英国全垫升气垫船的技术发展与性能分析

张宗科

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

全垫升气垫船的船体周边下部装有柔性围裙，在垫升风机提供的高压气流作用下围成气垫，基本悬浮在运行表面之上，由导管空气螺旋桨提供推进力而高速航行，因而具有优良的两栖性，可在水面、沼泽、冰面、雪地、浅滩等地形运行，在民用特殊地域交通、抢险救灾、海事救助、军用登陆运输等方面有较广泛应用。英国作为气垫船的发源地，制造了以燃气轮机为动力的大型车客渡轮SRN4气垫船用于英吉利海峡的交通摆渡，发明了柔性围裙并提出随波起伏的响应围裙技术，研制了柴油机动力的低耗油高效AP.1-88，最新型号995ED、Griffon 1200TD上实现了柴电混合驱动，引领着民用气垫船技术发展方向［1-2］。下面将对以上技术发展进行阐述和分析。

1 早期气垫船（航空发动机、燃气轮机）

1.1 早期气垫船发展历程

现代气垫船发源于英国，1953年CockRell爵士开始从事气垫船的研究，并于1955年提出周边射流与气道围壁式气垫船的概念。1959年Sauder Roe公司设计建造了首艘载人气垫船SR.N1，CockRell等3人于1959年7月25日从英国加莱横渡英吉利海峡至法国的多佛，耗时2 h，平均航速约24 km/h。该船并未采用柔性围裙，而是设置了刚性的周边气道围壁，基于“柯安达效应”，利用垫升风机提供的高压气体，沿壁射流将船托起，悬浮于运行表面之上，其静飞升高度约200 mm［3］。由图1和图2可见，其船中主体为尺寸相对较大的轴流式风机，其产生的高压气流一部分输出到船底周边气道，另一部分输出至矩形截面长喷气筒（左首/左尾/右首/右尾各有一个）来提供前进、后退推力。通过喷气筒出口处的矩形挡流板、尾部的两个舵叶来操纵船［4-5］。

SAUNDERS-ROE公司于20世纪60年代制订了“三步走”的发展计划，最终目标是研制横渡英吉利海峡的大型车客渡船。如下页表1所示，该公司于1961年研制了SR.N2，1963年研制了军用型的SR.N3，1964年研制的SR.N5共建造了8艘，1965年研制的SR.N6先后建造了57艘，1968年研制了专用于英吉利海峡渡轮的SR.N4大型气垫船共6艘，1964年采用HDL公司Denys Bliss发明的更高效囊指型围裙以代替先前的周边射流型围裙。

图1 英国的SRN1横渡英吉利海峡（中图深色部分为喷气筒、右图为安装围裙后）

图2 SRN1风机气流一部分向下垫升船体、另一部分进入喷气筒推进（小球代表气流）

表1 早期的SR系列气垫船有关参数

SRN1最初并未安装柔性围裙，仅依靠船体周边的刚性气道沿壁射流将船体托起，升高达0.23 m左右，受海浪影响大。在安装柔性围裙后，越障高度由0.23 m增至1.07 m，真正具备了水陆两栖性，最大航速也增至50 kn。SRN2总重27 t，可载客70名，采用新型可旋转桨塔结构（其上安装敞开式空气螺旋桨，其下为卧式离心式风机），首次采用集成式推进垫升系统、操控系统。SRN3尺寸进一步放大，总重37 t，可载客150名，首尾各设置1套可旋转桨塔结构。SRN4总重180 t，可载客254名，外加32辆小轿车，左右两舷首尾各设置1套可旋转桨塔结构（共4套）。其采用全新的船体与气垫构型，尾部设4台燃气轮机作为主动力，并设有高置的长轴系（位于客舱顶棚）驱动首部的螺旋桨与垫升风机。SRN4为首艘能在开阔海域运行的气垫船，可全年无休地横渡英吉利海峡。在SRN4上持续进行围裙研究，1972年应用锥形围裙技术，使船正常垫升状态下有约0.5°的抬头，不再需要刻意压载使船略微抬头，从而解决了围裙手指承载大、尾部围裙下部小囊易撕坏，大囊寿命短的难题。

图3为SRN4-Mk3大型气垫船图示。

图3 SRN4-Mk3大型气垫船图示

前期的SRN1、SRN2、SRN3作为试验过渡船，均仅建造一艘。SRN5与SRN6基本为同期设计建造，SRN5发展为美国贝尔公司的SK-5并参与越南战争，成为第一种参加实战的气垫船（美陆军舷号901、902、903），即湄公河上的“怪物”，可执行训练、救援、巡逻、侦察、搜索、突袭和伏击等多种任务。SRN6前后共建造57艘，并通过接长而发展出Mk1、Mk6、Mk6C等多种改进型。

为解决早期气垫船所遭遇的高速纵向低头埋首等问题，经大量SRN5、SRN6实船及无线电控制自航模的试验，摸清了高速纵向低头埋首的机理，通过在首部围裙设置带单向进气阀的D型囊方式解决了该难题。另一方面，通过改进横风、横浪、拍岸浪下的操作规范，解决了气垫船侧向低速翻船的难题。在此期间，英国科学家通过理论与试验研究，解决了气垫兴波所产生的阻力峰值阻力计算与越峰推力裕量以及浅水效应对阻力产生影响等难题。

1970年，随着为英国皇家海军设计的军用型气垫船BH7的建造，英国气垫船公司（BHC）成立，SAUNDERS-ROE成为其中一个部门，负责气垫船的建造，同时产品从SR系列过渡为BH系列。但BH7仍为铆接式船体结构、采用燃气轮机作为主动力，同样发展出Mk2、Mk4、Mk5等多种改进型，可用于试验、后勤支援和导弹攻击等。

1.2 SRN4增能改进及改进前后性能比较

第一艘SR.N4在1968年夏季投入横渡英吉利海峡的运行，1969年春季又投入了2艘，前后共4艘。其中2艘为Mk1型，每艘能运载254名乘客和32辆轿车。另一处运行的4艘为Mk2型，每艘能运载284名乘客和37辆轿车。

从1976年起，随着英吉利海峡的客运量增大，业主考虑增加船的运载能力。于是BR Seaspeed公司决定将2艘Mk1接长16.76 m改装成Mk3（即超4）。超4比原船可增加70%的装载量，由32辆轿车增至57辆，由254名乘客增至418名。随着装载量的增大，必须改善速度和运动性能，则每台发动机功率从2 500 kW增至2 794 kW并采用深围裙和6.4 m大直径螺旋桨（原为5.79 m）。SRN4通过加长主船体结构、改进围裙、增大主机功率后改装为SRN4-Mk3，大幅增加了运载能力，提高了适航性与经济性，改进前后有关参数见表2。

表2 SRN4-Mk1与SRN4-Mk3有关参数比较

BR Seaspeed于1977年2月将第一艘Mk1型（舷号GH2007，Anne公主号）改装后于1978年9月重新投入运行；第二艘Mk1型（舷号GH2006，Margaret号）则在1978年9月改装并于第二年5月投入运行。改装后船的出航率及运载量均大幅提升，取得良好的经济效益；但随着英吉利海峡海底隧道的开通，高速气垫车客渡船的作用日益下降。2000年10月1日这2艘Mk3型气垫船（Anne公主号、Margaret号）正式退出服务。

SRN4-Mk3为减少阻力与垫升功率、降低船在风浪中的失速以及改善恶劣气候条件下的运动性能、提高耐波性与改善乘坐舒适性，对相当于常规船船体型线的围裙系统作了重大改进，主要包括：增大围裙垫升高度，增大围裙手指高度（从1.22 m增至1.83 m）与宽度；降低平均囊压比（从而降低垫升功率损失中的最大一项即囊孔损失以提高推进功率）、增大囊孔有效总面积（用直径0.15 m大囊孔代替原开在围裙胶布织物骨架间的直径0.008 m密集小囊孔，有效总面积从13.93 m2增至32.51 m2）；重新设计围裙侧尾分离处的专用封闭锥筒指，改善该处漏气间隙；首部围裙的外接线到指端的高度从Mk1的2.44 m左右增至超4的4.57 m以上，可有效防止围裙缩进。船模试验及实船测试结果表明，在任何情况下Mk3围裙没有埋首的趋势，遭受尾波时纵向减速度小于0.1 g，比Mk1小得多；随着船的加长，采用低囊压比与高手指的深围裙，显著改善了乘载的舒适性，尾部升沉加速度仅为同样情况下Mk1的1/2~2/3。

根据有关资料，对SRN4在W=165 t时的静水阻力进行估算，与文献［1］中SRN4阻力、主机持续功率推力与最大功率推力的比较参见图4，同时给出SRN4-Mk3的静水阻力，而SRN4-Mk3对应的最大推力按照主机功率增大的百分比进行最大推力估算，由图4可见SRN4-Mk3静水航速可超过60 kn。SRN4、SRN4-Mk3的无因次静水阻力的比较参见图5。

图4 SRN4、SRN4-Mk3静水阻力估算及与文献［1］数据比较

图5 SRN4、SRN4-Mk3无因次静水阻力比较

2 中期气垫船（轻型柴油机）

2.1 BH系列气垫船

英国早期气垫船除SRN1采用航空活塞发动机外，均采用燃气轮机作为主动力，且船体采用铆接铝合金结构。随着中东石油危机爆发，高油耗的燃气轮机成为气垫船发展的障碍。1982年，BHC公司与Griffon公司合作研制了全新的AP.1-88气垫船，船体建造理念由以前类似于航空而转为船舶，采用全焊接船用铝质船体结构，以低油耗的风冷柴油机为主动力，垫升与推进动力系统相互独立设置，采用粉末联轴器与齿形皮带传动，从而大幅降低建造、运行及维护成本。后阶段，又根据实际需要，研制了尺寸更大的AP.1-88/100、AP.1-88/200以及AP.1-88/Dash400型，可进行客货混装；而后，又陆续研制了BHT130、BHT150、BHT160、BHT180等系列。具体参数见表3。

表3 BH系列气垫船有关参数

BH系列气垫船（最早的BH7除外）的主要技术特点为：铝合金船体结构采用全焊接方式建造，大幅降低建造成本；采用成熟可靠的风冷或带中间冷却水箱的车用柴油机作为主动力，降低油耗；设置首推器以提高低速操纵性与抗侧风能力，推进垫升系统相互独立从而降低单台主机功率需求；采用导管空气螺旋桨推进，提高推进效率；导管后缘安装空气舵，提高操纵性；采用首高尾低的锥形囊指（Bag-Finger）型围裙，侧尾围裙分离以减低阻力。在核心船型基础上，通过增加船长来提高装载量以满足客户需求，并提供客运、客货混装等不同装载模式，从而降低研发成本。

2.2 Griffon系列气垫船

Griffon Hovercraft由现代气垫船的发明者CockRell爵士创建，2008年英国的Bland Group集团 将Griffon Hovercraft与Hoverwork收购合并为Griffon Hoverwork Limited （GHL）。经过50多年的发展，建造各型气垫船200余艘，产品遍布五大洲40多个国家，一直处于气垫船研发的行业前沿［6］。研发的Griffon系列气垫船则主要用作军事用途，其经典船型性能参数见下页表4。

Griffon 8000TD建造了25艘，出口到印度、韩国等多个国家。其中，印度海岸警卫队于2001年购买及授权建造了6艘（舷号依次为H181~H186），2012~2014年间又完成了第二批12艘的购买（舷号依次为H187~H198）。韩国则购买了8艘，主要用于其西部沿海5岛的巡逻，舷号依次为L01~L08。此外，韩国还购进1艘BHT150，舷号为L-09。而尺寸稍大的Griffon 8100TD则出口至瑞典、立陶宛。

Griffon系列气垫船（最早的380TD除外）的主要技术特点为，集成式推进垫升系统布置于船尾部，以风冷或带中间冷却水箱的车用柴油机为主动力，柴油机向前同轴驱动垫升风机，向后通过齿形皮带驱动导管空气螺旋桨；采用前后高度一致的开囊指（Loop-Segment）型柔性围裙，侧尾连续过渡，侧部围裙中后部设有防飞溅裙布，侧部围裙内安装边可提升移动以控制船横倾角，由设在操纵方向盘上的两个开关来控制；两舷设置可拆卸式气道甲板，甲板上部侧边各设3个防护橡胶垫；船四角分别设置油舱并燃油调驳系统来调整船纵倾、横倾及斜倾，在首尾设有压载水舱以调整纵倾姿态；Griffon 8000TD与Griffon 8100TD在尾部机舱两侧的气道甲板上还设有放气风门装置。

表4 Griffon系列气垫船有关参数

3 近期气垫船（柴电混合驱动）

2014年，Griffon HoverWork的总工程师Mark Downer为减少频繁动态调整纵倾姿态所需的压载量（水或燃油），引入了车用电力混合驱动技术，即在新设计建造的Griffon 995ED型气垫船上，将2台1.6 L的Ford Tiger车用柴油机设置在船首，而不是设于船尾的常规布置方式。为此，将无磁轭分段电枢电机（Yokeless and Segmented Armature，简称YASA电机）引入到气垫船动力系统设计中［7］。在Griffon 995ED船上，类同汽车上的同步发电机，用柴油机直接驱动近邻的垫升风机与一台YASA P400电机作为发电机（参见下页图6），将产生的电送至与导管空气螺旋桨轴相连的另一台YASA P400电机直接驱动螺旋桨。由于995ED船左右两舷的电动机相互独立且能反转与无级变速，导管桨提供的操控力更为灵活多变，为此，该船甚至取消了导管桨后常用的空气舵。995ED设有2个船员座椅，装载量995 kg，装载区域可布置6人座椅或2副担架及医生，见下页表5。

YASA电机公司由Tim Woolmer于2009年在英国创建，其革命性的小尺寸高功率密度YASA电机特别适用于狭小的动力布置空间，其外形以及产品参数见下页图7及表6。

图6 采用YASA P400电机驱动导管空气螺旋桨的Griffon 995ED（左）以及柴油机驱动风机与YASA电机的动力系统（右）

表5 Griffon 995ED主要参数

图7 YASA P400电机3D图

表6 YASA电机有关参数

运营于英国南海（SouthSea）至莱特岛（Isle of Wight）航线（航程4.4 n mile耗时约10 min）的Hovertral公司，于2016年订购了2艘新型气垫船Griffon 12000TD，即Solent Flyer与Island Flyer，编号依次为GH2160、GH2161。与此前运行的AP.1-88型气垫船相比（参见图8-图10以及下页图11和表7），Griffon 12000TD采用了多项技术革新，如采用柴电混合驱动，将柴油发动机放 置于船尾，驱动导管空气螺旋桨、垫升风机及电动机，垫升风机与柴油机横向并排布置，大幅节省了机舱布置空间，且不再要求发动机与垫升风机同一轴系高度，因此主机可尽量低位布置，从而有效减低船的重心高度。将首推器置于客舱前部上方，左右各一，分别采用一对YASA P400电机驱动，位于船尾的YASA P400电机直接与柴油发动机相连，可传输功率约65 kW［7］，使船具有良好操作性；将导管空气螺旋桨直径加大，且其后端的舵叶采用内倾布置，有利于消除桨后高速气流所导致的偏航；采用粘接式方法建造铝质船体，而非以前的焊接式；乘客可从船首两侧的通道（左为台阶式、右为斜坡跳板式）快速上下船，缩短登离船所耗时间，相对于垫升主机/风机置于客舱两侧的布置方式，大幅降低了客舱噪声，实测值74 dB，与办公室噪声水平相当［8］。

图8 AP.1-88（左）与Griffon 12000TD（右）布置示意图

图9 Griffon 12000TD船体结构、首部上下通道

图10 AP.1-88（左）、Griffon 12000TD（中、右）的首推器

图11 Griffon 12000TD主机、轴系、导管空气螺旋桨布置

表7 最新渡船Griffon 12000TD与AP.1-88有关参数比较

4 未来发展计划（重载军用）

在2017年12月上海国际海事展上，Griffon公司发布的资料表明，其正在研发载重量更大的Fast Craft Air Cushion （FCAC），即Griffon 35000TD与 67000TD［9］。

如下页表8以及图12所示，此两型船主尺度和总布置基本一致，可停放于大型母舰的坞舱内，但采用的动力系统不同。Griffon 35000TD装载量为35 000 kg，以柴油机为动力，每舷布置2台并车用于推进，1台用于垫升，在靠首部的登陆兵舱上部设置电力驱动的小型摇头导管空气螺旋桨作为首推器，垫升采用混流式风机。

表8 Griffon 35000TD/67000TD与美国SSC有关参数比较

图12 Griffon 35000/67000TD及其在母船坞舱内停放示意图

Griffon 67000TD装载量为67 000 kg，以TF50燃气轮机为动力，每舷布置2台 并车后向前驱动垫升风机，向后驱动导管空气螺旋桨，同样在靠首部的登陆兵舱上部设置电力驱动的小型摇头导管空气螺旋桨作为首推器，垫升采用离心式风机。

TF50燃气轮机的双机并车模型见下页图13。可见，其与美国正在研制的舰岸连接器——SSC的动力系统布置有较多相似之处。TF50燃气轮机的功率为3 800~4 200 kW，与美国SSC的MT燃机功率3 800~4 250 kW基本相当；导管空气螺旋桨直径4.2 m，大于SSC的3.58 m，可降低桨的噪声。

图13 Griffon 67000TD采用双机并车齿轮箱（左）与美国SSC上采用的组合齿轮箱（右）

5 性能分析及技术发展路线图

对Griffon的SR系列、BH系列气垫船的长宽比进行统计，参见图14。可见，除最早期的SRN1、SRN3之外，长宽比基本处于1.7~2.3。

图14 英国SR系列、BH系列气垫船的长宽比统计

对Griffon 12000TD进行性能估算，可得其垫升流量约100 m3/s，所需总垫升功率约320 kW。单侧主机功率793 kW扣除65 kW首推器所用功率，垫升风机所需功率160 kW，其余用于导管空气螺旋桨。估算的静水阻力与推力结果如图15所示。可见，其满载静水航速可达45 kn，这与AP.1-88/100在小风浪条件（浪高h1/3<0.05 m、风速Vb< 2 m/s）下的航速为40 kn基本相当。由于Griffon 12000TD的航速受船纵倾姿态影响较大，所以船的四角均设有油舱，并设置调驳系统以动态调整纵倾角，其操作界面见图16。

图15 Griffon 12000TD满载静水阻力、推力估算

图16 四个边角油舱的调驳操作界面

全垫升气垫船具有水陆两栖性，设置有围裙、空气螺旋桨（空气舵）、首推器等特殊系统设备，在气垫船发展过程中，这些技术在不同型船中相互借鉴，创新的技术经实船使用考核后，得到广泛使用［10］，见图17。如最新型的Griffon 12000TD，虽起源于BHC公司的BH系列，但由Griffon设计建造后，不再采用原SR/BH系列气垫船尾部的侧尾分离围裙形式，而是采用Griffon系列气垫船尾部的侧尾不分离围裙形式，参见图18和下页图19。

图17 英国气垫船技术向美、日等国的技术扩展及反馈示意图

图18 SR/BH系列气垫船尾部的侧尾分离围裙形式

图19 Griffon12000TD采用Griffon系列气垫船尾的侧尾不分离围裙形式

此外，随着柔性功率传输的轻型高效YASA电机在气垫船上的引入，使垫升风机的柔性布置也成为可能。未来可为气垫的每个分隔气室配置独立的垫升风机，结合先进传感器的应用及电机的无级调速功能，在风浪中可实现对气垫压力变化的主动控制，从而提高船的乘坐舒适性。

6 结 语

英国气垫船的发展充分体现了技术创新的引领作用，持续的技术进步使其不断向前发展。虽然其局限性（如高噪声、高油耗）与鲜明的技术特色同样突出，但在特殊地域（如北方流冰期巡逻交通、沼泽湿地等）的物资运输以及抢险救灾、夺岛登陆等方面具有不可替代的作用。随着所运载装备的发展，气垫船也随之与时俱进，新型车用电机的出现为其操控性设计提供了新的可能性，有利于性能提升。本文介绍了英国气垫船的技术发展，并对其性能进行统计分析，期望能为国内气垫船设计研究提供一定参考。