基于ax型热气球的海上自主救援装置

任席伟，傅耀方

基于ax型热气球的海上自主救援装置

任席伟，傅耀方

（武汉理工大学，湖北 武汉 430063）

基于ax型热气球的海上快速自主救援装置，将热气球、救生筏以及风翼技术进行结合改进，完成了海上遇难人员通过空中逃生路线进行自主救援。热气球为装置提供升力，救生筏能够保障人员的生存问题，风翼能够为装置提供前进方向的推进力和垂直前进方向的横向力，从而使人员快速离开逃生现场或者躲避障碍物。此外，还对风翼受风时的受力情况进行了分析，为装置的设计提供理论依据。

救生筏；热气球；风翼；救援

海上航行人员的安全逃生问题一直以来被人们热切关注，现有的主要救生设备有救助艇、救生艇、救生筏和救生浮具等。这些救生设备各有优缺点，其共同点都是通过水面进行逃生，但是当水面发生重大油火类灾害或者发生化学反应导致有毒气体生成时，水面路线逃生方式会对人员的生命安全造成极大威胁，因此，仅通过水面逃生在某些情况下无法满足人们的逃生需求，并且随着现代救援力量的增强，只要保证黄金救援期内在海上存活，遇难人员便有很高的获救概率。因此，需要现代的救生装置具备能快速逃生、保障短时间内的生存且易于被快速发现等特点。

救生筏作为沉船或营救时的重要工具[1]，能保障人员在一定时间内的人身安全。气球经过发展，在空中交通、空中侦察和气象探测等各个方面都有着广泛的应用[2]。其中ax型热气球为通过加热球囊内气体提供动力的气球。本文提出将救生筏与与ax型热气球进行结合，将热气球的载人部分替换为救生筏。但是，热气球自身基本没有辅助动力系统，飞行员一般仅通过大气中不同高度的气流来控制热气球的速度与方向，因此对热气球的操控存在一定缺陷。祝远程[3]提出设置拉绳和魔术贴来控制热气球的旋转和横移，这些改进虽然在一定程度上改善了热气球的操控性能，但会使热气球所能提供的浮力下降，埋下一定的安全隐患。从夏焌峰[4]的研究中可知，类似于风翼结构的翼帆在风的作用下，会同时产生升力和阻力。因此，可将救生筏、热气球与风翼进行结合，设计出一种基于ax型热气球的海上自主救援装置，满足人们对逃生装置操纵性和安全性的需求。

1 装置结构设计

装置整体结构如图1所示，风翼处结构如图2所示，吊篮框架如图3所示。

海上自主救援装置包括热气球和可设置在所述热气球的吊篮框架内的救生筏。救生筏可以是正八边形气胀式救生筏。吊篮框架可为正八边形吊篮，并可由藤条编织而成。所述热气球的燃烧器设置在托盘上，托盘的支架可通过螺栓等紧固件可拆卸地固定在吊篮框架上。

1—吊篮框架；2—滑轮；3—救生筏；4—下圆环；5—卡死装置；6—风翼控制器；7—控制阀门；8—燃烧器托盘；9—绳索；10—燃烧器；11—热气球气囊；12—风翼框架；13—绳索固定系扣；14—帆布；15—上圆环；16—球囊加固带。

所述热气球包括风翼、控制装置和加固带。

对于不同形状风帆的研究表明，圆弧形风帆的空气动力性能比较优良，制造和操纵比较简便易行，比较适用于现代船舶[5]，因此将风翼的形状选为圆弧形。加固带固定在所述热气球的球囊上，由比球囊厚的布料制成。加固带可设置在球囊的赤道位置。所述风翼的帆布设置在硬质框架内，框架大致为H状。框架通过转动关节安装在加固带上，能绕转动关节在水平面转动。控制装置通过绳索与风翼连接以控制风翼在水平面转动。在一种可能的实施方式中，两个所述风翼关于环形加固带的圆心中心对称，每个所述风翼连接有一个所述控制装置。

9—绳索；11—热气球气囊；12—风翼框架；13—绳索固定系扣；14—帆布；15—上圆环；16—球囊加固带；17—转动关节。

所述控制装置包括转动盘，其通过转向轴转动设置在吊篮框架的上沿。

所述转向轴的上端和下端具有卷绕绳索的环形凹槽。绳索的中部固定在风翼框架的系扣上，绳索的两端经绳索导引装置分别卷绕在所述转向轴的上端和下端的环形凹槽内。其中绳索的两端应同方向卷绕在所述转向轴上。此外，绳索上设有刻度，通过刻度来反映所述风翼的角度。

1—吊篮框架；2—滑轮；3—救生筏；4—下圆环；5—卡死装置；6—风翼控制器；7—控制阀门；8—燃烧器托盘；9—绳索；10—燃烧器。

所述绳索导引装置包括安装在所述风翼两侧的加固带上的上安装环，安装在吊篮框架上端并在所述转向轴两侧的下安装环，以及位于下安装环下方的滑轮。绳索的一端经所述风翼右侧的上安装环、右侧的滑轮、所述转向轴右侧的下安装环后卷绕在所述转向轴上端的环形凹槽内。绳索的另一端经所述风翼左侧的上安装环、左侧的滑轮、所述转向轴左侧的下安装环后卷绕在所述转向轴下端的环形凹槽内。

所述控制装置包括锁紧装置，其为伸缩式结构。锁紧装置滑动设置在吊篮框架的上沿，并靠近转动盘的所述转向轴上。锁紧装置处于收缩位置时，可移动到转动盘正下方；锁紧装置处于伸出状态时可从转动盘的开口伸出，防止转动盘转动。

2 装置操纵方案

该装置用于海难事故时的人员逃生，平时救生筏和热气球折叠之后存储。

2.1 装置离开船舶升向空中之前

使用时，将救生筏取出放置于吊篮内部，将其静水压力释放器打开，使气胀式救生筏充胀成型。

装置放置如图4所示。

图4 装置放置示意图

整个装置位于船舶生活区的延长甲板上。通过转动关节连接好风翼与热气球并系好装置上的相关绳索后，再使用固定绳索一端系固于热气球上的上圆环，另一端系固在船舶上。之后用船用鼓风机对热气球快速充入热气，当气球充胀成型之后使用燃烧器继续对热气球进行加热。当加热到所产生的的浮力足以使装置和所载人员浮起后，将用于固定装置的绳索解开，随后该装置离开遇险船舶。

2.2 装置离开船舶升向空中之后

装置上的风翼可以绕位于热气球加固带上的旋转轴在半圆的范围内旋转，操作人员可通过风翼控制器来改变风翼的角度从而在一定程度上改变装置的运动状态。

装置的运动控制如图5所示，图5中白色箭头为风向，也是未使用风翼时装置的运动方向，黑色实体箭头为装置的拟运动方向。当装置需要顺风的推力来加速离开事故现场并且不需要垂直于风向的作用力时，将风翼展开至与风向垂直，如图5中（a）；当装置不需要额外的推力时，将风翼紧贴热气球，如图5（b）；如果装置需要垂直于风向的作用力时，将风翼调整至一定夹角，如图5（c）和图5（d）；如果需要快速实现装置转向操作时，可将一端风翼紧贴热气球，另一端风翼调整至与风向垂直，如图5（e）和图5（f）。通过绳索结构来控制风翼的旋转角度。

当装置载着人员到达安全水域后，通过控制燃烧器的控制阀门使装置产生的浮力减小。最终装置在重力的作用下降落到水面上。

2.3 装置降落到水面之后

当装置降落到水面后，将燃烧器下方支架与吊篮框架的连接处解开，使救生筏从吊篮框架中脱离出来，便于人员后续求生。船上的人员可将装置上的绳索与救生筏连接，由于热气球球囊目标巨大，可起到阻流作业，防止救生筏漂向很远的地方，并提高人员被发现的概率。

图5 装置的运动状态控制示意图

3 受力分析

热气球虽然也属于航空器，但它不能像飞机一样自由飞翔。操作人员只能控制装置的飞行高度。因此，在无风的环境中，热气球只能上下飘动。但大气时刻都在运动着，即便在看起来“无风”的天气中，局部空气垂直对流会影响近地表层局部的不同方向的空气运动。飞行员在空中通过气球与地面的相对运动，体验各个高度层的不同风向，然后操纵气球升或降至自己所需要的风向那一高度，并保持这一高度飞行，便可达到自己要飞往某个目标的目的。由于水平气压梯度力不同，海面上往往伴随着风。

当高度一定，该装置在随风运动的过程中可能会遇上前方有灯塔等障碍物的情况。装置本身的风翼为装置提供垂直于风向的横向作用力，从而改变装置的运动轨迹，如图6所示。装置在风的作用下前进，如果没有风的作用，便会按照虚线与障碍物相撞。但风翼的形状与机翼相仿，当平行于翼弦的气流流经风翼时，由于风翼的阻碍导致风翼上下表面的流速均增加。根据伯努利原理，上表面的流速要高于下表面，因此上下表面会存在压差，使得机翼最终受到向上的合力，即升力。在风的作用下，风翼也会产生阻力。升力和阻力在垂直于装置前进方向上的力即为横向力。在横向力的作用下，装置会沿着虚线旁边的实线路径运动。

图6 风翼影响的轨迹图

风翼的受力分析如图7所示，以装置风翼弦的中点为原点建立坐标系进行受力分析，定义此时装置的前进方向为轴，垂直于装置前进方向为轴。

风翼可绕位于装置气球加固带上的旋转轴转动，以下就以图7所示的两种情况进行分析。

相关符号定义及说明如表1所示。

表1 符号定义及说明

符号说明 V1视风 V2装置飞行引起的风速，即航行风 V3真风 α视风与风翼弦的夹角，即风翼攻角 β风翼弦与x轴的夹角，即转翼角 θ视风与x轴的夹角，即相对风向角 γ视风与y轴风夹角 L升力 D阻力 Fx横向力 Fy推进力

注：未列出的以及重要的符号均以出现处为准。

风翼的空气动力性能与与机翼相仿，当风以某一攻角吹向风翼，风翼上的升力和阻力会随着攻角的变化而变化[6]。在装置前进方向上的合力构成了装置的推进力，在垂直于前进方向上的合力形成了横漂力。

在装置前进方向上的合力构成了装置的推进力Y，在垂直于前进方向上的合力形成了横漂力X，按几何关系可以得出：

X=sin－cos，Y=cos－sin

对于一端风翼，其输入量为风的绝对速度和风的绝对角度；输出量为与风向平行的阻力和垂直于来流风向的升力。升力和阻力的方程式为：

式（1）（2）中：为空气密度；为风翼面积；L和D为风翼的无因次升力系数和阻力系数。

风翼的空气动力特性如图8所示。

L和D随着风翼攻角变化，以为参数，将L，D表示在同一张图上，得到L～D的极坐标图，表征某一特定风翼的空气动力特征。设视风与装置前进的垂直方向即横向线夹角为，使L～D的横坐标与视风平行且同向，装置的横向线通过坐标原点，沿此横向线做它的垂线，并与L～D曲线相切（比如切于图中的点），切点对应的攻角即为风翼的最佳攻角。在横向线上的最大投影x即为最大横推力系数[8]，在垂直于横向线方向上的投影则为推力系数。根据=－的关系即可得出最佳控制角度。

4 结束语

热气球、救生筏和风翼的结合实现了一种新的逃生方法。热气球为装置提供升力，救生筏能够保障人员的生存问题，风翼能够为装置提供前进方向的推进力和垂直前进方向的横向力，从而使人员快速离开逃生现场或者躲避障碍物。通过控制风翼对装置的运动轨迹进行调整，能够提高海上遇险时该装置的操纵性和安全性。

图8 风翼的空气动力特性

［1］刘鹏，田少男，侯昌金.一种救生筏架的优化设计［J］.广东造船，2018，37（1）：37-38，41.

［2］卢新来，罗明强，孙聪，等.系留气球的升空模拟［J］.航空学报，2006（5）：768-772.

［3］祝远程.热气球旋转和横移控制装置［J］.中国高新区，2018（1）：187.

［4］夏焌峰.风翼实验平台的控制系统研究［D］.大连：大连海事大学，2015.

［5］王迪，孙培廷，张跃文，等.风翼助航船舶风翼攻角控制策略［J］.大连海事大学学报，2019，45（1）：1-10.

［6］沈智鹏，姜仲昊.风帆助航船舶运动模型［J］.交通运输工程学报，2015，15（5）：57-64.

［7］FUJIWARA T，HEARN G E，KITAMURA F，et al.Sail—sai 1 and sail—hull interaction effects ofhybrid—sail assisted bulk carrier［J］.Journal of Marine Science and Technology，2005，10（2）：82-95.

［8］缪国平.帆船运动的力学原理［J］.力学与实践，1994（1）：9-18.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.009

2095－6835（2019）20－0022－04

〔编辑：张思楠〕