陳 練，孔祥明，何遠(yuǎn)玲

(中國(guó)船舶信息中心，北京 100192)

0 引 言

近年來(lái)，海軍護(hù)航任務(wù)日趨頻繁且多樣化、復(fù)雜化，常規(guī)艦載艇的性能已很難滿足任務(wù)需求[1]。目前我國(guó)艦載艇多以救助艇改裝船型為主，國(guó)內(nèi)很少有從事于剛性充氣艇的專項(xiàng)研發(fā)廠家，而歐美剛性充氣艇技術(shù)已非常成熟，且批量建造裝備部隊(duì)[2]。

本文根據(jù)艦載艇研制要求，確定了主尺度及總布置；結(jié)合主尺度及船型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自扶正系統(tǒng)和充氣護(hù)舷；應(yīng)用CFD數(shù)值仿真軟件FINE/Marine對(duì)7組船型方案做仿真計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果確定了較優(yōu)的船型方案，并通過(guò)船模試驗(yàn)探究了重心縱向位置及排水量對(duì)該船型阻力及航行姿態(tài)的影響，最終確定了較優(yōu)的重心縱向位置范圍，為艦載剛性充氣艇的船型設(shè)計(jì)提供參考。

1 船型方案設(shè)計(jì)

1.1 主要要素

根據(jù)艦載艇的使用要求和技術(shù)要求，本文采用單體滑行艇，舷側(cè)配備剛性充氣護(hù)舷，尾部設(shè)置自扶正系統(tǒng)。根據(jù)艦載艇在母船上的布置空間要求及母型艇的主尺度，本艇主要參數(shù)如表1所示。艇體采用尖首、方尾、深V型艇。采用舷內(nèi)柴油噴泵推進(jìn)，主機(jī)型號(hào)為CUMMINS QSB6.7INT，其額定功率為353 kW；噴泵型號(hào)為Hamilton HJ274，最大輸入功率330 kW，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。該艇采用高性能纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又降低了結(jié)構(gòu)重量。

表 1 艦載剛性充氣艇主要參數(shù)Tab. 1 Main elements of shipboard RIB

1.2 總布置設(shè)計(jì)

在滿足《艦用小艇規(guī)范》[3]和航行性能相關(guān)要求下，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求和原則，對(duì)小艇進(jìn)行合理的總體布局（見圖1）。本艇設(shè)置露天干舷甲板、1張駕駛座椅及駕控臺(tái)，首部升高甲板設(shè)計(jì)機(jī)槍架兼做系纜樁。在駕駛臺(tái)下方配置蓄電池2只，駕駛臺(tái)側(cè)壁、船首、船尾共設(shè)置3個(gè)1 kg的干粉滅火器。本艇采用單點(diǎn)吊形式，用于吊運(yùn)該艇。艇的舷側(cè)設(shè)有的充氣護(hù)舷，提供足夠的儲(chǔ)備浮力并保護(hù)艇體。艇體尾部設(shè)有自扶正系統(tǒng)，保證小艇在傾覆時(shí)能自動(dòng)扶正。

1.3 型線設(shè)計(jì)

型線設(shè)計(jì)是決定艇型性能的主要因素[4]，目前滑行艇艇型設(shè)計(jì)已從一味追求快速性向重點(diǎn)考慮具有優(yōu)異的適航性條件下兼顧快速性方向發(fā)展[5]。高海況下的航速穩(wěn)定性、高速航行時(shí)的平臺(tái)穩(wěn)定性和海豚效應(yīng)成為衡量滑行艇艇型優(yōu)良的關(guān)鍵標(biāo)志。在艇型設(shè)計(jì)中，斜升角和護(hù)舷是影響其主動(dòng)力性能的主要參數(shù)，其中斜升角主要影響滑行艇的快速性和穩(wěn)定性，護(hù)舷主要影響艇的橫向穩(wěn)定性和耐波性。選取最優(yōu)的斜升角與護(hù)舷配置是艇型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.3.1 船型方案

在對(duì)國(guó)外同級(jí)別艇型進(jìn)行深入的研究后，基于原型艇型線，以 17°，19°，21°，23°斜升角分別建模，通過(guò)FINE/Marine計(jì)算，確定較優(yōu)的斜升角；針對(duì)較優(yōu)斜升角根據(jù)護(hù)舷不同安裝高度位置，確定3個(gè)船型方案，具體船型方案如表2所示。

表 2 船型方案Tab. 2 Plan of ship type

1.3.2 FINE/Marine 仿真計(jì)算

1）船模參數(shù)

為了減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算成本，本文縮尺比為1:3.5的船模計(jì)算，主要參數(shù)如表3所示。

表 3 船模參數(shù)Tab. 3 Ship model parameters

2）計(jì)算結(jié)果

基于FINE/Marine的快速性能數(shù)值仿真方法，對(duì)表2中的7個(gè)船型方案取靜水中5個(gè)不同航速，分別仿真計(jì)算阻力、縱傾角及升沉幅值，具體結(jié)果如下：

圖 1 艦載剛性充氣艇總布置圖Fig. 1 General layout plan of shipboard RIB

①阻力仿真結(jié)果

通過(guò)表4可知，在方案1到方案4中，隨著斜升角的減小，阻力值也不同幅度的降低，斜升角17°的船型方案即方案4阻力值最小。在不同護(hù)舷安裝位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，阻力值在方案5中最小且與方案4的阻力值相近。

表 4 阻力計(jì)算表Tab. 4 Resistance result table

②縱傾角仿真結(jié)果

通過(guò)表5可知，在方案1到方案4中，隨著斜升角的減小，縱傾幅值值也不同幅度的降低，斜升角17°的船型方案縱傾幅值最小。在不同護(hù)舷安裝位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，方案5的縱傾幅值最小，且優(yōu)于方案4。

表 5 縱傾角計(jì)算表Tab. 5 Trim angle result table

③升沉仿真結(jié)果

通過(guò)表6可知，在方案1到方案4中，升沉幅值幅值隨斜升角的減小無(wú)明顯的變化規(guī)律，總體而言方案1在高速航行時(shí)，升沉幅值較小。在不同護(hù)舷安裝位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，方案5的升沉幅值最小且優(yōu)于方案1。

基于上述仿真結(jié)果，最終選取方案5為較優(yōu)船型方案，船型橫剖面圖如圖2所示。

2 自扶正系統(tǒng)

2.1 自扶正原理

自扶正能力屬于安全救生能力的一種，指船艇傾覆時(shí)可以依靠自身的能力回正，增強(qiáng)了船舶的生存能力。目前小艇自扶正能力的實(shí)現(xiàn)主要依靠自扶正裝置，如圖3所示。船艇傾覆后打開自扶正裝置，改變吃水、浮態(tài)和浮心位置等參數(shù)從而使船舶的靜穩(wěn)性力臂為正，達(dá)到回復(fù)正浮狀態(tài)的目的[6]。

表 6 升沉幅值計(jì)算表Tab. 6 Lifting amplitude result table

圖 2 橫剖面圖Fig. 2 Cross section

圖 3 自扶正原理圖Fig. 3 Self-righting principle diagram

2.2 自扶正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自扶正系統(tǒng)主要包括：自扶正氣囊1；自扶正架2，自扶正架2通過(guò)連接法蘭8和9，10與尾封板固定連接；自扶正架上的固定安裝彎管3，彎管3上固定安裝自扶正氣囊1，彎管3呈弧形與自扶正氣囊1滿氣狀態(tài)的外圓完全吻合；彎管3底部分別安裝充氣瓶4和自動(dòng)充氣裝置5，通過(guò)卡箍6與彎管3固定連接，自動(dòng)開啟裝置5分別通過(guò)進(jìn)氣管7與充氣瓶4和自扶正氣囊1相連，自動(dòng)開啟裝置5遇水后會(huì)自動(dòng)開啟，進(jìn)行充氣。

小艇在正常航行時(shí)，自扶正氣囊1處于非充氣狀態(tài)，可以減小航行時(shí)的空氣阻力。當(dāng)小艇發(fā)生傾覆時(shí)，自動(dòng)充氣裝置5會(huì)及時(shí)打開充氣瓶4對(duì)自扶正氣囊1進(jìn)行充氣，小艇進(jìn)行自動(dòng)扶正。

圖 4 自扶正系統(tǒng)圖Fig. 4 Self-righting syetem diagram

3 充氣護(hù)舷設(shè)計(jì)

護(hù)舷在設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)調(diào)為小艇提供足夠的儲(chǔ)備浮力，在小艇布放、回收或與艦船、碼頭靠幫時(shí)提供防護(hù)，同時(shí)提高小艇在高海況條件下的適航性。

護(hù)舷結(jié)構(gòu)采用全充氣式護(hù)舷結(jié)構(gòu)形式，增加多獨(dú)立艙室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證相鄰艙室發(fā)生損壞時(shí)，整體護(hù)舷的可用性；增加內(nèi)部骨架設(shè)計(jì)，防止反復(fù)充放氣的形狀變形。鑒于剛性充氣艇的工作環(huán)境及用途，選擇多獨(dú)立艙室式護(hù)舷。多獨(dú)立氣室式一般有5個(gè)或7個(gè)氣室，根據(jù)該小艇的主尺度，選取7個(gè)獨(dú)立氣室的護(hù)舷。《沿海小型船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》5.4.2.1對(duì)甲板艇儲(chǔ)備浮力的要求為不小于100%滿載排水量[7]。本艇儲(chǔ)備浮力由充氣護(hù)舷提供，小艇滿載排水3.7 t，通過(guò)計(jì)算最終確定護(hù)舷直徑560 mm。

此外，本艇的護(hù)舷在與艇體結(jié)構(gòu)連接時(shí)，不僅采用了填充密封膠的方式讓護(hù)舷和船體貼合更為緊密、隨型性更優(yōu)，同時(shí)也在護(hù)舷位于船體兩側(cè)各增加了一塊連接布，采用打孔填充密封膠再與船體鉚接的方式，一方面增加了護(hù)舷和船體連接的緊固效果，另一方面使得船體在發(fā)生碰撞時(shí)護(hù)舷能夠更好地吸收沖擊產(chǎn)生的能量，同時(shí)也提高了本艇的航行穩(wěn)定性。

圖 5 充氣護(hù)舷外型及氣室布置簡(jiǎn)圖Fig. 5 Brief diagram of inflatable fenders and air chamber layou

4 水池試驗(yàn)

4.1 船模簡(jiǎn)介

試驗(yàn)船?？s尺比λ=1:3.5，船模長(zhǎng)2 143 mm，船模寬 786 mm，船模高 471 mm，站距 200 mm。船模的站位編號(hào)從尾往首依次增加，船模的0#站位置為距護(hù)舷尾端面沿首方向205.71 mm處豎直平面，均勻向船首方向分布各站位，共10個(gè)站位。由中國(guó)特種飛行器研究所高速水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室按照型線圖加工，模型采用木料進(jìn)行加工，經(jīng)做防水、噴漆處理而成。船模表面光滑，符合《CB/Z244-88滑行艇船模阻力測(cè)試方法》中規(guī)定的允許誤差標(biāo)準(zhǔn)。

圖 6 船模實(shí)物圖Fig. 6 Model physical map

4.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)為探究不同排水量及不同重心縱向位置對(duì)剛性充氣艇性能影響，確定了3個(gè)重心縱向位置及2個(gè)排水量，共6種工況。靜水試驗(yàn)速度共13個(gè)，分別為：2. 0 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s，5.0 m/s，6.0 m/s，7.0 m/s，8.0 m/s，9.0 m/s，10.0 m/s，11.0 m/s，12.0 m/s，13.0 m/s和13.7 m/s，主要測(cè)量參數(shù)包含靜水試驗(yàn)中的阻力、升沉（重心處）和縱傾角，具體工況見表7。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）縱傾角

由圖7可知，對(duì)同一排水量船模而言，縱傾角隨航速增大先增大后減小最后趨于穩(wěn)定；對(duì)同一排水量不同重心縱向位置船模而言，重心縱向位置越接近尾部縱傾角越大。Case3在航速=9 m/s發(fā)生縱搖現(xiàn)象；Case6在航速=12 m/s發(fā)生縱搖現(xiàn)象。換言之，當(dāng)重心縱向位置在=628.6 mm，船模在不同排水量狀態(tài)下，存在某一航速使之發(fā)生嚴(yán)重縱搖。

表 7 水池試驗(yàn)工況Tab. 7 Pool test conditions

圖 7 不同方案縱傾角圖Fig. 7 Diagram of trim for different schemes

2）重心處升沉幅值

由圖8可知，對(duì)同一排水量船模而言，重心處升沉幅值隨航速的增大而增大最后趨于穩(wěn)定。對(duì)同一排水量不同重心縱向位置船模而言，重心縱向位置越接近尾部重心處升沉幅值越大；重心縱向位置相同時(shí)，重心處升沉幅值隨排水量增大而增大。

圖 8 不同方案升沉幅值Fig. 8 Diagram of lifting amplitude for different schemes

3）船模阻力

圖 9 不同方案阻力圖Fig. 9 Diagram of resistance for different schemes

由圖9可知，重心縱向位置對(duì)相同排水量船模阻力影響較??；排水量大小對(duì)阻力影響較大，且隨著航速的增大，不同排水量船模阻力差值先增大后減小最后趨于穩(wěn)定。對(duì)同一排水量而言，低速時(shí)重心縱向位置越靠近尾部阻力越大；高速時(shí)重心縱向位置越靠近船尾阻力越小。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)艦載艇使用現(xiàn)狀及發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種性能較優(yōu)良的剛性充氣艇，考慮不同斜升角及護(hù)舷安裝高度7種剛性充氣艇船型方案，通過(guò)對(duì)靜水中快速性能和航行性能的仿真計(jì)算，最終選取方案5作為設(shè)計(jì)船型，對(duì)該船型做水池試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）從阻力性能和航行性能2個(gè)主要指標(biāo)考慮，選取較優(yōu)的船型方案：斜升角23°，護(hù)舷安裝高度下移25 mm。

2）通過(guò)船模試驗(yàn)得出：重心縱向位置對(duì)航行姿態(tài)影響較大，并得出較優(yōu)航行性能的重心縱向位置范圍（685.7～742.9）mm。

本文得出的船型方案及重心縱向位置，對(duì)后續(xù)相似船型開發(fā)具有較大的借鑒意義；與之配套的自扶正系統(tǒng)和充氣護(hù)舷具有一定的工程價(jià)值。