极地气垫破冰/运输平台破冰机理和关键技术

高 嵩 张 俊 张 进

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着北极冰层加速消融，北极地区的潜在价值日益凸显。北极地区不仅蕴藏丰富的油气资源和海洋资源，同时作为连接大西洋-北冰洋-太平洋黄金航线之一的北极航道将极大改变目前我国80%以上的国际贸易依赖南海、马六甲海峡航线的局面，为中国开辟一条新的远洋航运通路，成为一条连接中国与欧洲、北美以及环北极等国家新的“海上丝绸之路”，极大地缩短我国与西欧及北美贸易航程，可减少航程 40%以上，其经济利益和商机十分可观。

目前，我国对舰船进入南北极、尤其是北极有着迫切需求，无论当前对北极海洋环境的调查、对各类装备在高寒高纬度条件下的性能试验，还是今后为其他舰船进入北极提供航道及任务海区破冰保障、物资补给和情报支援，都对可在极地环境下执行任务的破冰/运输船有着明确的需求。此外，极地地区物资运输主要通过“雪龙”号，该船无法将物资直接运送到科考站，需通过直升机、雪橇车等运输工具进行转运，这些交通工具受环境、地形影响较大。因而，开发一型能够用于极地等寒区低温环境下应用的，兼具破冰和运输功能的平台对我国极地地区科考、延长北极航道通航期、寒区低温环境物资及人员转运、应急救援等都具有十分重要的意义。

1 气垫破冰原理简介

全垫升气垫平台是一种贴近支撑面（地面、水面、冰面等）滑行的高速运载工具，具有许多优良的特性，它航速快、两栖性好、水下物理场小、环境适应性强等，在军事、救援、破冰、扫雷等领域具有明显优势［1-2］，因而得到世界各国的高度重视。全垫升气垫平台的工作原理是利用大功率风扇向船体底部快速压入大量空气，使船体底部与水面之间形成动力气垫，使船体全部脱离支撑面，同时使用柔性围裙围在船底封闭气垫以增加船体飞高，提升冲滩和越障的能力［3］。传统破冰船是依靠螺旋桨和船头力量实现破冰，而气垫平台破冰是通过底部动力气垫与水耦合作用所产生的兴波来实现。气垫平台具有两种不同的破冰模式：低速模式和高速模式，也称静态破冰和动态破冰［4］。

1.1 冰面静态破冰机理

低速模式气垫平台又分为无动力气垫平台和自航气垫平台，无动力平台是指气垫平台自身没有推进设备，只能依靠母船的推动航行；而自航气垫平台是指平台自身安装了推进系统，能够依靠自身力量航行，两者破冰机理并无明显区别。低速模式气垫平台破冰机理如图1所示。

图1 低速气垫破冰原理示意图

气垫平台在全垫升状态下被母船推动（无动力平台）或通过自航模式，从水中低速接近冰层。由气垫产生的表面兴波随船不断前进，兴波传递的速度大于船速，因而当船未到冰层时，兴波已经传递到冰层下方，如图1（a）所示。

此时，兴波将来自动力气垫的气流也导入冰层下方，在冰层下方形成气腔，形成冰层悬臂梁效应。由于气腔内直通大气环境，气腔内压力为大气压力，因而冰层悬臂梁效应产生的弯矩不会对冰层造成破坏，但是当兴波进入冰层下方一定距离后会形成反射波，与新形成的兴波耦合产生的气腔周期性波动。当波动频率接近冰层固有频率时，会引发冰层发生共振，产生破坏。如果没有引发共振，则冰层不会出现破坏。随着气垫平台不断接近冰层，表面兴波传递到冰层下方的距离减小，冰层下方形成的气腔长度不断增加。

气腔周期性波动频率也不断增加，当气垫平台首部围裙抵达冰层上方某一点时，形成的气腔如图1（b）所示。气腔内压力用Pg表达，且有Pg= ρgh（h为气腔的水头压力高度）。而位于冰层上方的气垫压力由Pc表达，气腔的长度定义为d1。图中可见，冰层受到的弯曲力矩Nz等于其自重在悬臂梁作用下产生的弯曲力矩与上下表面压力形成的弯曲力矩之和，即

式中：FAVC、FC和Gi分别表示气垫平台产生的向下的压力、气腔内空气产生的向上的支持力以及被掏空冰层产生的向下重力；d1、d2和d3分别表示冰层上方气垫压心、冰层下方气垫压心以及被掏空冰层重心距离气腔内边缘悬臂梁支点的距离。

当Nz超过冰层能承受的破坏力矩后，发生冰层断裂，达到破冰效果。如果当兴波第一次进入冰层下方而没有造成冰层断裂，但会造成冰层出现放射状的裂缝，这表明冰层已经达到了实际承压能力，只是还不足以使冰层断裂而已，但是冰层的强度已经大幅下降。此时气垫船仍在冰面上前进，由于冰层并未断裂，冰层下方兴波将反射回气垫平台底部形成反射波，反射波与前进的兴波在冰层下方相互作用，使气腔的体积不断变化，d1、d2和d3随之出现周期性波动，导致破坏力矩Nz出现周期性波动，从而使裂缝不断扩大，并最终导致冰层发生断裂形成冰块。此外，当破坏力矩Nz的波动频率与冰层自身的固有频率接近时，会引发冰层发生共振现象，从而出现大面积的冰层断裂现象，大幅提高破冰效率。

通过上述分析可知，低速气垫破冰的基本原理主要是通过空气取代冰层下部水，冰面失去浮力支撑，形成悬臂梁效应导致冰层断裂。因而破冰能力与气垫兴波密切相关，主要取决于气垫兴波的波长和波幅，以及兴波与反射波耦合产生的气腔周期性波动。其中，气垫兴波的波长和波幅主要与气垫平台气垫压力和航速有关，气垫压力越高，则破冰能力越强，当然两者为非线性相关关系；而航速越接近阻力峰航速，兴波的波幅越大，形成的气腔面积就越大，冰层悬臂梁效应越大，破冰能力越强，这是气垫船自身的固有特性。［4］

此外，通过上述破冰原理分析可知，破冰能力与水面兴波的周期性波动密切相关。波动频率越高，破冰效果越好，如果波动频率接近或达到冰层弯曲固有频率，其破冰效果将会非常好。由此可进一步分析，如果气垫平台自身能够使产生周期性兴波，也即为气垫平台通过调整垫升流量主动引发颠振现象（在常规气垫船设计中需避免的现象），使气垫压力出现周期性波动，并控制波动频率接近冰层固有频率引发冰层共振，从而将大幅提高破冰能力和破冰效率。

1.2 冰面动态破冰机理

气垫平台高速动态破冰的机理可认为是移动载荷激励冰层引起的聚能共振增幅效应。当气垫平台以特定航速（临界速度）航行于冰面上时，底部气垫对冰层上表面施加移动载荷，并在冰层表面形成动态应力变形船行波，且气垫平台始终位于船首部兴波波峰后方，对所兴起的船波起持续的推波作用，不断补充波动的能量，在冰面兴起峰值较大且不断前移的压力波，激励冰层反复变形形成冰面兴波，气垫平台产生的兴波过程如图2所示。

图2 高速气垫破冰原理示意图

冰面变形波的传播速度vb与波形的固有频率ωb之间存在如下关系

式中：k为波数/变形波长，与气垫长度相关；ωb与冰层厚度、弹性模量、泊松比，甚至冰层下方水的密度等冰层-水层物理特性都有密切关系。

当气垫平台的航行速度由静止到逐渐接近冰面变形波速度vb时，冰面兴波的波倾角不断增加，冰层内累积的波形能量也开始逐渐积聚，此时气垫平台的航行阻力也不断增加，但冰层内累积的能量尚不足以造成冰层断裂，如图2（a）所示。

当气垫平台的航行速度与冰面变形波速度vb达到一致时，冰层内累积的波形能量传播速度与气垫平台的航行速度一致时，导致冰层内累积的能量无法离开气垫载荷辐射出去，在气垫载荷连续兴波作用下，冰层能量不断累积，其波动变形的幅值不断增加，冰面兴波的波倾角迅速增加，从而产生聚能共振增幅效应，导致冰层内应力不断增加。当其超过极限应力时，冰层将发生破裂，此时气垫平台的航行阻力和冰面兴波的波倾角达到极大值，对应的气垫平台航速称为临界航速，也即为气垫平台的冰面航行阻力峰速度，如图2（b）所示。

当气垫平台的航行速度大于冰面兴波速度vb时，气垫平台超越船首的波峰，对所兴起的船波起相反的压制作用，波倾角开始减小，船首冰层内能量无法持续累积，以散波的形式向气垫平台前进方向传播，也难以形成破冰效果，如图2（c）所示。

当冰层被破开后，气垫平台继续向前航行，兴波将随船继续向前推波补充能量，冰层的横向弯曲变形和应力重新积累，积累到一定程度时纵向裂缝前端的应力集中效应引发新的横向破裂，开始新的破冰周期。由此可知，气垫平台动态兴波主要是通过平台的航行速度接近冰面应力兴波的共振速度，导致兴波能量无法耗散，只能持续积累，引发冰面大变形导致破裂。当平台航速小于临界航速时，冰层表面兴波能量不断向外传递，无法积聚，也无法起到破冰效果；而当平台航速超过临界航速时，气垫平台逐渐追赶并超越船首的波峰，对所兴起的船波起相反的压制作用，难以在冰面上兴起峰值较大的船波，对破冰效果是不利的。因此，气垫平台高速动态破冰能力主要取决于破冰临界速度和气垫压力。［5］

高速模式通常能使冰层破裂成较大的冰片，尺寸比气垫船的船长大，破冰效率高于低速模式。然而，考虑到冰层物理特性敏感参数较多，冰面兴波固有频率ω的值与冰的厚度、含盐量、连续性、积雪情况等参数密切相关，难以计算气垫兴波在冰表面的传递速度，因而通过气垫平台动态在临界速度下进行破冰难度较大，通常工程实践中高速动态破冰主要用于大面积开阔水域下的均匀连续冰层。

2 国外气垫破冰船应用情况

加拿大科研人员在1971年使用气垫平台运输设备时，首次发现气垫平台具有破冰功能，引起近北极国家的高度重视。截至目前，俄罗斯、美国、芬兰和加拿大等国开展了大量的气垫破冰平台机理和方法研究，在气垫破冰船的试验及实船测试方面积累了丰富的设计实践经验。

美国海岸警备队在1977~1978年冬季，在伊利诺斯州的密西西比河上利用LACV-30型自航气垫平台和RIVER GUARDIAN号非自航气垫平台开展了大量的实船破冰能力测试，最后证实气垫平台具有较强的破冰能力和较高的破冰效率，并对两种气垫平台的破冰方法进行详尽研究。加拿大的Sunoco E&P有限公司于1971~1972年冬天在加拿大西北部的Great Slave Lake上开展ACT-100气垫运输试验，重点研究其破冰能力与装载、速度关联性，试验结果显示ACT-100在高达6.4 km/h速度下不断破开68 cm的冰水层。该公司随后在蒙特利尔用Terracross H-119气垫拖船开展进一步试验，该船能够轻易破开23 cm的冰层。俄罗斯在气垫破冰平台方面也进行了大量研究，并开发了LY等系列的气垫破冰平台，其研究至今仍在持续。

表1［6-7］中给出各个国家气垫破冰平台的基本性能指标和破冰能力，图3 -图5分别给出美国的ACT-100、JEFF A和英国的AP1-88实船破冰照片。

表1 各国破冰气垫平台参数

图3 ACT-100由常规破冰船顶推破冰

图4 英国AP1-88气垫渡船动态破冰

图5 美国气垫船JEFF A以35 kn航速高速破冰试验

3 极地环境气垫平台设计关键技术分析

气垫破冰/运输平台能够贴近冰面/水面航行，技术特性横跨船舶与航空两个领域，设计研究难度较大，而运行于极地等低温地区的气垫平台更是需要具备足够的低温冰雪环境下正常航行作业的能力。极地地区和国内地区的主要区别在于其环境条件差别较大，平均温度环境在-25℃以下，且常年被积雪覆盖。当气垫平台在极地环境下应用时会遇到如下的问题：

3.1 空气螺旋桨与垫升风机结冰/挂冰问题

气垫破冰/运输平台在覆雪冰层上高速运动时，尾部会形成气-雪雾混合流场，空气螺旋桨在该混合流场中，推进效率会降低，产生动力衰减；同时，气垫平台高速运动过程中，桨叶遇上水蒸气产生凝华结冰或遇上过冷水会产生滴状结冰，螺旋桨由于高速旋转而能捕获更多的过冷水滴。桨叶梢部由于动力增温，一般不会积冰，但根部及导管前缘积冰很快，使螺旋桨效率降低，并伴有由于结冰不规则所引起的桨叶振动问题，严重时会发生强度问题。

3.2 耐低温防脆化围裙问题

极地低温环境易造成气垫破冰/运输平台围裙脆化破裂，冰水混合物中航行也导致围裙易被浮冰刺穿或割裂，因而需开展专门的耐低温、高强度围裙胶布研制与试验工作，并在此基础上研发专用的破冰围裙。

3.3 极地气垫破冰平台垫升系统设计及防飞溅问题

极地气垫破冰平台在运输模式下，为提高其快速性和适航性，要求低密度大流量的垫升系统；而在破冰模式下，为提高破冰能力和减小飞溅，需要高密度小流量的垫升系统，两者互为矛盾。因此，在垫升系统方案中，需设计能够兼顾运输与极地破冰模式的性能曲线并研发满足该性能的风机翼型，同时在方案中还需考虑围裙系统的防飞溅设计。

3.4 发动机余热利用问题

在极地低温环境下，垫升、推进等关键设备都会出现结冰现象，从而大幅影响气垫平台性能，因而采取相应手段进行防护。由于气垫平台对重量极为敏感，因此通过增加功率加热手段受到较大限制，因而需要研究发动机余热利用技术，从而在解决低温结冰同时大幅减低主机的负荷。

3.5 多界面地形条件下运动与操控问题

气垫平台在低速破冰过程中，引起围裙泄流量和气垫压力改变，影响气垫压力的分布和姿态角变化幅值，从而影响到气垫平台的垂向与纵向稳定性；气垫平台在覆雪冰层上高速运动时，围裙与冰面的摩擦力很小，在转向操作中，会出现大侧漂和甩尾现象，不易控制。在极地复杂地形下，冰脊随处散布，因而需要气垫平台具有更好的操控性。因此，需对多任务条件下的气垫平台运动特性和操控策略进行研究，进而开发研制适用于多任务和复杂地形条件下的气垫平台操控系统，对保证平台安全作业有着十分重要的意义。

只有在气垫破冰/运输平台设计中解决上述关键问题，才能开展适用于极地地区气垫破冰/运输平台总体方案研究，实现在极地地区装备气垫破冰/运输平台。

4 结 语

极地气垫破冰/运输平台不仅可以用于极区人员物资转运和航道开辟，还能用作极地救援和科考平台，具有应用范围广、效率高、功率耗费低、受季节和地形限制小等优点，是极地地区有效的运载工具。同时，应用气垫平台进行破冰，不仅具有应用范围广、破冰范围大、效率高、功率耗费低，而且使用率较高，不受季节的限制，无需占用专门的停靠码头，减小港口、码头的水位负担。本文对气垫平台静、动态原理进行深入分析，并对极地地区气垫破冰/运输平台设计所面临的关键问题进行梳理，为极地地区气垫破冰/运输平台的研制提供初步思路，也为进一步研究新型极地装备提供了一定参考。