新型舰载刚性充气艇艇型设计研究

2019-05-16孔祥明何远玲

舰船科学技术 2019年4期

陈练，孔祥明，何远玲

(中国船舶信息中心，北京 100192)

0 引言

近年来，海军护航任务日趋频繁且多样化、复杂化，常规舰载艇的性能已很难满足任务需求[1]。目前我国舰载艇多以救助艇改装船型为主，国内很少有从事于刚性充气艇的专项研发厂家，而欧美刚性充气艇技术已非常成熟，且批量建造装备部队[2]。

本文根据舰载艇研制要求，确定了主尺度及总布置；结合主尺度及船型特点，设计了自扶正系统和充气护舷；应用CFD数值仿真软件FINE/Marine对7组船型方案做仿真计算，根据分析结果确定了较优的船型方案，并通过船模试验探究了重心纵向位置及排水量对该船型阻力及航行姿态的影响，最终确定了较优的重心纵向位置范围，为舰载刚性充气艇的船型设计提供参考。

1 船型方案设计

1.1 主要要素

根据舰载艇的使用要求和技术要求，本文采用单体滑行艇，舷侧配备刚性充气护舷，尾部设置自扶正系统。根据舰载艇在母船上的布置空间要求及母型艇的主尺度，本艇主要参数如表1所示。艇体采用尖首、方尾、深V型艇。采用舷内柴油喷泵推进，主机型号为CUMMINS QSB6.7INT，其额定功率为353 kW；喷泵型号为Hamilton HJ274，最大输入功率330 kW，最高转速3 000 r/min。该艇采用高性能纤维增强树脂复合材料，既保证了结构强度，又降低了结构重量。

表 1 舰载刚性充气艇主要参数Tab. 1 Main elements of shipboard RIB

1.2 总布置设计

在满足《舰用小艇规范》[3]和航行性能相关要求下，根据相关的设计要求和原则，对小艇进行合理的总体布局（见图1）。本艇设置露天干舷甲板、1张驾驶座椅及驾控台，首部升高甲板设计机枪架兼做系缆桩。在驾驶台下方配置蓄电池2只，驾驶台侧壁、船首、船尾共设置3个1 kg的干粉灭火器。本艇采用单点吊形式，用于吊运该艇。艇的舷侧设有的充气护舷，提供足够的储备浮力并保护艇体。艇体尾部设有自扶正系统，保证小艇在倾覆时能自动扶正。

1.3 型线设计

型线设计是决定艇型性能的主要因素[4]，目前滑行艇艇型设计已从一味追求快速性向重点考虑具有优异的适航性条件下兼顾快速性方向发展[5]。高海况下的航速稳定性、高速航行时的平台稳定性和海豚效应成为衡量滑行艇艇型优良的关键标志。在艇型设计中，斜升角和护舷是影响其主动力性能的主要参数，其中斜升角主要影响滑行艇的快速性和稳定性，护舷主要影响艇的横向稳定性和耐波性。选取最优的斜升角与护舷配置是艇型设计的关键。

1.3.1 船型方案

在对国外同级别艇型进行深入的研究后，基于原型艇型线，以 17°，19°，21°，23°斜升角分别建模，通过FINE/Marine计算，确定较优的斜升角；针对较优斜升角根据护舷不同安装高度位置，确定3个船型方案，具体船型方案如表2所示。

表 2 船型方案Tab. 2 Plan of ship type

1.3.2 FINE/Marine 仿真计算

1）船模参数

为了减少计算时间和计算成本，本文缩尺比为1:3.5的船模计算，主要参数如表3所示。

表 3 船模参数Tab. 3 Ship model parameters

2）计算结果

基于FINE/Marine的快速性能数值仿真方法，对表2中的7个船型方案取静水中5个不同航速，分别仿真计算阻力、纵倾角及升沉幅值，具体结果如下：

图 1 舰载刚性充气艇总布置图Fig. 1 General layout plan of shipboard RIB

①阻力仿真结果

通过表4可知，在方案1到方案4中，随着斜升角的减小，阻力值也不同幅度的降低，斜升角17°的船型方案即方案4阻力值最小。在不同护舷安装位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，阻力值在方案5中最小且与方案4的阻力值相近。

表 4 阻力计算表Tab. 4 Resistance result table

②纵倾角仿真结果

通过表5可知，在方案1到方案4中，随着斜升角的减小，纵倾幅值值也不同幅度的降低，斜升角17°的船型方案纵倾幅值最小。在不同护舷安装位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，方案5的纵倾幅值最小，且优于方案4。

表 5 纵倾角计算表Tab. 5 Trim angle result table

③升沉仿真结果

通过表6可知，在方案1到方案4中，升沉幅值幅值随斜升角的减小无明显的变化规律，总体而言方案1在高速航行时，升沉幅值较小。在不同护舷安装位置高度方案中，即方案1、方案5、方案6、方案7，方案5的升沉幅值最小且优于方案1。

基于上述仿真结果，最终选取方案5为较优船型方案，船型横剖面图如图2所示。

2 自扶正系统

2.1 自扶正原理

自扶正能力属于安全救生能力的一种，指船艇倾覆时可以依靠自身的能力回正，增强了船舶的生存能力。目前小艇自扶正能力的实现主要依靠自扶正装置，如图3所示。船艇倾覆后打开自扶正装置，改变吃水、浮态和浮心位置等参数从而使船舶的静稳性力臂为正，达到回复正浮状态的目的[6]。

表 6 升沉幅值计算表Tab. 6 Lifting amplitude result table

图 2 横剖面图Fig. 2 Cross section

图 3 自扶正原理图Fig. 3 Self-righting principle diagram

2.2 自扶正系统设计

自扶正系统主要包括：自扶正气囊1；自扶正架2，自扶正架2通过连接法兰8和9，10与尾封板固定连接；自扶正架上的固定安装弯管3，弯管3上固定安装自扶正气囊1，弯管3呈弧形与自扶正气囊1满气状态的外圆完全吻合；弯管3底部分别安装充气瓶4和自动充气装置5，通过卡箍6与弯管3固定连接，自动开启装置5分别通过进气管7与充气瓶4和自扶正气囊1相连，自动开启装置5遇水后会自动开启，进行充气。

小艇在正常航行时，自扶正气囊1处于非充气状态，可以减小航行时的空气阻力。当小艇发生倾覆时，自动充气装置5会及时打开充气瓶4对自扶正气囊1进行充气，小艇进行自动扶正。

图 4 自扶正系统图Fig. 4 Self-righting syetem diagram

3 充气护舷设计

护舷在设计时，强调为小艇提供足够的储备浮力，在小艇布放、回收或与舰船、码头靠帮时提供防护，同时提高小艇在高海况条件下的适航性。

护舷结构采用全充气式护舷结构形式，增加多独立舱室结构设计，保证相邻舱室发生损坏时，整体护舷的可用性；增加内部骨架设计，防止反复充放气的形状变形。鉴于刚性充气艇的工作环境及用途，选择多独立舱室式护舷。多独立气室式一般有5个或7个气室，根据该小艇的主尺度，选取7个独立气室的护舷。《沿海小型船舶法定检验技术规则》5.4.2.1对甲板艇储备浮力的要求为不小于100%满载排水量[7]。本艇储备浮力由充气护舷提供，小艇满载排水3.7 t，通过计算最终确定护舷直径560 mm。

此外，本艇的护舷在与艇体结构连接时，不仅采用了填充密封胶的方式让护舷和船体贴合更为紧密、随型性更优，同时也在护舷位于船体两侧各增加了一块连接布，采用打孔填充密封胶再与船体铆接的方式，一方面增加了护舷和船体连接的紧固效果，另一方面使得船体在发生碰撞时护舷能够更好地吸收冲击产生的能量，同时也提高了本艇的航行稳定性。

图 5 充气护舷外型及气室布置简图Fig. 5 Brief diagram of inflatable fenders and air chamber layou

4 水池试验

4.1 船模简介

试验船模缩尺比λ=1:3.5，船模长2 143 mm，船模宽 786 mm，船模高 471 mm，站距 200 mm。船模的站位编号从尾往首依次增加，船模的0#站位置为距护舷尾端面沿首方向205.71 mm处竖直平面，均匀向船首方向分布各站位，共10个站位。由中国特种飞行器研究所高速水动力实验室按照型线图加工，模型采用木料进行加工，经做防水、喷漆处理而成。船模表面光滑，符合《CB/Z244-88滑行艇船模阻力测试方法》中规定的允许误差标准。

图 6 船模实物图Fig. 6 Model physical map

4.2 试验方案

本试验为探究不同排水量及不同重心纵向位置对刚性充气艇性能影响，确定了3个重心纵向位置及2个排水量，共6种工况。静水试验速度共13个，分别为：2. 0 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s，5.0 m/s，6.0 m/s，7.0 m/s，8.0 m/s，9.0 m/s，10.0 m/s，11.0 m/s，12.0 m/s，13.0 m/s和13.7 m/s，主要测量参数包含静水试验中的阻力、升沉（重心处）和纵倾角，具体工况见表7。

4.3 试验结果及分析

1）纵倾角

由图7可知，对同一排水量船模而言，纵倾角随航速增大先增大后减小最后趋于稳定；对同一排水量不同重心纵向位置船模而言，重心纵向位置越接近尾部纵倾角越大。Case3在航速=9 m/s发生纵摇现象；Case6在航速=12 m/s发生纵摇现象。换言之，当重心纵向位置在=628.6 mm，船模在不同排水量状态下，存在某一航速使之发生严重纵摇。