國(guó)外水面/水下兩用艇水動(dòng)力設(shè)計(jì)啟示

朱 敏,張 鎮(zhèn),楊壯滔,邵永勇

(中國(guó)船舶集團(tuán)公司第705 研究所 昆明分部,云南 昆明,650101)

0 引言

始建于第2 次世界大戰(zhàn)的特種作戰(zhàn)部隊(duì),以卓越的戰(zhàn)績(jī),充分顯示了特種作戰(zhàn)所具有的兵力投入小、戰(zhàn)果豐碩、影響力顯著等特色。目前,特種部隊(duì)擔(dān)負(fù)著重要的戰(zhàn)略使命,已發(fā)展為具有海、陸、空及水下三棲作戰(zhàn)能力的重要作戰(zhàn)力量[1-3]。相對(duì)于常規(guī)部隊(duì)來(lái)說(shuō),特種作戰(zhàn)的特殊性以及任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)的多樣性,要求特種作戰(zhàn)部隊(duì)武器裝備品種齊全、形式多樣、靈活輕便、技術(shù)先進(jìn),并易于隱蔽和操縱。特種作戰(zhàn)裝備按用途可分為潛水裝備、運(yùn)載裝備、探測(cè)裝備、通信裝備、導(dǎo)航裝備及武器裝備[4-5]。其中,蛙人運(yùn)載裝備是蛙人執(zhí)行特戰(zhàn)機(jī)動(dòng)、滲透的重要裝備,可有效提升蛙人遠(yuǎn)程投送、隱蔽滲透等作戰(zhàn)能力。

按照航行過(guò)程中蛙人在艙內(nèi)所處的狀態(tài),可將蛙人運(yùn)載裝備分為干式和濕式兩大類。干式蛙人運(yùn)載裝備蛙人艙內(nèi)為干態(tài),蛙人可在艙內(nèi)自由呼吸,有利于蛙人在運(yùn)載過(guò)程中保存體力,提升戰(zhàn)斗力[6-9]。濕式蛙人運(yùn)載裝備蛙人艙內(nèi)為泡水狀態(tài),通過(guò)潛水裝備呼吸,不利于蛙人保持戰(zhàn)斗力。相對(duì)而言,濕式蛙人運(yùn)載裝備尺度較小,對(duì)母平臺(tái)要求較低,投送距離有限。干式蛙人運(yùn)載裝備可達(dá)幾十噸,對(duì)作戰(zhàn)保障系統(tǒng)要求較高,但作戰(zhàn)半徑更大。

綜合考慮蛙人快速遠(yuǎn)距離投送、危險(xiǎn)區(qū)隱蔽滲透、駕乘人員舒適性及對(duì)母平臺(tái)要求等多種因素,近年來(lái)美、英、俄、瑞典、荷蘭等國(guó)相繼研制了多種水面/水下兩用艇。水面/水下兩用艇具備水面高速航行和水下隱蔽滲透能力,可搭載于大中型艦艇及運(yùn)輸機(jī)靈活布放,顯著提升蛙人遠(yuǎn)距離投送及遠(yuǎn)海常態(tài)化執(zhí)行多樣化任務(wù)能力。

水面/水下兩用艇水動(dòng)力設(shè)計(jì)涉及滑行艇、水下航行器、水面耐波性、水面雷達(dá)隱身和水下聲隱身等多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域,設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)耦合因素多。文中通過(guò)梳理國(guó)外產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀,分析其水動(dòng)力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和難題解決途徑,可為國(guó)內(nèi)后續(xù)開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

1 國(guó)外水面/水下兩用艇現(xiàn)狀

1.1 各國(guó)產(chǎn)品介紹

1)美國(guó)“多用途作戰(zhàn)艇”

應(yīng)美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部要求,司蒂德公司研發(fā)了“多用途作戰(zhàn)艇”(multi-role combatant craft,MRCC)(見(jiàn)圖1)。該艇為濕式結(jié)構(gòu),長(zhǎng)9.91 m,寬2.31 m,高1.68 m,承載力0.8 t,可搭載8 人。該艇采用水面/水下雙模動(dòng)力,可雙向航行。水面狀態(tài)“尖頭”朝前,由增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,巡航速度30 kn 時(shí)續(xù)航力為250 n mile,以最大速度35 kn可航行180 n mile;水下?tīng)顟B(tài)“鈍頭”朝前,由電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力,能夠以5 kn 的速度航行25～30 n mile,最大下潛深度20 m[10]。

圖1 美國(guó)MRCCFig.1 American MRCC

2)俄羅斯“海神”

“海神”水面/水下蛙人輸送艇由俄羅斯天青石設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)生產(chǎn)(見(jiàn)圖2)。該艇為濕式結(jié)構(gòu),長(zhǎng)約9.9 m,寬2.3 m,高1.68 m,載重0.636 t,可搭載6 名蛙人(含裝備)。該艇采用水面/水下雙模動(dòng)力,水面、水下同向航行。水面航速24 kn,最大航程112 n mile;水下航速3 kn,最大航程6 n mile。工作深度20 m[10]。

圖2 俄羅斯“海神”輸送艇Fig.2 Russian “Тритон-НН”

3)瑞典/英國(guó)DGB 輸送艇

瑞典DCE 公司為英國(guó)皇家海軍研制的DGB(diver group boat)艇也是一種濕式水面/水下蛙人輸送艇,于2011 年底正式交付英國(guó)皇家海軍特別舟艇部隊(duì)。該艇為濕式結(jié)構(gòu),全長(zhǎng)10 m,寬2.3 m,高為1.65 m,載重1 t,搭載6 人(見(jiàn)圖3)。該艇采用水面/水下雙模動(dòng)力,水面航行時(shí),依靠柴油發(fā)動(dòng)機(jī),最大航速可達(dá)30 kn;水面巡航速度25 kn,續(xù)航力可達(dá)180 n mile;水下潛航速度5 kn,依靠電池為4 個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力,水下航程15 n mile,工作深度20 m,水面、水下同向航行[10]。

圖3 英國(guó)DGB 輸送艇Fig.3 British DGB

4)英國(guó)SEAL Carrier

SEAL Carrier 是英國(guó)詹姆斯·費(fèi)舍爾防務(wù)集團(tuán)在收購(gòu)瑞典DCE 公司后,在DGB 基礎(chǔ)上升級(jí)的產(chǎn)品(見(jiàn)圖4)。該艇為濕式結(jié)構(gòu),采用水面/水下雙模動(dòng)力、同向航行形式?？傞L(zhǎng)9.65 m,寬2.21 m,高1.65 m,載重1.2 t,搭載6 人,工作深度40 m。在水面/半潛航行狀態(tài),該艇既可以依靠柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)噴水推進(jìn)器高速航行,又可以依靠電池驅(qū)動(dòng)水下推進(jìn)器半潛航行;在水下航行狀態(tài)時(shí),該艇依靠鋰電池系統(tǒng)+雙軸推實(shí)現(xiàn)水下穩(wěn)定航行。該艇及其專用拖車可裝載于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱完成運(yùn)輸,其布放形式靈活多樣,可由大中型水面艦艇攜載布放、快艇拖帶或飛機(jī)空投,應(yīng)用范圍較廣[10]。

圖4 英國(guó)SEAL CarrierFig.4 British SEAL Carrier

5)荷蘭P7

P7 是由荷蘭設(shè)計(jì)的一型水面/水下蛙人輸送艇。該艇是由快艇直接改造而來(lái),采用濕式結(jié)構(gòu),單列乘坐,可搭載6 人,具有水面高速滑行、水面低速航行和水下低速航行3 種模式(見(jiàn)圖5)。艇長(zhǎng)9.8 m,寬2.5 m,高1.8 m,載重1 t。水面航速30 kn,航程250 n mile;水下5 kn,航程16 n mile。水下工作深度18 m,接近目標(biāo)后可系留海底。水面采用柴油機(jī)與噴水推進(jìn),主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可為電池充電;水下由電池為4 個(gè)電推提供動(dòng)力[10]。

圖5 荷蘭P7Fig.5 Dutch P7

6)韓國(guó)SDV-1000W

SDV(special delivery vessel)-1000W 由韓國(guó)VOGO 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn),該艇長(zhǎng)13 m,寬2.21 m,高1.65 m,載重1.5 t,可搭載10 人(含裝備)(見(jiàn)圖6)。該艇為濕式結(jié)構(gòu),采用水面/水下雙模動(dòng)力、同向航行形式。水面采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)噴水推進(jìn)器航行,水面航速35 kn,最大航程130 n mile;水下采用純電推進(jìn),水下航速5 kn,最大航程16 n mile,工作深度18 m。后續(xù)VOGO 公司又進(jìn)一步縮小了SDV-1000W 的尺度,以適應(yīng)集裝箱運(yùn)輸和空投的需求[10]。

圖6 韓國(guó)SDV-1000WFig.6 South Korean SDV-1000W

1.2 綜合技術(shù)狀態(tài)

表1 對(duì)比了國(guó)外水面/水下兩用艇綜合技術(shù)指標(biāo),分析得出如下特點(diǎn): 1)外形尺度均在1 個(gè)集裝箱裝載范圍內(nèi),便于運(yùn)輸;2)均采用混合動(dòng)力,水面熱動(dòng)力實(shí)現(xiàn)高速航行,水下純電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)隱蔽航渡;3)水面航速均約30 kn,水面續(xù)航力112～270 n mile;水下滲透速度約5 kn,水下續(xù)航力6～25 n mile;4)均為濕式結(jié)構(gòu),搭載6～10 名蛙人,載重0.6～1.5 t;5)工作深度均在蛙人安全潛深40 m以內(nèi)。

表1 國(guó)外水面/水下兩用艇性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of foreign surface/underwater dual-purpose vehicles

綜上所述,水面/水下兩用艇水面最大航速可達(dá)30 kn,綜合續(xù)航力約200 n mile,具有一定獨(dú)立投送能力;其次,水面/水下兩用艇雖為濕式結(jié)構(gòu),水面航渡狀態(tài)可不通過(guò)潛水器具呼吸,兼顧干式裝備的優(yōu)點(diǎn);另外,水面/水下兩用艇具備集裝箱裝載和空投能力,進(jìn)一步增強(qiáng)了遠(yuǎn)距離投送能力。

2 水動(dòng)力特點(diǎn)分析

水面/水下兩用艇艇型設(shè)計(jì)可采用“潛艇出水”或“快艇入水”2 種設(shè)計(jì)思路。水面/水下兩用艇水面航速可達(dá)30 kn,其弗勞德數(shù)屬于典型的滑行艇范疇。一般滑行艇的主要特征是艇體大部分質(zhì)量是依靠滑行面流體動(dòng)壓力支撐而非艉部浮力,滑行時(shí)艇艉吃水很淺,同時(shí)要求具有一定滑行面。而潛艇類水下航行器通常采用“水滴形”,艉部呈收縮狀,面積不具備支撐滑行要求。另外,滑行艇重心較為靠后,若按潛艇思路設(shè)計(jì),重心靠前,則無(wú)法滿足起滑條件。因此,目前國(guó)外水面/水下兩用艇都基本采用“快艇入水”的形式,即下半部分采用滑行艇外形以適應(yīng)水面高速航行;對(duì)上半部分進(jìn)行水下低阻優(yōu)化,以適應(yīng)水下穩(wěn)定控制需求。

從流體外形及布局角度分析,目前國(guó)外主流水面/水下兩用艇大致可分為3 類: 1)外形如美國(guó)的MRCC 和俄羅斯的“海神”,文中定義為類MRCC艇型;2)如瑞典DGB 和英國(guó)SEAL Carrier,文中定義為類DGB 艇型;3)如荷蘭P7 和韓國(guó)SDV-1000W,文中定義為類SDV 艇型。下文將從水面滑行性能、水面耐波性能、雷達(dá)隱身、水下航行性能及水下聲隱身等方面對(duì)每種艇型進(jìn)行分析。

2.1 類MRCC 艇型

類MRCC 艇的流體外形與布局角度主要有以下特點(diǎn): 1)下層采用滑行艇底,艏尖艉方保證了較好的水面滑行性能;2)下層采用深V 型艇底,提高了耐波性能,但會(huì)降低一部分滑行效率;3)上層也采用艏尖艉方構(gòu)型,整體包絡(luò)體容積較大,同時(shí)采用一定內(nèi)傾角,保證水面雷達(dá)隱身;4)上下層基本對(duì)稱,保證水下航行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生額外不平衡力矩。

類MRCC 艇型呈倒水滴形,艏部尖艉部鈍。為獲得兼顧水面/水下的航行性能,該類艇在航行方式上有其獨(dú)特性: 美國(guó)MRCC 艇在水面航行時(shí)采用尖頭朝前,這樣能保證水面航行時(shí)的滑行效率;水下航行時(shí)采用鈍頭朝前,能保證水下低阻及操控的穩(wěn)定性(見(jiàn)圖7)。

圖7 MRCC 艇水下推進(jìn)器及水面滑行實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Pictures of underwater thrusters and surface gliding of MRCC

該艇型的缺點(diǎn)是: 1)水面、水下2 個(gè)方向航行,需要2 組操控裝置,占用空間大;2)水面、水下航行時(shí)成員需要調(diào)換坐姿,若長(zhǎng)時(shí)間背向航行容易暈船,舒適性較低,且對(duì)乘坐空間要求較大;3)水下推進(jìn)電機(jī)暴露于水中,且支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)水下聲隱身性影響較大;4)若水面、水下采用同向航行,如尖艏朝前則會(huì)導(dǎo)致水下阻力激增,寬艉帶來(lái)大的流動(dòng)分離容易造成航行失穩(wěn)(見(jiàn)圖8 和圖9),而鈍艉朝前則會(huì)導(dǎo)致水面滑行失效。俄羅斯“海神”就是采用水下尖艏朝前航行,其水下最高航速僅為3 kn。

圖8 類MRCC 艇模型水面滑行波高仿真云圖Fig.8 Contour of gliding on water surface wave height for class MRCC boat model

圖9 類MRCC 艇模型水下航行表面壓力云圖Fig.9 Contour of underwater navigation surface pressure for class MRCC boat model

2.2 類DGB 艇型

類DGB 艇型的外形特點(diǎn): 1)下層采用滑行艇底,艇底剖面V 度適中,兼顧了耐波性和滑行性能;2)上層艇體水平向內(nèi)收縮,留出一部分甲板空間,便于蛙人上下艇;3)整體較為纖細(xì),同時(shí)上層艇體水平剖面從艏部向艉部呈流線型,水下航行阻力低;4)水線上層采用一定內(nèi)傾設(shè)計(jì),降低雷達(dá)反射強(qiáng)度(見(jiàn)圖10);5)該艇型水面、水下采用同向航行,降低了操控系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖10 類DGB 艇水面航行實(shí)物照片F(xiàn)ig.10 Pictures of class DGB boat gliding on water surface

類DGB 艇型缺點(diǎn):

1)水下航行時(shí),上下不對(duì)稱結(jié)構(gòu)帶來(lái)垂直面較大的非對(duì)稱力及力矩,需要較大水平舵面來(lái)平衡(見(jiàn)圖11);2)整體構(gòu)型較為纖細(xì),空間利用率不高;3)上層艇體與甲板結(jié)合處構(gòu)成垂直角,水面大傾角航行時(shí)容易反射雷達(dá)波;4)水下推進(jìn)電機(jī)直接置于水中,不利于聲隱身。

圖11 類DGB 艇模型水下航行表面壓力云圖Fig.11 Contours of underwater navigation surface pressure for class DGB boat model

2.3 類SDV 艇型

類SDV 艇型特點(diǎn): 1)艇底剖面V 度適中,兼顧耐波性能和滑行性能;2)艏部上層艇體與下層艇體基本對(duì)稱,水下航行時(shí)可抵消艏部不平衡力及力矩;3)艉部上層垂直向下收縮,有利于壓力恢復(fù)降低水下航行阻力(見(jiàn)圖12);4)上層采用內(nèi)傾設(shè)計(jì),有利于雷達(dá)隱身;5)該艇型同樣采用水面、水下同向航行,操控系統(tǒng)的復(fù)雜性降低。

圖12 SDV-1000W 改進(jìn)艇照片F(xiàn)ig.12 Picture of improved version of SDV-1000W

類SDV 艇型缺點(diǎn): 1)艉部上層艇體垂向收縮,雖然降低了阻力,但過(guò)渡段負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生較大升力及低頭力矩(見(jiàn)圖13);2)水下推進(jìn)電機(jī)同樣直接置于水中,不利于聲隱身;3)整體外形較為“圓潤(rùn)”,缺乏航向穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,需要較大鰭舵控制面維持航向穩(wěn)定性。

圖13 類SDV 艇模型水下航行表面壓力云圖Fig.13 Contours of underwater navigation surface pressure for class SDV boat model

3 啟示建議

水面/水下兩用艇具備水面高速航行和水下隱蔽滲透能力,在一定程度上兼顧了干式、濕式蛙人運(yùn)載裝備的優(yōu)點(diǎn),是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。文中通過(guò)對(duì)國(guó)外水面/水下兩用艇水動(dòng)力特點(diǎn)對(duì)比分析,獲得如下啟示,以期為我國(guó)后續(xù)相關(guān)裝備研制提供參考。

1)基本設(shè)計(jì)思路: 克服異構(gòu)外形水下低速航行穩(wěn)定性相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),為保證水面/水下兩用艇在水面高速航行,建議采用“快艇出水”設(shè)計(jì)思路;

2)水面、水下航向設(shè)計(jì): 水面、水下異向航行,會(huì)帶來(lái)人員舒適度差、空間利用率低等問(wèn)題,建議采用水面、水下同向航行方式;

3)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng): 由于純電動(dòng)力能量密度低,無(wú)法滿足要求,建議采用熱/電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng);同時(shí),由于水面、水下阻力系數(shù)差距顯著,1 套推進(jìn)器難以兼顧,建議采用2 套推進(jìn)器,;

4)艇底設(shè)計(jì): 建議采用V 度適中滑行艇底,增加破浪能力的同時(shí),兼顧滑行性能;

5)上層艇體設(shè)計(jì): 建議考慮與下層融合設(shè)計(jì),重點(diǎn)關(guān)注水面雷達(dá)隱身、空間利用率及水下航行穩(wěn)定性等因素。

6)水面、水下重心位置匹配設(shè)計(jì): 兩用艇水面滑行時(shí)要求重心較為靠后,水下航行時(shí)要求重心與浮心處于同一軸向位置,建議采用對(duì)重心位置有較大冗余度的滑行艇底設(shè)計(jì),通過(guò)水下壓載調(diào)節(jié)來(lái)獲得水面、水下重心位置的合理匹配;

7)水面、水下外形融合設(shè)計(jì): 建議在保證有效滑行面積和結(jié)構(gòu)空間的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)解決水下減阻和航行操穩(wěn)性問(wèn)題。通過(guò)增加水滴型艉部收縮,減小水下阻力,增加艏、艉舵,抵消垂直面不平衡力及力矩。另外,還可嘗試采用水面水翼+水下回轉(zhuǎn)體水動(dòng)力外形設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)水面高速水翼航行,水下穩(wěn)定航行;

8)兩用艇出、入水主要采用大流量通海閥和壓載系統(tǒng)組合調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。出、入水過(guò)程中會(huì)面臨穩(wěn)心高為零的不穩(wěn)定狀態(tài),建議快速完成轉(zhuǎn)化過(guò)程,避免發(fā)生失穩(wěn)。