游輪可控剛性空腔翼防傾覆裝置

劉琛翔

洞庭天下水，岳陽天下樓。從古至今，八百里洞庭都是無數中外游客向往的旅游勝地。環洞庭湖觀光游已成為我們湖南一張亮麗的名片。我們學校就在洞庭湖邊，平時我喜歡到湖邊游玩。一天，看到游輪在湖面上來來去去，我不由得想起了“東方之星”游輪發生的災難事故……

是啊，在航道上航行，任何游輪都無法保證其不遭受意外，杜絕游輪傾覆事故的發生。我突發奇想，能不能設計出一種裝置，在緊急情況下可以有效增加游輪的浮力和穩定性，防止游輪傾覆呢？

一、方案設計與選擇

（一）方案構思

我經過反復琢磨，在不影響船體強度和水密性的前提下，根據仿生學原理，提出了給游船加翅翼的方案。平時不展開時如鳥靜立的形態，隱翅在船舷兩側（或夾板內），緊急情況下如同鳥的翅膀展開，側翼漂浮在水面上，通過增加船的寬度，從而保持游輪整體平衡。為此我設計了三種方案：第一種方案是側翼型，翅翼連同固定式安全氣囊從船的兩側展開；第二種方案是平展型，翅翼連同固定式安全氣囊水平由內向外展開；第三種方案是剛性空腔翼水平展開。

【方案一】 側翼展開型

這是一種翅翼從水里展開的方案。這種方案在船體的兩側各設置一平衡翼，并在船舶載重線的舷外兩側板上，各開設一個向內凹的放置“隱形翅膀”的箱體。正常情況下固定式安全氣囊有序地疊放在側翼內，側翼與箱體密閉成為舷側板的一部分。當預警系統發出警報時，可以迅速啟動應急安全裝置，伸展開側翼（網狀結構），打開安全氣囊，通過增大船體與水面的接觸面積，從而減小風浪對船體的沖擊，確保船體的安全穩定。

【方案二】 水平移動型

這是一種翅翼平行向外移動展開的方案。此方案在甲板底層加設一層左右對稱的平衡翼，平衡翼呈兩層結構，上層為空心不銹鋼結構，下層為固定式氣囊。當游輪在水上突遇風浪等險情時，預警系統發出警報，控制裝置迅速自動投入工作，平衡翼向外伸出，氣囊打開，使船舶快速平衡，防止傾覆。

【方案三】 可控剛性空腔翼型

這種方案與方案二的設計有些相同的地方，在甲板底層加設有左右對稱的四個可控剛性空腔翼，這種可伸縮可控剛性空腔翼一端設有與微電機相連接的樞軸，而微電機與控制裝置相連接。與方案二不同的是，可控剛性空腔翼將方案二的翅翼和固定式氣囊合二為一，變為一層空心不銹鋼結構。當游輪在水上突遇風浪等險情時，預警系統發出警報，該裝置迅速自動投入工作，剛性空腔翼向傾斜的一側伸出（另一側不動），使船舶快速平衡，防傾覆。

（二）方案比較與實驗

我通過反反復復分析和紙質模型實驗發現：

方案一和方案二在游輪載重線的舷外兩側板上（或甲板內）加設翅翼，翅翼內側安裝與之相結合的固定式安全氣囊，進入緊急狀態時，固定式氣囊通過充氣機迅速充氣，兩側翅翼隨之張開，整個船體變成“方舟”；當緊急狀態解除后，再用抽氣機將氣囊內空氣抽出并把氣囊收回，翅翼與船體（箱體）密閉關緊。這兩種方案的動力傳動機構相對簡單，但科技查新結果顯示為已有，故這兩個方案淘汰。

方案三“可控剛性空腔翼防傾覆裝置”的設計原理和特征在于：密封空腔與氣囊在利用水的浮力、增大船體與水面的接觸面、增強船體的平衡性能等方面的科學原理與應用效果雖然相同，但在工程學上具有以下突出的優勢：

1. 剛性空腔直接從船體吃水線兩側平行伸出，避開了氣囊展開過程中水對它的巨大阻力，減少了充氣過程的耗時耗能，有利于快速反應，爭得寶貴的自救時間。

2. 剛性空腔具有維護方便的特點，避免了氣囊折疊伸縮過程中易損漏氣的隱性危險因素，不會貽誤自救。

3. 剛性空腔翼僅需油壓機提供伸縮動力，無須空壓機、抽氣機協助救援，既省時間，又能減少出現故障的概率，且簡化了裝置的結構設置，省去了煩瑣的控制和操作。

4. 剛性空腔翼采用人工控制和自動控制雙控制系統，可降低控制失靈的概率。

根據以上特點，我把方案三作為設計的優選方案。

（三）游輪模型及可控剛性空腔翼裝置結構設計

本游輪模型及可控剛性空腔翼裝置的基本結構如上所示。其創新設計部分主要是執行、動力、控制三大系統，其中船體兩側設有執行系統中的翅翼承力舷、用來隱匿收藏翅翼的翅翼艙、可控剛性空腔翼，在船艙內安裝有動力系統中的油壓機和控制系統等主要部件。

自動控制系統由信息采集器、信息處理器、控制器、信息反饋器等構成，整體工作流程如下圖所示。

由于目前本人只是一個小學生，尚無能力完成自動控制系統電路設計，暫時只能作為創意提出，為以后進一步研究提供參考。

二、模型的制作

（一）材料選擇

空腔翼是整個設計的核心部分，空腔翼材料在方便智能收放的同時，還必須比較薄，同時還得有足夠的硬度。我先后用塑料板、木板等材料制作空腔翼，但都達不到要求。后來，我發現不銹鋼材料的重量和硬度基本都可以滿足要求，于是就采用不銹鋼作為剛性空腔翼的主體材料。

（二）模型制作

在材料準備齊全的基礎上，我請五金加工廠的孫師傅和袁師傅，按我的設計圖紙和要求，完成了具有“可控剛性空腔翼防傾覆裝置”游輪模型的加工制作。

（三）模型應用實驗檢測

模型制作完成后，我在老師的幫助下，來到洞庭湖邊進行測試和檢驗。我用鼓風機制造風浪，當鼓風機調速到高擋時，輪船開始傾斜，這時我輕輕按下遙控開關，僅幾秒鐘的時間，剛性空腔翼受驅動，同步展開向外移動伸出，使游輪迅速上浮，恢復平衡。當將鼓風機調速至最高擋時，游輪依然沒有明顯傾斜。

雖說手工制作的模型很粗糙，外觀也不精美，但基本達到了預期的實驗效果，沒有翻船，這說明我的設計是具有可行性的。

老師評價說，你設計的可控剛性空腔翼防傾覆裝置，能為游輪在遭受大風浪和快速轉彎時的安全行駛提供相應保障，但模型所用材料和外觀設計、加工精度等還有待進一步完善。

（四）改進思路

在游輪的預警機制上，通過互聯網技術聯網，岸上的指揮中心可以及時、準確地知道游輪的航行情況，便于救援、指揮。

三、研制體會

在這個裝置的設計和研制過程中，我學會了上網搜尋資料的一些基本方法。我不光在網上找了許許多多的游船圖片，學習了輪船的一些基本知識，還有許多在研制過程中遇到的困惑，都基本在網上找到了答案。過去我上網玩游戲玩得太多，現在每次上網都能學習一些新知識，有意思多啦！

還有，我在反反復復的制作過程中，真正感受到了完成一件創新作品真的要付出很多。我記得在考慮選用什么材料做船體時就遇到了很多阻力，那時候我和爸爸去了建材市場好多回，考慮過洗碗的槽、路燈的外殼，最后不得不設計圖紙，請加工師傅幫忙制作游船。游輪用什么材料制作，上面安裝哪些物件，選擇什么方案，基本上每一項都大費周折。我在設計與具體制作中碰到了很多困難，不得不反反復復地修改、調整方案。在制作過程中，我前一次的失敗，都為后面設計更科學的新方案提供了經驗。我要是因為某次失敗而放棄，那就永遠體會不到成功的快樂了。所以，我覺得搞發明創新對人的毅力是一種考驗，只有經歷過挫折，人的才干、能力才能在創新實踐中逐步提高。

所以，我將再接再厲，認真學習科學文化知識，積極參與各項有益的實踐活動，不斷提升自己的才干和綜合能力，讓自己成為一個有益于社會的人！

四、鳴謝

在這個裝置的研制過程中，我得到了學校校長、科學老師、學校聘請的校外科技輔導員、五金加工廠師傅、造船廠師傅、海事局專家等長輩們的精心指導和全力幫助，并得到了老爸老媽和同學們的大力支持，在此對他們深表感謝！

（指導教師 李宏亮 編 輯 巧克力）