美国气垫登陆艇围裙技术发展及分析

傅 华

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011）

美国气垫登陆艇围裙技术发展及分析

傅 华

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011）

［摘 要］文中介绍了美国气垫登陆艇（LCAC）围裙的技术发展历程，随着艇装载量、耐波性、全寿命周期维护等总体性能和作战使用要求的提高，围裙技术在不断发展改进。通过利用先进的计算分析及三维设计软件，提高了围裙设计放样精度与寿命，降低了波浪中阻力，改善高速抗埋首及侧滑安全性，减轻自重也减少了维护工作量。此外，围裙改进均经过拖曳船模试验以及实艇的长期运行考验。这些技术手段及科研思路值得国内学习与借鉴。

［关键词］气垫登陆艇；舰岸连接器；围裙；套指；响应度

引 言

围裙、垫升风机、导管空气螺旋桨、首喷管是气垫登陆艇特有的设备，其中围裙与垫升风机、气道等组成垫升系统［1］。围裙在高压气流作用下充气围成气垫而垫升艇体，使艇具有两栖性；高置的导管空气螺旋桨推进方式，使艇完全摆脱常规水螺旋桨受吃水的限制；首喷管增加了操纵手段，可提高艇低速操纵性、改善抗侧风性能。

美国气垫登陆艇从20世纪60年代的母型试验艇JEFF A、JEFF B，到20世纪80年代开始列装的LCAC和本世纪初的延寿型LCAC，再到正在建造之中的升级换代产品舰岸连接器（SSC），历经50余年的发展，其中围裙、主机的升级换代尤为明显［2］。这主要是因为主战坦克的发展对艇装载量提出了更高的要求，而坞载特点又限制了艇主尺度基本不变［3］。因此，为保证艇有效装载量增大情形下艇总体性能仍有所提高，降低艇阻力与提高推力（主机功率）是主要手段，围裙与艇阻力密切相关，其型线相当于常规船的线型，关系到全垫升气垫船的快速性、垫升性、稳性、耐波性、操纵性、安全性等总体性能，因此，围裙技术是气垫艇发展的关键技术，美国气垫登陆艇围裙技术经过50余年的发展取得了长足的进步，极大支撑了艇总体性能的提升。

1 LCAC围裙总体构型发展演化

英国是气垫船研究的鼻祖，其气垫船早期主要用作英吉利海峡渡轮，现Griffon系列气垫船兼顾军民两用，英国气垫船公司（BHC）最早在气垫船上成功应用囊指形低阻高耐波性响应围裙［4］。美国气垫登陆艇围裙技术起源于英国的BHC公司，LCAC围裙即由BHC设计制造，后由CDIM-SDD（原Band， Lavis & Associations）公司负责围裙技术研究，目前已开发出第四代深型响应围裙。

目前，LCAC的深型响应围裙代表围裙系统综合发展方向，其起源于BHC SRN4气垫渡轮上所采用的囊指型围裙，参见图1。

SRN4从1968年开始穿梭于英吉利海峡，其最初长约39.62 m（后MK3接长到54.86 m）、宽约23.77 m、气垫高2.44 m，拥有横向与纵向稳定隔裙，采用“T”型分隔形式将气垫分为三部分（前气室、左后气室、右后气室），提供艇垫态（侧向）稳性。20世纪70年代，贝尔宇航（Textron）在JEFF B上采用类似的囊指型围裙系统，同样包含横向与纵向稳定隔裙。随后Textron在20世纪80年代为首艘LCAC安装了基本相同的囊指型围裙系统，但不久即认识到尾部手指与纵向隔裙是产生大量维护花费的源泉；为此将纵隔裙在横隔裙前面的部分取消以减少维护工作量，使气垫分隔由“十”字型变为“T”字型。

基于海军20世纪70年代在Aerojet的SES-100A侧壁式气垫船（不具备两栖性，同双体船一样有侧部船体，但拥有首、尾气封围裙）使用经验，尾部手指改用将滑行面添加到尾指底部的滑板指型式如图2所示。

图1 BHC公司开发的典型囊指型围裙

图2 尾部滑板围裙指

与原尾部手指相比，也许滑行面尽管在艇倒退时更易受损，但滑板指被证明在艇正常运行时更为耐用，同时也有利于减小阻力。大多基于费用考虑，减少纵向隔裙维护分为两步。首先，将纵向隔裙下端连续小囊更换为相互独立的手指，由此减少维护工作，同时使纵向隔裙上部大囊维持初始装艇状态继续使用。但当由于主战坦克自重增加而导致艇载重量增加时，显然需要增大主机功率与提高围裙系统性能，以使LCAC可在波高1.22～1.52 m的海浪中高速巡航。SLEP（延寿计划）与LCAC“深型围裙”可以满足上述要求，同时取消纵向隔裙（同样源于20世纪70年代至20世纪80年代期间所获得的运行经验）。此次，数据源于JEFF A试验艇，其采用D.R.LAVIS帮助研发的“囊筒指”以提供垫态横倾/纵倾的复原力矩，而不是分隔气垫的方法。不同于手指成型后围成开式的“U型”，以使垫升气流从围裙大囊直接进入气垫，囊筒指成型后围成自身封闭的“O型”，其内部压力随纵倾或横倾运动而升高。囊筒指处于艇周边围裙大囊下部以便分配气流，因此，囊筒指型围裙不再需要将气垫分隔成气室以产生横倾/纵倾复原力臂/力矩，参见图3、图4。

图3 JEFF B的囊指型围裙与JEFF A的囊筒型围裙

图4 套指下端形成的封闭“O”型与开式手指下端形成的开放“U”型

图5 侧部套指围裙横稳性原理示意图

但是，囊筒指易于在后缘兜水而产生附加阻力。Textron通过模型试验发现，为维持最低横倾复原力矩，可在LCAC围裙系统侧部外手指的内侧安装内手指来获得类似囊筒指的作用。该布置形成所谓的“O型”以产生横倾复原力矩而阻力小于囊筒指的。为此，在深型围裙系统中，LCAC并排装有内指并取消将气垫分隔为气室的纵向隔裙，在首部仍采用开式手指、尾部采用滑板指的同时，保留横向隔裙以产生纵倾复原力矩。

总而言之，20世纪末，因LCAC拍岸浪区域内的扫雷需求而开发了第一代深型响应围裙，裙高由1.52 m提高到2.13 m，以增加自由干舷并防止拍岸浪打到导管空气螺旋桨，侧部改为双囊以维持围裙垫态宽度不变，满足进出母舰坞舱要求；同时侧部围裙下部采用套指以提高横稳性，取消了纵向隔裙可减小其产生的阻力与高维护要求［5］。经过缩尺1∶12拖曳船模上的垫态稳性、阻力及耐波性试验，以及缩尺1∶6船模上的耐波性及不同拍岸浪情况下的推力需求试验，又在LCAC-66 和LCAC-15上分别进行实船试验和实船运行考验后，才正式确定换装深型围裙。

第二代深型响应围裙是为芬兰的战斗巡逻艇T-2000研制的，因T-2000不需要进出母舰坞舱，属于自由设计，可加大气垫尺寸而使艇具有较低的气垫密度，侧部改为单囊套指围裙，同时气垫手指下端点外移、处于外接点之外，以增加响应度［6］。2001年11月至2003年11月期间的航行试验表明，套指围裙使得T-2000在某些运行状态下的回转率超过2 °/s；同时低头埋首边界大大超出艇的速度/海况/重心纵向位置的运行限界；并且低头埋首反应比常规囊指围裙大为缓和。这与安装第一代深型响应围裙的LCAC（SLEP）上获得的使用经验相同。第三代深型响应围裙是为韩国的气垫登陆艇LSF-II研制的，其充分借鉴了前二代围裙的使用经验，研究重点放在减小风浪中的围裙阻力与进一步提高乘坐舒适度，因LSF-II需进出“独岛”号两栖攻击舰的坞舱，气垫尺度受限，侧部又改回双囊套指围裙［7］。围裙在波浪中的阻力逐代降低，见图6。

图6 LCAC前三代深型围裙阻力成分比较

LCAC围裙发展历程如图7所示。

图7 LCAC围裙发展（依次为JEFF B、JEFF B改进、LCAC、LCAC（SLEP）、T-2000、LSF-II）

图8 美国为SSC开发的第四代深型围裙

第四代深型先进围裙系统（见下页图8）研究分三个阶段进行，第一阶段着眼于围裙方案设计、权衡比较与可行性研究以及其他运行参数。第二阶段进行更为详细的设计，为缩尺1∶12拖曳船模制作多套模型围裙用于水池试验。基于试验结果，第三阶段开发、制作实尺度原型围裙进行试验，将选出的先进围裙系统制成实尺度原型围裙并装载于LCAC-66进行实船试用。前期经CDI Marine、Icon Polymer、Textron等三家公司的竞争，通过1∶12缩尺船模三套围裙大量的阻力、耐波性等方面的水池拖曳对比试验，经过一个多月加班加点的连续试验，最终优选出颠覆围裙传统设计观点的Textron减小裙高的单囊套指围裙，保证了在艇高海况下航速及进出母舰要求。研发前期阶段的缩尺模型试验表明，先进围裙系统在减阻、维护、自重及费用方面均优于现有围裙系统。2009年5月至2009年10月期间的实艇围裙试验，主要集中在3个方面：围裙静态性能、航行安全性及阻力性能。其中，围裙静态性能测试包括在不同艇重及主机转速下充气成型几何形状与气垫高度测量、陆上垫态纵/横稳性与囊压比验证。航行安全性试验包括不同航速与海况条件下的回转稳定性、观察不同航速下艇纵向重心处于极限位置时低头埋首趋势，以及一系列高速侧滑试验。阻力性能试验为艇排水量变化范围为117.9～167.8 t、试验海况条件从静水到有义波高1.40 m时的航速测试。经过对试验结果的详细分析，先进围裙系统展现出不仅具有足够的航行安全性、动稳性，而且在不同海况及艇重时阻力下降5%～10%，这相当于消耗相同功率情况下载重量增加6.8～13.6 t。除提高性能外，实尺度围裙系统的维护性能也得到改进，特殊部件种类减少，通用手指与侧部分段数量增多。侧部分段不再采用双囊型式，从而消除双囊之间水平隔片的维护要求，围裙也因此可减轻约1.2 t。目前围裙继续在LCAC-66上进行长期运行考验。计划进行实尺度围裙系统在LCAC恶劣运行环境条件下的长期耐用性试验［8］。

美国气垫登陆艇围裙构型如表1所示，美国为SSC开发的第四代深型围裙参见图8。

表1 美国气垫登陆艇围裙构型

2 围裙性能初步对比分析

2.1 侧部围裙典型剖面

气垫船耐波性要求侧部围裙响应度大，一般说来，侧部围裙手指下端点外移至刚性结构（围裙外接点）垂线之外，可获得较大响应度。LCAC围裙因进出母舰坞舱需控制侧部围裙充气后的最大轮廓形状（气垫宽度），侧部围裙手指下端点位于刚性结构（围裙外接点）垂线之内；而芬兰的T-2000围裙属于自由设计，侧部围裙手指下端点位于刚性结构（围裙外接点）垂线之外，围裙响应度较大，从其航行试验录像可以发现，在波浪中其侧部围裙具有明显的随浪起伏。

图9 美国JEFF B、LCAC SLEP、T-2000、SSC的侧部围裙

表2 J EFF B、LCAC SLEP、T-2000、SSC的侧部围裙手指底端位置

2.2 首部围裙典型剖面

在保证成型宽度基本不变的前提下，美国LCAC延寿计划将围裙垫升高度由1.5 m增加到2.1 m以改善适航性。主要变化还包括：首部围裙大囊半径随其设计垫升高度变化而大幅增加，同时取消早期艇上的防飞溅裙。LCAC早期艇与延寿艇的首部围裙大囊成型对比见下页图10、图11。

LCAC延寿艇围裙裙高的增加，主要出于改善拍岸浪中运行安全性需要。为改善首部围裙在高速触水时的抗缩进能力，增大首部围裙大囊半径以提高大囊张力，从而导致首部围裙大囊成型类似“大包头”形状；结合手指倾角的减小抑制首部围裙手指下端正面飞溅在艇整体气流场作用下回卷形成而影响上层建筑的水雾量。减小手指倾角α可诱导正面飞溅尽量向远处而不是向高处喷溅；升高围裙以及采用“大包头”形状，可利用高速航行形成正面下压流场，抑制飞溅反卷至上层建筑的水雾量。通过实艇试验和使用表明，LCAC延寿艇首部围裙获得比早期艇设置防飞溅裙更佳的飞溅抑制效果，并且消除了设置防飞溅裙所带来的航行安全隐患。

LCAC延寿艇的首部围裙设计技术对于飞溅具有一定的抑制作用，而且既避免原围裙另外设置防飞溅裙所带来的航行安全隐患，又不会增加艇重；因而广泛运用于美国帮助研发的芬兰T-2000和韩国LSF-II等类似美LCAC的气垫登陆艇上。正在建造中的新一代高密度坞载气垫登陆艇SSC则继续沿用该首部围裙设计技术。

图10 LCAC上第一代深型围裙与原1.52 m围裙垫态成型比较

图11 SSC上第四代深型围裙与JEFF B原1.52 m围裙首部围裙成型比较

图12 围裙手指与大囊的连接及大囊门幅之间的连接

3 围裙材料与寿命

典型围裙系统包括大囊、手指、连接件等，其中大囊连于艇体或刚性结构、手指连于大囊下部［9］，见图12。

气垫船首部围裙经受极端恶劣运行环境条件，其胶布材料必须具备柔性、气密性、高拉伸性与抗疲劳性能。因此，要求围裙材料以织物为骨架基础，正反两面涂覆橡胶保护层经高温硫化而形成“三明治”式结构的胶布［10］，见下页图13。骨架织物首选“尼龙66”，其具有优良的抗疲劳性能及较低的吸水性。“尼龙66”高捻纱线采用平针编织形成具有小间隙的柔性织物，而使覆层橡胶透过织物间隙相互粘结在一起。覆层橡胶硫化后则可使胶布具有气密性。LCAC围裙胶布上涂敷的橡胶为天然胶与聚丁二烯的混合物，与汽车轮胎及传送带上使用的胶料完全相同。天然胶易于抗裂纹且具有较低滞后性，可抵御手指末端高频振动过程中的热量积聚。氯丁胶也具有优良的化学性能及抗紫外性能，从而得到广泛应用。

图13 “三明治”式围裙胶布典型结构

第一代深型围裙设计制造时，采用AutoCAD 3D建模并使用Ship-CAM软件放样展开。应用于芬兰的T-2000上的第二代深型围裙吸取了第一代研发中的经验教训，采用更为先进复杂的3D建模技术，以优化充气成型几何构型并随后放样展开。该先进建模技术与有限元分析（FEA）优化，成功消除手指的应力集中现象。实船运行表明，手指使用超过400 h而无需大量维护，而且套指的内侧手指寿命预期可达800 h，而尾部滑板指寿命超过300 h。该技术手段应用于后续深型围裙的研制开发。

4 结 论

美国气垫登陆艇经大型两栖战舰坞载至目标海域，装载主战坦克等重型装备在地平线之外实施由舰到岸的超越式登陆。随着主战坦克的质量增加导致装载量增大以及耐波性要求的提高，利用现代计算分析及设计放样技术结合模型、实船试验，围裙技术处于不断发展之中，并满足不断提高的总体性能要求；同时将每一代深型围裙的实船使用经验加以分析研究，在下一代围裙上加以改进［11］。除利用T-2000与LSF-II作为围裙技术发展的试验艇外，在将新型围裙列装到实艇上之前均通过长时间全方位的实尺度围裙装艇试用考验。

LCAC-91作为延寿计划的原型艇，建造时就采用了第一代深型响应围裙与ETF40B燃气轮机，目前LCAC-91主要作为新型电子设备的试验艇，以及与移动登陆平台（MLP，首制船为Montford Point，可搭载3艘LCAC自行上下）的配合试验等［12］。SSC计划建造73艘，以逐步替代延寿后的LCAC，其中第1艘艇为试验与训练艇，其后的72艘为装备艇。

围裙作为气垫船的特有设备，与艇总体性能密切相关，围裙有些性能必须通过实船试验予以验证。美国LCAC围裙技术发展中的做法值得我们学习与借鉴。

［参考文献］

［ 1 ］ 马涛、邬成杰. 气垫船总体性能与围裙气垫系统流体动力设计［M］.北京：国防工业出版社，2012.

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［11］ 顾雄，彭宏良. 美国两栖攻击登陆艇（AALC）计划发展综述［C］//国外军用气垫船和地效翼船译文集，1994.

［12］ U.S. NAVY. Mobile Landing Platform［M］. Program Guide 2013.

［中图分类号］U674.943

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0013-08

［收稿日期］2015-01-30；［修回日期］2015-03-02

［作者简介］傅 华（1968-），男，高级工程师，研究方向：舰船设计审查。

Development and analysis of skirt technology for US LCAC

FU Hua

(Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China)

Abstract：The development of the skirt technology of US LCAC has been introduced in this paper. It can be found that the skirt technology has been developed and improved with the enhancement of the combat capability and overall characteristics， such as hovercraft loadage， seakeeping capability， life-cycle management system （LCMS），etc. Based on the advance calculation analysis and 3-D design software， it develops the lofting precision and lifespan of the skirt， reduces wave resistance， improves anti-pitchpole ability and sideslipping safety at high-speed，and decreases the deadweight to ease maintenance. Moreover， the development of the skirt has been validated by towing model test and full-scale trial during a long period. These technologies and scientifi c research are well worth referring at home.

Keywords：LCAC， ship-to-shore connection； skirt； bag fi nger； response value