全垫升气垫船控制研究综述

于亦凡，刘 军，周祥龙

(海军潜艇学院，山东青岛 266044）

全垫升气垫船控制研究综述

于亦凡，刘 军，周祥龙

(海军潜艇学院，山东青岛 266044）

介绍了气垫船的性能、特点及国内外的发展概况;对比分析了2种类型气垫船(全垫升式气垫船、侧壁式气垫船）的主要性能及其主要应用范围;介绍了全垫升气垫船、侧壁式气垫船综合控制研究现状;简要介绍了全垫升气垫船水平运动控制、升沉运动控制方法;展望了全垫升气垫船的应用前景及所带来的社会效益;分析了市场对气垫船的需求及其推广的可行性。

全垫升气垫船;空气外部动力学;流体外部动力学

0 引言

气垫船是一种新型的高速航行船舶，航行时利用船体与地面及水面之间的压力，从而使船体部分或全部脱离水面和地面，减小运动时所受的阻力及干扰。由于该船型具有灵活、速度快、带负载能力强等优点，可以在各种复杂条件下航行 (例如;沼泽地、冰雪地面、激流险滩等），同时具有一定的攀越障碍的能力，所以不仅用于观光和航渡，在登陆作战和勘探、测量等方面的应用也不断增多。

我国目前有超小型 (5吨级）、小型 (20吨级）、中型 (80吨级）等全垫升气垫船多艘，正式投入客运并装备海军;同时侧壁式气垫船已形成系列产品。根据国内外高速船市场需求及世界高性能船舶船型发展趋势，初步构想未来20年船型［1］可能向以下2方面发展:

1）对现有全垫升气垫船 (10～100座位）、侧壁式气垫船 (70～400座位），进一步优化改善其设计，提高其经济性、稳定性及舒适性。

2）全垫升气垫船中200吨级和500吨级2个型号，由于具有能在4～5级海况下高速航行的特点，且其航速可达60～70 kn，所以军用民用均可，民用可作为岛屿和陆岛等航线的渡船使用;军用可用于登陆及运输补给等。侧壁式气垫船重点发展200吨级和1 000吨级2个型号。200吨级适用于港湾等遮蔽海区。1 000吨级可用于陆岛之间的车客渡轮。同时这2种型号在军事上也有着广阔的应用前景。

为满足市场的需求、适应高速船发展的需要，应在已有技术的基础上，开发大吨位、稳定性及舒适性均优的气垫船。由于气垫船具有应用领域广，受限条件少等优点，对其研制和开发具有显著的社会效益和经济效益。

1 国内外气垫船发展概况

按照维持气垫压力的形式不同，气垫船可分为全垫升式气垫船 (ACV-Air Cushion Vehicles）和侧壁式气垫船 (SES-Surface Effect Ship）。

1.1 全垫升气垫船［1］

全垫升气垫船船体重量全部由气垫支撑，通过船体周围的围裙封闭气垫。通过产生高于大气压的气垫，把船体完全托离水面 (地面），因此船的吃水极小或为负值，具有良好的两栖性。通过空气装置进行控制，用空气螺旋桨对其推进。

全垫升气垫船:速度高，具有两栖性，甲板宽敞，对支撑面的压力小。平时可用作岛屿间的交通艇，战时可作为登陆艇使用。

英国是气垫船的发源地，气垫船技术一直处于领先地位。以发展民用为主。其中SR.N4型气垫渡轮在英法海峡之间作为车－客混乘渡船，是目前世界上最大的一型民用气垫艇，其运输量占海峡年总运输量的62%。

美国着眼于发展军用气垫船。20世纪70年代初，贝尔宇航公司和通用喷气公司为美国海军研制160吨级两栖攻击气垫登陆艇JEFFB和JEFFA，可装载登陆部队、坦克和装甲车，并能自由出入大型船坞登陆舰。LCAC作为快速两栖作战登陆艇，有效装载能力为60 t，在海湾战争中有出色的表现。到目前为止，美国海军建造了LCAC登陆艇100多艘，耗资近20亿美元。

前苏联从20世纪60年代初开始发展气垫技术，着重于军用发展。目前已经编入海军装备的两栖登陆艇主要型号有:Gus“鹅”级 (27吨级），Lcbcd“天鹅”级 (86吨级），Aist“鹤”级 (260～270吨级），Pormornik级 (350吨级）等共80余艘。主要用于舰载登陆使用。

随着经济的复苏和战略结构的调整，发展一定数量的两栖作战舰艇和提高现役两栖舰艇的多用途能力，已经提到了各国海军的发展日程。日本、朝鲜、韩国、中国台湾、泰国、印度、新加坡、印度尼西亚、澳大利亚等国家和地区也加紧引进和研制自己的全垫升气垫两栖登陆艇。

我国从20世纪60年代开始研究和开发气垫船，80年代中期进入实用发展阶段。由于全垫升气垫船的4大关键设备 (舱体材料、围裙、主机、空气螺旋桨）等已基本解决 (尤其对小型艇而言），因此从80年代开始建成各种船型共50余艘，主要用于旅游、客运及油田交通等用途。但是单船型较小，无大吨位船舶。表1列出了国内外部分全垫升气垫船的主要性能参数。

1.2 侧壁式气垫船［1］

侧壁式气垫船是在全垫升气垫船基础上发展起来的。为节省飞升功率起见，船的两舷采用刚性侧壁，首尾部采用柔性气封装置。由于这种气垫船采用水螺旋桨或喷水推进装置，所以船体侧壁必须插入水中故丧失了两栖特点。其主要特点是经济性较好，飞升时消耗功率较小。由于采用水下推进的方式，所以螺旋桨较小，有利于船体向大型化发展。此外还具有较好的横稳性和耐波性;吃水浅，水下物理场小。目前主要用于交通艇和巡逻艇等。

国外从20世纪60年代末研制侧壁式气垫船。美国在80年代后期生产了200吨级巡逻艇WSES型，据统计目前已经建成14艘，主要担负巡逻、缉私、缉毒等工作。法国、瑞典和挪威等国相继开发了200吨级侧壁气垫导弹艇、140吨级的隐身导弹艇、375吨级的气垫导弹艇。日本认为此型船的突出优点是易于向大型化发展，随着船体的改善其经济性、快速性以及耐波性能将会得到极大的提高。

我国的研制工作起步于20世纪60年代。目前已开辟近10条民用航线 (分别位于长江、港、穗、青岛等江海流域）。表2列出了部分侧壁式气垫船的主要性能参数。

2 全垫升气垫船综合控制研究现状

全垫升气垫船的综合控制包括水平运动控制和升沉运动控制2部分。水平运动控制主要采用多个操纵面复合控制，实现气垫船水平面运动的航向稳定性和机动性。升沉运动控制主要控制气垫进气量及泄放阀的开闭程度，实现气垫船垂直面内运动的升沉稳定性［2－4］。

表1 国内外部分全垫升气垫船主要性能参数表Tab.1 The rise of themat at home and abroad and the performance parameters table

表2 国内外部分侧壁式气垫船主要性能参数表Tab.2 Part of the wall at home and abroad themain performance parameter table

2.1 全垫升气垫船水平运动控制［5－6］

尽管全垫升气垫船的性能介于船舶和飞行器之间，但其水平操纵控制方法与它们却相差很大。例如与普通船舶不同的是，全垫升气垫船在掉头或转弯时由于船浮在水面上因此与水之间的摩擦阻力很小，若此时气垫船的一侧漏气，会出现严重的侧漂现象。因此它在改变航向时会出现横倾、纵倾、侧漂及偏航等综合运动。而飞行器在飞行时为产生回转向心力可充分利用尾翼、副翼等作用造成机身内倾，缩小回转半径。况且有较辽阔的空间任其翱翔。即使发生侧滑，也存在一定的时空空间供其控制。而气垫船却必须在水面、航道、冰面及船坞完成这些控制，其难度是较大的。

为了保证气垫船在风浪作用下运动以及在零速垫升状态的操纵性，气垫船上采用了专门的操纵装置。气垫船的操纵面是种类繁多的，但归纳起来只有3大类，即舵轮装置、利用空气推进器的操纵面、利用气垫力的操纵面。

舵轮装置包括垂直空气舵、可回转的空气安定面、可伸缩的水舵、喷气空气舵、水平空气舵及地面导向轮等。

利用空气推进器的操纵面包括利用2台或2台以上空气或导管空气螺旋桨的转速差、可回转的桨塔、空气 (或导管空气）螺旋桨的变距装置、可转动的喷气推力器及侧喷口装置等。

利用气垫力的操纵面包括柔性围裙提升装置、柔性围裙横移装置和气道阀门，利用几台风扇的转速差或调节风扇叶片，调节水 (油）舱从而调节纵横倾以提供侧向力等。

图1分类列出了气垫船水平运动操纵装置中可供选择的操纵面详细配置情况。表3列出了部分全垫升气垫船的操纵面配置情况。

图1 全垫升气垫船水平操纵装置Fig.1 Themat liters hovercraft level control devices

气垫船平面运动的研究方法与常规船舶和飞机并没太大区别，只不过它不仅要考虑空气外部动力学、流体外部动力学，而且还需考虑气垫内部动力学，因而力学模型也较为复杂［10］。

表3 国内外部分全垫升气垫船操纵面配置现状Tab.3 The rise ofmat at home and abroad the hovercraft control surfaces with the status quo

目前，研究范围主要集中在:

1）各种操纵面操纵效果的研究及其在船上单个或联合使用的效果分析;

2）低速航行时操纵性和机动性的试验研究;

3）高速航行时操纵性的试验研究;

4）船在低速和高速航行时操纵性的理论研究。

2.2 全垫升气垫船升沉运动控制［7，13］

全垫升气垫船的气垫必须不断地给它供应超压气流，而且要将气垫固定在船体之下。做到这点在风平浪静的水面上较容易，但在波涛汹涌的环境下则比较困难，且船体越大，需要的气流也越大，控制起来也越困难。据推算，在沿海航行的气垫船其垫升功率至少比内河航行的气垫船大30%。

气垫船升沉运动系统从性能上可分为3个基本子系统:风扇、风道和气垫的垫升系统，在气垫动力或水动力作用下的围裙变形系统和船体系统。这3个子系统又可分别组合为气垫－船体系统 (围裙为绝对刚性时）、围裙－气垫系统 (船体不动时）、围裙触水时围裙－水动力系统。围裙气垫系统在原来的气垫系统和船系统之间形成1个隔振系统，其对气垫船的升沉运动和垂向加速度有着极其重要的影响。

从运动性能方面讲，其运动过程要考虑到固体(船体）—气体(气垫）—流体(波动的水面）三者相互之间的作用，故而运动十分复杂。另外，由于风道风扇的混合振动、非线性影响、气垫压缩性影响、气垫压力的空间分布、气垫阻尼与附加质量的确定等构成了研究气垫船在波浪中运动的一系列难点，而且气垫船的升沉运动与船体的纵摇、横摇运动之间存在强耦合，从而使研究工作十分困难。

气垫船升沉运动操纵中采用了许多操纵面，其中主要采用调节风扇的叶片角控制进气量和调节泄流阀控制泄流量。采用的各操纵面及其作用详见图2。

图2 气垫船横倾、纵倾操纵装置Fig.2 The hovercraft is horizontal，vertical pour out of the control devices

有关升沉运动控制系统的研制是从20世纪70年代中期开始的。美国的气垫船上安置了气垫放气系统，80年代又引入了风扇进气装置，对气垫船升沉进行控制。事实证明，这种气垫直接放气方式虽然对减少气垫船的垂向加速度起了一定的作用，但造成了气垫船较大的失速［9］。英国、瑞典等国也采用相似的方法进行研究和试验。

调节进入气垫的空气流量能够显著改变船的特性，如果加以正确应用，将得到更安稳的航行品质［8］。在伦敦大学学院，风扇的流量控制被选作可改善船舶摇荡的最有效最灵敏的手段。可通过动态调节风扇进气导流叶片改变进入风扇的气流量，或动态改变风扇进出口外形以改变进入气垫的气流量。

中国船舶工业总公司曾进行过一项关于侧壁式气垫船航行控制的预研课题［9］，其通过风扇进气和气垫、囊放气控制首尾围裙在波浪上的响应运动。它比气垫直接放气技术有几个明显的优点［10］:1）可减小围裙在波浪上的阻力;2）围裙下端放气在船宽范围内可获得较大的控制力;3）首尾气垫封同步控制升沉，有相位差时可控制纵摇。

Daniele Bertin［11］和 A.J.Sorensen 等［12］对侧壁式气垫船的升沉控制系统进行了研究。Daniele Bertin等采用主动控制泄放阀的方法来调整首尾部分的气垫压力，使其接近标称气垫压力，以减轻“鹅卵石效应”的影响。

3 结语

我国拥有长江、珠江、西江、黑龙江等河流和渤海、黄海、东海、南海等沿海航道，主要水上高速客运航道已有50余条，总客位保有量约为19 700个。随着科学技术的发展，人民生活水平的不断提高，旅游业的发展，客流量将不断增加，对高速客船的市场需求也会进一步加大。

军用气垫船最初主要用途是抢摊登陆。据统计，全世界海岸适合于干登陆的海滩，既可用排水型登陆艇又可用气垫船登陆的仅为25%，其余75%的海滩只能由气垫船登陆。除冲滩登陆外，各国军方对气垫船执行反水雷战任务相当重视并取得了较大进展。此外，气垫船在军事上的用途还包括近海巡逻、反海盗、搜索救助等。从军用气垫船的技术发展看，无论是总体性能还是运行费用都已经达到了较为成熟的阶段。随着当代科学技术，尤其是材料科学和计算机虚拟技术的发展，预计军用气垫船的性能，特别是有效载荷、推重比、耐波性、操纵性和航速方面将有更大进步。

气垫船造价低。尽管我国自行研制的气垫船采用了世界名牌主机，使主辅机价格占整个船价的25%～50%，但与国际市场相比，我国气垫船的造价仍很低，仅为进口船的1/3～1/4。

气垫船运营成本低。由于气垫船的可靠性、营运率有所提高，主机、围裙等关键设备的寿命逐渐提高，使维修费用及油耗减少，船营运成本降低，从而使气垫船航线能够取得较好的经济效益。

气垫船营运收益高。船舶营运的经济性还与票价有关。随着国民经济和旅游业的发展，人们对高速客运的要求越来越迫切，优质优价、高速高价的观念普遍被人们所接受。

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Themat liters hovercraft in control

YU Yi-fan，LIU Jun，ZHOU Xiang-long
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266044，China）

This paper introduces the properties，features and the domestic and foreign，the development situation of comparison and analysis on the two types hovercraft(the cushion of the lateralwall type，rise the hovercraft）of the main properties and its main application range，introduces the mat the hovercraft，wall type/the hovercraft comprehensive control research status，simple introduces the mat liters hovercraft levelmotion control，rises the heavy motion controlmethod，and looks forward to the application prospect of the mat rise and brought about by the social benefit，analyzing the market to the needs and feasibility of promotion.

mat liters hovercraft;air external dynamics;fluid external dynamics

U674.943

A

1672－7649(2012）09－0011－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.09.002

2012－05－14;

2012－07－11

于亦凡(1968－），女，副教授，主要从事电气设备自动化研究。