01 m，裙高1.22 m，重10 t，采用“十”字形氣墊分隔，周邊圍裙為囊指型，分隔圍裙為單囊射流型，參見圖2。

圖2 英國SRN6圍裙系統(tǒng)布置及氣墊圍線形狀（虛線為圍裙手指底端氣墊圍線）

除用直升機(jī)拍攝實(shí)船埋首試驗(yàn)外，還利用無線遙控的自航模進(jìn)行了模擬突加低頭力矩的高速埋首試驗(yàn)，并人為操控長時(shí)間右滿舵模擬埋首翻船的極端情況。

1.1.1 實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)船試驗(yàn)記錄的埋首過程中，縱傾角、前后氣室的氣墊壓力參數(shù)見表1［1］?？梢姡皖^埋首過程急短，在短時(shí)間內(nèi)縱傾角急速增大，船尾抬起，墊升氣流從尾部快速逸出，急劇減速使前氣室的氣墊壓力甚至變?yōu)樨?fù)值，氣墊支撐完全消失，導(dǎo)致剛性船體結(jié)構(gòu)觸水。根據(jù)實(shí)船錄像得到的埋首過程中首部圍裙變化示意見圖3。

圖3（a）中，船正常航行，飛高間隙（圍裙手指末端與水面之間的垂向距離）正常，首部圍裙手指底端與水面之間有大量水霧噴出，船縱傾角為正（抬頭）。

圖3（b）中，隨船速繼續(xù)增加，船縱傾角減小。首部圍裙手指底端間歇觸水（即手指不定時(shí)嚙水）。此時(shí)，飛高間隙時(shí)有時(shí)無，首部圍裙有少量水花噴出，船縱傾角尚為正。

圖3（c）中，隨著手指濕水增加，水動阻力也增加，外界低頭力矩使手指底端與水面的間隙進(jìn)一步減小。這時(shí)，手指底端似被水面吸附住，飛高間隙很小，僅相鄰手指間的漏氣三角區(qū)有間歇水花噴出。船首部的氣墊泄流大幅減少，前氣室墊升氣流被迫向后流動，墊壓降低，支撐作用下降，手指底端觸水產(chǎn)生的水動力形成低頭力矩，船低頭趨勢加重。

圖3（d）中，圍裙手指觸水縮進(jìn)與船低頭呈現(xiàn)惡性循環(huán)。圍裙手指推水前進(jìn)，船縱穩(wěn)性下降，這是將發(fā)生埋首現(xiàn)象的預(yù)兆。此時(shí)，若駕駛員及時(shí)采取措施（如減小螺旋槳推力，增加墊升流量等以減小船低頭），則仍可能避免發(fā)生埋首。

表1 英國BHC公司SRN6低頭埋首實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖3 根據(jù)錄像得到的英國SRN6氣墊船實(shí)船低頭埋首過程首部圍裙觸水情況變化

圖3（e）中，圍裙手指幾乎完全濕水，導(dǎo)致圍裙阻力劇增，同時(shí)首部氣流內(nèi)渦加劇加大，前氣室氣流向后的縱向流動速度更大，首部墊壓降低，手指因承壓降低氣壓支撐力減小而縮進(jìn)呈惡性循環(huán)，手指基本喪失形狀，首部氣墊面積減小，導(dǎo)致較大低頭力矩。

圖3（f）中，由于船埋首及船體拍擊，首部圍裙大囊觸水，在產(chǎn)生較大水動升力的同時(shí)阻力大增。船雖急劇減速，但在慣性作用下仍維持一定速度推水前進(jìn)，會加劇首部的抽吸作用，致使首部墊壓出現(xiàn)負(fù)值并進(jìn)一步降低。若在外界干擾下發(fā)生不對稱埋首（即埋首的同時(shí)發(fā)生偏航側(cè)滑），若不及時(shí)采取有效措施，可能會導(dǎo)致翻船。

1.1.2 自航模試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)開始時(shí)自航模高速航行（Fn=2.0），在時(shí)間坐標(biāo)1 s時(shí)突然施加顯著的垂向低頭力矩，此后采用兩種試驗(yàn)方案。一是不打舵，船出現(xiàn)低頭埋首后自行恢復(fù)正常狀態(tài)；二是施加低頭力矩的同時(shí)，打右滿舵30°并維持不變，結(jié)果船出現(xiàn)低頭埋首后偏航角迅速增大至70°左右，橫傾角也迅速增大至14°左右，此時(shí)船側(cè)翻［4］。兩次試驗(yàn)記錄得到的運(yùn)動參數(shù)時(shí)歷變化見圖4。

圖4 SRN6自航模突加垂向低頭力矩后運(yùn)動參數(shù)時(shí)歷變化（左不打舵，右30°右舵翻船）

對未打舵的自航模試驗(yàn)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在t= 6 s時(shí)，橫傾角最大達(dá)-2°左右，此時(shí)側(cè)滑角β≈28°，F(xiàn)nB≈0.6，這時(shí)對應(yīng)橫向阻力峰位置，橫向氣墊興波產(chǎn)生的橫傾角也最大。

對打30°右滿舵的側(cè)翻的試驗(yàn)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)右滿舵在初始階段引起船短暫右傾，隨后舵力產(chǎn)生的橫傾力矩與船低頭埋首圍裙拖水引起的橫傾力矩相疊加，導(dǎo)致船橫傾角增大，又進(jìn)一步使圍裙觸水變大，圍裙拖水產(chǎn)生的橫傾力矩增加，導(dǎo)致橫傾角持續(xù)增大直至船側(cè)翻。

1.2 美國側(cè)壁式氣墊船SES 100A低頭埋首試驗(yàn)研究

SES 100A是美國研制的一型側(cè)壁式氣墊試驗(yàn)船，長25 m×寬11.6 m，重110 t，最大航速76 kn，首部裝有可伸縮水翼。低頭埋首試驗(yàn)過程測得縱傾角及首尾氣墊壓力的時(shí)歷曲線見圖5。由圖5可見：在前5 s內(nèi)，SES 100A前氣墊產(chǎn)生的負(fù)壓使船快速埋首，這與其首部圍裙觸水后內(nèi)拖甚至縮進(jìn)有關(guān)。

圖5 美國側(cè)壁式氣墊船SES 100A埋首過程中壓力及縱傾角的變化

1.3 我國側(cè)壁式氣墊船711-Ⅲ低頭埋首試驗(yàn)

711-Ⅲ型船是我國研制的第一艘側(cè)壁式氣墊試驗(yàn)船，長6.6 m ×寬2.15 m，重1.7 t，可載客8人，首部裝有水翼。低頭埋首試驗(yàn)過程為，船越出阻力峰高速航行時(shí)，讓部分乘員從船舯移至船首以人為制造低頭力矩使船埋首［1］。結(jié)果船出現(xiàn)大幅低頭縱傾，測得的前氣室氣墊壓力最低降低至0 Pa。另一次低頭埋首發(fā)生在船越峰高速（約40 km/h）航行時(shí)，突然遭遇其他船的尾浪，隨后出現(xiàn)輕微低頭埋首，縱傾角與氣墊壓力的下降幅度均不大。

1.4 側(cè)壁式氣墊船與全墊升氣墊船低頭埋首試驗(yàn)參數(shù)比較

由于氣墊船低頭埋首發(fā)生在高速航行時(shí)，因此需了解縱傾角隨航速的變化情況，以及圍裙觸水抗縮進(jìn)能力。3艘船在低頭埋首過程中的參數(shù)變化比較見圖6。由圖6可以看出，低頭埋首均為短時(shí)劇烈過程，縱傾角大幅變?yōu)樨?fù)值。側(cè)壁式氣墊船船舷兩側(cè)為剛性船體側(cè)壁，僅首部和尾部為柔性圍裙氣封，在埋首過程中，剛性側(cè)壁阻止墊升氣流逸出，因此埋首過程中的氣墊壓力變化相對較小。

圖6 3艘船埋首過程中的壓力與縱傾角變化比較

2 低頭埋首的機(jī)理分析

全墊升氣墊船高速航行時(shí)有可能導(dǎo)致航行不穩(wěn)定，產(chǎn)生低頭（即負(fù)縱傾）-埋首（即有較大的負(fù)縱傾）-翻船。“低頭”意指船產(chǎn)生負(fù)縱傾，但船首之圍裙尚未觸水（或未嚴(yán)重觸水）；而“埋首”則指船產(chǎn)生較大負(fù)縱傾以至于船圍裙囊產(chǎn)生嚴(yán)重觸水并伴之而來的縮進(jìn)現(xiàn)象。埋首的主要原因是因?yàn)槿嵝試古c水接觸后使氣墊船突然產(chǎn)生過量的首傾水動力矩，進(jìn)而使柔性圍裙與水接觸的水阻力增加而進(jìn)一步加大這個(gè)力矩，以致使氣墊船繼續(xù)首傾（或橫傾），使柔性圍裙進(jìn)一步觸水和阻力增大。埋首的特征是速度急劇下降，并伴有大的首傾（或橫傾），同時(shí)有抬起尾部的趨勢，從而迅速產(chǎn)生大偏航角。總之，由柔性圍裙觸水而急劇產(chǎn)生的水動阻力及其“縮進(jìn)”失穩(wěn)是埋首的主要原因。

2.1 氣墊船縱傾角隨航速變化

當(dāng)氣墊船在水面上運(yùn)動時(shí)，氣墊內(nèi)高壓氣流引起的水面凹陷隨船一同前進(jìn)，并發(fā)生變形，形成氣墊興波。隨航速增大，興波波長越來越大，見下頁圖7。當(dāng)船前進(jìn)速度超過興波的傳播速度時(shí)，船便將興波甩在身后，興波產(chǎn)生的阻力瞬間大幅衰減，船越出阻力峰高速航行。船首部與尾部圍裙所處位置對應(yīng)的氣墊興波的波面高低不同，導(dǎo)致船因興波而產(chǎn)生縱傾角，該角度同樣隨Fn而變化（見圖7）。在Fn= 0.6附近達(dá)到最大值，隨著速度的增高（Fn＞1.5）逐漸趨向于穩(wěn)定值，如美國LCAC駕駛員最喜歡的氣墊船高速巡航時(shí)的縱傾姿態(tài)為抬頭1.3°～1.5°。在高航速下氣墊興波產(chǎn)生的縱傾角較小，但這時(shí)氣動力影響逐漸增大，使船的縱傾角變平，如圖7中的船模試驗(yàn)結(jié)果所示。高速區(qū)域的風(fēng)速對縱傾角影響很大，逆風(fēng)抬頭、順風(fēng)低頭，首部圍裙很容易觸水。

圖7 加速過程中，船下方中縱剖線處的興波波形及興波引起的縱傾角隨Fn的變化

2.2 圍裙觸水抗縮進(jìn)能力分析

首部圍裙下部手指觸水后，一般假設(shè)與水面接觸之下的部分貼附于水面（其長度為LW），這部分手指（寬度Bf）產(chǎn)生的水動阻力可由FW=計(jì)算，正比于航速V的平方［2］，此時(shí)，圍裙典型剖面的受力見圖8。內(nèi)囊膜片OB為一個(gè)在（Pb-Pc）壓力作用下的張力膜片，其受壓穩(wěn)定性是防止圍裙縮進(jìn)失穩(wěn)的關(guān)鍵。

圖8 圍裙觸水后受力分析

可采用預(yù)張力壓桿失穩(wěn)原理來解釋圍裙內(nèi)囊膜片的失穩(wěn)。圍裙觸水后，手指承受水動力產(chǎn)生向下、向內(nèi)力矩，抵消圍裙內(nèi)囊承受的預(yù)張力，當(dāng)在囊指外接點(diǎn)處的沿內(nèi)囊圓弧切線方向的拉力為零時(shí)，則內(nèi)囊不再受拉而失穩(wěn)。實(shí)際上，圍裙手指因前柱面與兩側(cè)平面耳片之間垂向交界處局部較硬（圖9），圍裙手指底端觸水后，其在水面下的形狀將不是平滑貼附于水面，而是前柱面與耳片交界處保持原形狀不變，僅手指前柱面下端內(nèi)收成拱形（圖10），從而導(dǎo)致圍裙手指下端承受的水動力更大，力臂也大，對圍裙大囊產(chǎn)生的下拖力矩更大，使圍裙內(nèi)囊更易失穩(wěn)縮進(jìn)。

圖9 圍裙手指結(jié)構(gòu)（迎水的圓柱面向兩側(cè)過渡為平直的三角形耳片）

圖10 圍裙手指底端觸水后的實(shí)際變形及數(shù)值仿真結(jié)果

3 氣墊船橫側(cè)翻船原因分析

3.1 側(cè)滑時(shí)氣墊興波產(chǎn)生搖首力矩

Zilman［7］計(jì)算了氣墊船在不同側(cè)滑角β下的氣墊興波產(chǎn)生的搖首力矩系數(shù)CMz，參見圖11。對其作數(shù)字化處理，獲得搖首力矩對側(cè)滑角的一階導(dǎo)數(shù)ΔMz/Δβ隨β的變化見圖11。由圖11可見，高航速下能穩(wěn)定回轉(zhuǎn)的側(cè)滑角范圍（ΔCMz/Δβ＜0）隨Fn的增大而減小。

圖11 氣墊船斜航時(shí)搖首力矩隨側(cè)滑角β的變化斜率

對氣墊興波產(chǎn)生的搖首力矩系數(shù)作進(jìn)一步處理，提取出不同傅汝德數(shù)下的最小值（負(fù)的最大值），見圖12。由該圖可見，搖首力矩系數(shù)的極值位于橫向傅汝德數(shù)FnB= 0.5附近。

圖12 不同側(cè)滑角下?lián)u首力矩系數(shù)的最大值與橫向傅汝德數(shù)FnB的關(guān)系

與氣墊縱向興波產(chǎn)生阻力峰值相同，橫向興波也會產(chǎn)生阻力峰值。在FnB= 0.5附近，橫向興波波長約等于船寬，船前進(jìn)一舷與隨邊一舷分別處于興波的波峰與波谷位置處，興波阻力最大，產(chǎn)生的橫傾角也最大。船在斜航時(shí)，若沿船寬方向的速度分量對應(yīng)的橫向傅汝德數(shù)接近0.5，則橫向興波產(chǎn)生的影響會更明顯。

一般說來，氣墊船的船長大于船寬，橫向興波對船姿態(tài)與阻力的影響相對會更大一些，因此橫向興波阻力峰是導(dǎo)致除CFy之外的CMz極值分布區(qū)間的主要影響因素。如果船在利用空氣舵操縱時(shí)，應(yīng)盡量避免側(cè)滑角超出一定范圍，否則當(dāng)橫向興波占據(jù)主導(dǎo)時(shí)，船的穩(wěn)定性將變差。

3.2 SRN6自航模高速側(cè)翻機(jī)理分析

提取SRN6自航模低頭埋首試驗(yàn)有關(guān)參數(shù)時(shí)歷曲線并加以綜合分析，得到傅汝德數(shù)Fn以及橫向傅汝德數(shù)FnB隨時(shí)間的變化曲線（見下頁圖13）。

SRN6自航模不打舵情形下的高速低頭埋首試驗(yàn)表明：非對稱埋首自身引起的橫傾力矩有限，產(chǎn)生的側(cè)滑角也有限，隨著因首部圍裙拖水而引起的快速減速，船態(tài)逐漸恢復(fù)正常（參見圖13）。

圖13 SRN6自航模低頭埋首試驗(yàn)Fn、FnB、β時(shí)歷曲線

SRN6自航模持續(xù)打右滿舵而側(cè)翻，是由于非對稱埋首疊加了打舵而引起急轉(zhuǎn)彎；同時(shí)，氣墊興波產(chǎn)生的搖首阻尼力矩在β超過較小范圍時(shí)即變?yōu)椴环€(wěn)定力矩（參見圖11），而導(dǎo)致船回轉(zhuǎn)率迅速增大，并處于回轉(zhuǎn)失穩(wěn)甩尾狀態(tài)。側(cè)滑角在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，船幾乎橫向前進(jìn)。此時(shí)，舵力矩疊加圍裙觸水下拖力產(chǎn)生的橫傾力矩使船大幅橫傾并導(dǎo)致側(cè)翻，參見圖13。

高速側(cè)翻至少需要滿足三個(gè)條件：一是高航速，二是大的側(cè)滑角，三是外加橫傾力矩持續(xù)作用。橫傾力矩使船產(chǎn)生前進(jìn)方向的低頭角度，高航速使導(dǎo)邊一舷圍裙觸水產(chǎn)生的下拖力矩足夠大。大側(cè)滑角使船以橫向氣墊興波為主，圍裙下拖水動力為橫傾力矩，而墊態(tài)橫穩(wěn)性相對縱穩(wěn)性為小，故此時(shí)船會高速側(cè)翻。

SRN6自航模打右滿舵而出現(xiàn)高速甩尾，若此時(shí)舵角迅速歸零，消除外加橫傾力矩的持續(xù)作用，則船會平滑過渡到低速側(cè)滑階段，直到FnB= 0.4附近船會出現(xiàn)大幅橫傾。美國LCAC的實(shí)船高速側(cè)滑試驗(yàn)證明了此點(diǎn)。

3.3 氣墊船低速側(cè)翻機(jī)理分析

與高速側(cè)翻不同，低速側(cè)翻主要指船大角度側(cè)滑時(shí)的橫向速度分量達(dá)到某個(gè)特定航速時(shí)（對應(yīng)FnB≈0.4），此時(shí)橫向氣墊興波波長約等于船寬，船底縱向分隔裙底端與興波水面之間的間隙最大，縱隔裙將氣墊分隔成左、右氣室的分隔效果最差，使橫傾時(shí)左、右氣室內(nèi)的氣墊壓力差減小（見圖14），導(dǎo)致墊態(tài)橫穩(wěn)性大幅下降，易出現(xiàn)大幅橫傾振蕩現(xiàn)象，在外界風(fēng)浪干擾下甚至橫傾翻船。

此時(shí)船阻力主要來自于隨邊一舷的圍裙下部手指兜水，從而使船速衰減較快。

圖14 氣墊船橫向氣墊興波及其對墊態(tài)橫穩(wěn)性影響

4 防止低頭埋首的技術(shù)措施

4.1 設(shè)置多個(gè)油艙利用燃油調(diào)駁動態(tài)調(diào)整縱傾角

氣墊船墊態(tài)航行時(shí)懸浮于水面之上，無法直接從外界抽取壓載水，只能通過自身內(nèi)部質(zhì)量移動來作為壓載。英、美等國氣墊船通過設(shè)置多個(gè)燃油艙，利用燃油的前后調(diào)駁來實(shí)現(xiàn)縱傾角的動態(tài)調(diào)整。同時(shí)氣墊船墊態(tài)穩(wěn)性遠(yuǎn)小于排水狀態(tài)，使燃油調(diào)撥成為可能。美國SSC在船體浮箱的4個(gè)邊角處設(shè)置燃油箱以動態(tài)調(diào)整船的姿態(tài)。［8］

4.2 圍裙設(shè)計(jì)技術(shù)

4.2.1 圍裙增設(shè)D型囊

英國BHC公司通過對比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在首部圍裙上增加支撐條或在囊指連接處設(shè)置通氣小孔，可減小圍裙觸水后貼附于水面的水動阻力，緩解低頭埋首情況。此外，首部圍裙增加D型囊，也可有效提高圍裙的抗縮進(jìn)能力。國內(nèi)，裘勝洪等［3］進(jìn)行的水槽上對比試驗(yàn)結(jié)果也證明此點(diǎn)，參見圖15。

圖15 氣墊船首部圍裙增設(shè)D型囊對抗縮進(jìn)影響水槽水流沖擊試驗(yàn)結(jié)果

英國BHC公司在SRN6之后研制的大型車客氣墊渡船SRN4的圍裙設(shè)計(jì)中采用D型囊技術(shù)，見圖16。周邊圍裙的首部及側(cè)部均設(shè)有D型囊，且在D型囊上設(shè)置單向進(jìn)氣閥，墊升高壓空氣只能單向進(jìn)入D型囊與圍裙外囊所圍成的空間。同時(shí)，首部圍裙與側(cè)部圍裙交界處設(shè)有隔片，使首部圍裙的D型囊與圍裙外囊形成封閉的局部空間，在船發(fā)生低頭埋首時(shí)該區(qū)域內(nèi)部仍可維持較高氣壓、圍裙大囊維持一定形狀提供船首升力，從而減緩低頭埋首影響。除此之外，首部圍裙D型囊下端設(shè)于圍裙囊指連接線偏向內(nèi)一定位置處，以盡量增大圍裙外囊與D型囊所圍成的封閉區(qū)域空間。美國LCAC和芬蘭的T-2000等圍裙則沿用該D型囊設(shè)計(jì)技術(shù)［9］。

4.2.2 首部圍裙抗縮進(jìn)設(shè)計(jì)

針對如何提高首部圍裙的抗縮進(jìn)并保持一定的響應(yīng)度以減小阻力，目前主要采用以下三種技術(shù)［2］：

（1）犧牲響應(yīng)度來保證剛度。如俄羅斯的ZUBR與美國LCAC通過增加首部圍裙剛度來提高圍裙觸水后的抗縮進(jìn)能力，但導(dǎo)致其響應(yīng)度相對較差，其特征是首部圍裙外安裝點(diǎn)遠(yuǎn)高于側(cè)部，外囊形成大包頭形式，內(nèi)囊較短（參見圖17）。

（2）兼顧高響應(yīng)度與抗縮進(jìn)能力。如英國SRN4MK Ⅲ成功設(shè)計(jì)應(yīng)用了高響應(yīng)度、抗縮進(jìn)首部圍裙，使首部圍裙在滿足一定抗縮進(jìn)能力的前提下兼具良好響應(yīng)度，在保證高速縱穩(wěn)性的同時(shí)提高波浪中的讓浪性能，從而提高快速性和適航性，見下頁圖18。其特征是首部圍裙外安裝點(diǎn)與側(cè)部的相差不多，內(nèi)囊較長。

（3）在國內(nèi)，馬濤［2］等對圍裙在氣動力作用下的響應(yīng)度和在水動力作用下的抗縮進(jìn)性能也進(jìn)行了研究，在國際上首創(chuàng)“響應(yīng)圍裙氣彈與水彈動力學(xué)”理論，并形成第三種首部圍裙設(shè)計(jì)方案，即介于LCAC與SRN4MK III之間具有高張力外囊與合適內(nèi)囊的中響應(yīng)度圍裙。

呂世海、劉春光、馬濤［10］提出結(jié)合縱穩(wěn)性計(jì)算研究首部圍裙性能，將圍裙在水/氣動力聯(lián)合作用下的響應(yīng)變形與船升沉、縱傾運(yùn)動響應(yīng)結(jié)合起來，探討了船高速縱穩(wěn)性及首部圍裙性能。他們的研究結(jié)果表明：當(dāng)D型囊隔片長度與圍裙剖面靜態(tài)成型狀態(tài)下外囊弦長相等時(shí)，縱傾力矩可以計(jì)算到-0.06WLc（縮進(jìn)臨界狀態(tài)）；當(dāng)D型囊隔片長度為圍裙剖面靜態(tài)成型狀態(tài)下外囊弦長的1.06倍時(shí)，則縱傾力矩只能計(jì)算到-0.045WLc（縮進(jìn)臨界狀態(tài)）。因此，設(shè)置較緊的D型囊能提高圍裙抗縮進(jìn)能力，但其對圍裙變形能力的影響恰好相反，即與D型囊松緊程度成正比。首部圍裙縮進(jìn)是船縱向失穩(wěn)并導(dǎo)致低頭埋首的必要條件，而為減小船波浪附加阻力和改善波浪中的縱搖運(yùn)動，又需要首部圍裙具有較高的變形響應(yīng)能力。首部圍裙設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧考慮抗縮進(jìn)與變形響應(yīng)，綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，使其在具有一定抗縮進(jìn)能力的前提下獲得更好的響應(yīng)性能，以提高船的快速性和耐波性。

圖18 一般圍裙（左）與響應(yīng)圍裙（右）波浪中變形比較

4.3 船模及實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證

正因?yàn)榭v向高速低頭埋首是氣墊船特有的風(fēng)險(xiǎn)之一，故在圍裙研制中必須予以重視，可通過改變重心縱向位置，以及高速時(shí)突加低頭力矩試驗(yàn)等來驗(yàn)證圍裙高速抗縮進(jìn)性能。例如，俄羅斯在新型圍裙研究中，比較了高航速時(shí)重心縱向位置對阻力的影響，以使同一阻力水平內(nèi)的重心縱向位置的范圍更為寬大［12］。目前，重心縱向位置LCG一般取位于重心之后0～0.5%的氣墊長度范圍內(nèi)，即（Xg-Xc）/Lc≈ -（0～0.5）%。美國 JEFF B、LCAC、SSC在圍裙研發(fā)中，也通過船模不同側(cè)滑角下的斜拖試驗(yàn)，以及突加垂向低頭力矩的方法來驗(yàn)證圍裙抗縮進(jìn)能力。

然而，由于縮尺船模試驗(yàn)時(shí)，船模所用圍裙材料剛度遠(yuǎn)大于實(shí)船圍裙的相似換算值，因此基于船模的低頭埋首試驗(yàn)預(yù)報(bào)到實(shí)船，明顯好于實(shí)船測試值，即偏危險(xiǎn)。美國LCAC母型船JEFF B船模與實(shí)船埋首邊界比較見圖19［2］。由圖19可見，實(shí)船高速埋首的低頭力矩-重心前移百分比遠(yuǎn)小于模型預(yù)報(bào)。

圖19 美國JEFF B船模與實(shí)船埋首邊界對比

正是由于上述原因，除通過縮尺拖模試驗(yàn)外，最終需通過實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)行安全航行驗(yàn)證，如美國在2000年前后為LCAC SLEP換裝第一代深型響應(yīng)圍裙期間便進(jìn)行了大量拖模試驗(yàn)。除在試驗(yàn)艇LCAC 66對低頭埋首邊界作模擬試驗(yàn)驗(yàn)證外，還安裝于現(xiàn)役船LCAC 89上，結(jié)合任務(wù)進(jìn)行了長達(dá)一年的實(shí)船使用考核。其發(fā)現(xiàn)若圍裙使用一段時(shí)間，首部圍裙手指會出現(xiàn)明顯磨損，此種情況下，若駕駛員在高速航行時(shí)不注意首部圍裙手指嚙水現(xiàn)象，則相對于新圍裙更易發(fā)生低頭埋首。除此之外，對舊圍裙應(yīng)更嚴(yán)格控制船的配載，嚴(yán)禁出航時(shí)頭重腳輕。

第二代深型響應(yīng)圍裙用在為芬蘭設(shè)計(jì)的氣墊巡邏艇T-2000上，2001年至2003年的實(shí)船航行試驗(yàn)表明：某些運(yùn)行狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)率可超過2°/s（美國LCAC回轉(zhuǎn)率限界≤2°/s），低頭埋首邊界大幅超出了初始設(shè)定的速度/海況/重心縱向位置的運(yùn)行限界，特意嘗試的低頭埋首情形下的反應(yīng)也比常規(guī)囊指型圍裙緩和，這與LCAC SLEP使用經(jīng)驗(yàn)相同［9］。

美國在SSC圍裙競優(yōu)過程中，對CDI Marine、Icon Polymer以及Textron這三家公司的方案作了大量的船模對比試驗(yàn)，優(yōu)選出Textron的單囊套指圍裙方案，并于2009年安裝在試驗(yàn)艇LCAC 55上進(jìn)行實(shí)船圍裙試驗(yàn)。航行安全性是三大試驗(yàn)項(xiàng)目之一，包括不同航速與海況條件下的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，觀察不同航速下艇縱向重心處于極限位置時(shí)的低頭埋首趨勢以及高速側(cè)滑系列試驗(yàn)。圍裙后續(xù)在LCAC-66上作長期運(yùn)行考驗(yàn)，以檢驗(yàn)其在LCAC惡劣運(yùn)行環(huán)境條件下的耐用性。目前，SSC首制艇LCAC-100正在進(jìn)行海上試驗(yàn)。

5 發(fā)生低頭埋首時(shí)的操縱應(yīng)對措施

5.1 預(yù)防措施

5.1.1 縱傾角及裝載控制

由于縱傾角使船的安全性降低，因此除了對首部圍裙精心設(shè)計(jì)以提高抗低頭埋首能力外，還需要嚴(yán)格規(guī)定船的重心縱向位置范圍，通過控制裝載及燃油配載來保持一定的初始尾傾角。美國LCAC船的航行安全限界規(guī)定，最高航速縱傾角一般不低于1°；對于裝載變動較大的氣墊登陸艇應(yīng)設(shè)置動態(tài)調(diào)整縱傾的技術(shù)手段，如油艙布置應(yīng)考慮兼顧壓載功能并設(shè)置燃油調(diào)駁系統(tǒng)。

美國LCAC要求駕駛員在高速航行時(shí)必須時(shí)刻注意首部圍裙手指底端嚙水現(xiàn)象，若發(fā)生此現(xiàn)象，必須立即減小導(dǎo)管空氣螺旋槳的槳距角以減速，并采取燃油調(diào)撥等措施動態(tài)調(diào)整艇縱傾角。

5.1.2 不同航速下最大允許側(cè)滑角限定

英國Crago等［4］通過大量實(shí)船及模型試驗(yàn)，得出了全墊升船可能出現(xiàn)埋首和翻船的速度（Fn）范圍，并據(jù)此制定SRN6安全駕駛限界范圍，寫入其駕駛操作手冊內(nèi)。

美國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)，在其操作手冊中明確規(guī)定不同航速下的最大允許側(cè)滑角（MAS）限界［13］，見圖20。

圖20 美國LCAC與英國SRN6不同航速下最大允許側(cè)滑角限界

5.2 危急應(yīng)對措施

我國氣墊船駕駛員歸納總結(jié)了他們長期駕駛經(jīng)驗(yàn)后分析得出：埋首一般在順風(fēng)高速情況下發(fā)生，會引起氣墊船低頭，使首部圍裙阻力大增、負(fù)加速度劇增，甚至因船首插人水中而發(fā)生翻船。當(dāng)高速航行感覺有低頭跡象時(shí)，應(yīng)迅速拉低螺旋槳的螺距角以降低推力。由于埋首現(xiàn)象是瞬間發(fā)生的，駕駛員應(yīng)謹(jǐn)慎正確應(yīng)對，切忌打舵、降低墊升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等誤操作［11，14］。

對于帶有首推器的氣墊船，在降螺距角的同時(shí)，還可將首推器的朝向轉(zhuǎn)向艇首，以產(chǎn)生負(fù)推力并形成抬頭力矩，緩解船的低頭現(xiàn)象。

對于氣墊船回轉(zhuǎn)時(shí)由于側(cè)滑角及回轉(zhuǎn)率過大而發(fā)生甩尾時(shí)，駕駛員應(yīng)立即將空氣舵、槳距差等回零，并避免船在FnB= 0.4～0.5區(qū)域運(yùn)行。在船高速甩尾后船速衰減到FnB= 0.4之前，通過加螺距提高航速并配合點(diǎn)舵操縱等，使船橫向速度分量避開FnB= 0.4的對應(yīng)速度，以防止出現(xiàn)大幅橫傾振蕩。

6 結(jié) 語

本文介紹國內(nèi)外在氣墊船低頭埋首方面所作的主要試驗(yàn)、理論研究以及采取的技術(shù)措施，并基于目前技術(shù)進(jìn)步對低頭埋首機(jī)理作了進(jìn)一步探討。高速低頭埋首若不對稱，會導(dǎo)致大的側(cè)滑并引發(fā)大幅橫傾，存在翻船風(fēng)險(xiǎn)。若高速航行時(shí)的偏航-側(cè)滑角超過一定范圍，則會因氣墊興波產(chǎn)生的搖首力矩處于不穩(wěn)定區(qū)域，使船側(cè)滑角進(jìn)一步增大，橫向興波占主導(dǎo)地位；再加上外界風(fēng)浪的影響，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生翻船。低頭埋首只在船高速航行過程中發(fā)生，除與氣墊船特有的柔性圍裙系統(tǒng)密切相關(guān)，也與駕駛操縱有關(guān)，在高速行駛時(shí)必須注意風(fēng)向、風(fēng)速以及其他船的尾浪，切記低頭埋首這一潛在風(fēng)險(xiǎn)。除采用抗縮進(jìn)性能良好的首部圍裙設(shè)計(jì)以及設(shè)置可動態(tài)調(diào)整姿態(tài)的手段外，出航前及航行過程中必須密切注意縱傾角范圍，嚴(yán)格遵從安全限界的約束。由于低頭埋首的突發(fā)性及短時(shí)性，因此在航行時(shí)必須時(shí)刻注意觀察周邊環(huán)境，在遭遇低頭埋首時(shí)正確應(yīng)對，方能轉(zhuǎn)危為安！