張宗科

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)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(gòu)成的氣墊基本懸浮在運(yùn)行表面之上，高速航行于水氣界面，可裝載重型主戰(zhàn)坦克實(shí)現(xiàn)超越式干登陸。它可由母艦塢載至目標(biāo)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(zhàn)的一柄利刃。在最近的環(huán)太平洋軍事演習(xí)及在關(guān)島舉行的日美“奪島演習(xí)”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(jìn)。類似于飛機(jī)，氣墊登陸艇的重量對性能影響也至關(guān)重要。為此氣墊登陸艇大量采用航空設(shè)備，如船體采用鋁合金建造、主動(dòng)力裝置采用輕型燃?xì)廨啓C(jī)、推進(jìn)采用導(dǎo)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(tuán)隊(duì)以2.13億美元中標(biāo)設(shè)計(jì)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(fā)展到第4代，其發(fā)展歷程見圖1［2］。

圖1 美國氣墊登陸艇的發(fā)展歷程

TF40是美國Textron Lycoming公司的TF系列工業(yè)/艦船用燃?xì)廨啓C(jī)中功率較大的一種型號(hào)，而TF40B是專門為美國海軍氣墊登陸艇設(shè)計(jì)的船用燃?xì)廨啓C(jī)。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(chǎn)由航空技術(shù)為核心的專為海洋與工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的TF與ASE系列燃?xì)廨啓C(jī)。TF系列船用燃?xì)廨啓C(jī)早期的TF20，是以T55-L-5直升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為核心并經(jīng)船用化改進(jìn)而來。如今，TF系列船用燃?xì)廨啓C(jī)已從JEFF上的TF40歷經(jīng)TF40B、ETF40B、TF50，發(fā)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?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展歷程

1 JEFF上的應(yīng)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(shè)計(jì)建造的不帶圍裙的水面滑行艇SKMR-1。它首次采用導(dǎo)管空氣螺旋槳推進(jìn)，且可自由進(jìn)出母艦的塢艙，見圖 3［1］。

圖3 可進(jìn)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(jì)劃（AALC）。1971年，美國海軍船舶系統(tǒng)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(shè)計(jì)建造合同，見圖4。為便于主戰(zhàn)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(dòng)力系統(tǒng)采用6臺(tái)TF-40燃?xì)廨啓C(jī)，每舷3臺(tái)，前后兩臺(tái)分別驅(qū)動(dòng)一套搖頭變距導(dǎo)管空氣螺旋槳用于推進(jìn)，中間一臺(tái)驅(qū)動(dòng)4組離心式風(fēng)機(jī)用于墊升。JEFF B的動(dòng)力系統(tǒng)也采用6臺(tái)TF-40燃?xì)廨啓C(jī)，每舷3臺(tái)TF-40通過齒輪箱并車后，向前驅(qū)動(dòng)兩組雙進(jìn)風(fēng)離心式風(fēng)機(jī)用于墊升及為艏噴管供氣，向后驅(qū)動(dòng)一套變距導(dǎo)管空氣螺旋槳用于推進(jìn)，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(jìn)力，可改善進(jìn)出母艦時(shí)操縱性及抗側(cè)風(fēng)能力。

圖5 JEFF A與JEFF B的動(dòng)力系統(tǒng)布置示意圖

2 LCAC上的應(yīng)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(xì)設(shè)計(jì)合同。LCAC即為AALC計(jì)劃的產(chǎn)物。LCAC每舷艇尾機(jī)艙內(nèi)橫向布置兩臺(tái)TF40B燃?xì)廨啓C(jī)（總共裝備4臺(tái)），總功率為11 931 kW（16 000 hp）。兩臺(tái)TF40B通過錐形直角齒輪箱并車，向后驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管螺旋槳、向前驅(qū)動(dòng)墊升風(fēng)機(jī)，兩齒輪箱之間通過離合器實(shí)現(xiàn)連接和斷開，可保證在一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)故障的情況下軸系仍能工作，參見圖6。

圖6 LCAC的動(dòng)力系統(tǒng)布置示意圖

截至2006年，美國海軍與貝爾宇航公司已為LCAC項(xiàng)目生產(chǎn)了400多臺(tái)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(jīng)驗(yàn)均已超過25年［5］。TF40B為冷端驅(qū)動(dòng)套軸燃?xì)廨啓C(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸及替換。

模塊化的關(guān)鍵點(diǎn)是：模塊并不針對某一臺(tái)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)，而是可以在不同發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)用

始于2000年的LCAC延壽計(jì)劃主要包括以下幾個(gè)方面：改進(jìn)主機(jī)（TF40B升級(jí)到ETF40B）、采用深型圍裙、浮箱整修、旋轉(zhuǎn)機(jī)械整修、C4N（Command，Control，Communications，Computers&Navigation）升級(jí)換代。與TF40B相比，ETF40B主要改進(jìn)了壓縮機(jī)模塊，增加動(dòng)力渦輪第一級(jí)噴管的通流面積，以全自主數(shù)字引擎控制（FADEC）系統(tǒng)替代原TF40B上的模擬控制系統(tǒng)，其持續(xù)功率提高7%，最大瞬時(shí)功率提高15%，在華氏100度時(shí)，最大功率可達(dá)3 542 kW，同時(shí)提高燃油效率，顯著減少維護(hù)工作。將FADEC系統(tǒng)內(nèi)嵌到原控制與報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)（CAMS）內(nèi)，以簡化維護(hù)難度、提高故障診斷能力并減低全壽命周期費(fèi)用。至2009年，ETF40B已生產(chǎn)160臺(tái)，約為LCAC（SLEP）所需主機(jī)總數(shù)的一半；2010年簽訂合同且提交12臺(tái)、2011年提交34臺(tái)、2012年提交16臺(tái)并維修/更換已裝船的16臺(tái)ETF40B的動(dòng)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(tái)ETF40B作為主動(dòng)力。

4 SSC上的計(jì)劃應(yīng)用

2009年，SSC基于TF50A燃?xì)廨啓C(jī)提出了動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格書。SSC每舷縱向布置兩臺(tái)主機(jī)，通過一個(gè)組合式齒輪箱雙機(jī)并車后，向前驅(qū)動(dòng)一臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)，向后驅(qū)動(dòng)一套導(dǎo)管空氣螺旋槳［6］。復(fù)合材料軸系分為5段，即推進(jìn)軸2段、墊升軸3段（不含墊升風(fēng)機(jī)內(nèi)部軸），左右舷對稱分布。除布置在船中部的兩個(gè)輔機(jī)發(fā)電外，每個(gè)齒輪箱還自帶一個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)，并與輔機(jī)發(fā)的電首先并入電力分配系統(tǒng)，再為全艇供電。這樣在不需要啟動(dòng)主機(jī)的情況下，就可以為全艇供電；而主機(jī)啟動(dòng)后，輔機(jī)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(dòng)力系統(tǒng)布置圖

其組合式齒輪箱采用模塊化設(shè)計(jì)，在輸入端設(shè)置超轉(zhuǎn)速離合器，在輸出端分別設(shè)置推進(jìn)與墊升系統(tǒng)的手動(dòng)離合器，以便在螺旋槳、墊升風(fēng)機(jī)中的任何一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)仍能正常工作。推進(jìn)輸出端采用花鍵聯(lián)軸器，允許推進(jìn)軸可以有150 mm軸向位移。

從圖8可以看出，SSC的驅(qū)動(dòng)型式相對于LCAC而言改動(dòng)較大。LCAC的主機(jī)橫向布置，與動(dòng)力系統(tǒng)軸向位置垂直，需經(jīng)過主機(jī)齒輪箱轉(zhuǎn)向嚙合，才能夠?qū)⒐β瘦敵龅斤L(fēng)機(jī)和螺旋槳；現(xiàn)在的主機(jī)直接采用縱向布置，與動(dòng)力系統(tǒng)軸向平行，只需要一個(gè)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(jié)構(gòu)型式相對簡單，既能夠有效提高傳動(dòng)效率，也便于維護(hù)保養(yǎng)時(shí)的拆卸與更換。SSC設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是在保證功能要求的前提下，從降低全壽命周期費(fèi)用著手，從設(shè)計(jì)開始即考慮盡量提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、可用性并降低維護(hù)與維修費(fèi)用［7］。采用組合齒輪箱可有效避免LCAC上主機(jī)軸系對中的難題。

隨著TF60B項(xiàng)目的順利進(jìn)展，美國計(jì)劃在SSC上使用功率更大的TF60B燃?xì)廨啓C(jī)作為主動(dòng)力。據(jù)報(bào)道，TF60B的功率比ETF40B提高30%（達(dá)4 605 kW）。TF60B與TF50A尺寸基本相同（見圖10）、質(zhì)量也接近，在轉(zhuǎn)速僅提高2%的情況下，進(jìn)一步創(chuàng)造了船用燃?xì)廨啓C(jī)功率與質(zhì)量之比的新紀(jì)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?xì)廨啓C(jī)性能指標(biāo)。

表1 美國LCAC上采用的TF系列燃?xì)廨啓C(jī)性能指標(biāo)

5 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展對總布置影響的分析

除JEFF A燃?xì)廨啓C(jī)為縱向布置外，JEFF B及以其為母型的LCAC燃?xì)廨啓C(jī)為橫向布置，燃機(jī)進(jìn)氣為朝向裝載甲板的機(jī)艙內(nèi)側(cè)，燃?xì)馊紮C(jī)對進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣的影響。在SSC上燃?xì)廨啓C(jī)為縱向布置，雙機(jī)并車后向后驅(qū)動(dòng)1套導(dǎo)管空氣螺旋槳提供主要推進(jìn)力，向前驅(qū)動(dòng)一臺(tái)直徑1.752 6 m（5.75 ft）的雙進(jìn)風(fēng)離心式風(fēng)機(jī)用于墊升及為艏噴管供氣提供輔助推進(jìn)與操縱力。由于SSC每舷采用單風(fēng)機(jī)，上層建筑縱向留給機(jī)艙的尺寸增大，為進(jìn)氣穩(wěn)壓室增大留出布置空間。

SSC的主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，利用機(jī)艙與墊升風(fēng)機(jī)之間的空隙，通過鋪設(shè)簡易軌道將主機(jī)拉出機(jī)艙，在主機(jī)不吊下船的情況下，在船上可進(jìn)行主機(jī)維修，如圖11所示。

圖11 SSC在艇上主機(jī)出機(jī)艙維修示意圖

為驗(yàn)證單臺(tái)離心式風(fēng)機(jī)與艏噴管的配合，在專用試驗(yàn)艇LCAC 66上進(jìn)行了風(fēng)機(jī)性能的實(shí)船試驗(yàn)，見圖 12［8］。

圖12 風(fēng)機(jī)實(shí)船試驗(yàn)

美軍主戰(zhàn)坦克已由M60（60 t）發(fā)展到尺寸與質(zhì)量更大的M1A1（74 t）。隨著需運(yùn)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(jìn)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(biāo)有所提高：要求4級(jí)海況（1.4 m有義波高）下，航速超過35 kn、續(xù)航力86 n mile。LCAC曾存在滿載排水量時(shí)越阻力峰困難的情況，3級(jí)海況（1.25 m有義波高）及淺水情況下，必須減載運(yùn)行。

雖然SSC主機(jī)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(dǎo)管、墊升風(fēng)機(jī)的軸與蝸殼、艏噴管彎頭、槳前防護(hù)網(wǎng)罩、軸系均采用復(fù)合材料制作，每舷墊升風(fēng)機(jī)由2組雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)改為1組增寬的雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)（寬2.772 m），首尾跳板收放裝置改為EMA方式 （功率電傳技術(shù)），簡化雙機(jī)并車的齒輪箱，改進(jìn)發(fā)電方式，電制由400 Hz改為60 Hz，改進(jìn)C4N系統(tǒng)，簡化駕駛室與左舷登陸兵艙上側(cè)的艙室，側(cè)部圍裙由雙囊改為單囊（減重1.225 t，實(shí)船試驗(yàn)見圖13），駕駛員由3人減為2人，以盡量減輕自重［8］。

圖13 側(cè)部單囊指圍裙效果圖及實(shí)船試驗(yàn)

利用2009年SSC系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)規(guī)格書中的指標(biāo)，對SSC在不同排水量下的快速性進(jìn)行估算，結(jié)果見圖14。

圖14 SSC在不同排水量時(shí)的快速性估算

從圖14可看出，當(dāng)逆風(fēng)風(fēng)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(shí)的第二阻力峰值大約9%。W=160 t時(shí)的估算航速為41 kn左右，與35 kn的指標(biāo)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(huì)有所改善；此外，2009年指標(biāo)相對于TF50A型燃?xì)廨啓C(jī)，而SSC采用功率更大的TF60B燃?xì)廨啓C(jī)，故導(dǎo)管空氣螺旋槳的推力會(huì)得到進(jìn)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(jī)艙空間更有限。氣墊船不同于常規(guī)艦船，在墊態(tài)起飛越峰過程中會(huì)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(huì)達(dá)到正常航行時(shí)的數(shù)倍，并且在登灘時(shí)由于圍裙底部氣墊作用而產(chǎn)生大量沙塵。船用燃?xì)廨啓C(jī)在這樣的含鹽高濕環(huán)境下運(yùn)行，吸入的空氣中會(huì)含有相當(dāng)數(shù)量的海鹽及沙塵，將顯著降低燃?xì)廨啓C(jī)性能、縮短使用壽命，因此對防鹽、防腐蝕要求較高。一般需設(shè)置專用進(jìn)氣穩(wěn)壓室，通過慣性級(jí)、網(wǎng)墊級(jí)等多級(jí)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?xì)廨啓C(jī)研發(fā)所需時(shí)間，而用于LCAC的TF40與TF40B所需時(shí)間更多。

圖15 TF系列船用燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)所需時(shí)間

SSC主機(jī)進(jìn)氣濾清要求為：進(jìn)氣濾清器進(jìn)口的空氣含鹽量為35 315 mg/m3（按質(zhì)量計(jì)，MMD≥13 μm），經(jīng)濾清后下游出口（主機(jī)進(jìn)氣口）的空氣含鹽量3.53 mg/m3（按質(zhì)量計(jì)，MMD＜13 μm）；進(jìn)氣濾清器進(jìn)口空氣含沙量883 mg/m3（惡劣天氣）或64 mg/m3（良好天氣），經(jīng)濾清后下游出口（主機(jī)進(jìn)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(shí)船試驗(yàn)見圖16。

圖16 ETF40B耐海水飛濺實(shí)船持續(xù)試驗(yàn)

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

6 結(jié) 論

美國氣墊登陸艇上使用的TF系列船用燃?xì)廨啓C(jī)都是以航空用燃?xì)廨啓C(jī)T55為核心機(jī)，針對氣墊登陸艇的特殊需求，逐步發(fā)展演化而成。

艇載裝備的升級(jí)換代以及總體性能指標(biāo)要求的提高，對氣墊登陸艇的挑戰(zhàn)更大。幸好作為主動(dòng)力的燃?xì)廨啓C(jī)也隨科技進(jìn)步而與時(shí)俱進(jìn)，為氣墊登陸艇提供了切實(shí)的保證；同時(shí)，新型復(fù)合材料的廣泛應(yīng)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(fù)合材料建造，航速高達(dá)70 kn?？梢灶A(yù)見，未來氣墊登陸艇也將會(huì)是復(fù)合材料建成的船體。

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