美国气垫登陆艇主动力装置的发展及其对总布置的影响

张宗科

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

美国气垫登陆艇（LCAC）属于全垫升气垫船，依靠船体下部围裙构成的气垫基本悬浮在运行表面之上，高速航行于水气界面，可装载重型主战坦克实现超越式干登陆。它可由母舰坞载至目标附近的海域，不需专用码头而自行冲退滩，使全世界适合登陆的海岸线由17%激增至70%以上，是两栖登陆作战的一柄利刃。在最近的环太平洋军事演习及在关岛举行的日美“夺岛演习”中，LCAC都扮演了不可或缺的角色。

气垫登陆艇所需功率中，约1/3用于垫升、2/3用于推进。类似于飞机，气垫登陆艇的重量对性能影响也至关重要。为此气垫登陆艇大量采用航空设备，如船体采用铝合金建造、主动力装置采用轻型燃气轮机、推进采用导管空气螺旋桨、操纵控制采用空气舵与艏喷管、采用400 Hz的中频航空电制等。随着2012年7月9日Textron Marine&Land Systems团队以2.13亿美元中标设计建造SSC（Ship-to-Shore Connector，舰岸连接器）首制艇［1］，美国的气垫登陆艇迄今已发展到第4代，其发展历程见图1［2］。

图1 美国气垫登陆艇的发展历程

TF40是美国Textron Lycoming公司的TF系列工业/舰船用燃气轮机中功率较大的一种型号，而TF40B是专门为美国海军气垫登陆艇设计的船用燃气轮机。TF起源于Avco-Lycoming。1995年，Textron Lycoming 公司被 Allied Signal（Honeywell Engine&Systems）公司收购；1999 年 6 月，Allied Signal公司和德国MTU组成合资公司（Vericor Power Systems）。目前Vericor OEM生产由航空技术为核心的专为海洋与工业环境设计的TF与ASE系列燃气轮机。TF系列船用燃气轮机早期的TF20，是以T55-L-5直升飞机发动机为核心并经船用化改进而来。如今，TF系列船用燃气轮机已从JEFF上的TF40历经TF40B、ETF40B、TF50，发展到了TF60甚至未来的TF70。如图 2 所示［3-4］。

图2 TF系列船用燃气轮机的发展历程

1 JEFF上的应用

美国LCAC的坞载理念，最早可追溯到贝尔宇航公司（Bell Aerospace Textron）于 1963年设计建造的不带围裙的水面滑行艇SKMR-1。它首次采用导管空气螺旋桨推进，且可自由进出母舰的坞舱，见图 3［1］。

图3 可进出母舰坞舱的SKMR-1

图4 JEFF A与JEFF B外观图

美国海军的LCAC起始于1965年的两栖攻击登陆艇计划（AALC）。1971年，美国海军船舶系统指挥部分别与通用喷气公司 （Aerojet Liquid Rocket Company）和贝尔宇航公司签订了JEFF A、JEFF B的原型艇设计建造合同，见图4。为便于主战坦克等重型装备的装载与卸载，采用前后贯通的装载甲板及首尾跳板，故上层建筑只能采取位于两舷的边岛式，参见图5。JEFF A的动力系统采用6台TF-40燃气轮机，每舷3台，前后两台分别驱动一套摇头变距导管空气螺旋桨用于推进，中间一台驱动4组离心式风机用于垫升。JEFF B的动力系统也采用6台TF-40燃气轮机，每舷3台TF-40通过齿轮箱并车后，向前驱动两组双进风离心式风机用于垫升及为艏喷管供气，向后驱动一套变距导管空气螺旋桨用于推进，其中艏喷管供气气流可切换至用于垫升，艏喷管提供部分推进力，可改善进出母舰时操纵性及抗侧风能力。

图5 JEFF A与JEFF B的动力系统布置示意图

2 LCAC上的应用

1981年6月，美国海军与贝尔宇航公司签订了LCAC（Landing Craft，Air Cushion，全垫升气垫登陆艇）的详细设计合同。LCAC即为AALC计划的产物。LCAC每舷艇尾机舱内横向布置两台TF40B燃气轮机（总共装备4台），总功率为11 931 kW（16 000 hp）。两台TF40B通过锥形直角齿轮箱并车，向后驱动导管螺旋桨、向前驱动垫升风机，两齿轮箱之间通过离合器实现连接和断开，可保证在一台燃气轮机故障的情况下轴系仍能工作，参见图6。

图6 LCAC的动力系统布置示意图

截至2006年，美国海军与贝尔宇航公司已为LCAC项目生产了400多台TF40B，如：用于美国的90 艘（LCAC1～LCAC90）与出口日本的 6 艘 LCAC，以及芬兰的T-2000，使用经验均已超过25年［5］。TF40B为冷端驱动套轴燃气轮机，采用模块化设计，便于拆卸及替换。

模块化的关键点是：模块并不针对某一台给定的发动机，而是可以在不同发动机之间互换使用，从而增加了维修的灵活性，参见图7。

3 LCAC（SLEP）上的应用

始于2000年的LCAC延寿计划主要包括以下几个方面：改进主机（TF40B升级到ETF40B）、采用深型围裙、浮箱整修、旋转机械整修、C4N（Command，Control，Communications，Computers&Navigation）升级换代。与TF40B相比，ETF40B主要改进了压缩机模块，增加动力涡轮第一级喷管的通流面积，以全自主数字引擎控制（FADEC）系统替代原TF40B上的模拟控制系统，其持续功率提高7%，最大瞬时功率提高15%，在华氏100度时，最大功率可达3 542 kW，同时提高燃油效率，显著减少维护工作。将FADEC系统内嵌到原控制与报警监控系统（CAMS）内，以简化维护难度、提高故障诊断能力并减低全寿命周期费用。至2009年，ETF40B已生产160台，约为LCAC（SLEP）所需主机总数的一半；2010年签订合同且提交12台、2011年提交34台、2012年提交16台并维修/更换已装船的16台ETF40B的动力输出模块。韩国2007年服役的LSF-II（Landing Ship Fast，快速登陆艇）也采用4台ETF40B作为主动力。

4 SSC上的计划应用

2009年，SSC基于TF50A燃气轮机提出了动力系统的技术规格书。SSC每舷纵向布置两台主机，通过一个组合式齿轮箱双机并车后，向前驱动一台垫升风机，向后驱动一套导管空气螺旋桨［6］。复合材料轴系分为5段，即推进轴2段、垫升轴3段（不含垫升风机内部轴），左右舷对称分布。除布置在船中部的两个辅机发电外，每个齿轮箱还自带一个齿轮驱动的交流发电机，并与辅机发的电首先并入电力分配系统，再为全艇供电。这样在不需要启动主机的情况下，就可以为全艇供电；而主机启动后，辅机可按需工作或全部停止，使用也更加灵活，参见图8。

图8 SSC主动力系统布置图

其组合式齿轮箱采用模块化设计，在输入端设置超转速离合器，在输出端分别设置推进与垫升系统的手动离合器，以便在螺旋桨、垫升风机中的任何一个出现故障时，另一个仍能正常工作。推进输出端采用花键联轴器，允许推进轴可以有150 mm轴向位移。

从图8可以看出，SSC的驱动型式相对于LCAC而言改动较大。LCAC的主机横向布置，与动力系统轴向位置垂直，需经过主机齿轮箱转向啮合，才能够将功率输出到风机和螺旋桨；现在的主机直接采用纵向布置，与动力系统轴向平行，只需要一个齿轮箱便可将功率分配输出，参见图9。

图9 组合齿轮箱组成示意图

这种结构型式相对简单，既能够有效提高传动效率，也便于维护保养时的拆卸与更换。SSC设计的出发点是在保证功能要求的前提下，从降低全寿命周期费用着手，从设计开始即考虑尽量提高系统设备的可靠性、可用性并降低维护与维修费用［7］。采用组合齿轮箱可有效避免LCAC上主机轴系对中的难题。

随着TF60B项目的顺利进展，美国计划在SSC上使用功率更大的TF60B燃气轮机作为主动力。据报道，TF60B的功率比ETF40B提高30%（达4 605 kW）。TF60B与TF50A尺寸基本相同（见图10）、质量也接近，在转速仅提高2%的情况下，进一步创造了船用燃气轮机功率与质量之比的新纪录。

图10 安装在ZF减速齿轮箱上的TF50A与TF60B

表1为美国LCAC上采用的TF系列燃气轮机性能指标。

表1 美国LCAC上采用的TF系列燃气轮机性能指标

5 燃气轮机发展对总布置影响的分析

除JEFF A燃气轮机为纵向布置外，JEFF B及以其为母型的LCAC燃气轮机为横向布置，燃机进气为朝向装载甲板的机舱内侧，燃气燃机对进气含盐雾浓度的要求较高，这样布置有利于减小航行过程中气垫引起的水花飞溅对燃气轮机进气的影响。在SSC上燃气轮机为纵向布置，双机并车后向后驱动1套导管空气螺旋桨提供主要推进力，向前驱动一台直径1.752 6 m（5.75 ft）的双进风离心式风机用于垫升及为艏喷管供气提供辅助推进与操纵力。由于SSC每舷采用单风机，上层建筑纵向留给机舱的尺寸增大，为进气稳压室增大留出布置空间。

SSC的主机采用模块化设计，利用机舱与垫升风机之间的空隙，通过铺设简易轨道将主机拉出机舱，在主机不吊下船的情况下，在船上可进行主机维修，如图11所示。

图11 SSC在艇上主机出机舱维修示意图

为验证单台离心式风机与艏喷管的配合，在专用试验艇LCAC 66上进行了风机性能的实船试验，见图 12［8］。

图12 风机实船试验

美军主战坦克已由M60（60 t）发展到尺寸与质量更大的M1A1（74 t）。随着需运载装备尺寸与自重的增大，要求SSC的载重量由LCAC的60 t上升到74 t；而为了满足进出母舰坞舱的要求，又使SSC的主尺度只能维持不变，其气垫密度也居高不下，快速性、耐波性等总体性能指标有所提高：要求4级海况（1.4 m有义波高）下，航速超过35 kn、续航力86 n mile。LCAC曾存在满载排水量时越阻力峰困难的情况，3级海况（1.25 m有义波高）及浅水情况下，必须减载运行。

虽然SSC主机功率增大、推力增大，但阻力也必须尽量降低，即必须降低满载排水量，SSC只能从减小自重方面挖掘潜力。为此，SSC上导管、垫升风机的轴与蜗壳、艏喷管弯头、桨前防护网罩、轴系均采用复合材料制作，每舷垫升风机由2组双进风风机改为1组增宽的双进风风机（宽2.772 m），首尾跳板收放装置改为EMA方式 （功率电传技术），简化双机并车的齿轮箱，改进发电方式，电制由400 Hz改为60 Hz，改进C4N系统，简化驾驶室与左舷登陆兵舱上侧的舱室，侧部围裙由双囊改为单囊（减重1.225 t，实船试验见图13），驾驶员由3人减为2人，以尽量减轻自重［8］。

图13 侧部单囊指围裙效果图及实船试验

利用2009年SSC系统设备技术规格书中的指标，对SSC在不同排水量下的快速性进行估算，结果见图14。

图14 SSC在不同排水量时的快速性估算

从图14可看出，当逆风风速25 kn、有义波高Hw=1.4 m（4.6 ft）情况下，排水量W=160 t，比W=150 t时的第二阻力峰值大约9%。W=160 t时的估算航速为41 kn左右，与35 kn的指标值接近。相对于LCAC的垫升流量300 m3/s，SSC的垫升流量已降至234 m3/s，其阻力性能会有所改善；此外，2009年指标相对于TF50A型燃气轮机，而SSC采用功率更大的TF60B燃气轮机，故导管空气螺旋桨的推力会得到进一步提高。

全垫升气垫船布置紧凑，对有前后贯通装载甲板的气垫登陆艇而言，机舱空间更有限。气垫船不同于常规舰船，在垫态起飞越峰过程中会因围裙底部气垫泄流而水花飞溅，艇附近空气中的海盐气溶胶会达到正常航行时的数倍，并且在登滩时由于围裙底部气垫作用而产生大量沙尘。船用燃气轮机在这样的含盐高湿环境下运行，吸入的空气中会含有相当数量的海盐及沙尘，将显著降低燃气轮机性能、缩短使用寿命，因此对防盐、防腐蚀要求较高。一般需设置专用进气稳压室，通过惯性级、网垫级等多级滤清装置来将海盐与沙尘降低到合适的浓度值。

图15为TF系列船用燃气轮机研发所需时间，而用于LCAC的TF40与TF40B所需时间更多。

图15 TF系列船用燃气轮机研发所需时间

SSC主机进气滤清要求为：进气滤清器进口的空气含盐量为35 315 mg/m3（按质量计，MMD≥13 μm），经滤清后下游出口（主机进气口）的空气含盐量3.53 mg/m3（按质量计，MMD＜13 μm）；进气滤清器进口空气含沙量883 mg/m3（恶劣天气）或64 mg/m3（良好天气），经滤清后下游出口（主机进气口）空气含沙量53 mg/m3（恶劣天气）或 0.353 mg/m3（良好天气）。ETF40B在LCAC（SLEP）上的实船试验见图16。

图16 ETF40B耐海水飞溅实船持续试验

TF60B于2011年春季在马里兰州的Naval Air Station Patuxent River进行了耐海水性能测试，计划于2014年开始供货。

6 结 论

美国气垫登陆艇上使用的TF系列船用燃气轮机都是以航空用燃气轮机T55为核心机，针对气垫登陆艇的特殊需求，逐步发展演化而成。

艇载装备的升级换代以及总体性能指标要求的提高，对气垫登陆艇的挑战更大。幸好作为主动力的燃气轮机也随科技进步而与时俱进，为气垫登陆艇提供了切实的保证；同时，新型复合材料的广泛应用也为气垫登陆艇自身减重，从而使其装载量增大、航速提高成为可能。芬兰建造的全垫升气垫巡逻艇T-2000，船体采用复合材料建造，航速高达70 kn。可以预见，未来气垫登陆艇也将会是复合材料建成的船体。

［1］GREENE S.Textron systems to build U.S.navy ship-toshore connector［EB/OL］. ［2012-7-22］.http：//www.textronmarineandland.com/news/press_releases_item.php?ReleasedID=1712599.

［2］LAVIS D R.Fifty years&more of hovercraft development［EB/OL］.［2011-6-7］.http：//www.folis.org/01_Mtg_Pres_downloads/110511_Meeting/SNAME_IHS_DRL/SNAME_IHS_DRL_May_202011_Rev7x.ppt.pdf.

［3］RANERO J.U.S.navy TF series engine commonality and reutilization supporting condition based maintenance［R］.ASME GT2010-23459.

［4］SCHEUGENPFLUG H，WILCOXSON T，LUZ M.From the JEFF（B）to the SSC and beyond，TF marine gas turbines-a development study［R］.ASME GT2010-23659.

［5］张宗科.美国气垫登陆艇的技术发展及分析［J］.船舶，2012，23（1）：11-20.

［6］Anon.SSC machinery system information exchange［EB/OL］.［2011-7-11］.http：//www.boeing.com/Features/2011/03/bds_ss_03_07_11.html.

［7］MERCER C P.A turning point in naval ship design［EB/OL］.［2011-6-24］.http：//www.navalengineers.org/flagship/meetings/Documents/ASNE_Luncheon_SSC_Turning Point in Naval Ship Design-9-8-10.ppt.

［8］Anon.NSWC-PCD skirt and fan tests［EB/OL］. ［2011-11-5］.http：//www.navsea.navy.mil/teamships/Sea21_Auxiliary_Amphibious_Warfare/Sea21_Amphibious/2010 On Cushion.pdf.