超高速水陆两栖车技术研究*

贾小平,马 骏,于魁龙,杨 众

(装甲兵工程学院机械工程系,北京 100072)

超高速水陆两栖车技术研究*

贾小平,马 骏,于魁龙,杨 众

(装甲兵工程学院机械工程系,北京 100072)

近年来,不断出新的高速航渡技术大大地提高了两栖车辆的水上行驶速度,轮式和履带式高速两栖车辆航速指标均超过了45 km/h,部分接近100 km/h。能否进一步减阻增速,达到近似飞行状态,给出了超高速两栖车的概念方案,并作了相关分析和总结。

车辆工程;超高速;两栖车;垫升式

0 引 言

自水陆两栖车问世至今,已经历近一个世纪,陆续出现了各种结构和用途的两栖车辆,相关技术水平和水上性能也有了质的飞跃。不过,目前两栖车辆总体来说仍旧有排水型和滑水型两大类,水上航速极限还未超过100 km/h[1]。

目前,普通两栖车由于水上速度较低,抗风浪能力较弱,正在慢慢淡出研究领域。研究人员关注的焦点放在了高速两栖车的核心技术——水上减阻技术。因为无论是军用还是民用,高速两栖车都有较大的市场需求,如在军用方面可用于两栖快速登陆突击、空投、巡逻;在民用方面则可用作抗洪抢险救灾、两栖地带运送物资、滩海娱乐等[2]。高速两栖车已成为国内外投入大量经费并积极开展研究的重要项目之一。

但是,至今为止鲜有提及更高航速两栖车辆的相关研究内容,也就是水上速度能够达到150 km/h以上的“超高速两栖车”。该车的应用前景更为广阔,意义更为重大。当然,要实现这一目标,必须进一步缩小车底部与水的接触面积,降低水上滑行阻力,达到近似“贴着水皮飞”的状态才行,实现难度较大。

1 普通两栖车现状

此处提到的普通两栖车是指水上速度能够达到10 km/h左右的两栖车辆(能够漂浮在水上、单靠车轮或履带划水、水上速度仅有5 km/h的两栖车辆除外),属于排水型两栖车。这类两栖车主要出现在70年代以前,速度较低,主要用于克服一些江河湖泊。

1.1 结构特点

普通两栖车辆多数都是在各类基型底盘上进行改装而来,只是将车辆底部进行了防水密封处理,外观一般采用船形车体,与一般车辆相比,车头位置较高,类似船头,一部分会安装有防浪板,在车辆尾部会多出1～2个螺旋桨或喷水推进器和舵桨机构,较容易识别。但是为了保证悬挂减振性能,其后桥、减振器、缓冲等零部件不可避免的暴露在车体外面。也就是说,在水中行驶时,由于没有地面的反作用力,车轮、后桥等部件相对于车底会进一步下沉,造成水阻力过大,而且该阻力与水上速度呈正比,增加发动机功率也无济于事,这也是普通两栖车辆无法进一步提高航速的主要原因。

1.2 性能特点

由于普通两栖车辆体型小、速度低,大部分车体都浸泡在水中,干舷较低,吃水深,水上行驶阻力主要是由车体外形和外挂附件造成。因此,即便采用了螺旋桨和喷水推进装置,也仅能够使两栖车辆在水上达到12～13 km/h的航速,只能克服一般的江河湖泊等水障碍。在满足海上抢滩登陆和抗洪抢险救灾所提出的要求还相差较远,如图1为轮式和履带式普通水陆两栖车。

图1 轮式和履带式普通水陆两栖车

2 高速两栖车研究进展及关键技术

高速两栖车辆的速度均超过了对应的阻力峰值(一般为22 km/h),进入了滑水状态,随着速度的进一步增加,阻力随之呈下降趋势。

从80年代末开始,国外开始将滑水、水翼、气垫等技术应用于两栖车辆,在轮式和履带式高速两栖车领域均取得了较大进展。其中最具代表性的是美国的AAAV水陆两栖履带式突击战车,辆航速已达到45 km/h,英国Gibbs Technologies公司也开发出高速两栖汽车(HSA)技术,的轮式两栖车已经达到55 km/h,瑞士Rinspeed公司生产的两栖汽车已经达到80 km/h,据最新报道,水上时速达98 km/h的轮式两栖车辆已经下水。

最近,Gibbs技术公司和洛克希德·马丁公司又开始联合为军方开发三种两栖运载平台:①两栖远征作战飞行器(ACC-E),此飞行器长为6.096 m,水上速度为72.4 km/h,陆上速度为128.7 km/h;②两栖河战飞行器(ACC-R),此飞行器长为10.668 m,水上速度为64.4 km/h,陆上速度为104.6 km/h;③Terraquad,其水上速度超过88.5 km/h,陆上速度为80.5 km/h。英、美两国的联合开发计划促动了新一轮军用高速两栖车辆的研制[3]。

至今以来高速水陆两栖车同样也分为履带式和轮式两种,但其水上关键技术既有相同也有不同之处。目前已经下水的国内外高速两栖车辆主要采用滑行车体技术和水翼技术。

2.1 滑行车体技术

滑行车体的核心技术是在水中如何使车辆底盘变为密封的流线型船体,一般是通过升降行走机构来达到此目的。

从行动部分结构来看,履带式车辆的提升高度有限,实现滑行车体的难度要大一些,只能部分减小附件阻力。如图2是2004年美国民间研制出的履带式高速两栖车,水上最高速度能达到48 km/h,而且能够轻松对付泥泞的平地、沼泽、冰面、雪地和湖泊,同时能够携带680 kg的负载。车长6.4 m,安装了橡胶履带,使用了结构简单的垂直液压装置,入水后能让履带直接升起,收放自如。图3为美国的AAAV水陆两栖履带式突击战车水上推进系统总布置。

图2 民用履带式高速两栖车

图3 履带式高速两栖车水上推进系统总布置

而轮式车辆一般都是通过组合式“翻转-提升”车轮来实现滑行车体,提升高度可达500～600 mm,滑行状态下可基本避免附件阻力影响。如英国Gibbs公司生产的Aquada于2003年末首次亮相,如图4所示。当汽车驶入水中,计算机感应到水深已经能够满足飚船深度,就会把车轮收到车底盘,从汽车变形成为船的过程仅需6 s。水上时速55 km/h,陆上时速160 km/h,该车动力是一个175马力、2.5升、24阀的V6发动机。喷水推进器是Gibbs公司开发的专有部件,重量轻巧且体积紧凑。可提供1 t的推力,推进器长0.89 m,重40 kg。

但轮式车辆提升车轮的同时也会引起相应转向机构干涉、动力输出机构解脱、悬挂阻力突增等难题。目前能够实现车轮提升的技术方案有两种可行:①采用可控油气悬挂技术,结构简单,如图5所示为英国Gibbs公司的HSA技术。但其成本较高,且可靠性和寿命取决于工艺技术水平高低。最关键的是该技术对陆地行驶状态下轮胎摆动和磨损情况还没有获得数据验证;②采用扭杆悬挂匹配闭锁油缸技术,结构与英国Gibbs公司的HSA技术完全不同,但成本低,可靠性高。试验证明不会对原有陆地行驶性能有任何改变,如图6所示。

图4 Aquada高速两栖轿车

图5 Gibbs公司的HSA技术

高速两栖车辆的油气悬挂系统不同于一般的陆地行驶车辆使用的距地高度可调的油气悬挂。因为车辆入水之后,车轮呈自由下垂状态,没有支撑反作用力。此时,车轮的提升和翻转需双向作用油缸来实现,而且还要确保静位置下的预紧压力不变。所以还需另一个油缸来保证预紧油量。也就是说每个车轮需要2个油缸才能完成准确的车轮升降动作。当然,采用一个油缸和位置监测系统也能够实现该功能,但从可靠性、精度和成本上考虑,并不是最简洁方案。

2.2 水翼技术

水翼船是一种在普通体下安装有浸在水中的水翼的船舶。它在高速航行时,水翼产生升力,速度愈快,升力愈大,将船体抽上拖起,它可明显减小船体在水中航行所产生的阻力。

借鉴于船舶的水翼技术也能够使车辆实现在水面上高速航行的目的,只是此时车体完全在水面以上,没有任何阻力产生,也不用提升车轮。

由瑞士Rinspeed生产的水陆两栖车Splash采用了水翼艇技术,可以让车身整个浮在水上行驶,使用环保的天然气作为燃料,在水上的最高时速可以达到80 km/h,陆上达到200 km/h[4]。但水翼技术需要提供较大的推进功率才能产生足够的升力托起整个车体,该车在低速航行条件下阻力较大,其推进系统和水翼翻转机构也并不简单,如图7所示。

图6 扭杆翻转—提升技术

图7 瑞士Splash高速水陆两栖车

3 未来超高速两栖车技术展望

未来高速水陆两栖车辆的高速航渡技术下一步如何发展,航速如何进一步提高,还要借鉴许多船舶、快艇和地效飞行器方面的新技术。从目前来看,有动力气垫技术和地效翼技术两种技术可以借鉴。

3.1 动力气垫技术

动力气垫和静气垫相比,直观的看,没有通常的围裙,也没有专用的鼓风机。它是利用了地面效应的动力气垫原理,即将动力装置产生的螺旋桨滑流或喷气流引入船身下部空间,产生支承全艇大部分重量的动力气垫,将船身大部分抬离水面,从而大大减少航行时的水动阻力。可实现超浅吃水航行或在沼泽、滩涂和沙滩上快速运动。动力气垫的特点是在运动中始终不离开水(地)面,其行驶稳定性优于静气垫。目前,俄罗斯也将动力气垫技术纳入A类地效翼船范围,并称为TAP(两栖运输平台)技术[5]。

巡航状态,气动力和冲翼效应产生的升力支承了75%～80%的船重,其余20%～25%的船重由船身吃水的湿表面水动升力支承,这样使船身始终处于浅吃水状态运行,也保证了TAP的推进品质(Kη=GV/ 75 N)在傅汝德数FrD=6～8时,可达到5～7,实际上已经超过了全垫升式气垫船和侧壁式气垫船[6]。

据报道,最小的动力气垫船仅采用1台25马力的RMZ640发动机,就能够搭载2人,创造时速75 km/h的速度记录。从统计结果看,TAP常用的航速一般在90～220 km/h左右,波浪下航速在60～180 km/h左右,如图8、9所示。

图8 TAP自航模试验

图9 动力气垫快艇

高速两栖车辆采用TAP技术后,带来的将螺旋桨滑流或喷气流引到车体下部空间,在车底和水面之间产生支承全艇大部分重量的动力气垫,可使车体大部分抬离水面,减少航行时的水阻力,可以大幅提高航行速度。从结构上看,不需要单独设置围裙,也不需要机翼。更不需要大功率鼓风机。其最大特点是可以实现低速垫升,小半径转向。

但是,需要解决的是:在地面如何实现车轮支撑和垫升重量比例分配问题。目前来看,采用大行程摆臂式油气悬挂结构能够解决该问题。

3.2 地效翼技术

地效翼实际上是在前面提到的TAP平台增加了机翼,可以使车体和附件进一步与水面分离,甚至完全离开水面,进入飞行状态,成为真正的地效飞行器。

地效飞行器的航速是普通舰艇的10倍甚至10倍以上,是气垫船的3倍以上。其次是安全性高。地效飞行器在距离水面1～6 m的高度低空飞行,一旦出现紧急情况,可随时在水面降落。再者,地效飞行器具有较好的抗浪性,小型机可抗浪1 m左右,中型机可抗3 m左右的浪,大型机对5 m的浪也无需过虑。当然,在陆地上,也可以轻易飞越沙漠、沼泽、雪地[7]。地效飞行器用于军事领域的优点也显而易见:航速快、承载量大、隐形效果好、适航性优异,能贴近地面或海面、沙漠或沼泽表面飞行,可以利用雷达的盲区,悄无声息地快速接近目标,用于突击登陆,能够轻易越过岸边反登陆障碍物和地雷,图10为三栖装甲突击车的概念图。

图11所示的就是2007年美国Terrafugia公司推出的飞行汽车。该车重量仅为0.5 t左右,承载重量约195 kg,可搭载两个成年人和一些行李[8]。发动机动力为100马力,机翼可折叠,只需按一下按钮,即可变成一架翼展7 m多、时速可达200 km/h的“飞机”。理想的飞行高度为100～300 m。

图10 三栖地效装甲突击车

图11 小型地效翼三栖飞 行车辆

3.3 超高速两栖概念车

讨论的任何一种高速两栖车,任何一种滑行姿态,其车体底部都还离不开水面,仍旧存在着较大的水上阻力,这一点是毋庸置疑的。若要进一步提高航速,达到超高速两栖车辆的技术指标(我们认为超高速两栖车辆的水上速度起码应该大于150 km/h,)就需要进一步降低水上阻力,要实现这一点难度是相当大的。若能将动力气垫和地效翼技术结合起来,再根据两栖车辆特点适当取舍,形成超高速两栖车的技术方案,需要遵循两个设计原则:①必须要有两个侧板插入水中形成封闭气流通道;②最好有双翼提供更大的垂直升力。

由于两栖车辆的尺寸不能够像船舶和飞行器那样随意放大,重量和负载较重,所以,目前也没必要要求超高速两栖车实现飞行,只要能够利用动力气垫托起车体,车底部和附件离开水面,两翼插入水中(不提供升力),避免较大的水阻力出现,就可以进入不同于前面高速两栖车的超高速垫升滑行状态。

但是根据以上要求设计超高速两栖车遇到的难题是:①两侧板布置过低会影响地面行驶通过性,过高在水上影响通道封闭,还要设计一套车轮提升装置,结构复杂并增加重量;②双侧机翼造成车辆宽度尺寸较大,影响道路行驶,且机翼的收放还要有折叠机构和控制系统,空间狭小,难以实现。为此,提出一种垫升式超高速两栖车辆,是一种将动力气垫、地效翼和地面车辆技术相结合的产物。它采用可变形的组合式车体,变形后的车体在水上组成一个倒置的W形密封车体,具有2个线型光滑的底部气流通道和较大的气垫面积。这种结构方式既能保证路面的正常行驶通过性,也能达到两侧插板和机翼功能的要求,如图12。

它具有二种工作模式:陆地工作模式-水中工作模式,对应的两种工作状态:车体收拢状态和车体展开状态。①陆地工作模式:当两侧边车体收拢时,车体外廓与普通车辆相同,所有车轮(履带)通过悬挂系统接地。此时,利用地面提供的附着力,通过轮毂电机或机械装置推动车辆完成直线、转向行驶;②水中工作模式:当两侧边车体展开时,全部车轮(履带)翻转到水面以上,首先可以获得一个类似于三体船的光滑外廓,组成一个倒置的W型结构,形成2个独立的纵向通道。同时,车体的底部面积成倍增加,可进一步降低垫升气流压力要求。

图12 垫升式超高速两栖车辆原理图

水中超高速行驶时,将涵道风扇的气流引入车体下部的两个通道中,气流在车底和水面之间形成动力气垫,动力气垫抬升车体,同时提供推力,随着车体位置升高,吃水线减少,水上行驶阻力会再度下降,便可实现水上超高速航行,速度可达到150～200 km/h。若要进一步降低燃油消耗,可增加一个喷水推进器,仅在中低航速下行驶既可。

4 结 论

虽然近年来国内外在高速两栖车辆技术领域取得了长足的进步,但从部队作战和民用市场的需求来看还远远不够,采用动力气垫和地效翼技术相结合的方法可有望研制出性能更好的超高速两栖车辆,使其技术指标获得进一步提高。为国家和军队提供更先进的水陆两栖快速机动平台。

[1] 白向华,吕建刚,高 飞,等.基于蛇怪蜥蜴踏水机理的水面推进技术研究[J].实验流体力学,2012,25(6):6-10.

[2] 徐一新.基于运动特性的两栖车辆关键技术研究[D].镇江:江苏科技大学,2013.

[3] 宋桂霞.水陆两栖车辆减阻增速关键问题研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.

[4] 崔金一.基于车轮收放的高速水陆两栖车虚拟样机研究[D].南京:南京航空航天大学,2011.

[5] 叶休乃.动力气垫高速艇的发展及其应用前景[C].上海:第十四届中国国际船艇展暨高性能船学术报告会,2009-4-16.

[6] 王维相,翁亚栋.国外气垫船的应用与发展[J].世界橡胶工业, 2008,30(12):35-40.

[7] 周常尧,高东华,华 阳.地效飞行器的发展现状及军事应用前景[J].飞航导弹2006,18(4):19-22.

[8] 琴 佳.会飞的汽车终于起飞了[J].驾驶园,2013,16(10):94-95.

Technology Research on Ultra High Speed Amphibious Vehicle

JIA Xiao-ping,MA Jun,YU Kui-long,YANG Zhong
(Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

In recent years,a new high-speed navigation technology greatly improves the water speed of amphibious vehicle, the speed indicators of both wheel type and tracked high-speed amphibious vehicles are more than 45km/h,some are close to 100km/h.Whether it could increase velocity by resistance reduction to achieve the approximate flight state or not,the concept of ultra-high speed amphibious vehicle is given in this paper,and the relevant analysis and summary are then made.

vehicle engineering;ultra high speed;amphibious vehicle;cushion type

TH132

A

1007-4414(2015)05-0046-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.015

2015-08-05

贾小平(1958-),男,云南昆明人,教授,研究方向:车辆系统论证、仿真与评估。