新型铝镁合金刚性充气高速艇的研发与应用

郭宇平

(厦门港务集团，福建 厦门361000)

0 引言

目前国内小型高速执法/救助艇一般采用玻璃钢材质居多[1]。由于玻璃钢材料存在不耐火、不耐磨及无法降解回收利用的弱点，因而国际上执法艇建造采用铝镁合金材料替代玻璃钢已成行业趋势。与此同时，刚性充气艇技术(RIB)是刚性艇体与充气护舷组合而成的新船型，以重量轻、储备浮力大、抗撞击、便于舰载收放、能耗低等优越性能[1]，正逐步应用于海洋行政执法艇。

本文根据国内海洋行政执法机构的需求，将铝镁合金材料与刚性充气艇技术融合一体，用于新一代高速执法艇的研发，使得新型执法艇在装备制造环节，就能体现绿色节能可持续发展理念，在港口巡逻、引航救助、渔业管理、海洋环境监测等方面发挥更大作用。

1 船型方案

1.1 概述

12.7m高速艇为敞篷式铝镁合金底高速刚性充气执法艇,船体采用铝镁合金材料，船舷采用海帕龙(HYPALON)充气护舷，属于高速敞口船，具有重量轻、航速快、耐波性好、抗撞击、机动灵活等特点。该艇配备2台221 kW柴油舷内外机,具备夜航能力，用于国内海洋平静水域营运限制区域的海上执法巡逻和应急救助抢险。

1.2 设计依据

设计依据为国家海事局《沿海小型船舶检验技术规则2016》[2](简称《小船法规2016》)。

1.3 艇体结构采用铝镁合金材料的优势

铝镁合金具有比重和弹性模量小、耐腐蚀、可焊接、易加工、无磁性和低温性能好等特点，用于船体建造具有如下优点：

(1)比重小，可减轻空船重量，降低能耗。

(2)强度高耐摩擦，抗腐蚀性能好，能减少维护费用，可延长使用年限(通常在20 a以上)。

(3)加工成形和焊接性能好。

(4)弹性模量小，吸收冲击应力的能力大。

(5)铝废料可回收循环使用。

(6)无低温脆性，最适合做低温设备。

(7)非磁性，罗盘不受影响。

(8)没有虫害和干燥变形。

(9)阻燃，遇火灾较安全。

铝镁合金材料解决了玻璃钢材料不耐火、不耐磨及无法回收利用的弱点，加工制造环节减少了模具成本，大量节约了木材，因此无论从安全可靠性、维护便利性、经济性及环保角度考虑，公务执法艇的船体采用铝镁合金材料的优势更加明显[3]。

1.4 型线及主尺度方案确定

本艇型线方案综合考虑了稳性、快速性、耐波性和总布置的要求。

1.4.1 折角线型

本艇长度弗劳德数Fr约为1.71，属于高速滑行艇。由于滑行状态时仅艇底部与水面接触，因此型线的主要特征尺度体现在折角线的尺度上[1]。参考优秀母型船，本艇采用深V折角线型，型线中部底斜升角25°，设计水线首端进水角20°。

1.4.2 船中折角线宽

为获得有利攻角，滑行艇存在理论上的最佳折角线宽度，但综合考虑布置、结构重量及造价因素，12.7 m高速艇以机舱布置双主机的需求来确定船中折角线宽度b(取b=2.37 m)。由于双机动力布置在艉部，艉部宽度太小将导致艉倾增大，增大艇首的抨击和喷溅，对快速性不利，因此艉部宽度与中部基本一致。

1.4.3 艇长度

根据国外统计资料，刚性充气艇折角线长度与宽度比值约为4～6[1]，艇长度的确定主要考虑船舶布置、结构重量控制需求。本艇水线长度取Lwl=11.30 m,Lwl/b=4.76。

1.4.4 重心纵向位置

滑行艇重心纵向位置对航行性能影响较大。为有效控制海豚运动及艇首的波浪抨击，必须对全船结构重量、舾装重量、油水备品装载重量进行精确分析计算[1]。

1.5 主要技术参数

总长12.70 m，含首尾附体总长13.80 m，船长11.25 m，最大船宽(含护舷)3.334 m，型宽2.85 m，型深1.37 m，设计吃水0.60 m， 满载排水量7.20 t，设计载重量2.00 t，护舷气囊直径0.5 m，气室数7个，续航力300 n mile，乘员定额10人。

1.6 艇体的布置

全船总布置图见图1。舱室布置具体如下：

图1 12.7 m高速艇总布置图

(1)艉～Fr3为机舱，内设2台221 kW柴油舷内外机。

(2)Fr3～Fr6为后油箱舱，内设1个600 L铝合金柴油燃料箱。

(3)主甲板以下Fr6～Fr13为前油箱舱，内设1个900 L铝合金柴油燃料箱，油箱两侧为浮力空舱；主甲板以下Fr13～Fr15为浮力空舱。主甲板以上为开敞驾驶舱，配铝质驾驶台1套，驾驶座位2个，骑乘式乘员座位8个，驾驶舱上方配1座铝合金天棚；天棚上布置航行灯架1座、旗杆插座、雷达天线等。该处下凹甲板区域配备自动排水系统。

(4)Fr15～Fr20为前封闭舱室，用于存放备品备件。

(5)Fr20～艏为艏尖舱室，内设锚链(索)及锚。

1.7 抗沉性

本艇具有良好的抗沉性能。其充气护舷分隔为7个主气囊室，且浮力空舱中填充阻燃EVA泡沫，全艇舱室在完全充满水或倾覆状态下不会沉没。

1.8 燃油和淡水储量

本艇燃油储备1 500 L，淡水储备110 L。

1.9 主机及设计航速

本艇安装2台D4-300-DP柴油舷内外机。单机额定功率221 kW，额定转速3 500 r/min，油耗57.5 L/h,排放标准US EPA Tier 3。

本艇满载且在风力不超过蒲氏二级的静水试航，2台221 kW舷内外机满负荷的工况下，航速不少于35 kn。

1.10 艇体的结构

艇体采用中国船级社认可的船用5083H116铝镁合金材料制造，其结构为纵骨架式结构，其中：船底外板6 mm，舷侧板4 mm，主甲板4 mm，舱壁板4 mm，结构设计均满足《小船法规2016》对铝合金高速船的要求。

1.11 结构防火

本艇机舱整体四周采用不燃材料(船用铝镁合金5083H116)围闭。

机舱与后油箱舱的相邻限界面设25 mm厚度A30岩棉隔热材料，其表面应防止油类吸附。

机舱后壁与救生筏存放处所相邻的限界面，设25 mm厚度A30岩棉隔热材料，其表面应防止油类吸附。

机舱设有风油应急切断开关，能在机舱外的驾驶台遥控。

2 充气护舷技术特点

刚性充气艇的典型特征就是设置较大的充气护舷，护舷的直径一般取500 mm至600 mm[1]，本艇取500 mm。大尺寸的护舷耐撞击、易维护，采用胶粘方式固定在船舷两侧舷顶位置。与艇体结构比，其重量较轻，有利于控制艇体重心高度，在船舶横倾时护舷提供了较大的浮力和复原力矩，以确保恶劣海况下航行安全[1]。

本艇充气护舷采用海帕龙(HYPALON)材料制造，气囊采用1.1 mm PU(聚氨脂)无台阶焊接成型，设有7个独立气密室，任一气室破损时不会导致整艇功能丧失。艇艏部分加装防护罩1件以保护充气护舷。舷侧设拉手和救生绳。

3 刚性充气艇的稳性

根据《小船法规2016》，本艇的完整稳性应满足对平静水域营运限制区域高速船舶的要求，且必须通过实船试验检验回航时的稳性。由于本艇属于敞口船，首制船还应通过灌水试验验证破损稳性[2]。

对于刚性充气艇新船型，审图机构在审核图纸过程中，要求计算完整稳性时护舷体积不得计入，做实船灌水试验时护舷必须处于未充气状态，理由是护舷材料的强度无法达到船体结构件同等要求。此项要求导致“刚性充气艇”这一新船型的优越性无法在送审图纸中体现，扣除护舷体积的贡献后船型性能大打折扣，有些船型可能不得不增加船宽以满足审图要求。随着国内外刚性充气艇船型数量增加，有足够工程数据积累基础后，法规应针对护舷参与稳性计算给出具体条件,允许满足条件的护舷体积计入稳性。

4 无人化发展趋势

将铝镁合金船体与刚性充气护舷组合而成的新一代执法艇船型，其重量轻、航速快、耐波性好、抗撞击、机动灵活的优点，特别适合无人化发展。以本艇为例，未来可以根据不同的任务需求，进行控制系统模块化设计，改装成无人环保监测艇、无人引航艇、无人搜救艇、无人海警巡逻艇等[1]。

5 结语

本船型首制船于2019年底下水后，轻载试航航速达到40 kn，显示出卓越的快速性和安全性。研究及实践结果表明：采用铝镁合金艇体与充气护舷组合而成的新船型，总体性能优良，绿色节能效益显著，未来该类新船型必将在公务及商用领域展示出巨大的应用价值。