游轮可控刚性空腔翼防倾覆装置

刘琛翔

洞庭天下水，岳阳天下楼。从古至今，八百里洞庭都是无数中外游客向往的旅游胜地。环洞庭湖观光游已成为我们湖南一张亮丽的名片。我们学校就在洞庭湖边，平时我喜欢到湖边游玩。一天，看到游轮在湖面上来来去去，我不由得想起了“东方之星”游轮发生的灾难事故……

是啊，在航道上航行，任何游轮都无法保证其不遭受意外，杜绝游轮倾覆事故的发生。我突发奇想，能不能设计出一种装置，在紧急情况下可以有效增加游轮的浮力和稳定性，防止游轮倾覆呢？

一、方案设计与选择

（一）方案构思

我经过反复琢磨，在不影响船体强度和水密性的前提下，根据仿生学原理，提出了给游船加翅翼的方案。平时不展开时如鸟静立的形态，隐翅在船舷两侧（或夹板内），紧急情况下如同鸟的翅膀展开，侧翼漂浮在水面上，通过增加船的宽度，从而保持游轮整体平衡。为此我设计了三种方案：第一种方案是侧翼型，翅翼连同固定式安全气囊从船的两侧展开；第二种方案是平展型，翅翼连同固定式安全气囊水平由内向外展开；第三种方案是刚性空腔翼水平展开。

【方案一】 侧翼展开型

这是一种翅翼从水里展开的方案。这种方案在船体的两侧各设置一平衡翼，并在船舶载重线的舷外两侧板上，各开设一个向内凹的放置“隐形翅膀”的箱体。正常情况下固定式安全气囊有序地叠放在侧翼内，侧翼与箱体密闭成为舷侧板的一部分。当预警系统发出警报时，可以迅速启动应急安全装置，伸展开侧翼（网状结构），打开安全气囊，通过增大船体与水面的接触面积，从而减小风浪对船体的冲击，确保船体的安全稳定。

【方案二】 水平移动型

这是一种翅翼平行向外移动展开的方案。此方案在甲板底层加设一层左右对称的平衡翼，平衡翼呈两层结构，上层为空心不锈钢结构，下层为固定式气囊。当游轮在水上突遇风浪等险情时，预警系统发出警报，控制装置迅速自动投入工作，平衡翼向外伸出，气囊打开，使船舶快速平衡，防止倾覆。

【方案三】 可控刚性空腔翼型

这种方案与方案二的设计有些相同的地方，在甲板底层加设有左右对称的四个可控刚性空腔翼，这种可伸缩可控刚性空腔翼一端设有与微电机相连接的枢轴，而微电机与控制装置相连接。与方案二不同的是，可控刚性空腔翼将方案二的翅翼和固定式气囊合二为一，变为一层空心不锈钢结构。当游轮在水上突遇风浪等险情时，预警系统发出警报，该装置迅速自动投入工作，刚性空腔翼向倾斜的一侧伸出（另一侧不动），使船舶快速平衡，防倾覆。

（二）方案比较与实验

我通过反反复复分析和纸质模型实验发现：

方案一和方案二在游轮载重线的舷外两侧板上（或甲板内）加设翅翼，翅翼内侧安装与之相结合的固定式安全气囊，进入紧急状态时，固定式气囊通过充气机迅速充气，两侧翅翼随之张开，整个船体变成“方舟”；当紧急状态解除后，再用抽气机将气囊内空气抽出并把气囊收回，翅翼与船体（箱体）密闭关紧。这两种方案的动力传动机构相对简单，但科技查新结果显示为已有，故这两个方案淘汰。

方案三“可控刚性空腔翼防倾覆装置”的设计原理和特征在于：密封空腔与气囊在利用水的浮力、增大船体与水面的接触面、增强船体的平衡性能等方面的科学原理与应用效果虽然相同，但在工程学上具有以下突出的优势：

1. 刚性空腔直接从船体吃水线两侧平行伸出，避开了气囊展开过程中水对它的巨大阻力，减少了充气过程的耗时耗能，有利于快速反应，争得宝贵的自救时间。

2. 刚性空腔具有维护方便的特点，避免了气囊折叠伸缩过程中易损漏气的隐性危险因素，不会贻误自救。

3. 刚性空腔翼仅需油压机提供伸缩动力，无须空压机、抽气机协助救援，既省时间，又能减少出现故障的概率，且简化了装置的结构设置，省去了烦琐的控制和操作。

4. 刚性空腔翼采用人工控制和自动控制双控制系统，可降低控制失灵的概率。

根据以上特点，我把方案三作为设计的优选方案。

（三）游轮模型及可控刚性空腔翼装置结构设计

本游轮模型及可控刚性空腔翼装置的基本结构如上所示。其创新设计部分主要是执行、动力、控制三大系统，其中船体两侧设有执行系统中的翅翼承力舷、用来隐匿收藏翅翼的翅翼舱、可控刚性空腔翼，在船舱内安装有动力系统中的油压机和控制系统等主要部件。

自动控制系统由信息采集器、信息处理器、控制器、信息反馈器等构成，整体工作流程如下图所示。

由于目前本人只是一个小学生，尚无能力完成自动控制系统电路设计，暂时只能作为创意提出，为以后进一步研究提供参考。

二、模型的制作

（一）材料选择

空腔翼是整个设计的核心部分，空腔翼材料在方便智能收放的同时，还必须比较薄，同时还得有足够的硬度。我先后用塑料板、木板等材料制作空腔翼，但都达不到要求。后来，我发现不锈钢材料的重量和硬度基本都可以满足要求，于是就采用不锈钢作为刚性空腔翼的主体材料。

（二）模型制作

在材料准备齐全的基础上，我请五金加工厂的孙师傅和袁师傅，按我的设计图纸和要求，完成了具有“可控刚性空腔翼防倾覆装置”游轮模型的加工制作。

（三）模型应用实验检测

模型制作完成后，我在老师的帮助下，来到洞庭湖边进行测试和检验。我用鼓风机制造风浪，当鼓风机调速到高挡时，轮船开始倾斜，这时我轻轻按下遥控开关，仅几秒钟的时间，刚性空腔翼受驱动，同步展开向外移动伸出，使游轮迅速上浮，恢复平衡。当将鼓风机调速至最高挡时，游轮依然没有明显倾斜。

虽说手工制作的模型很粗糙，外观也不精美，但基本达到了预期的实验效果，没有翻船，这说明我的设计是具有可行性的。

老师评价说，你设计的可控刚性空腔翼防倾覆装置，能为游轮在遭受大风浪和快速转弯时的安全行驶提供相应保障，但模型所用材料和外观设计、加工精度等还有待进一步完善。

（四）改进思路

在游轮的预警机制上，通過互联网技术联网，岸上的指挥中心可以及时、准确地知道游轮的航行情况，便于救援、指挥。

三、研制体会

在这个装置的设计和研制过程中，我学会了上网搜寻资料的一些基本方法。我不光在网上找了许许多多的游船图片，学习了轮船的一些基本知识，还有许多在研制过程中遇到的困惑，都基本在网上找到了答案。过去我上网玩游戏玩得太多，现在每次上网都能学习一些新知识，有意思多啦！

还有，我在反反复复的制作过程中，真正感受到了完成一件创新作品真的要付出很多。我记得在考虑选用什么材料做船体时就遇到了很多阻力，那时候我和爸爸去了建材市场好多回，考虑过洗碗的槽、路灯的外壳，最后不得不设计图纸，请加工师傅帮忙制作游船。游轮用什么材料制作，上面安装哪些物件，选择什么方案，基本上每一项都大费周折。我在设计与具体制作中碰到了很多困难，不得不反反复复地修改、调整方案。在制作过程中，我前一次的失败，都为后面设计更科学的新方案提供了经验。我要是因为某次失败而放弃，那就永远体会不到成功的快乐了。所以，我觉得搞发明创新对人的毅力是一种考验，只有经历过挫折，人的才干、能力才能在创新实践中逐步提高。

所以，我将再接再厉，认真学习科学文化知识，积极参与各项有益的实践活动，不断提升自己的才干和综合能力，让自己成为一个有益于社会的人！

四、鸣谢

在这个装置的研制过程中，我得到了学校校长、科学老师、学校聘请的校外科技辅导员、五金加工厂师傅、造船厂师傅、海事局专家等长辈们的精心指导和全力帮助，并得到了老爸老妈和同学们的大力支持，在此对他们深表感谢！

（指导教师 李宏亮 编 辑 巧克力）