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气垫船工作原理及先进制造水平
(张媛媛20121676孙建 20121678刘超杰20121701许杉20121729)
摘要： 气垫船是一种以空气在船只底部衬垫,利用船底与水面间的高压气垫作用,让船体部分或全部提升,能够快速水上行进的运载工具。本文主要对气垫船的工作原理、世界上气垫船的最先进制作技术以及我国气垫船的研究和制造水平进行了概要论述。
关键词：气垫船 工作原理 最新技术 研究和制造水平
前言： 作为一种理想的海洋登陆运载工具,气垫船自诞生之日起就受到了人们的重视。它是一种以空气在船只底部衬垫,利用船底与水面间的高压气垫作用,让船体部分或全部提升,能够快速水上行进的运载工具,人们称之为气垫船或者气垫登陆艇。由于气垫船不是排水型舰船,航行时不需要利用水的浮力支持船体,因此除了可以在水面航行,还可以在沼泽地、湿地以及较为平坦的陆地上行驶。这些功能是其他水面舰船所不具备的优势,因此可作为江河湖海的运载工具,广泛用于运输大型货物,在那些浅水急流、江河上游险滩、沼泽地带、浅海滩涂、河口近岸以及冰雪地段航行更能够体现出气垫船的使用价值。
一、气垫船分类及工作原理
气垫船按照垫升方式可分为全垫升式和部分垫升式[1]。全垫升式气垫船又称为全浮式气垫船,是在船底四周设有柔性橡胶围裙,约束空气形成,使得整个船体在压缩的空气作用下升离水面,使用空气螺旋桨推进,用空气舵控制方向（如图1）;而部分垫升式气垫船,也称为侧壁气垫船[2],是在船体两侧设置刚性侧壁,而在船首和船尾下螺旋桨或喷水装置,其能航行于水面,航行速度高于普通船只,但是低于全垫升式气垫船。显然全垫升式气垫船是一种很好的登陆工具。
工作原理：
气垫船是利用高压空气在船底和水面（或地面）间形成气垫，使船体全部或部分垫升，从而大大减小船体航行时的阻力，实现高速航行的船只。气垫是用大功率鼓风机将空气压入船底下，由船底周围的柔性围裙或刚性侧壁等气封装置限制其逸出而形成的。（如图1）
气垫船风机提供有效升力和推力，使得气垫船安全的行进。通过控制手柄的操纵改变风扇后面的垂直舵来产生风扇舵效应使之气垫船转向。转向也可以通过体重控制位移来实现。
二、先进制造技术
我国气垫船的发展经历了一个艰难曲折的原理研究、模型试验、中间试验和试用的过程[3]。
近20年来,国外研制和开发的中、大型重载气垫船,都获得了成功应用。这首先是气垫船具有全天候应用的优势,可以在那些浅水急流、沼泽地带、浅海深滩以及冰雪冻土地带行驶,特别是在环境苛刻的水路、陆路行驶,显示出了普通船只不可比拟的优势。美国、俄罗斯、英国、法国等国家都成功地研制出了一系列气垫船,其主要应用情况如下。[4]
美国
从上个世纪70年代开始,美国就开始了大型气垫登陆艇的研制工作。美海军以JEFF(B)型试验艇作为继续研制的基础,最终发展成LCAC大型气垫登陆艇。
LCAC采用了开放式甲板构型,以一个扁平的铝合金箱型主承力结构为基础,箱体上平面是主甲板,箱体内部则配置燃油箱、水密隔舱、风道等。底部是允许直接接触地面的加强结构,箱体四周安装有气垫围裙。在非气垫充气状态,浮力由箱体直接提供;在气垫充气工作状态,则从垫升风扇输送的高压气体,经过风道进入气垫船的下方,依靠产生的压力将整个气垫船托起,升离水面。在主箱体顶部两侧中部,对称布置着左、右机舱,每个机舱横向布置燃气轮机,一台用于驱动垫升风扇,另一台用于驱动空气螺旋桨。LCAC系统总体布置见图5。
LCAC气垫登陆船具有理想的快速性、良好的通过性和两栖行驶性,大幅度减少了因潮汐、水深、雷区、登陆障碍和近海岸坡度等对登陆行动的限制。这种LCAC气垫登陆艇可以在全世界70%以上的海岸实施登陆行动。资料显示,LCAC稍作改动即可执行诸如扫雷、反潜和导弹攻击等军事任务。LCAC气垫登陆艇是美国海军陆战队进行登陆作战的利器,可实施美军人“不沾水“的登陆,以最快的速度把登陆部队送上敌方滩头。海湾战争中,美海军2个两栖编队携带17艘LCAC气垫登陆艇,频频进行两栖登陆佯动,对伊军起到威胁和牵制作用。在索马里、海地危机以及孟加拉抗洪救灾行动中,LCAC都有成功的应用记录,被誉为现代登陆艇中的佼佼者。美军LCAC装备数量已经超过80艘。LCAC气垫登陆艇不但现在是,而且在未来较长一段时间内依然是美海军以及海军陆战队必须配置的装备。同时它也被欧洲[5]及其盟国采用。
英国
英国是最早研制气垫船的国家, 1959年英国建造了第一艘气垫船,在横渡英吉利海峡的航行试验中,它在诺曼底附近仅用2个小时零5分钟就横穿了海峡,并直接冲上法国诺曼底海岸的沙滩。气垫船的性能给英国军方留下深刻印象,随即英国海军组建了气垫船试验分队,并用于水面扫雷、两栖登陆、导弹发射等军事科目试验。[6]
俄罗斯
俄罗斯从上个世纪70年代就开始了大型气垫船的研制工作。俄罗斯现在服役的是新一代“野牛”大型气垫登陆艇。野牛气垫登陆艇是目前世界上最大的气垫登陆艇。[7] “野牛”气垫登陆艇采用有利于长时间海上航行的遮蔽式甲板构型,主动力装置M70型燃气轮机是一款专门设计的第三代舰用燃气轮机,已成为一种成熟、可靠而又不失其先进性的优秀的舰用推进动力装置。“野牛”大型气垫登陆艇是体现俄罗斯运载工具粗犷风格的杰作,由于运载能力强大,可达到150 t，几乎所有俄罗斯海军陆战队的装备都可以轻易搭载。只需少量的“野牛”就可以在同一登陆点集结强大的兵力,对敌军岸防造成重大威胁,可以说“野牛”级大型气垫登陆艇引起了人们广泛的关注。该艇不仅装备了俄罗斯海军、乌克兰海军,还出口到了希腊。[8]
三、我国研究和制造水平
3.1 在改革开放政策的指导下，有关部门引进国外先进技术和设备，经过五年的努力，主要关键器材设备得到基本解决，气垫艇的开发事业终于进入实用化阶段。主要经历过程：内河用侧壁式喷水推进气垫客艇、港湾河口用侧壁式气垫客艇、小型全垫升式“气垫吉普”、沿海全垫升式气垫交通艇和登陆艇[1]。
图3 716型全垫升式气垫交通艇
3.2 最近10多年来MAUIC（中国船舶及海洋工程设计研究院）在气垫船向中大型化发展的同时,在以下几项气垫船的关键技术方面取得了突破性的进展[9]。1)总体性能优化技术 2)响应围裙系统
围裙系统是与气垫船阻力、稳性与耐波性等总体性能密切相关的关键技术围裙在气垫力与水动力联合作用下的响应能力,即在运行中围裙触水后上抬或下拖,取决于其压力几何刚度比及水动几何刚度比的优化设计,或气弹及水弹响应度的优化设计。
3)垫升流道系统
气垫船的垫升系统流t压头从风机出口到周边围裙大囊直到前后气垫的分布,受到总体布t中风机位t的约束,往往会造成囊压比分布的不均匀,给围裙系统的优化设计带来较大难度。为提供纵稳性,气垫分割成前后气室。为了抗低头埋首,在保证前气室足够流t的前提下要求有比后气室较高的囊压比。为了在垫升流道系统优化设计中达到上述要求,应用CFD的FLUENT软件对气囊流道的三维流动特性进行了数值模拟。4)导管空气螺旋桨
气垫船要在高海况高速运行,其导管螺旋桨载荷很高,为了保证螺旋桨的推进效率,高升力系数与高升阻比的桨叶设计成为螺旋桨的关键技术。国外在原航空NACA系列冀型的基础上发展了ARAD系列,但其升阻比一般仍不超过100。为此通过翼型的优化设计与风洞试验研究发展了中国自己的新翼型系列。5)稳性与安全性
气垫船高速运行于水气界面,风向风速对纵倾角影响很大,当航速达到50kn/s以上时,顺风低头很易造成脂部围裙缩进失稳,以及全船低头埋首纵向失稳的现象。根据广泛的船模试验与对包括围裙变形响应、气垫分割稳性以及流量压头分布影响的纵稳性理论分析,对提高高速纵向安全性提出了措施。6)操纵性及横甩失稳 气垫船的操纵平面受纵横倾角影响较大，同时由于其水动与气动阻力相对于其惯性力较小，很容易发生侧漂和甩尾现象。根据某艇四自由度操纵性试验与理论预报，气垫船在阻力峰附近及以下低速时，不具备航向稳定性，航速越高逆风抬头角越大，航向越稳定性越好。7)自动驾控系统设计技术
为了提高气垫船的操控品质以及对各种航行条件下的安全边界进行预报普与控制,在对气垫船操纵性与动稳性研究的基础上,自主研发了气垫船自动驾控系统。气垫船的控制面包括伺服空气舵、变距螺旋桨与侧风门装置,这些控制面通过自动驾控系统进行协调运动控制。该控制系统采用带有航速控制的航向角与回转率反馈控制系统,能增加系统阻比,可实施自动航向保持功能和自动回转率保持功能,控制律采用自适应反步控制方法。该系统已通过气垫船非线性操纵运动数学模型的仿真试验。这些关键技术的发展为中国新一代的中大型全垫升气垫船的设计奠定了扎实的技术基础。
三、结束语
经过40多年研制历程，MARIC在高性能船舶,特别是在气垫船、地效翼船研究设
[10]计方面取得了显著成就。然而与国外相比，我国气垫船制造技术水平处于弱势阶段，因此我国气垫船技术在提高可靠性，改善经济性的大前提下，继续朝着实用化、高速化、大型化、系列化的方向发展，为国家经济建设、交通运输和国防建设提供更多更优质的气垫船。
参考文献
[1]江军.中国气垫船的发展[J].中国海军.2004.10 [2]彭桂华.侧壁气垫船的发展及其应用[J].中国工业总公司第七0八研究所.1994(5)[3]林一平.我国气垫船开发30年成就[J].航空知识.1997(10)[4] 王维相等.国外气垫船的应用与发展.世界橡胶工业.第35卷第12期 [5] 王帅,刘晓静.基于GIS的目标打击评估作战信息系统[J].火力与指挥控制, 2006, 31(增刊): 138~140 [6] 郭其顺.世界军用气垫船发展现状.船 舶.2001年2月
[7]王成龙等.全垫升气垫船航向稳定性研究.海军工程大学学报.第21卷 第1期
[8]周友红.气垫船及其军事用途浅析.舰船电子工程.2008.02 [9] 马涛.中国气垫船技术的发展[C].中国船舶及海洋工程设计研究院.2000.1.1 [10]彭桂华.气垫船的回顾与展望[J].中国船舶及海洋工程设计研究院.2001.2 附录
世界气垫船八大著名品牌
1.英国“格里芬”
英国格里芬气垫船公司研究和制造气垫船从1959年开始，原来是一家与气垫船的发明者、世界气垫船创始人—科克雷尔爵士共同联合创建的气垫船设计公司，拥有无与伦比的、国际领先的气垫船技术基础，是世界中大型气垫船设计与制造领域的先驱者，世界气垫船组织成员。
格里芬气垫船是由柴油发动机驱动，可飞驰在土地、水雷、砂、泥、冰、雪、沙、岩石、杂草、原木、沼泽、杂物和急流之上，在全世界被广泛应用于军事、准军事、商业和救援。在商业领域，格里芬气垫船被广泛用于客轮、物资运输、休闲旅游、调查工作、石油勘探、湿地保护、土木工程支持、海岛气象、水文勘测、移动医疗诊所、搜索及救援等。在军事领域，格里芬气垫船被海军、陆军和准军事客户在全球使用，包括海岸警卫队的巡逻艇、两栖攻击舰、快速攻击、排除地雷、消防救援、警务执勤、海关辑私、物流后勤、医疗诊所、紧急救援队和突击队任务等。格里芬气垫船还受到世界各地的救援服务机构的欢迎，被用于机场救援、工程技术支持、破除冰凌、防洪抢险和流动医疗诊所等。
2.美国“近代”
美国近代气垫船公司成立于1960年，是世界上最原始和最有经验的气垫船制造商，是世界轻型气垫船的创始者，世界气垫船组织主席。
美国近代气垫船公司集50余年轻型气垫船的设计、开发和工程经验之大成，所制造的救援、休闲、商业和军事轻型气垫船，被确认为世界轻型气垫船行业标准。近代气垫船创新的反向推力系统，全球专利，使得近代气垫船成为唯一有效的可刹车和倒退的气垫船，是同行业中最轻和最安静的气垫船。
近代气垫船创新的美观设计，体现了所有的优点和进步：并排的座位，完全密封舱，高度发达的反向推力，制动性和可操作性，更多的驾驶舱空间，增加推力、低净重和高载重量等。
是集所有功能于一身的全季节休闲车，可顺利飞行在任何深度的土地，水，砂，泥，草，沼泽，雪地，沙漠、冰或盐淡水等地形；船体采用聚氨酯泡沫和玻璃纤维复合，比传统玻璃钢船体更加坚固、更有浮力和更安全，而且比传统船只更经济省油。
3.英国“比尔·贝克”
英国比尔·贝克气垫船公司建于1973年，是世界气垫船组织成员，专门制造可操作的气垫船和气垫船F1系列比赛用船。同时，比尔·贝克公司在英国气垫船F1系列比赛中，提供比赛用气垫船设计。比尔·贝克公司在赛车气垫船设计方面持续成功，为世界的气垫船俱乐部的赛车手们在更大的、所有形式的地形提供最满意的比赛用气垫船，这是在当今世界上没有其他气垫船公司可以做的有效工作。
比尔·贝克公司还设计特种气垫船，用于运输，测绘，污染监测等。4.美国“通用”
美国通用气垫船公司成立于1967年，由航空工程师创建，所生产的气垫船，操作简单，表现良好，实现运营成本低。通用气垫船不断投入研发资金，持续推进气垫船技术发展，带给客户世界上最创新的气垫船。美国通用气垫船公司是世界气垫船组织成员。
美国通用气垫船提供创新、高速气垫船的设计和解决方案。在休闲娱乐、商业和救援气垫船的设计方面，突出安全性和可靠性。四冲程的功率、安静的运作和效率是通用气垫船的设计优势。新的混合创作，结合气垫船和地效技术而设计制造的会飞气垫船，在现在和未来，扩大了会飞气垫船和地面效应工艺的应用潜力。5.英国“海湃” 英国海湃气垫船公司是世界气垫船组织成员，在世界轻型气垫船行业是后起之秀，经过20多年的发展，在轻型气垫船领域具有领先优势，是世界气垫船海洋休闲标准的制定者和唯一执行者，世界轻型气垫船的领航者。
英国海湃气垫船采用了最新的CAD设计、数控工程和和高密度聚乙烯船体的制造方法，导致更快的生产时间，并确保更短的交货时间。海湃气垫船的设计方法已经赢得了全世界的赞誉，比任何其他供应商生产更多的气垫船。海湃气垫船是为心灵的海上安全而设计的驱动器，非常方便和乐趣。海湃气垫船非常适合于休闲、商业、救援和巡逻，是一种水陆两栖气垫飞船，它可以让你悬停在任何平坦的表面，包括水、冰、雪、沙、泥和草。冰，雪，沙，泥和草。
6.美国“工艺”
美国工艺气垫船公司成立于1984年，是世界气垫船组织成员，其唯一业务是气垫船、气垫船拖车、相关配件及更换部件的设计，工程，制造和营销。美国工艺气垫船有从2人至10人，长度从3.2米至6.7米，发动机功率从65匹至250匹的广泛可选范围，船体结构坚固，内衬高浮力材料，非常可靠。工艺气垫船可从陆地飞到水，过泥滩、沼泽、薄或厚的冰层，并可以用于休闲、救援、应用环境、土地测量和更多方面。
7.澳大利亚“海马”
澳大利亚气垫船控股有限公司专注于设计和制造安静的高速气垫船与地面效应船，有近30年的气垫船和地效飞行船研发和制造经验，地效飞行船技术处于世界领先地位。
澳大利亚气垫船公司的“海马”系列全舱型气垫船，有多种型号：速度
25、速度30、速度60、速度90等，载客从25人到90人，或者载重量从2.5吨到9吨，座椅很容易拆下来运载货物。“海马”系列气垫船运行平稳，定向控制、操作简单，非常安静，装饰豪华，外观时尚，船身采用海洋级铝合金制造，可以配备长程油箱、仓储设施、厨房、卫生间。“海马”系列气垫船可探索任何的浅水区、珊瑚礁、沙、泥或雪，运送两岸旅客，适合旅游及商业用途，是世界上最先进、最安静的客轮。
8.加拿大“空中客车”
加拿大空中客车气垫船公司是世界著名的高品质中大型气垫船制造商和供应商，专注于设计和制造中大型气垫船，有近40年的气垫船研发和制造经验，技术水平处于世界领先地位。加拿大空中客车气垫船公司生产多种型号商业气垫船：海盗V12、先锋V18、矢量V25、先锋V40等，载客从16人到45人，广泛应用于商业、旅游、军事等领域。加拿大空中客车气垫船公司还为农业、林业、矿业、石油业等行业定制重吊气垫船，载重量从1吨到20吨以上。
