局部氣墊登陸艇概念研究

鄒勁，孟慶杰，林壯，李曉文

（哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

在各國海軍越來越重視兩棲登陸和瀕海作戰(zhàn)的21世紀，各海上強國都在發(fā)展并加強兩棲突擊能力。局部氣墊雙體登陸艇的高航速高適航性，使該船型具有在高速時運載潛在軍事載荷的能力，已成為美、俄、英、法、挪威等國家致力研究的船型。本設計結合我國海軍需求的實際情況，在船型設計上結合傳統(tǒng)的機械裝置、抬升系統(tǒng)與氣墊船型的低阻力、快速性以及雙體船型高穩(wěn)性、寬甲板的優(yōu)勢，在滿足設計要求的前提下，減少阻力與吃水。

1 局部氣墊艇型國內(nèi)外技術現(xiàn)狀

1.1 登陸艇型分類

目前，各國服役的主流登陸艇主要分為常規(guī)排水型登陸艇和氣墊登陸艇。氣墊登陸艇又分為全墊升氣墊船型和部分墊升氣墊船型。部分墊升氣墊船又可分為側壁式氣墊船型與局部氣墊雙體船型。

1.2 局部氣墊艇型的發(fā)展現(xiàn)狀

1985年西德布洛姆·福斯造船公司便開始對這種雙體氣墊船進行研究、設計，并對樣型作了長達4年之久的測試、修改，積累了豐富的經(jīng)驗，推出了1種新型的比較成熟的雙體氣墊船——MEKET（長43.2 m，寬14.4 m，航速50 kn），見圖1。

挪威對新型高速巡邏艇的設計要求最初在1986年就已經(jīng)形成。1994年，挪威國防部做出決定，發(fā)展1種氣墊雙體船。1999年，“盾牌”號高速巡邏艇進行海試，在進行低速、中速及高速（最高航速達到59 kn）航行時，都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。2003年10月21日，世界排名第一的“盾牌”號高速艇進入生產(chǎn)階段（長46.9 m，寬13.5 m，航速56 kn），見圖2。

為了滿足德國聯(lián)邦國防技術采購辦公室（BWB）的要求，2004年5月，德國IMAA公司提出了一項創(chuàng)新性的局部氣墊雙體（PACSCAT）設計，并聯(lián)合德國戰(zhàn)艦設計署共同設計出1艘高速局部氣墊雙體船瀕海戰(zhàn)斗艦（長110 m，寬21 m，航速50 kn），見圖3。

軍事版本的PACSCAT也已經(jīng)過英國皇家海軍、美國海軍的審查，并為英、美兩國海軍開發(fā)完成高速登陸艇設計（長30 m，寬7.7 m，航速30 kn）［1］，見圖4。

2 局部氣墊船型用作戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)平臺的先進性

2.1 高負載能力與出色的搶灘能力

圖4 英國局部氣墊雙體登陸艇PACSCATFig.4UK local landing craft air cushion catamaran PACSCAT

雙體船的結構使其具有較大的甲板面積。該船型的甲板面積是長度相同的高速攻擊艇的3倍，這一特點使其成為理想的武器搭載平臺。氣墊支撐該船型80%的重量，使該船型吃水僅0.7 m，不僅有效減小了該船型的摩擦力和波浪阻力，而且沒有單體船常常蒙受的速度耗損（淺水效應），可使該船型能在毗鄰海岸線和海灣的地方行駛，可方便高效地進行人員和裝備的登陸作戰(zhàn)。

2.2 高效高速

相關船型數(shù)據(jù)證明，在高速航行下，所需功率僅為相同排水量的高速攻擊艇所需功率的一半，且以最高速度航行時，該船型的續(xù)航力高出同級別全墊升氣墊登陸艇的20%。

2.3 出色的穩(wěn)性

寬闊的片體結構與大而平的氣墊首尾封是船體結構的一部分，對船舶在各種海況下，不管是靜止還是航行中的穩(wěn)性，都有出色的貢獻。

2.4 淺吃水

該船型墊升狀態(tài)的吃水為靜止排水狀態(tài)吃水的一半。用較小功率的電動機驅動風扇就可維持在碼頭墊升。與常規(guī)雙體船相比，該船型的吃水極淺，特別是在重載情況優(yōu)勢尤為突出，見圖5。

圖5 局部氣墊雙體船型與常規(guī)雙體船吃水的比較Fig.5The compare of waterline between PALC and catamaran

2.5 低磁特性

該船型的外形與玻璃鋼夾層的斷面，大大降低了該船的雷達、紅外和磁信號特征，從而把敵方的可探測距離減至最小。此外，由于局部氣墊船型可在淺水區(qū)作業(yè)，它還可以利用海岸線和島嶼作掩護，盡量避免被敵方探測到。

2.6 安全性

由于氣墊的存在，可減小水下爆炸沖擊對艇體的影響并使該船型在惡劣海況下仍可保持高速，而沒有浪擊損壞船體和甲板設備的危險。此外，本船型采用剛性氣封，避免了柔性氣封無法保持氣墊的存在與穩(wěn)定性，這可能會引起船體“鵝卵石打水漂”式行駛以及柔性封易損，易被艇抗登陸炮火擊壞等先天性不足。

3 船體設計

3.1 船型及用途

本船型采用楔形側體，雙首、單滑行面尾板、剛性首尾封、噴水推進方式的局部氣墊雙體船型。

本船主要用于100 n mile以內(nèi)海域的人員、裝備、物資等的快速輸送任務。

3.2 主尺度

總長30.00 m;寬6.60 m;排水狀態(tài)水線長28.00 m;墊升狀態(tài)水線長27.15 m;排水狀態(tài)吃水1.45 m;墊升狀態(tài)吃水0.70 m;滿載排水量120 t。

3.3 型線設計

型線設計要考慮穩(wěn)性及航區(qū)和作業(yè)狀況的要求，為保證技術要求的合理，應對作業(yè)情況和快速性與穩(wěn)性進行綜合考慮，以使良好的快速性和良好的穩(wěn)性達到綜合平衡［2］。

本研究結合氣墊船與雙體船設計要點，參照實艇型線資料，對局部氣墊登陸艇的型線設計進行初步探索。典型橫剖線見圖6。

圖6 局部氣墊船設計典型橫剖面示意圖Fig.6Typical cross section sketch map of PALC

3.4 總布置

考慮到本艇為軍用艇，總布置中除保證船舶滿足規(guī)范和設計任務書的要求，更多考慮的是具有良好的航行性能以及高度的安全性。

本船為作業(yè)艇，在滿足設計要求前提下，為減輕重量艙室設置較為簡單，僅設駕駛室、首前艙、機艙以及燃油、冷卻水等艙室。總布置圖見圖7。

圖7 總布置圖Fig.7General arrangement

3.5 三維圖形仿真

根據(jù)設計要求完成艇型三維圖形建模，如圖8所示。

圖8 典型裝載的三維建模Fig.83D modeling

4 性能計算

4.1 靜水力計算

船舶靜水力曲線圖全面表達了船舶在靜止正浮狀態(tài)下浮性和穩(wěn)性要素隨吃水而變化的規(guī)律［3］。準確地確定排水量、浮心坐標等，進而計算出初穩(wěn)心高和縱傾等，從而對船的性能有一個準確的了解。浮態(tài)及初穩(wěn)性計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 浮態(tài)及初穩(wěn)性計算Tab．1Floating state and initial stability calculation

結合建模軟件的測量功能并計算可得各船型系數(shù):水線面系數(shù)CWP=0.773 5;中橫剖面系數(shù)CM= 0.522 0;方形系數(shù)CB=0.481 0;棱形系數(shù)CP= 0.694 0。

4.2 大傾角穩(wěn)性計算及穩(wěn)性校核

本次計算利用已有的側壁式氣墊船穩(wěn)性的結果直接計算恢復力矩［4］。計算用圖見圖9，計算結果如表2所示。

圖9 大傾角穩(wěn)性計算用圖Fig.9Calculation diagram for large angle stability calculation

以橫傾角為橫坐標，以對基點K的靜穩(wěn)性力臂l0為縱坐標，繪制靜穩(wěn)性曲線，如圖10所示。

表2 大傾角穩(wěn)性計算結果Tab．2Calculation result of large angle stability calculation

圖10 靜穩(wěn)性曲線Fig.10Static stability curve

從靜穩(wěn)性曲線的形狀可以看出，雖然初穩(wěn)心高較小，但曲線很快超出在原點處的切線，lmax也不小，穩(wěn)性消失角比較大。可見其大傾角穩(wěn)性是足夠的。穩(wěn)性是比較理想的。

4.3 阻力計算與快速性估算

氣墊船阻力成分主要有氣墊興波阻力、氣動阻力、船體水阻力3部分。其中，氣動阻力又包括空氣型阻力、空氣動量阻力、首尾空氣泄流動量差阻力［5］。

直接用于氣墊船的氣墊興波阻力計算是由紐曼（J．N．Newman）與波爾（A．P．Poole）提出的。本艇B/ L=0.157 416，氣墊興波阻力系數(shù)曲線CW計算結果見圖11。本艇墊升狀態(tài)的氣墊興波阻力見圖12所示，氣動阻力計算結果如表3所示。

圖11 本艇氣墊興波阻力系數(shù)曲線Fig.11The wave resistance coefficient curve of PALC

圖12 氣墊興波阻力曲線Fig.12The wave resistance curve of PALC

表3 氣動阻力計算結果Tab．3Calculation result of aerodynamic drag

應用回歸分析法估算本艇墊升狀態(tài)的船體水阻力。本艇墊升狀態(tài)的艇體阻力見圖13。

圖13 艇體水阻力曲線Fig.13The hydraulic resistance curve of PALC

艇體總阻力R=RW+Ra+Rt。該艇的各種阻力成分及總阻力曲線見圖14。

在由靜止到全航速的過渡過程中，本艇船體將遭受較大的阻力峰。確定該阻力峰值以選擇必要的越峰主機功率。主機功率及航速預估曲線見圖15。

由圖15可以預估航速為35 kn。所需主機功率約為1 300 kW，所需功率不足美國LCAC氣墊登陸艇所需功率的一半。主機選擇2×MWM TBD616V12，每臺額定功率1 360 kW。

5 結語

局部氣墊雙體登陸艇型獨特，屬新型高性能船舶。通過總體設計與性能計算可看到，本艇具有寬甲板、高航速、低阻力、低吃水、高穩(wěn)性等優(yōu)點，是日后有潛力進行開發(fā)的新型艇。

［1］Air Cushion，Catamaran Contribute to an Innovative British Hybrid Landing Craft Design［EB/OL］．http://defenseupdate．com/produ cts/p/pacscat_landing_craft_ 16082010．html．2010－08－16/2011－06－03．

［2］程斌，潘偉文．船舶設計教程［M］．上海:上海交通大學出版社，1990.22－26．

［3］李云波．船舶阻力［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2005.123－128．

［4］左遠源．側壁式氣墊船大傾角穩(wěn)性的探討［J］．Ship Engineering，1983，3（2）:11－19．

［5］趙連恩．高性能船舶水動力原理與設計［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2007.217－222．