美国可转型船开发综述

乔筠 马涛

（七○八研究所 上海 200011）

美国可转型船开发综述

乔筠 马涛

（七○八研究所 上海 200011）

可转型船；海上基地；可多模式转换；抵滩

可转型船（Transformable Craft，T-Craft）是美国海军为其海上基地（Sea Base）战略预想服务的一种连接船。它的开发于2005年启动，计划分三个阶段实现。按照计划进度，到2010年5月可以完成第二阶段的比例样船建造测试等任务。可转型船的操控能在多种模式之间进行转换，其载重量、航速、航程、高海况性能等方面的功能远超现役的表面效应船（SES）和气垫登陆艇（LCAC）等，同时具备两栖抵滩能力。其性能目标对当前的多项技术是一种挑战。

0 开发背景

进入21世纪以来，“海上基地”、“海上打击”、“海上控制”已成为海军强国、海军转型的战略目标，而“海上基地”是基础。为此，各海军强国对“海上基地”的构思和组建投入了大量的精力和财力，“海上基地”的构想也在不断地演进。

美国海军为提升其全球海上战斗力，对可移动基地的需要日益增长，海上基地能够使现有的作战资源在任何时候和任何地点被投放，这就是美国着力于“海上基地”的构想和组建的动力。

尽管“海上基地”的确切构成仍在不断地演进，但是各种预想都归于一致的是，这是一个实质上的浮动基地，由许多船只组成，包括两栖攻击舰，辅助船和岸海连接船。

连接船是“海上基地”的必备组成船舶种类之一，而两栖类船是当前连接船的主体。美国海军现役的通用登陆艇（Landing Craft Utility，LCU）是主力船种。它的平底单船体设计便于其驶上和驶离滩头阵地，但是并不适应恶劣海况，此外速度慢也是一个缺陷，冲滩时其最高速度只有9~12 kn。而近来新开发的气垫登陆艇（Landing craft-air cushioned，LCAC）是表面效应船（Surface Effect Ship，SES）的一种，以加压气垫来支撑全艇的重量。由于可以在小斜坡海滩上行进，速度也可以达到45 kn，故此被认为有完全两栖功能。但是其欠缺之处在于应对恶劣海况的能力有限，燃气轮机的启动耗油费用相当大，围裙的维护和更换代价也十分昂贵。

由于现有设计概念的局限性已经融入了LCU或LCAC等两栖登陆艇的设计中，使他们不能满足一系列的海军作战需求，包括战区支援船（Theater Support Vessel，TSV）。对战区支援船而言，由于它经常要漂洋过海，这就要求船舶有相当高的速度和较好的适航性能。为了TSV项目，海军也测试了现有的商用载客/车运双体船渡轮。虽然显示出了一线希望，但是由于项目有较深的吃水要求，而商用载客/车运双体船渡轮不具备抵滩能力，所以还是不能满足要求。

对连接船的主要性能需求可以归结为：一种高速海运船，能抵滩以卸载部队和货物。能抵滩的海运船的主要军事目的之一就是将车辆和部队从海洋舰船运送到滩头阵地。

早在2004年3月，美国海军研究局提出过一个“创新型海军样型”的项目计划，旨在探索一些对海军作战方式具有“改变规则”影响的技术。作为能使“海上基地”计划得以成功的“可转型船创新型海军样型”就是计划中的一项。

2005年8月美国海军研究局通过开放式机构公告征集一种“可转型船”（Transformable-Craft，TCraft）作为连接船的建议书。其演示样船的运行能在多种模式推进系统间进行转换：长距省油公海行进模式、高速行进模式和两栖推进模式。既可以从中途支援基地（Intermediate Support Base，ISB）如太平洋上的关岛按空载状态自行驶抵“海上基地”（范围在2 500 n mile以内），其后也可以作为一个“海上基地”的连接船来使用，运送轮式和履带战车经由涌浪区直接上到海滩。

可转型船T-Craft的开发过程分为三个阶段。第一阶段为概念细化，包括初步样型设计、适用技术的确定、技术风险评估等；第二阶段为技术开发，包括比例样船的建造与试验等；第三阶段为系统开发，包括足尺寸展示样船的建造、测试和试验等。有4家公司：Navatek、Alion Science and Technology、Textron Marine&Land Systems和Umoe Mantal获得了美国海军研究局发包的第一阶段合同，并于2007年11月完成。第二阶段的合同由其中的3家公司承接，Navatek落选。第二阶段合同任务预期于2010年5月完成。

图2 Alion S&T公司设计的可转型船T-Craft示意图

据报道，Alion公司计划在2013年展示的可转型船T-Craft长约85.3m、宽约24.4m、自重2 000 t，能以超出40 kn的速度航行，且至少能运载六辆M-182型坦克。

Alion公司认为，高速推进系统的先进性使这个项目更具吸引力，但是从某种意义而言也是一个挑战，因为在水里效率很高的推进系统不见得在陆地上也有高效，反之亦然。

图3 Textron M&LS公司设计的可转型船T-Craft模型示意图

Textron公司的方案则是以双体船为基础，在两个船体之间加装气垫来支持运行。美国海军现役的气垫登陆艇LCAC就是由Textron公司承建的。该公司的总经理Tom Warmsley谈到，在他看来项目的难度不在于船的体积和重量较大以及须在海上高速远航，而在于以如此大船体过渡到上、下海滩的功能，这点实属不易。因此，Textron公司主攻方向是船的两栖性能，这才是难点，然后转回身来再解决其他两个模式的性能要求。

图4 Umoe Mantal公司设计的可转型船T-Craft模型示意图

Umoe Mandal公司的船体方案一种是带围裙的气垫船和表面效应船的混合设计，能使电力驱动推进的功能更加彰显。该公司在使用复合高强度轻型材料建造军船方面有丰富的经验，所以该公司认为，通过减轻船舶的重量，要克服运载工具设计铁三角定律中难题并非不可能。公司方案的特点在于重视装、卸货的灵活连接性，在高达15 kn航速条件下，可转型船将仍然能够有效操作，从行进中的海上基地的船只上接受货物——如果该船的外形能与可转型船对接的话。装货的连接还应该能合用于卸货，无论是卸在海滩、栈桥，还是卸在浮舟、船台甲板，乃至任何平台处。

1 性能要求

美国海军研究局对可转型船T-Craft的样船必须达到的功能以及速度、航程和载重量等性能都有明确的阐述。

可转型船的功能主要在以下四个方面：

·省油状态自行部署；

·搬运在“海上基地”货物运输船中的货物；

·从“海上基地”到海滩高速行进；

·通过涌浪区将货物运送上海滩。

为实现这些功能，美国海军研究局在2005年的编号为05-020的建议书征集公告中阐明了如下的T-Craft可转型船性能明细表：

a.空载条件下，无续油的航程范围为2 500 n mile，省油/良好耐波性模式（20 kn，通过5级海况区）；

b.公海省油行进时能通过6级海况区，结构耐受8级海况；

c.高速满载条件下，高速/浅水模式以40 kn航速通过4级极端海况区；

d.两栖性能，以两栖模式穿越沙洲和泥滩；

e.海上无外来协助条件下在模式之间转换的能力；

f.高速/浅水模式（40 kn，通过4级海况区）最大无续油航程范围为500~600 nmile；

g.在4/5级海况区具有减缓波浪引起的船摇的能力，以及车辆能迅速地在可转型船和海上前沿部署部队/补给船之间转运（装/卸载）的能力；

h.用作攻击型连接船和/或一个后勤型连接船。

在同一份公告中，海军研究局也对可转型船性能的下限值（threshold goal）和目标值（objective goal）作了明确规定，见表1：

表1 可转型船T-Craft的性能要求

可转型船T-Craft的航程、航速和载货重量关系图如图5所示。

图5 可转型船T-Craft的航程、航速和载货重量示意图

2008年8月，美国海军研究局在官网上发布的ONR第33号项目说明中指出：

“作战人员从该T-Craft INP项目的主要好处将是其能够提供‘不湿鞋’冲滩攻击能力，有效载荷是目前可以从中途支援基地到海上基地自行部署的在用船只的4~10倍。当前，类似的任务需要多艘船只和用较长的时间。”

位于弗吉尼亚州的美国公共政策研究机构“环球安全网”对美国海军研究局提出的有关可转型船的性能要求做了进一步的解读。对“不湿鞋”的理解是，船落在坚实的地面上，绝对要在高水位线以上，因为沙洲和泥滩既可能被少量的水所覆盖，也可能在极低潮时完全裸露。可转型船T-Craft能“不湿鞋”地在海滩登陆的意图是使它可以穿越这些障碍，使设备在卸载时不出现陷入软沙、泥沼等情况的可能性。但这不是意在令可转型船要有超越“不湿鞋”运作要求的内陆两栖能力。美国海军研究局期盼可转型船T-Craft在浅水以高速行进能够切实可行。海军研究局设想的浅水最低深度为1.83~4.27m的区域，并能直接登上具有一定坡度的海滩。

美国海军研究局预想中的可转型船的载重能力要达到4辆（下限值）到10辆（目标值）M1A1主战坦克（自重70 t），比美军现役的气垫登陆艇LCAC每次只能运载1辆M1A1主战坦克的能力大4~10倍。这是为了显著提升美国海军的远程部署能力。

LCAC是一种高速、完全两栖的气垫登陆艇，但是应对高海况的能力差，失速大。其主要性能见表2：

表2 LCAC的主要性能

不难发现，虽然LCAC的主要性能使得它能冲击世界上70%沙滩，但是它的运载能力尚不能满足美国海军的需求。

据美国海军分析中心（Center for Naval Analysis，CAN）的研究，如果由LCAC来运送美国海军陆战队计划在2015年部署的海军远征军全套装备人员从海上基地上到海滩的话，可能需要约出动20艘船，往返96个运次，用时约8个小时。因此要求可转型船T-Craft必须要在LCAC的基础上，其装载与适航行能要有一大幅度的提高。

2 技术挑战与设计创新

美国海军可转型船T-Craft的开发过程也是一个技术挑战和设计创新过程。正如美国海军研究局在第33号项目说明中所述：“T-Craft INP项目正调查、开发多种技术，以期使一艘单独的船能够转换不同的操作模式，得以完成可转型船的使命。”

美国海军研究局的T-Craft项目官员Cooper女士这样描述可转型船的技术难点：“在运载工具设计铁三角定律——速度、续航力和载荷中，人们不得不放弃其中一项。换言之，只能在设计的时候三选其二。不过我们考虑的是‘三项全能’的设计，何况还得完全两栖操控”。她期待一种高速轻快船采用轻量级的结构，由超常材料，一般是复合材料或其他材料的组合去实现。她说：“这些材料会是打破所谓的设计铁三角的战略关键所在”。

可转型船T-Craft项目包含多方面技术挑战，都是对实现可转型船的预想目标十分必要的。正在开发或调研的主要技术挑战体现在以下几个领域：

·多模式推进系统——这将使该船实现长距省油的公海航行，在海上基地和海岸之间高速航行，以及两栖推进；

·铝，钛和高强度复合材料——是轻型高速船体结构的必要材料；

·几何形状可变的艏/艉气封和可伸缩的侧边围裙——能使该船转换为一艘两栖船；

·跳板装卸技术和动态定位系统——对高海况下在海上基地完成物资转运实有必要；

·自动化和人工系统整合——这方面的提升是可转型船T-Craft以最少的人员操作模式转换必需的。

2.1 推进系统

美国海军研究局瞩目于一系列推进系统的创新，从而实现在表面效应船和气垫船之间的切换。

多模式推进系统将包括电力混合驱动。美国通用原子公司为Umoe Mandal公司开发的具有独特性的电力混合驱动设计方案可以取代传统的机械传动轴驱动设计，能彻底摒弃复杂的齿轮箱和占地大、运转难的传动轴布局，从而为增加载货量腾出了位置，使可转型船的空间布局更合理，装运货物更方便。采用电力混合驱动的根本原因还在于可在水力推进之间方便转换，以实现海上运行与两栖运行的横式转换。

在美国海军水面作战中心属下的船舶创新设计中心牵头所做的一项关于可转型船T-Craft的概念性研究中，从其对电力混合推进系统的考量可以看出较为具体的设计思路：

基于按1 500 t排水量设计可转型船的要求，选用2台轴马力为18MW的喷水推进器以满足40 kn冲刺航速的需要。这样的喷水推进器经计算其推进叶轮直径约为1.7m，工作转速为442 r/min。2台喷水推进器用2台36.5 MW的高温超导（high temperature superconducting，HTS）推进电机来驱动，其工作转速可以同喷水推进器的转速相同，从而不需要减速齿轮箱装置。HTS电机的功率密度较传统感应电机要高，并能产生更大的力矩。

供电系统的方案是用3台14 MW的LM1600燃气轮机作为原动机来带动3台永磁（permanent magnet，PM）发电机，所产生的电力经由配电总线、再通过2台周波变频驱动器，使其能按HTS推进电机工作转速所需的频率输送，为电动机提供电力。

图6 拟用于可转型船T-Craft的永磁发电机和高温超导电动机

一间全电舱的主要构成是发电原动机，发电机，配电总线，变压器（如需要），电源转换/变频驱动器和推进电动机。选择一个永磁发电机与高温超导电动机等组成的全集成电力推进系统以尽量减少船上的动力系统重量，同时能满足最大的动力要求，包括不同行进模式下的推进电机，以及绞车，升力风扇等。这样做的另外一个好处是减少维护的负担，以适应极少数量船员的严苛要求。

图7 推进系统电力规划示意图

选用3台LM1600燃气轮机而不是2台22 MW的LM2500燃气轮机，主要出于以下两方面考虑：其一，当可转换船T-Craft以25 kn常速驶向海上基地时，所需动力仅为LM2500出力的一半，用1台LM1600运转更符合“省油模式”要求；其二，用3台LM1600可以分担负荷，总重量还比2台LM2500的总重轻13 t，既省油，也增加装载量。

2.2 气封与围裙

解决大船体从海上航行过渡到上、下海滩功能的这一难题的突破口是同时具备ACV的两栖功能与SES的适合高速浅海航行功能，而实现这两个功能的结合途径是通过几何形状可变的艏艉气封与可伸缩的侧边围裙来实现的，如图8~10所示。

图8 气垫船ACV（左）和表面效应船SES（右）的艉气封

图9 ACV和SES的可伸缩侧边围裙示意图

图10 Alion公司设计的可伸缩侧边围裙示意图

其中，艏艉气封通过上部大囊的收缩使深型的ACV模式转换为浅型的SES模式，而侧边围裙则通过收藏在双体侧壁外的围裙下翻充气后形成。

2.3 跳板技术

可转型船T-Craft在海上基地和登陆滩涂装卸作战装备时，对装卸跳板的可适应性，特别是在高海况、相对运动大的海上基地装卸载情况下，对定位与安全要求均提出了更高的技术挑战。图11、图12显示了两种不同的海上装卸方案，其中Umop Mandal公司为跳板方案，Textron公司则为舟桥方案。

图11 Umoe Mandal公司的T-Craft跳板装卸方案示意图

图12 Textron公司的T-Craft舟桥装卸方案示意图

未来的可转型船T-Craft必须同时具备双体船的操控性能、气垫船的气垫围裙的两栖性能和表面效应船在浅海的高速性能。海军研究局进一步说明，可转型船T-Craft可以将现有的双体船、气垫船和表面效应船的功能优势融合在一起，如图13所示。

因此，美国海军研究局提出，有两种技术的挑战对可转型船T-Craft的成功示范和运行至关重要：

·在4级海况的海上基地转运货物的适应性；

·伸缩式侧边围裙和艏/艉密封的几何形状，使T-Craft得以实现完全的两栖能力。而充气式技术应将考虑被应用到艏/艉密封中。

图13 可转型船T-Craft技术融合示意图

3 结语

可转型船T-Craft是服务于美国海军战略创新结构“海上基地”的一个尚在研发中的船种，对它预设的性能要求集中体现了美国海军以“改变规则”为核心思想的创新意图，对参与竞标的造船公司在设计、技术、结构、材料等方方面面都提出了近乎难以同时实现的目标。

虽然英国、法国等传统海上强国也在同期研发高速货运登陆船，以从近海两栖战舰转运装甲战车和作战人员直接抵达海滩为目标，但是无论是其功能范围还是其有效载荷等指标参数，都无法和美国的可转型船T-Craft相提并论。

以英国QinetiQ公司承建的英国国防部创新方案项目“部分气垫支承双体船”（Partial Air Cushion Supported CATamaran，PACSCAT）为例，其足尺展示样船已经于2009年10月11日下水做海上试验。其船体尺寸仅30 m长、7.7m宽，设计有效载荷也只有55 t。而法国CNIM公司研制的登陆双体船（Landing Catamaran，L-CAT）也具有巡航模式与登陆模式两种行进方式，通过双体船的中央甲板平台的升降来转换。L-CAT的船体尺寸长30m、宽12 m，在满载重量80 t条件下的最大航速为18 kn，空载航速为25 kn。由此可见，同T-Craft相比，PACSCAT或L-CAT非但在高海况、多功能等方面无法望其项背以外，如果将PACSCAT或L-CAT比作一条舢板，那T-Craft就是一艘渡轮。

T-Craft新船型各方案通过在推进系统、气封与围裙以及跳板技术方面的创新发展来满足美国海军对该船型目标任务的要求。

了解和跟踪美国海军可转型船T-Craft这样的具有前瞻性的高科技项目对我国海军未来的发展方向和军用船舶建造事业有相当的借鉴意义。

［参考资料］

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［11］ONR awards$10.1 million T-Craft design contract［EB/OL］.May 5，2008.www.marinelog.com/DOCS/NEWSMMVII/2008may 00053.htm l.

Development of USNavy Transformable-Craft

Qiao Yun Ma Tao

Transformable-Craft（T-Craft）；sea base；multi mode-trans for mable；beachable

Transformable-Craft（T-Craft）will be used as a connector for sea base in the strategic envision of US Navy.The development of T-Craft has been started from 2005，and planned to be implemented in three phases.According to the schedule，the construction and testing of the scaled prototype which is belonging to the Phase II program should have been completed by May 2010.The T-Craft can operate in multiple modes，its capabilities are far beyond the on-duty Surface Effective Ship（SES）and Landing Air Cushion Craft（LCAC）in dead weight capacity，speed，range and high seas performance etc.，and it is also capable of amphibious beach ability.Its capability goals challenge multiple technologies.

U699

A

1001-9855（2011）02-0001-07

2010-11-29

乔筠（1957-），女，汉族，翻译，主要从事技术情报分析研究工作。

马涛（1944-），男，汉族，研究员，主要从事船舶总体研究设计工作。