船舶及筏的滚动式航行方法

福建省船舶设计研究院 程根清

中国是一个幅员辽阔、河流纵横、海岸线长、岛屿星罗棋布和人口众多的国家，水路客运在过去的交通运输中占有重要的地位。但是，由于近代铁路、公路和航空技术的突飞猛进，促使传统的水路客运趋向衰退。我国水上客运量在全社会客运量中所占的比重逐年下降，从1952年的14.7%降至1994年的2.4%。究其原因，现有水路客运船舶的航速慢是主要因素。

一、船舶科技领域里的两道难题

众所周知，船舶的高速阻力和浅水阻力大是存在于船舶科技领域里的两道难题。它们严重地影响了水上交通运输业的发展，尤其是水上客运事业的发展。面对逐渐衰退的水上客运事业，船舶科技工作的先驱者们曾经作出过很大的努力，收获过重要的成果。例如，为了降低船舶的航行阻力，提高船舶的航速，曾相继发明了滑行艇、水翼艇、气垫艇、穿浪型船、小水线面积船和动力气垫地效翼船等新船型和新品种。但是，这些新船型和新品种还满足不了人类对船舶快速和节能的期望和要求。

为此，要使人类水上客运事业大幅发展，必须使水上客运船舶的航速有大幅度的提高，必须使水上客运船舶技术有一个实质性的突破，一定要突破现有的思路和方法，走一条船舶降阻增速技术的新路子。

二、船舶及筏的滚动式航行方法

船舶及筏的滚动式航行方法的结构组成和运行原理与现有的船舶不同。它采用卧式浮筒体产生的浮力来支撑整艘船舶及筏的重量。利用浮筒体与浮筒体轴之间或浮筒体轴与支撑侧体轴承之间的转动关系，使船舶及筏航行时与水面间的相对运动变成卧式浮筒体表面与水面之间的滚动关系，从而改变了船舶及筏航行时的水阻力成分，达到了降阻增速的目的和效果。船模试验时观察发现，水流速度越快，浮筒体的转速越快，浮筒体上的受力（阻力）基本不变，趋于一个接近的稳定值。把这种物理力学现象称为船舶及筏的滚动式航行方法中的水流阻力逆来有限接受原理。正是由于滚动式航行方式具有这个原理，才能比较圆满地解决船舶领域里高速阻力大的难题。

浅吃水是船舶及筏的滚动式航行方法具有的又一特性。它解决了船舶在浅水航道中航行时阻力大的又一难题，这亦是滚动式航行方法本身需要具备的重要功能。从图1中可以看出，滚动式航行方法中推动浮筒体在浮筒体轴上转动的水平推力F就是航行中的阻力。推力越小，意味着滚动式航行船舶的阻力越小。从图1中还可以看出，作用于浮筒体上驱动浮筒体转动的水平推力F距离浮筒体轴心的距离d越大，推力F就越小。反之则水平推力F越大。这就决定了滚动式航行的船舶必然或必须具备浅吃水的功能（相对于浮筒体直径而言）。从阻力性能方面考虑，由理论和实践得出结论：滚动式航行船舶的实用吃水h与浮筒体直径D的比值一般取1/8~1/5为宜。

三、船舶及筏的滚动式航行方法的降阻增速性能

1. 模型计算

图1 滚动式航行船舶吃水与阻力关系分析图

船舶及筏的滚动式航行方法是船舶降阻增速领域里的一条新通道。这条新通道的重要特点就是能使船舶在航行中的水介质阻力大幅度下降，尤其能使船舶的高速阻力接近于低速阻力而趋于一个相对较低的稳定值，从而为水上客运和快运事业向高速化、节能化和高效化发展提供了重要的技术基础。那么，为什么这条新通道能出现这种新的、独特的阻力性能，而现有的传统的船舶降阻增速方法则无法做到呢？下面就这一问题作具体解析：首先从物理力学方面。一个很大的力或潜能很大的力，作用在一个接受力较小的受体上，如果这个受体受力后能向作用力的相同方向作位移，那么，这个受体上接受的作用力大小就等于受体本身拥有的接受力，例如拔河运动等。如果这个受体受力后，不能位移或只能作与作用力方向相反的方向位移，这个受体上接受的作用力大小就等于作用力，例如撑船、撑筏和现有船舶的航行等。船舶及筏的滚动式航行方法就是应用了物理力学原理中的拔河运动现象，即水阻力的逆来有限接受原理。图2显示的是一幅可以在轴上自由转动的滚动式航行船舶的浮筒体与轴的组合轮廓图。从图2中可以看出，当作用在浮筒体上的水阻力F大于浮筒体本身的接受力FR1时，浮筒体便会绕浮筒体轴中心作顺时针方向的迥转，这时驱动浮筒体迥转的接受力FR1的方向与作用力F的方向相同，这符合物理力学原理中的拔河运动现象，这时作用在浮筒体上的水阻力大小就等于驱动浮筒体本身迥转的接受力FR。换句话说，采用船舶及筏的滚动式航行方法的船舶航行时，作用在船舶浮筒体上的水阻力大小，就等于驱动浮筒体迥转的接受力FR。这种物理力学现象即滚动式航行船舶独有的水阻力逆来有限接受原理。

根据物理学中摩擦力的计算方法，图2中驱动浮筒体迥转的接受力FR可用如下公式计算：

图2 浮筒体与轴的组合轮廓运动原理图

其中：μ为摩擦系数；W为滚动式航行船舶的满载排水量（总质量）。一般情况下，两个运动件间的摩擦形式确定后，μ为常数，船舶的满载排水量为定值，r1/r3为定值。这样，滚动式航行船舶的接受力FR亦应该为一个定值。或者说，滚动式航行船舶的航行水阻力F为一个相对稳定的恒定值。这就是滚动式航行船舶独有的“水阻力逆来有限接受原理”的理论由来。

滚动式航行船舶拥有的“水阻力逆来有限接受原理”给日趋衰退的水上客运事业带来了新希望和实质性技术进步。它不但能使滚动式航行船舶突破现有船舶的实用经济航速极限，还能打破现有船舶航行时的主机能耗随航速多次方递增的运动规律，使水上高速客运和快运的运输效率得到极大提高。下面就这方面问题举百舸型模型船舶为例论述之。

百舸Ⅰ型船舶的主尺度为：总长4.6m，总宽2.20 m，吃水200 mm，满载排水量W=400 kg，载客3人，设计航速36 km/h（10 m/s）。浮筒体外围半径r2=650mm，浮筒体宽B= 650 mm，浮筒体内径配202单列向心球轴承，计算摩擦半径r1=10 mm，水阻力F或滚动式航行船舶接受力FR的作用半径r3=517 mm，摩擦系数μ=0.1。

将上述已知数代入公式（1）得本百舸I型滚动式航行船舶的水阻力为

取空气阻力FRa=0.1FRw，得本百舸I型滚动式航行船舶的总阻力为

本百舸I型滚动式航行船舶的主机功率为

本百舸I型滚动式航行船舶的运输效率为

本百舸I型滚动式航行船舶的阻升比为

本百舸I型滚动式航行船舶的运载效率为

2. 与长城315三体消波快艇对比

为了对滚动式航行船舶技术的独特先进性有确切的了解和认识，这里引入技术性能对比机制。下面介绍的是我国设计制造的一艘传统的长城315三体消波快艇，其主尺度为：总长3.50 m，总宽1.52 m，航速35 km/h（9.7m/s），载客3~4人，主机功率18.6 kW。该快艇的运载效率为

由此可见，本百舸I型滚动式航行船舶的运载效率与长城315三体消波快艇相比，约为后者的80倍。

3. 与三种高性能船舶对比

设本百舸II型滚动式航行船舶的总质量W=115 000 kg，航速vS=120 km/h（33.3 m/s），推进效率η=0.49，采用百舸I型滚动式航行船舶的阻升比λ=0.0022，得本百舸II型滚动式航行船舶的总阻力为

下面引入对比的是三种代表现有国际高速船水平的高性能船舶类型，分别为Jetfoil自控双水翼艇（产于美国）、SEMO-SES侧壁式气垫船（产于韩国）、伏尔加-2型动力气垫地效翼船（产于俄罗斯）。这三种船舶技术性能参数如表1所示。

从上述计算出的百舸II型技术性能数据来看，其技术性能优势十分明显，滚动式航行船舶的运输效率是自控双水翼艇的51倍，是侧壁式气垫船的2 8倍，是动力气垫地效翼船的55倍。

表1 三类高性能船舶技术性能参数一览表

4. 与其他交通工具对比

将上述计算出的百舸II型滚动式航行船舶技术性能数据与AS332C直升机、轻型航空客机、倍尔捷电动自行车对比，结果见表2。从表2中可以看出，滚动式航行船舶的运输效率是直升机的89倍，是轻型航空客机的54倍，是陆用电动自行车的11倍。

表2 两种航空和一种陆用交通工具技术性能参数一览表

从表1和表2的参数中不难看出，船舶及筏的滚动式航行方法拥有的“水阻力逆来有限接受原理”，能给滚动式航行船舶带来高速、节能和高效的独特技术优势，能使滚动式航行船舶在水上交通运输工具中出类拔萃，独占鳌头。

四、船舶及筏的滚动式航行方法的航行安全性

滚动式航行方法的航行高度安全性是船舶及筏的滚动式航行方法创新技术的又一独特技术优势。这种独特技术优势来自滚动式航行方法的独特结构形式和结构组成。本文前面已经叙述过，滚动式航行船舶采用多个卧式浮筒体（包括深筒体式和浅筒体式）产生的浮力来支撑整艘船舶的重量，因而每个浮筒体必须是水密封闭型的，即相当于一个独立的大浮力救生圈。当船舶承载时，仅仅使用了每个浮筒体浮力的一小部分（1/6~1/4的浮力），因此每艘滚动式航行船舶的储备浮力都很大。即使发生海损事故也都不会下沉，除非3/4~5/6的浮筒体都失去了浮力。即使这样，受损船上的乘客也有充分的时间和机会去求救和待救，避免了伤亡，这一特点是现有常规船舶绝对无法做到的。因此，这种船舶的航行具有很高的安全性。

五、总 结

船舶及筏的滚动式航行方法是船舶领域里的一项创新技术，它具有高速、节能、高效和航行高度安全的独特技术性能，充分满足了人类对水上客运船舶三要素（高速、节能和安全）的追求并达到了可能达到的最高期望值。它是船舶高速化过程中的一条节能、高效的新通道，必将为振兴人类水上客运和快运事业作出杰出的时代贡献。