局部气垫登陆艇概念研究

邹劲，孟庆杰，林壮，李晓文

（哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

在各国海军越来越重视两栖登陆和濒海作战的21世纪，各海上强国都在发展并加强两栖突击能力。局部气垫双体登陆艇的高航速高适航性，使该船型具有在高速时运载潜在军事载荷的能力，已成为美、俄、英、法、挪威等国家致力研究的船型。本设计结合我国海军需求的实际情况，在船型设计上结合传统的机械装置、抬升系统与气垫船型的低阻力、快速性以及双体船型高稳性、宽甲板的优势，在满足设计要求的前提下，减少阻力与吃水。

1 局部气垫艇型国内外技术现状

1.1 登陆艇型分类

目前，各国服役的主流登陆艇主要分为常规排水型登陆艇和气垫登陆艇。气垫登陆艇又分为全垫升气垫船型和部分垫升气垫船型。部分垫升气垫船又可分为侧壁式气垫船型与局部气垫双体船型。

1.2 局部气垫艇型的发展现状

1985年西德布洛姆·福斯造船公司便开始对这种双体气垫船进行研究、设计，并对样型作了长达4年之久的测试、修改，积累了丰富的经验，推出了1种新型的比较成熟的双体气垫船——MEKET（长43.2 m，宽14.4 m，航速50 kn），见图1。

挪威对新型高速巡逻艇的设计要求最初在1986年就已经形成。1994年，挪威国防部做出决定，发展1种气垫双体船。1999年，“盾牌”号高速巡逻艇进行海试，在进行低速、中速及高速（最高航速达到59 kn）航行时，都表现出了优异的性能。2003年10月21日，世界排名第一的“盾牌”号高速艇进入生产阶段（长46.9 m，宽13.5 m，航速56 kn），见图2。

为了满足德国联邦国防技术采购办公室（BWB）的要求，2004年5月，德国IMAA公司提出了一项创新性的局部气垫双体（PACSCAT）设计，并联合德国战舰设计署共同设计出1艘高速局部气垫双体船濒海战斗舰（长110 m，宽21 m，航速50 kn），见图3。

军事版本的PACSCAT也已经过英国皇家海军、美国海军的审查，并为英、美两国海军开发完成高速登陆艇设计（长30 m，宽7.7 m，航速30 kn）［1］，见图4。

2 局部气垫船型用作战区作战平台的先进性

2.1 高负载能力与出色的抢滩能力

图4 英国局部气垫双体登陆艇PACSCATFig.4UK local landing craft air cushion catamaran PACSCAT

双体船的结构使其具有较大的甲板面积。该船型的甲板面积是长度相同的高速攻击艇的3倍，这一特点使其成为理想的武器搭载平台。气垫支撑该船型80%的重量，使该船型吃水仅0.7 m，不仅有效减小了该船型的摩擦力和波浪阻力，而且没有单体船常常蒙受的速度耗损（浅水效应），可使该船型能在毗邻海岸线和海湾的地方行驶，可方便高效地进行人员和装备的登陆作战。

2.2 高效高速

相关船型数据证明，在高速航行下，所需功率仅为相同排水量的高速攻击艇所需功率的一半，且以最高速度航行时，该船型的续航力高出同级别全垫升气垫登陆艇的20%。

2.3 出色的稳性

宽阔的片体结构与大而平的气垫首尾封是船体结构的一部分，对船舶在各种海况下，不管是静止还是航行中的稳性，都有出色的贡献。

2.4 浅吃水

该船型垫升状态的吃水为静止排水状态吃水的一半。用较小功率的电动机驱动风扇就可维持在码头垫升。与常规双体船相比，该船型的吃水极浅，特别是在重载情况优势尤为突出，见图5。

图5 局部气垫双体船型与常规双体船吃水的比较Fig.5The compare of waterline between PALC and catamaran

2.5 低磁特性

该船型的外形与玻璃钢夹层的断面，大大降低了该船的雷达、红外和磁信号特征，从而把敌方的可探测距离减至最小。此外，由于局部气垫船型可在浅水区作业，它还可以利用海岸线和岛屿作掩护，尽量避免被敌方探测到。

2.6 安全性

由于气垫的存在，可减小水下爆炸冲击对艇体的影响并使该船型在恶劣海况下仍可保持高速，而没有浪击损坏船体和甲板设备的危险。此外，本船型采用刚性气封，避免了柔性气封无法保持气垫的存在与稳定性，这可能会引起船体“鹅卵石打水漂”式行驶以及柔性封易损，易被艇抗登陆炮火击坏等先天性不足。

3 船体设计

3.1 船型及用途

本船型采用楔形侧体，双首、单滑行面尾板、刚性首尾封、喷水推进方式的局部气垫双体船型。

本船主要用于100 n mile以内海域的人员、装备、物资等的快速输送任务。

3.2 主尺度

总长30.00 m;宽6.60 m;排水状态水线长28.00 m;垫升状态水线长27.15 m;排水状态吃水1.45 m;垫升状态吃水0.70 m;满载排水量120 t。

3.3 型线设计

型线设计要考虑稳性及航区和作业状况的要求，为保证技术要求的合理，应对作业情况和快速性与稳性进行综合考虑，以使良好的快速性和良好的稳性达到综合平衡［2］。

本研究结合气垫船与双体船设计要点，参照实艇型线资料，对局部气垫登陆艇的型线设计进行初步探索。典型横剖线见图6。

图6 局部气垫船设计典型横剖面示意图Fig.6Typical cross section sketch map of PALC

3.4 总布置

考虑到本艇为军用艇，总布置中除保证船舶满足规范和设计任务书的要求，更多考虑的是具有良好的航行性能以及高度的安全性。

本船为作业艇，在满足设计要求前提下，为减轻重量舱室设置较为简单，仅设驾驶室、首前舱、机舱以及燃油、冷却水等舱室。总布置图见图7。

图7 总布置图Fig.7General arrangement

3.5 三维图形仿真

根据设计要求完成艇型三维图形建模，如图8所示。

图8 典型装载的三维建模Fig.83D modeling

4 性能计算

4.1 静水力计算

船舶静水力曲线图全面表达了船舶在静止正浮状态下浮性和稳性要素随吃水而变化的规律［3］。准确地确定排水量、浮心坐标等，进而计算出初稳心高和纵倾等，从而对船的性能有一个准确的了解。浮态及初稳性计算数据如表1所示。

表1 浮态及初稳性计算Tab．1Floating state and initial stability calculation

结合建模软件的测量功能并计算可得各船型系数:水线面系数CWP=0.773 5;中横剖面系数CM= 0.522 0;方形系数CB=0.481 0;棱形系数CP= 0.694 0。

4.2 大倾角稳性计算及稳性校核

本次计算利用已有的侧壁式气垫船稳性的结果直接计算恢复力矩［4］。计算用图见图9，计算结果如表2所示。

图9 大倾角稳性计算用图Fig.9Calculation diagram for large angle stability calculation

以横倾角为横坐标，以对基点K的静稳性力臂l0为纵坐标，绘制静稳性曲线，如图10所示。

表2 大倾角稳性计算结果Tab．2Calculation result of large angle stability calculation

图10 静稳性曲线Fig.10Static stability curve

从静稳性曲线的形状可以看出，虽然初稳心高较小，但曲线很快超出在原点处的切线，lmax也不小，稳性消失角比较大。可见其大倾角稳性是足够的。稳性是比较理想的。

4.3 阻力计算与快速性估算

气垫船阻力成分主要有气垫兴波阻力、气动阻力、船体水阻力3部分。其中，气动阻力又包括空气型阻力、空气动量阻力、首尾空气泄流动量差阻力［5］。

直接用于气垫船的气垫兴波阻力计算是由纽曼（J．N．Newman）与波尔（A．P．Poole）提出的。本艇B/ L=0.157 416，气垫兴波阻力系数曲线CW计算结果见图11。本艇垫升状态的气垫兴波阻力见图12所示，气动阻力计算结果如表3所示。

图11 本艇气垫兴波阻力系数曲线Fig.11The wave resistance coefficient curve of PALC

图12 气垫兴波阻力曲线Fig.12The wave resistance curve of PALC

表3 气动阻力计算结果Tab．3Calculation result of aerodynamic drag

应用回归分析法估算本艇垫升状态的船体水阻力。本艇垫升状态的艇体阻力见图13。

图13 艇体水阻力曲线Fig.13The hydraulic resistance curve of PALC

艇体总阻力R=RW+Ra+Rt。该艇的各种阻力成分及总阻力曲线见图14。

在由静止到全航速的过渡过程中，本艇船体将遭受较大的阻力峰。确定该阻力峰值以选择必要的越峰主机功率。主机功率及航速预估曲线见图15。

由图15可以预估航速为35 kn。所需主机功率约为1 300 kW，所需功率不足美国LCAC气垫登陆艇所需功率的一半。主机选择2×MWM TBD616V12，每台额定功率1 360 kW。

5 结语

局部气垫双体登陆艇型独特，属新型高性能船舶。通过总体设计与性能计算可看到，本艇具有宽甲板、高航速、低阻力、低吃水、高稳性等优点，是日后有潜力进行开发的新型艇。

［1］Air Cushion，Catamaran Contribute to an Innovative British Hybrid Landing Craft Design［EB/OL］．http://defenseupdate．com/produ cts/p/pacscat_landing_craft_ 16082010．html．2010－08－16/2011－06－03．

［2］程斌，潘伟文．船舶设计教程［M］．上海:上海交通大学出版社，1990.22－26．

［3］李云波．船舶阻力［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2005.123－128．

［4］左远源．侧壁式气垫船大倾角稳性的探讨［J］．Ship Engineering，1983，3（2）:11－19．

［5］赵连恩．高性能船舶水动力原理与设计［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2007.217－222．