沈劍毅 高 嵩 湯宇嘉

（1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.上海海迅機(jī)電工程有限公司 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船是一種貼近水面滑行的水上高速運(yùn)載工具，具有許多優(yōu)良特性，如：航速快、水下物理場(chǎng)小、兩棲性好、適應(yīng)性強(qiáng)等，在軍事、救援、破冰、掃雷等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其適于用于兩棲輸送工具使用［1-2］，因而得到世界各國(guó)的高度重視。全墊升氣墊船的工作原理是利用大功率風(fēng)扇向船體底部快速壓入大量空氣，使船體底部與水面之間形成動(dòng)力氣墊，使船體全部脫離水面，同時(shí)使用柔性圍裙圍在船底封閉氣墊以增加船體飛高、沖灘和越障的能力。

氣墊船在沖灘過(guò)程中先后經(jīng)歷近岸航行階段、登灘階段以及岸灘航行階段，在不同階段其運(yùn)動(dòng)特性存在較大差別，尤其在登灘過(guò)程中，氣墊船部分位于水介質(zhì)上，部分位于陸地介質(zhì)之上，船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜且變化劇烈，雖然時(shí)間較短，但對(duì)氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)特性有很大影響。

本文以某型全墊升氣墊船登灘實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，對(duì)該型船登灘過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)航速、姿態(tài)、加速度和壓力等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化特性進(jìn)行深入分析，獲得全墊升氣墊船登灘過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性，不僅可用來(lái)指導(dǎo)氣墊船駕駛員的登灘操作，而且對(duì)于完善氣墊船的理論體系和改進(jìn)氣墊船的性能具有一定的指導(dǎo)意義。

1 登灘運(yùn)動(dòng)測(cè)試參數(shù)及測(cè)試方法

氣墊船的運(yùn)動(dòng)特性不僅與氣動(dòng)力、水動(dòng)力和導(dǎo)管槳推力直接相關(guān)，還與風(fēng)機(jī)-氣道-圍裙構(gòu)成的墊升系統(tǒng)密切相關(guān)［3］，目前國(guó)內(nèi)對(duì)氣墊船運(yùn)動(dòng)特性，尤其針對(duì)登灘這種跨越水陸界面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，缺乏準(zhǔn)確的理論預(yù)報(bào)手段，因而有必要通過(guò)實(shí)船運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試，積累重要的實(shí)船運(yùn)動(dòng)原始數(shù)據(jù)，從而分析氣墊船在登灘時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律與內(nèi)在聯(lián)系，以便掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和操縱特性。

全墊升氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)測(cè)試的主要參數(shù)包括航跡、航速、航向角、縱搖、橫搖、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，側(cè)風(fēng)門(mén)狀態(tài)、槳距角、舵角等操縱面參數(shù)，以及風(fēng)向、風(fēng)速、浪高、氣溫和氣壓等環(huán)境參數(shù)。此外，考慮氣墊壓力和氣囊壓力對(duì)氣墊船運(yùn)動(dòng)特性具有的重要影響，還對(duì)氣囊和氣墊內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)試。上述各參數(shù)的測(cè)試和采集主要通過(guò)多種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并已考慮被測(cè)參數(shù)的特性及精度要求。

1.1 數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備選型

在本次運(yùn)動(dòng)測(cè)試中，氣墊船的位置、速度、航向等信息由GPS獲取。由于測(cè)試在海上進(jìn)行，距離陸地基站距離較遠(yuǎn)，因而GPS需要本地基站才能輸出航向角， 故采用雙天線(xiàn)陣列。測(cè)試裝置選擇麥哲倫802高精度GPS，它是一種新型的集高精度定位、定向?yàn)橐惑w的雙頻GPS設(shè)備，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)需要，在高磁性的環(huán)境下也能提供快速和準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，是理想的航跡測(cè)量設(shè)備。GPS通過(guò)RS232接入中心控制網(wǎng)關(guān)BS909N，采集分析軟件依據(jù)坐標(biāo)和航向角，實(shí)時(shí)計(jì)算航行軌跡。

縱橫搖測(cè)試通過(guò)機(jī)械式垂直陀螺實(shí)現(xiàn)，與電子陀螺相比，其角度更趨于穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)，而且具有頻響高等優(yōu)點(diǎn)，垂直陀螺經(jīng)過(guò)解調(diào)后的電壓信號(hào)接到無(wú)線(xiàn)電壓節(jié)點(diǎn)，通過(guò)中心網(wǎng)關(guān)聯(lián)接入測(cè)試系統(tǒng)。加速度測(cè)量采用無(wú)線(xiàn)加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)，由無(wú)線(xiàn)加速度傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)線(xiàn)加速度傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置MEMS電容三軸或單軸加速度傳感器芯片，能夠響應(yīng)緩變的低頻加速度。共選取4個(gè)三軸加速度傳感器和1只單軸加速度傳感器，安放在氣墊船不同位置，分別測(cè)量首部、尾部及重心處加速度。

氣墊船的操縱面參數(shù)包括槳距角、舵角和側(cè)風(fēng)門(mén)，均需通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)施操縱［4］，需專(zhuān)門(mén)研發(fā)相應(yīng)的測(cè)量方法，選擇合適的傳感器進(jìn)行采集，并設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的安裝結(jié)構(gòu)。選用拉繩傳感器對(duì)操縱面參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)拉繩傳感器的位移變化換算操縱面所對(duì)應(yīng)的角度變化。

環(huán)境參數(shù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、浪高、浪向、氣溫以及氣壓等。風(fēng)速與風(fēng)向通過(guò)無(wú)線(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，浪高測(cè)量使用浪高儀。環(huán)境氣壓由高精度手持氣壓溫度表測(cè)得并記錄。

各參數(shù)測(cè)量所用傳感器及接入方式見(jiàn)下頁(yè)表1。

圍裙囊壓和氣墊內(nèi)壓力的測(cè)量選用兩種類(lèi)型的壓力傳感器：薄片壓力傳感器和微型壓力傳感器，根據(jù)測(cè)量位置的特點(diǎn)分別布置。薄片傳感器厚度＜5 mm，可以直接粘貼在測(cè)試表面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)流場(chǎng)影響較小，同時(shí)具有高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)，抗振能力強(qiáng)，可用于氣墊內(nèi)壓力測(cè)試。微型壓力傳感器安裝方便，可靠性強(qiáng)，可用于測(cè)量大囊內(nèi)壓力。圍裙囊壓和墊壓的測(cè)量共使用34個(gè)壓力傳感器，分別布置于圍裙大囊和船底氣墊內(nèi)。船底氣墊內(nèi)共布置16個(gè)，全部為耐腐蝕的膜片壓力傳感器。考慮到不破壞氣墊船底板，安裝采取膠粘方式，且未進(jìn)行任何打磨。圍裙大囊內(nèi)分別布置18個(gè)螺紋壓力傳感器，固定方式主要采取螺栓連接。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率范圍為20 Hz。輸出數(shù)據(jù)中包括時(shí)間序列，用以保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

表1 測(cè)試設(shè)備及接入方式

1.2 時(shí)間同步測(cè)試方法研究

數(shù)據(jù)的時(shí)間同步性對(duì)氣墊船運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集具有重大意義，運(yùn)動(dòng)參數(shù)只有滿(mǎn)足同步性要求，才能體現(xiàn)氣墊船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性及航行特性，因而需進(jìn)行時(shí)間同步設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸時(shí)間不同步的主要原因有：

（1）節(jié)點(diǎn)內(nèi)部定時(shí)晶振固有的頻率偏差和時(shí)間累計(jì)誤差；

（2）節(jié)點(diǎn)接受時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延誤差。

通過(guò)開(kāi)發(fā)不使用浮點(diǎn)運(yùn)算、占用內(nèi)存小的時(shí)間同步技術(shù)，解決了上述2項(xiàng)時(shí)間不同步問(wèn)題。

對(duì)于授時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延誤差，其消除方法為：在主節(jié)點(diǎn)同步之前，先發(fā)送前導(dǎo)碼和同步字符，給同步信號(hào)命令包打上時(shí)間標(biāo)志t0，接收節(jié)點(diǎn)收到前導(dǎo)碼和同步字符時(shí)，記下本地時(shí)間t1，在開(kāi)始處理接收到的數(shù)據(jù)包時(shí)，記下時(shí)間t2，根據(jù)發(fā)送位數(shù)n和發(fā)送每比特需要的時(shí)間t，可以估算出前導(dǎo)碼和同步字符的發(fā)送時(shí)間為nt，接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘調(diào)整為t0+nt+（t2-t1），從而消除授時(shí)的時(shí)延誤差。

對(duì)于晶振的固有偏差和時(shí)間累計(jì)產(chǎn)生的誤差，在計(jì)算時(shí)間同步時(shí)，直接采用具有較高時(shí)間分辨率的計(jì)時(shí)器所測(cè)數(shù)值。在測(cè)試過(guò)程中，每60 s同步授時(shí)一次，硬件計(jì)時(shí)器的差值剛好等于軟件修正晶振的值，此時(shí)的晶振修正后偏差可達(dá)2.5×10-7MHz。隨后，每隔60 s同步校正一次，可達(dá)到時(shí)鐘同步精度0.1 ms。該算法巧妙利用硬件電路特性，對(duì)晶振的偏差估計(jì)不使用復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，減小了同步的開(kāi)銷(xiāo)。

2 氣墊船登灘過(guò)程描述

氣墊船登灘測(cè)試在南海某海域進(jìn)行。測(cè)試當(dāng)天天氣晴朗，海況等級(jí)為1～2級(jí)，未見(jiàn)明顯浪高。登灘位置為沙地，氣墊船登灘時(shí)狀態(tài)為滿(mǎn)載排水量。

氣墊船的登灘運(yùn)動(dòng)具體可劃分為三個(gè)階段：近岸航行階段、登灘階段和陸上運(yùn)動(dòng)階段。在近岸航行階段，氣墊船首先從海里穿過(guò)進(jìn)入近岸區(qū)，該區(qū)域內(nèi)水深小于氣墊船的長(zhǎng)度，淺水興波阻力較大，傅汝德數(shù)為0.35時(shí)，可達(dá)水深的3倍，因而該階段航行時(shí)阻力會(huì)增加，操作不當(dāng)會(huì)引起航速迅速下降。當(dāng)氣墊船首部抵達(dá)岸灘瞬間開(kāi)始進(jìn)入登灘階段，具體的登灘過(guò)程如圖1所示。

圖1 氣墊船登灘過(guò)程

圖1（a）為氣墊船首部抵達(dá)岸灘瞬間，也為登灘的初始時(shí)刻。由于本次測(cè)試的登灘點(diǎn)處岸灘為傾斜角約5°、長(zhǎng)度約為船長(zhǎng)1/5的斜坡，因而登灘階段又可劃分為三個(gè)過(guò)程：首部爬坡過(guò)程、中間爬坡過(guò)程和尾部爬坡過(guò)程。首部爬坡過(guò)程是指氣墊船首部開(kāi)始離開(kāi)水面進(jìn)入岸灘，但尚未到達(dá)坡頂這一運(yùn)動(dòng)階段，如圖1（b）所示；中間爬坡過(guò)程是指氣墊船首部已經(jīng)達(dá)到坡頂進(jìn)入岸灘航行，但其尾部尚未離開(kāi)水面的過(guò)程，如圖1（c）所示；尾部爬坡過(guò)程是指氣墊船尾部脫離水面，但尚未至坡頂?shù)囊欢芜^(guò)程，如圖1（d）所示。當(dāng)氣墊船尾部離開(kāi)坡頂后，進(jìn)入陸上運(yùn)動(dòng)階段。在此次測(cè)試過(guò)程中氣墊船在岸灘航行一段時(shí)間后掉頭重新返回海中。

3 氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果及分析

選取登灘點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取氣墊船首部抵灘時(shí)間，即氣墊船處于圖1（a）的位置時(shí)為初始時(shí)刻，測(cè)試結(jié)果如圖2 -圖5所示。

圖2為氣墊船在測(cè)試過(guò)程中的航行軌跡，橫坐標(biāo)為氣墊船在東西方向上的無(wú)因次移動(dòng)距離，縱坐標(biāo)為氣墊船在南北方向上的無(wú)因次距離，無(wú)因次距離指氣墊船移動(dòng)的距離與其艇縱向長(zhǎng)度的比值。

圖2 氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖2可見(jiàn)，氣墊船在與岸灘近似垂直的角度登灘后，向陸地深處航行約4倍艇長(zhǎng)距離后，掉頭重新返回海中。

圖3為氣墊船登灘過(guò)程中螺距角的平均值及其對(duì)應(yīng)的傅汝德數(shù)的變化過(guò)程，其中實(shí)線(xiàn)為氣墊船登灘過(guò)程中平均螺距角隨時(shí)間的變化，虛線(xiàn)為登灘過(guò)程中航行傅汝德數(shù)隨時(shí)間的變化，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間，初始時(shí)刻為登灘的瞬間，左邊縱坐標(biāo)為航行的傅汝德數(shù)，右邊的縱坐標(biāo)為氣墊船的平均螺距角。

圖3 氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)航速和平均螺距角

由圖3可見(jiàn)，氣墊船在近岸航行過(guò)程中通過(guò)變化螺距角調(diào)整登灘航速，航速隨著螺距角減小不斷下降。在登灘瞬間，傅汝德數(shù)約為0.2，并且螺距角基本不再變化。由于慣性及岸灘坡度的影響，航速繼續(xù)下降。為確保登灘成功，在氣墊船首部登上岸灘后開(kāi)始增加螺距，最終航速穩(wěn)定在傅汝德數(shù)0.18左右。登灘過(guò)程從首部抵達(dá)岸灘開(kāi)始至尾部離開(kāi)斜坡結(jié)束，持續(xù)15 s之后進(jìn)入陸地運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖4為氣墊船登灘過(guò)程縱橫傾角的變化曲線(xiàn)。圖中橫坐標(biāo)為航行時(shí)間，縱坐標(biāo)為傾角，實(shí)線(xiàn)代表縱傾角的變化特性，虛線(xiàn)代表橫傾角的變化特性。

圖4 氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)傾角變化

由圖4可見(jiàn)，在近岸航行階段，氣墊船的縱、橫傾角并非穩(wěn)定不變，而是呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，波動(dòng)幅值約為0.5°，這是航速變化、淺水效應(yīng)及近岸浪共同影響的結(jié)果。在登灘階段，當(dāng)氣墊船處于首部爬坡過(guò)程中時(shí)，受到坡度和氣墊船爬升高度的影響，縱傾角開(kāi)始持續(xù)增加，并在首部抵達(dá)坡頂時(shí)達(dá)到約2.2°的最大值。當(dāng)氣墊船的首部離開(kāi)斜坡進(jìn)入平地的瞬間，首部泄流區(qū)增加，受此影響縱傾角會(huì)有所下降。測(cè)試顯示本次登灘縱傾角下降約0.6°，之后穩(wěn)定在1.7°左右，呈小幅波動(dòng)狀態(tài)，并持續(xù)整個(gè)中間爬坡過(guò)程。進(jìn)入尾部爬坡過(guò)程后，隨著氣墊船尾部不斷爬升，縱傾角開(kāi)始迅速下降，并在尾部到達(dá)坡頂后穩(wěn)定在0.4°左右。在氣墊船登灘過(guò)程中，橫傾角也小幅增加，最高時(shí)左傾達(dá)0.5°。這是由于氣墊船登灘過(guò)程中并非完全垂向登灘，而是與斜坡有10°左右的角度差，導(dǎo)致重心位置偏左。

圖5為氣墊船登灘過(guò)程氣墊壓心和重心縱向相對(duì)位置的變化曲線(xiàn)。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為壓心位置與重心位置之間的縱向相對(duì)距離。

圖5 氣墊船登灘運(yùn)動(dòng)氣墊壓心變化

由圖5可見(jiàn)，在登灘階段，當(dāng)氣墊船首部開(kāi)始爬坡時(shí)，壓心與重心間距離開(kāi)始增加，即壓心開(kāi)始向前移動(dòng)。這主要由于氣墊船首部爬坡過(guò)程中，斜坡封閉了首部圍裙泄流區(qū)，導(dǎo)致前氣室壓力增加，壓心位置前移并在首部抵達(dá)坡頂時(shí)，與重心距離達(dá)到最大值約0.055倍艇長(zhǎng)。當(dāng)氣墊船的首部離開(kāi)斜坡進(jìn)入平地的瞬間，首部泄流區(qū)增加，受此影響，壓心位置向后移動(dòng)約0.005倍艇長(zhǎng)。進(jìn)入尾部爬坡過(guò)程后，尾部泄流區(qū)面積減小，尾部氣室壓力開(kāi)始增加，壓心位置因而進(jìn)一步后移。

比較圖4和圖5可見(jiàn)，壓心位置變化趨勢(shì)與縱傾角變化趨勢(shì)基本一致，這說(shuō)明縱傾角的變化主要是由壓心位置移動(dòng)造成。本次測(cè)試參數(shù)變化趨勢(shì)與相關(guān)氣墊船仿真和測(cè)試結(jié)果基本吻合［5-7］，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果真實(shí)可信。

4 結(jié) 論

本文選取某型氣墊船登灘過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)自主研制的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)氣墊船登灘爬坡過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試，獲得氣墊船登灘過(guò)程中的位置、航速、螺距角、縱傾角、橫傾角以及壓心位置等特性參數(shù)的同步結(jié)果。結(jié)果表明，氣墊船在登灘爬坡過(guò)程中，縱傾角和壓心位置會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，且兩者變化趨勢(shì)基本一致。通過(guò)本文的測(cè)試與分析，不僅積累了重要的實(shí)艇登灘過(guò)程運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，掌握實(shí)艇登灘過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也提高了該項(xiàng)氣墊船使用的技術(shù)保障能力。

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