美國氣墊登陸艇主動力裝置的發展及其對總布置的影響

張宗科

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

美國氣墊登陸艇（LCAC）屬于全墊升氣墊船，依靠船體下部圍裙構成的氣墊基本懸浮在運行表面之上，高速航行于水氣界面，可裝載重型主戰坦克實現超越式干登陸。它可由母艦塢載至目標附近的海域，不需專用碼頭而自行沖退灘，使全世界適合登陸的海岸線由17%激增至70%以上，是兩棲登陸作戰的一柄利刃。在最近的環太平洋軍事演習及在關島舉行的日美“奪島演習”中，LCAC都扮演了不可或缺的角色。

氣墊登陸艇所需功率中，約1/3用于墊升、2/3用于推進。類似于飛機，氣墊登陸艇的重量對性能影響也至關重要。為此氣墊登陸艇大量采用航空設備，如船體采用鋁合金建造、主動力裝置采用輕型燃氣輪機、推進采用導管空氣螺旋槳、操縱控制采用空氣舵與艏噴管、采用400 Hz的中頻航空電制等。隨著2012年7月9日Textron Marine&Land Systems團隊以2.13億美元中標設計建造SSC（Ship-to-Shore Connector，艦岸連接器）首制艇［1］，美國的氣墊登陸艇迄今已發展到第4代，其發展歷程見圖1［2］。

圖1 美國氣墊登陸艇的發展歷程

TF40是美國Textron Lycoming公司的TF系列工業/艦船用燃氣輪機中功率較大的一種型號，而TF40B是專門為美國海軍氣墊登陸艇設計的船用燃氣輪機。TF起源于Avco-Lycoming。1995年，Textron Lycoming 公司被 Allied Signal（Honeywell Engine&Systems）公司收購；1999 年 6 月，Allied Signal公司和德國MTU組成合資公司（Vericor Power Systems）。目前Vericor OEM生產由航空技術為核心的專為海洋與工業環境設計的TF與ASE系列燃氣輪機。TF系列船用燃氣輪機早期的TF20，是以T55-L-5直升飛機發動機為核心并經船用化改進而來。如今，TF系列船用燃氣輪機已從JEFF上的TF40歷經TF40B、ETF40B、TF50，發展到了TF60甚至未來的TF70。如圖 2 所示［3-4］。

圖2 TF系列船用燃氣輪機的發展歷程

1 JEFF上的應用

美國LCAC的塢載理念，最早可追溯到貝爾宇航公司（Bell Aerospace Textron）于 1963年設計建造的不帶圍裙的水面滑行艇SKMR-1。它首次采用導管空氣螺旋槳推進，且可自由進出母艦的塢艙，見圖 3［1］。

圖3 可進出母艦塢艙的SKMR-1

圖4 JEFF A與JEFF B外觀圖

美國海軍的LCAC起始于1965年的兩棲攻擊登陸艇計劃（AALC）。1971年，美國海軍船舶系統指揮部分別與通用噴氣公司 （Aerojet Liquid Rocket Company）和貝爾宇航公司簽訂了JEFF A、JEFF B的原型艇設計建造合同，見圖4。為便于主戰坦克等重型裝備的裝載與卸載，采用前后貫通的裝載甲板及首尾跳板，故上層建筑只能采取位于兩舷的邊島式，參見圖5。JEFF A的動力系統采用6臺TF-40燃氣輪機，每舷3臺，前后兩臺分別驅動一套搖頭變距導管空氣螺旋槳用于推進，中間一臺驅動4組離心式風機用于墊升。JEFF B的動力系統也采用6臺TF-40燃氣輪機，每舷3臺TF-40通過齒輪箱并車后，向前驅動兩組雙進風離心式風機用于墊升及為艏噴管供氣，向后驅動一套變距導管空氣螺旋槳用于推進，其中艏噴管供氣氣流可切換至用于墊升，艏噴管提供部分推進力，可改善進出母艦時操縱性及抗側風能力。

圖5 JEFF A與JEFF B的動力系統布置示意圖

2 LCAC上的應用

1981年6月，美國海軍與貝爾宇航公司簽訂了LCAC（Landing Craft，Air Cushion，全墊升氣墊登陸艇）的詳細設計合同。LCAC即為AALC計劃的產物。LCAC每舷艇尾機艙內橫向布置兩臺TF40B燃氣輪機（總共裝備4臺），總功率為11 931 kW（16 000 hp）。兩臺TF40B通過錐形直角齒輪箱并車，向后驅動導管螺旋槳、向前驅動墊升風機，兩齒輪箱之間通過離合器實現連接和斷開，可保證在一臺燃氣輪機故障的情況下軸系仍能工作，參見圖6。

圖6 LCAC的動力系統布置示意圖

截至2006年，美國海軍與貝爾宇航公司已為LCAC項目生產了400多臺TF40B，如：用于美國的90 艘（LCAC1～LCAC90）與出口日本的 6 艘 LCAC，以及芬蘭的T-2000，使用經驗均已超過25年［5］。TF40B為冷端驅動套軸燃氣輪機，采用模塊化設計，便于拆卸及替換。

模塊化的關鍵點是：模塊并不針對某一臺給定的發動機，而是可以在不同發動機之間互換使用，從而增加了維修的靈活性，參見圖7。

3 LCAC（SLEP）上的應用

始于2000年的LCAC延壽計劃主要包括以下幾個方面：改進主機（TF40B升級到ETF40B）、采用深型圍裙、浮箱整修、旋轉機械整修、C4N（Command，Control，Communications，Computers&Navigation）升級換代。與TF40B相比，ETF40B主要改進了壓縮機模塊，增加動力渦輪第一級噴管的通流面積，以全自主數字引擎控制（FADEC）系統替代原TF40B上的模擬控制系統，其持續功率提高7%，最大瞬時功率提高15%，在華氏100度時，最大功率可達3 542 kW，同時提高燃油效率，顯著減少維護工作。將FADEC系統內嵌到原控制與報警監控系統（CAMS）內，以簡化維護難度、提高故障診斷能力并減低全壽命周期費用。至2009年，ETF40B已生產160臺，約為LCAC（SLEP）所需主機總數的一半；2010年簽訂合同且提交12臺、2011年提交34臺、2012年提交16臺并維修/更換已裝船的16臺ETF40B的動力輸出模塊。韓國2007年服役的LSF-II（Landing Ship Fast，快速登陸艇）也采用4臺ETF40B作為主動力。

4 SSC上的計劃應用

2009年，SSC基于TF50A燃氣輪機提出了動力系統的技術規格書。SSC每舷縱向布置兩臺主機，通過一個組合式齒輪箱雙機并車后，向前驅動一臺墊升風機，向后驅動一套導管空氣螺旋槳［6］。復合材料軸系分為5段，即推進軸2段、墊升軸3段（不含墊升風機內部軸），左右舷對稱分布。除布置在船中部的兩個輔機發電外，每個齒輪箱還自帶一個齒輪驅動的交流發電機，并與輔機發的電首先并入電力分配系統，再為全艇供電。這樣在不需要啟動主機的情況下，就可以為全艇供電；而主機啟動后，輔機可按需工作或全部停止，使用也更加靈活，參見圖8。

圖8 SSC主動力系統布置圖

其組合式齒輪箱采用模塊化設計，在輸入端設置超轉速離合器，在輸出端分別設置推進與墊升系統的手動離合器，以便在螺旋槳、墊升風機中的任何一個出現故障時，另一個仍能正常工作。推進輸出端采用花鍵聯軸器，允許推進軸可以有150 mm軸向位移。

從圖8可以看出，SSC的驅動型式相對于LCAC而言改動較大。LCAC的主機橫向布置，與動力系統軸向位置垂直，需經過主機齒輪箱轉向嚙合，才能夠將功率輸出到風機和螺旋槳；現在的主機直接采用縱向布置，與動力系統軸向平行，只需要一個齒輪箱便可將功率分配輸出，參見圖9。

圖9 組合齒輪箱組成示意圖

這種結構型式相對簡單，既能夠有效提高傳動效率，也便于維護保養時的拆卸與更換。SSC設計的出發點是在保證功能要求的前提下，從降低全壽命周期費用著手，從設計開始即考慮盡量提高系統設備的可靠性、可用性并降低維護與維修費用［7］。采用組合齒輪箱可有效避免LCAC上主機軸系對中的難題。

隨著TF60B項目的順利進展，美國計劃在SSC上使用功率更大的TF60B燃氣輪機作為主動力。據報道，TF60B的功率比ETF40B提高30%（達4 605 kW）。TF60B與TF50A尺寸基本相同（見圖10）、質量也接近，在轉速僅提高2%的情況下，進一步創造了船用燃氣輪機功率與質量之比的新紀錄。

圖10 安裝在ZF減速齒輪箱上的TF50A與TF60B

表1為美國LCAC上采用的TF系列燃氣輪機性能指標。

表1 美國LCAC上采用的TF系列燃氣輪機性能指標

5 燃氣輪機發展對總布置影響的分析

除JEFF A燃氣輪機為縱向布置外，JEFF B及以其為母型的LCAC燃氣輪機為橫向布置，燃機進氣為朝向裝載甲板的機艙內側，燃氣燃機對進氣含鹽霧濃度的要求較高，這樣布置有利于減小航行過程中氣墊引起的水花飛濺對燃氣輪機進氣的影響。在SSC上燃氣輪機為縱向布置，雙機并車后向后驅動1套導管空氣螺旋槳提供主要推進力，向前驅動一臺直徑1.752 6 m（5.75 ft）的雙進風離心式風機用于墊升及為艏噴管供氣提供輔助推進與操縱力。由于SSC每舷采用單風機，上層建筑縱向留給機艙的尺寸增大，為進氣穩壓室增大留出布置空間。

SSC的主機采用模塊化設計，利用機艙與墊升風機之間的空隙，通過鋪設簡易軌道將主機拉出機艙，在主機不吊下船的情況下，在船上可進行主機維修，如圖11所示。

圖11 SSC在艇上主機出機艙維修示意圖

為驗證單臺離心式風機與艏噴管的配合，在專用試驗艇LCAC 66上進行了風機性能的實船試驗，見圖 12［8］。

圖12 風機實船試驗

美軍主戰坦克已由M60（60 t）發展到尺寸與質量更大的M1A1（74 t）。隨著需運載裝備尺寸與自重的增大，要求SSC的載重量由LCAC的60 t上升到74 t；而為了滿足進出母艦塢艙的要求，又使SSC的主尺度只能維持不變，其氣墊密度也居高不下，快速性、耐波性等總體性能指標有所提高：要求4級海況（1.4 m有義波高）下，航速超過35 kn、續航力86 n mile。LCAC曾存在滿載排水量時越阻力峰困難的情況，3級海況（1.25 m有義波高）及淺水情況下，必須減載運行。

雖然SSC主機功率增大、推力增大，但阻力也必須盡量降低，即必須降低滿載排水量，SSC只能從減小自重方面挖掘潛力。為此，SSC上導管、墊升風機的軸與蝸殼、艏噴管彎頭、槳前防護網罩、軸系均采用復合材料制作，每舷墊升風機由2組雙進風風機改為1組增寬的雙進風風機（寬2.772 m），首尾跳板收放裝置改為EMA方式 （功率電傳技術），簡化雙機并車的齒輪箱，改進發電方式，電制由400 Hz改為60 Hz，改進C4N系統，簡化駕駛室與左舷登陸兵艙上側的艙室，側部圍裙由雙囊改為單囊（減重1.225 t，實船試驗見圖13），駕駛員由3人減為2人，以盡量減輕自重［8］。

圖13 側部單囊指圍裙效果圖及實船試驗

利用2009年SSC系統設備技術規格書中的指標，對SSC在不同排水量下的快速性進行估算，結果見圖14。

圖14 SSC在不同排水量時的快速性估算

從圖14可看出，當逆風風速25 kn、有義波高Hw=1.4 m（4.6 ft）情況下，排水量W=160 t，比W=150 t時的第二阻力峰值大約9%。W=160 t時的估算航速為41 kn左右，與35 kn的指標值接近。相對于LCAC的墊升流量300 m3/s，SSC的墊升流量已降至234 m3/s，其阻力性能會有所改善；此外，2009年指標相對于TF50A型燃氣輪機，而SSC采用功率更大的TF60B燃氣輪機，故導管空氣螺旋槳的推力會得到進一步提高。

全墊升氣墊船布置緊湊，對有前后貫通裝載甲板的氣墊登陸艇而言，機艙空間更有限。氣墊船不同于常規艦船，在墊態起飛越峰過程中會因圍裙底部氣墊泄流而水花飛濺，艇附近空氣中的海鹽氣溶膠會達到正常航行時的數倍，并且在登灘時由于圍裙底部氣墊作用而產生大量沙塵。船用燃氣輪機在這樣的含鹽高濕環境下運行，吸入的空氣中會含有相當數量的海鹽及沙塵，將顯著降低燃氣輪機性能、縮短使用壽命，因此對防鹽、防腐蝕要求較高。一般需設置專用進氣穩壓室，通過慣性級、網墊級等多級濾清裝置來將海鹽與沙塵降低到合適的濃度值。

圖15為TF系列船用燃氣輪機研發所需時間，而用于LCAC的TF40與TF40B所需時間更多。

圖15 TF系列船用燃氣輪機研發所需時間

SSC主機進氣濾清要求為：進氣濾清器進口的空氣含鹽量為35 315 mg/m3（按質量計，MMD≥13 μm），經濾清后下游出口（主機進氣口）的空氣含鹽量3.53 mg/m3（按質量計，MMD＜13 μm）；進氣濾清器進口空氣含沙量883 mg/m3（惡劣天氣）或64 mg/m3（良好天氣），經濾清后下游出口（主機進氣口）空氣含沙量53 mg/m3（惡劣天氣）或 0.353 mg/m3（良好天氣）。ETF40B在LCAC（SLEP）上的實船試驗見圖16。

圖16 ETF40B耐海水飛濺實船持續試驗

TF60B于2011年春季在馬里蘭州的Naval Air Station Patuxent River進行了耐海水性能測試，計劃于2014年開始供貨。

6 結 論

美國氣墊登陸艇上使用的TF系列船用燃氣輪機都是以航空用燃氣輪機T55為核心機，針對氣墊登陸艇的特殊需求，逐步發展演化而成。

艇載裝備的升級換代以及總體性能指標要求的提高，對氣墊登陸艇的挑戰更大。幸好作為主動力的燃氣輪機也隨科技進步而與時俱進，為氣墊登陸艇提供了切實的保證；同時，新型復合材料的廣泛應用也為氣墊登陸艇自身減重，從而使其裝載量增大、航速提高成為可能。芬蘭建造的全墊升氣墊巡邏艇T-2000，船體采用復合材料建造，航速高達70 kn。可以預見，未來氣墊登陸艇也將會是復合材料建成的船體。

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