船舶及筏的滾動式航行方法

福建省船舶設(shè)計研究院 程根清

中國是一個幅員遼闊、河流縱橫、海岸線長、島嶼星羅棋布和人口眾多的國家，水路客運(yùn)在過去的交通運(yùn)輸中占有重要的地位。但是，由于近代鐵路、公路和航空技術(shù)的突飛猛進(jìn)，促使傳統(tǒng)的水路客運(yùn)趨向衰退。我國水上客運(yùn)量在全社會客運(yùn)量中所占的比重逐年下降，從1952年的14.7%降至1994年的2.4%。究其原因，現(xiàn)有水路客運(yùn)船舶的航速慢是主要因素。

一、船舶科技領(lǐng)域里的兩道難題

眾所周知，船舶的高速阻力和淺水阻力大是存在于船舶科技領(lǐng)域里的兩道難題。它們嚴(yán)重地影響了水上交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，尤其是水上客運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。面對逐漸衰退的水上客運(yùn)事業(yè)，船舶科技工作的先驅(qū)者們曾經(jīng)作出過很大的努力，收獲過重要的成果。例如，為了降低船舶的航行阻力，提高船舶的航速，曾相繼發(fā)明了滑行艇、水翼艇、氣墊艇、穿浪型船、小水線面積船和動力氣墊地效翼船等新船型和新品種。但是，這些新船型和新品種還滿足不了人類對船舶快速和節(jié)能的期望和要求。

為此，要使人類水上客運(yùn)事業(yè)大幅發(fā)展，必須使水上客運(yùn)船舶的航速有大幅度的提高，必須使水上客運(yùn)船舶技術(shù)有一個實(shí)質(zhì)性的突破，一定要突破現(xiàn)有的思路和方法，走一條船舶降阻增速技術(shù)的新路子。

二、船舶及筏的滾動式航行方法

船舶及筏的滾動式航行方法的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行原理與現(xiàn)有的船舶不同。它采用臥式浮筒體產(chǎn)生的浮力來支撐整艘船舶及筏的重量。利用浮筒體與浮筒體軸之間或浮筒體軸與支撐側(cè)體軸承之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系，使船舶及筏航行時與水面間的相對運(yùn)動變成臥式浮筒體表面與水面之間的滾動關(guān)系，從而改變了船舶及筏航行時的水阻力成分，達(dá)到了降阻增速的目的和效果。船模試驗(yàn)時觀察發(fā)現(xiàn)，水流速度越快，浮筒體的轉(zhuǎn)速越快，浮筒體上的受力（阻力）基本不變，趨于一個接近的穩(wěn)定值。把這種物理力學(xué)現(xiàn)象稱為船舶及筏的滾動式航行方法中的水流阻力逆來有限接受原理。正是由于滾動式航行方式具有這個原理，才能比較圓滿地解決船舶領(lǐng)域里高速阻力大的難題。

淺吃水是船舶及筏的滾動式航行方法具有的又一特性。它解決了船舶在淺水航道中航行時阻力大的又一難題，這亦是滾動式航行方法本身需要具備的重要功能。從圖1中可以看出，滾動式航行方法中推動浮筒體在浮筒體軸上轉(zhuǎn)動的水平推力F就是航行中的阻力。推力越小，意味著滾動式航行船舶的阻力越小。從圖1中還可以看出，作用于浮筒體上驅(qū)動浮筒體轉(zhuǎn)動的水平推力F距離浮筒體軸心的距離d越大，推力F就越小。反之則水平推力F越大。這就決定了滾動式航行的船舶必然或必須具備淺吃水的功能（相對于浮筒體直徑而言）。從阻力性能方面考慮，由理論和實(shí)踐得出結(jié)論：滾動式航行船舶的實(shí)用吃水h與浮筒體直徑D的比值一般取1/8~1/5為宜。

三、船舶及筏的滾動式航行方法的降阻增速性能

1. 模型計算

圖1 滾動式航行船舶吃水與阻力關(guān)系分析圖

船舶及筏的滾動式航行方法是船舶降阻增速領(lǐng)域里的一條新通道。這條新通道的重要特點(diǎn)就是能使船舶在航行中的水介質(zhì)阻力大幅度下降，尤其能使船舶的高速阻力接近于低速阻力而趨于一個相對較低的穩(wěn)定值，從而為水上客運(yùn)和快運(yùn)事業(yè)向高速化、節(jié)能化和高效化發(fā)展提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。那么，為什么這條新通道能出現(xiàn)這種新的、獨(dú)特的阻力性能，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)的船舶降阻增速方法則無法做到呢？下面就這一問題作具體解析：首先從物理力學(xué)方面。一個很大的力或潛能很大的力，作用在一個接受力較小的受體上，如果這個受體受力后能向作用力的相同方向作位移，那么，這個受體上接受的作用力大小就等于受體本身擁有的接受力，例如拔河運(yùn)動等。如果這個受體受力后，不能位移或只能作與作用力方向相反的方向位移，這個受體上接受的作用力大小就等于作用力，例如撐船、撐筏和現(xiàn)有船舶的航行等。船舶及筏的滾動式航行方法就是應(yīng)用了物理力學(xué)原理中的拔河運(yùn)動現(xiàn)象，即水阻力的逆來有限接受原理。圖2顯示的是一幅可以在軸上自由轉(zhuǎn)動的滾動式航行船舶的浮筒體與軸的組合輪廓圖。從圖2中可以看出，當(dāng)作用在浮筒體上的水阻力F大于浮筒體本身的接受力FR1時，浮筒體便會繞浮筒體軸中心作順時針方向的迥轉(zhuǎn)，這時驅(qū)動浮筒體迥轉(zhuǎn)的接受力FR1的方向與作用力F的方向相同，這符合物理力學(xué)原理中的拔河運(yùn)動現(xiàn)象，這時作用在浮筒體上的水阻力大小就等于驅(qū)動浮筒體本身迥轉(zhuǎn)的接受力FR。換句話說，采用船舶及筏的滾動式航行方法的船舶航行時，作用在船舶浮筒體上的水阻力大小，就等于驅(qū)動浮筒體迥轉(zhuǎn)的接受力FR。這種物理力學(xué)現(xiàn)象即滾動式航行船舶獨(dú)有的水阻力逆來有限接受原理。

根據(jù)物理學(xué)中摩擦力的計算方法，圖2中驅(qū)動浮筒體迥轉(zhuǎn)的接受力FR可用如下公式計算：

圖2 浮筒體與軸的組合輪廓運(yùn)動原理圖

其中：μ為摩擦系數(shù)；W為滾動式航行船舶的滿載排水量（總質(zhì)量）。一般情況下，兩個運(yùn)動件間的摩擦形式確定后，μ為常數(shù)，船舶的滿載排水量為定值，r1/r3為定值。這樣，滾動式航行船舶的接受力FR亦應(yīng)該為一個定值。或者說，滾動式航行船舶的航行水阻力F為一個相對穩(wěn)定的恒定值。這就是滾動式航行船舶獨(dú)有的“水阻力逆來有限接受原理”的理論由來。

滾動式航行船舶擁有的“水阻力逆來有限接受原理”給日趨衰退的水上客運(yùn)事業(yè)帶來了新希望和實(shí)質(zhì)性技術(shù)進(jìn)步。它不但能使?jié)L動式航行船舶突破現(xiàn)有船舶的實(shí)用經(jīng)濟(jì)航速極限，還能打破現(xiàn)有船舶航行時的主機(jī)能耗隨航速多次方遞增的運(yùn)動規(guī)律，使水上高速客運(yùn)和快運(yùn)的運(yùn)輸效率得到極大提高。下面就這方面問題舉百舸型模型船舶為例論述之。

百舸Ⅰ型船舶的主尺度為：總長4.6m，總寬2.20 m，吃水200 mm，滿載排水量W=400 kg，載客3人，設(shè)計航速36 km/h（10 m/s）。浮筒體外圍半徑r2=650mm，浮筒體寬B= 650 mm，浮筒體內(nèi)徑配202單列向心球軸承，計算摩擦半徑r1=10 mm，水阻力F或滾動式航行船舶接受力FR的作用半徑r3=517 mm，摩擦系數(shù)μ=0.1。

將上述已知數(shù)代入公式（1）得本百舸I型滾動式航行船舶的水阻力為

取空氣阻力FRa=0.1FRw，得本百舸I型滾動式航行船舶的總阻力為

本百舸I型滾動式航行船舶的主機(jī)功率為

本百舸I型滾動式航行船舶的運(yùn)輸效率為

本百舸I型滾動式航行船舶的阻升比為

本百舸I型滾動式航行船舶的運(yùn)載效率為

2. 與長城315三體消波快艇對比

為了對滾動式航行船舶技術(shù)的獨(dú)特先進(jìn)性有確切的了解和認(rèn)識，這里引入技術(shù)性能對比機(jī)制。下面介紹的是我國設(shè)計制造的一艘傳統(tǒng)的長城315三體消波快艇，其主尺度為：總長3.50 m，總寬1.52 m，航速35 km/h（9.7m/s），載客3~4人，主機(jī)功率18.6 kW。該快艇的運(yùn)載效率為

由此可見，本百舸I型滾動式航行船舶的運(yùn)載效率與長城315三體消波快艇相比，約為后者的80倍。

3. 與三種高性能船舶對比

設(shè)本百舸II型滾動式航行船舶的總質(zhì)量W=115 000 kg，航速vS=120 km/h（33.3 m/s），推進(jìn)效率η=0.49，采用百舸I型滾動式航行船舶的阻升比λ=0.0022，得本百舸II型滾動式航行船舶的總阻力為

下面引入對比的是三種代表現(xiàn)有國際高速船水平的高性能船舶類型，分別為Jetfoil自控雙水翼艇（產(chǎn)于美國）、SEMO-SES側(cè)壁式氣墊船（產(chǎn)于韓國）、伏爾加-2型動力氣墊地效翼船（產(chǎn)于俄羅斯）。這三種船舶技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

從上述計算出的百舸II型技術(shù)性能數(shù)據(jù)來看，其技術(shù)性能優(yōu)勢十分明顯，滾動式航行船舶的運(yùn)輸效率是自控雙水翼艇的51倍，是側(cè)壁式氣墊船的2 8倍，是動力氣墊地效翼船的55倍。

表1 三類高性能船舶技術(shù)性能參數(shù)一覽表

4. 與其他交通工具對比

將上述計算出的百舸II型滾動式航行船舶技術(shù)性能數(shù)據(jù)與AS332C直升機(jī)、輕型航空客機(jī)、倍爾捷電動自行車對比，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，滾動式航行船舶的運(yùn)輸效率是直升機(jī)的89倍，是輕型航空客機(jī)的54倍，是陸用電動自行車的11倍。

表2 兩種航空和一種陸用交通工具技術(shù)性能參數(shù)一覽表

從表1和表2的參數(shù)中不難看出，船舶及筏的滾動式航行方法擁有的“水阻力逆來有限接受原理”，能給滾動式航行船舶帶來高速、節(jié)能和高效的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，能使?jié)L動式航行船舶在水上交通運(yùn)輸工具中出類拔萃，獨(dú)占鰲頭。

四、船舶及筏的滾動式航行方法的航行安全性

滾動式航行方法的航行高度安全性是船舶及筏的滾動式航行方法創(chuàng)新技術(shù)的又一獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢。這種獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢來自滾動式航行方法的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)組成。本文前面已經(jīng)敘述過，滾動式航行船舶采用多個臥式浮筒體（包括深筒體式和淺筒體式）產(chǎn)生的浮力來支撐整艘船舶的重量，因而每個浮筒體必須是水密封閉型的，即相當(dāng)于一個獨(dú)立的大浮力救生圈。當(dāng)船舶承載時，僅僅使用了每個浮筒體浮力的一小部分（1/6~1/4的浮力），因此每艘滾動式航行船舶的儲備浮力都很大。即使發(fā)生海損事故也都不會下沉，除非3/4~5/6的浮筒體都失去了浮力。即使這樣，受損船上的乘客也有充分的時間和機(jī)會去求救和待救，避免了傷亡，這一特點(diǎn)是現(xiàn)有常規(guī)船舶絕對無法做到的。因此，這種船舶的航行具有很高的安全性。

五、總 結(jié)

船舶及筏的滾動式航行方法是船舶領(lǐng)域里的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，它具有高速、節(jié)能、高效和航行高度安全的獨(dú)特技術(shù)性能，充分滿足了人類對水上客運(yùn)船舶三要素（高速、節(jié)能和安全）的追求并達(dá)到了可能達(dá)到的最高期望值。它是船舶高速化過程中的一條節(jié)能、高效的新通道，必將為振興人類水上客運(yùn)和快運(yùn)事業(yè)作出杰出的時代貢獻(xiàn)。