國外水面/水下兩用艇水動力設計啟示

朱 敏,張 鎮,楊壯滔,邵永勇

(中國船舶集團公司第705 研究所 昆明分部,云南 昆明,650101)

0 引言

始建于第2 次世界大戰的特種作戰部隊,以卓越的戰績,充分顯示了特種作戰所具有的兵力投入小、戰果豐碩、影響力顯著等特色。目前,特種部隊擔負著重要的戰略使命,已發展為具有海、陸、空及水下三棲作戰能力的重要作戰力量[1-3]。相對于常規部隊來說,特種作戰的特殊性以及任務和戰場的多樣性,要求特種作戰部隊武器裝備品種齊全、形式多樣、靈活輕便、技術先進,并易于隱蔽和操縱。特種作戰裝備按用途可分為潛水裝備、運載裝備、探測裝備、通信裝備、導航裝備及武器裝備[4-5]。其中,蛙人運載裝備是蛙人執行特戰機動、滲透的重要裝備,可有效提升蛙人遠程投送、隱蔽滲透等作戰能力。

按照航行過程中蛙人在艙內所處的狀態,可將蛙人運載裝備分為干式和濕式兩大類。干式蛙人運載裝備蛙人艙內為干態,蛙人可在艙內自由呼吸,有利于蛙人在運載過程中保存體力,提升戰斗力[6-9]。濕式蛙人運載裝備蛙人艙內為泡水狀態,通過潛水裝備呼吸,不利于蛙人保持戰斗力。相對而言,濕式蛙人運載裝備尺度較小,對母平臺要求較低,投送距離有限。干式蛙人運載裝備可達幾十噸,對作戰保障系統要求較高,但作戰半徑更大。

綜合考慮蛙人快速遠距離投送、危險區隱蔽滲透、駕乘人員舒適性及對母平臺要求等多種因素,近年來美、英、俄、瑞典、荷蘭等國相繼研制了多種水面/水下兩用艇。水面/水下兩用艇具備水面高速航行和水下隱蔽滲透能力,可搭載于大中型艦艇及運輸機靈活布放,顯著提升蛙人遠距離投送及遠海常態化執行多樣化任務能力。

水面/水下兩用艇水動力設計涉及滑行艇、水下航行器、水面耐波性、水面雷達隱身和水下聲隱身等多個細分領域,設計難度大、設計耦合因素多。文中通過梳理國外產品發展現狀,分析其水動力設計經驗和難題解決途徑,可為國內后續開展相關設計提供參考。

1 國外水面/水下兩用艇現狀

1.1 各國產品介紹

1)美國“多用途作戰艇”

應美國特種作戰司令部要求,司蒂德公司研發了“多用途作戰艇”(multi-role combatant craft,MRCC)(見圖1)。該艇為濕式結構,長9.91 m,寬2.31 m,高1.68 m,承載力0.8 t,可搭載8 人。該艇采用水面/水下雙模動力,可雙向航行。水面狀態“尖頭”朝前,由增壓柴油發動機提供動力,巡航速度30 kn 時續航力為250 n mile,以最大速度35 kn可航行180 n mile;水下狀態“鈍頭”朝前,由電池驅動電機提供動力,能夠以5 kn 的速度航行25～30 n mile,最大下潛深度20 m[10]。

圖1 美國MRCCFig.1 American MRCC

2)俄羅斯“海神”

“海神”水面/水下蛙人輸送艇由俄羅斯天青石設計局設計生產(見圖2)。該艇為濕式結構,長約9.9 m,寬2.3 m,高1.68 m,載重0.636 t,可搭載6 名蛙人(含裝備)。該艇采用水面/水下雙模動力,水面、水下同向航行。水面航速24 kn,最大航程112 n mile;水下航速3 kn,最大航程6 n mile。工作深度20 m[10]。

圖2 俄羅斯“海神”輸送艇Fig.2 Russian “Тритон-НН”

3)瑞典/英國DGB 輸送艇

瑞典DCE 公司為英國皇家海軍研制的DGB(diver group boat)艇也是一種濕式水面/水下蛙人輸送艇,于2011 年底正式交付英國皇家海軍特別舟艇部隊。該艇為濕式結構,全長10 m,寬2.3 m,高為1.65 m,載重1 t,搭載6 人(見圖3)。該艇采用水面/水下雙模動力,水面航行時,依靠柴油發動機,最大航速可達30 kn;水面巡航速度25 kn,續航力可達180 n mile;水下潛航速度5 kn,依靠電池為4 個電機提供動力,水下航程15 n mile,工作深度20 m,水面、水下同向航行[10]。

圖3 英國DGB 輸送艇Fig.3 British DGB

4)英國SEAL Carrier

SEAL Carrier 是英國詹姆斯·費舍爾防務集團在收購瑞典DCE 公司后,在DGB 基礎上升級的產品(見圖4)。該艇為濕式結構,采用水面/水下雙模動力、同向航行形式?？傞L9.65 m,寬2.21 m,高1.65 m,載重1.2 t,搭載6 人,工作深度40 m。在水面/半潛航行狀態,該艇既可以依靠柴油機驅動噴水推進器高速航行,又可以依靠電池驅動水下推進器半潛航行;在水下航行狀態時,該艇依靠鋰電池系統+雙軸推實現水下穩定航行。該艇及其專用拖車可裝載于標準集裝箱完成運輸,其布放形式靈活多樣,可由大中型水面艦艇攜載布放、快艇拖帶或飛機空投,應用范圍較廣[10]。

圖4 英國SEAL CarrierFig.4 British SEAL Carrier

5)荷蘭P7

P7 是由荷蘭設計的一型水面/水下蛙人輸送艇。該艇是由快艇直接改造而來,采用濕式結構,單列乘坐,可搭載6 人,具有水面高速滑行、水面低速航行和水下低速航行3 種模式(見圖5)。艇長9.8 m,寬2.5 m,高1.8 m,載重1 t。水面航速30 kn,航程250 n mile;水下5 kn,航程16 n mile。水下工作深度18 m,接近目標后可系留海底。水面采用柴油機與噴水推進,主機運轉時可為電池充電;水下由電池為4 個電推提供動力[10]。

圖5 荷蘭P7Fig.5 Dutch P7

6)韓國SDV-1000W

SDV(special delivery vessel)-1000W 由韓國VOGO 公司設計生產,該艇長13 m,寬2.21 m,高1.65 m,載重1.5 t,可搭載10 人(含裝備)(見圖6)。該艇為濕式結構,采用水面/水下雙模動力、同向航行形式。水面采用柴油機驅動噴水推進器航行,水面航速35 kn,最大航程130 n mile;水下采用純電推進,水下航速5 kn,最大航程16 n mile,工作深度18 m。后續VOGO 公司又進一步縮小了SDV-1000W 的尺度,以適應集裝箱運輸和空投的需求[10]。

圖6 韓國SDV-1000WFig.6 South Korean SDV-1000W

1.2 綜合技術狀態

表1 對比了國外水面/水下兩用艇綜合技術指標,分析得出如下特點: 1)外形尺度均在1 個集裝箱裝載范圍內,便于運輸;2)均采用混合動力,水面熱動力實現高速航行,水下純電推進實現隱蔽航渡;3)水面航速均約30 kn,水面續航力112～270 n mile;水下滲透速度約5 kn,水下續航力6～25 n mile;4)均為濕式結構,搭載6～10 名蛙人,載重0.6～1.5 t;5)工作深度均在蛙人安全潛深40 m以內。

表1 國外水面/水下兩用艇性能對比Table 1 Performance comparison of foreign surface/underwater dual-purpose vehicles

綜上所述,水面/水下兩用艇水面最大航速可達30 kn,綜合續航力約200 n mile,具有一定獨立投送能力;其次,水面/水下兩用艇雖為濕式結構,水面航渡狀態可不通過潛水器具呼吸,兼顧干式裝備的優點;另外,水面/水下兩用艇具備集裝箱裝載和空投能力,進一步增強了遠距離投送能力。

2 水動力特點分析

水面/水下兩用艇艇型設計可采用“潛艇出水”或“快艇入水”2 種設計思路。水面/水下兩用艇水面航速可達30 kn,其弗勞德數屬于典型的滑行艇范疇。一般滑行艇的主要特征是艇體大部分質量是依靠滑行面流體動壓力支撐而非艉部浮力,滑行時艇艉吃水很淺,同時要求具有一定滑行面。而潛艇類水下航行器通常采用“水滴形”,艉部呈收縮狀,面積不具備支撐滑行要求。另外,滑行艇重心較為靠后,若按潛艇思路設計,重心靠前,則無法滿足起滑條件。因此,目前國外水面/水下兩用艇都基本采用“快艇入水”的形式,即下半部分采用滑行艇外形以適應水面高速航行;對上半部分進行水下低阻優化,以適應水下穩定控制需求。

從流體外形及布局角度分析,目前國外主流水面/水下兩用艇大致可分為3 類: 1)外形如美國的MRCC 和俄羅斯的“海神”,文中定義為類MRCC艇型;2)如瑞典DGB 和英國SEAL Carrier,文中定義為類DGB 艇型;3)如荷蘭P7 和韓國SDV-1000W,文中定義為類SDV 艇型。下文將從水面滑行性能、水面耐波性能、雷達隱身、水下航行性能及水下聲隱身等方面對每種艇型進行分析。

2.1 類MRCC 艇型

類MRCC 艇的流體外形與布局角度主要有以下特點: 1)下層采用滑行艇底,艏尖艉方保證了較好的水面滑行性能;2)下層采用深V 型艇底,提高了耐波性能,但會降低一部分滑行效率;3)上層也采用艏尖艉方構型,整體包絡體容積較大,同時采用一定內傾角,保證水面雷達隱身;4)上下層基本對稱,保證水下航行時不會產生額外不平衡力矩。

類MRCC 艇型呈倒水滴形,艏部尖艉部鈍。為獲得兼顧水面/水下的航行性能,該類艇在航行方式上有其獨特性: 美國MRCC 艇在水面航行時采用尖頭朝前,這樣能保證水面航行時的滑行效率;水下航行時采用鈍頭朝前,能保證水下低阻及操控的穩定性(見圖7)。

圖7 MRCC 艇水下推進器及水面滑行實物照片Fig.7 Pictures of underwater thrusters and surface gliding of MRCC

該艇型的缺點是: 1)水面、水下2 個方向航行,需要2 組操控裝置,占用空間大;2)水面、水下航行時成員需要調換坐姿,若長時間背向航行容易暈船,舒適性較低,且對乘坐空間要求較大;3)水下推進電機暴露于水中,且支撐結構簡單,對水下聲隱身性影響較大;4)若水面、水下采用同向航行,如尖艏朝前則會導致水下阻力激增,寬艉帶來大的流動分離容易造成航行失穩(見圖8 和圖9),而鈍艉朝前則會導致水面滑行失效。俄羅斯“海神”就是采用水下尖艏朝前航行,其水下最高航速僅為3 kn。

圖8 類MRCC 艇模型水面滑行波高仿真云圖Fig.8 Contour of gliding on water surface wave height for class MRCC boat model

圖9 類MRCC 艇模型水下航行表面壓力云圖Fig.9 Contour of underwater navigation surface pressure for class MRCC boat model

2.2 類DGB 艇型

類DGB 艇型的外形特點: 1)下層采用滑行艇底,艇底剖面V 度適中,兼顧了耐波性和滑行性能;2)上層艇體水平向內收縮,留出一部分甲板空間,便于蛙人上下艇;3)整體較為纖細,同時上層艇體水平剖面從艏部向艉部呈流線型,水下航行阻力低;4)水線上層采用一定內傾設計,降低雷達反射強度(見圖10);5)該艇型水面、水下采用同向航行,降低了操控系統的復雜性。

圖10 類DGB 艇水面航行實物照片Fig.10 Pictures of class DGB boat gliding on water surface

類DGB 艇型缺點:

1)水下航行時,上下不對稱結構帶來垂直面較大的非對稱力及力矩,需要較大水平舵面來平衡(見圖11);2)整體構型較為纖細,空間利用率不高;3)上層艇體與甲板結合處構成垂直角,水面大傾角航行時容易反射雷達波;4)水下推進電機直接置于水中,不利于聲隱身。

圖11 類DGB 艇模型水下航行表面壓力云圖Fig.11 Contours of underwater navigation surface pressure for class DGB boat model

2.3 類SDV 艇型

類SDV 艇型特點: 1)艇底剖面V 度適中,兼顧耐波性能和滑行性能;2)艏部上層艇體與下層艇體基本對稱,水下航行時可抵消艏部不平衡力及力矩;3)艉部上層垂直向下收縮,有利于壓力恢復降低水下航行阻力(見圖12);4)上層采用內傾設計,有利于雷達隱身;5)該艇型同樣采用水面、水下同向航行,操控系統的復雜性降低。

圖12 SDV-1000W 改進艇照片Fig.12 Picture of improved version of SDV-1000W

類SDV 艇型缺點: 1)艉部上層艇體垂向收縮,雖然降低了阻力,但過渡段負壓區產生較大升力及低頭力矩(見圖13);2)水下推進電機同樣直接置于水中,不利于聲隱身;3)整體外形較為“圓潤”,缺乏航向穩定性結構或構件,需要較大鰭舵控制面維持航向穩定性。

圖13 類SDV 艇模型水下航行表面壓力云圖Fig.13 Contours of underwater navigation surface pressure for class SDV boat model

3 啟示建議

水面/水下兩用艇具備水面高速航行和水下隱蔽滲透能力,在一定程度上兼顧了干式、濕式蛙人運載裝備的優點,是近年來研究的熱點。文中通過對國外水面/水下兩用艇水動力特點對比分析,獲得如下啟示,以期為我國后續相關裝備研制提供參考。

1)基本設計思路: 克服異構外形水下低速航行穩定性相對容易實現,為保證水面/水下兩用艇在水面高速航行,建議采用“快艇出水”設計思路;

2)水面、水下航向設計: 水面、水下異向航行,會帶來人員舒適度差、空間利用率低等問題,建議采用水面、水下同向航行方式;

3)動力推進系統: 由于純電動力能量密度低,無法滿足要求,建議采用熱/電混合動力推進系統;同時,由于水面、水下阻力系數差距顯著,1 套推進器難以兼顧,建議采用2 套推進器,;

4)艇底設計: 建議采用V 度適中滑行艇底,增加破浪能力的同時,兼顧滑行性能;

5)上層艇體設計: 建議考慮與下層融合設計,重點關注水面雷達隱身、空間利用率及水下航行穩定性等因素。

6)水面、水下重心位置匹配設計: 兩用艇水面滑行時要求重心較為靠后,水下航行時要求重心與浮心處于同一軸向位置,建議采用對重心位置有較大冗余度的滑行艇底設計,通過水下壓載調節來獲得水面、水下重心位置的合理匹配;

7)水面、水下外形融合設計: 建議在保證有效滑行面積和結構空間的基礎上,重點解決水下減阻和航行操穩性問題。通過增加水滴型艉部收縮,減小水下阻力,增加艏、艉舵,抵消垂直面不平衡力及力矩。另外,還可嘗試采用水面水翼+水下回轉體水動力外形設計,實現水面高速水翼航行,水下穩定航行;

8)兩用艇出、入水主要采用大流量通海閥和壓載系統組合調節實現。出、入水過程中會面臨穩心高為零的不穩定狀態,建議快速完成轉化過程,避免發生失穩。