小型地效翼救助船的外观与内装设计

孟 巧，卓悦悦，陈思佳，秦士皓

（南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226001）

0 引言

随着经济和航运业的发展，世界各国逐渐从近海开发转向深远海洋开发[1]。海洋工程建设、海洋渔业、旅游业等项目的建设与发展，必然要求相应的海上救援能力提升。地效翼船的航行状态与飞机的飞行状态相接近，只需要克服空气的阻力便可以顺利升空。根据所配备发动机功率的不同，大型地效翼船的速度能达到700 km/h 左右，可媲美一般的民航飞机[2]。小型地效翼船的速度也可以达到150 km/h 左右，比普通类型的船舶高出3～5 倍。从航行速度看，地效翼船与市面上现存的同级别船舶相比具有明显的速度优势。同时，相比于民航飞机，地效翼船的飞行状态属于低空飞行，大大地减少了由于天气因素带来的不利影响。从船舶适应性的角度来看，地效翼船可以适应恶劣环境，相比飞机具有明显的优势。

地效翼船具有高速性、越障性等特点，可以保证救援的时效性，因此适合作为救援装备[3]。因此，地效翼救助船受到了各界学者的青睐。武汉理工大学王绪明等[4]设计了针对高海况下运行的三体无人救助艇平台，优化了主船体的线形并给出相应总布置图；李永胜等[5]提出了地效翼船主体及翼型的结构设计方法。目前现有的设计主要面向大中型船舶，而小型地效翼救助船鲜有报道。因此本文设计一款面向海上救援的小型地效翼救助船，可以利用地效翼船速度快、起降方便、运载能力强等优势，快速驶向出事地点进行救援，为海上救援装备提供新的设计思路。

1 需求分析

地效翼船通常都是贴水面高速掠行，一旦在飞行过程中发生故障，可利用自身惯性安全平缓地滑落至水面，能停在水面上直接进行修理。在设计过程中，首先要保证小型地效翼救助船在水面上可保持漂浮状态，因此拟采用救助艇的主船体作为母型，提高设计方案中浮性、稳性的可行性。

为满足低空飞行的要求，设计过程中在小型地效翼救助船主船体相应位置增加机翼和尾翼。在飞行时，气流围绕机翼从前向后流动，对机翼的上翼面形成负压、下翼面形成正压，从而产生升力。以著名的“里海怪物”为例，它利用地面效应（也称“气垫效应”）使机翼的升力明显增加，在近地面，在机翼和主浮舟下形成一个空气卷筒，并随着地效翼船运动[6]。在设计中利用地面效应原理，可将吸入的空气斜射到承载面下，从而提高飞行效率，在起飞质量相同的条件下，移动的效率比常规飞机要高[7]。

小型地效翼救助船总布置时，主要考虑海上救援问题。在现代医疗体系中，及时判别遇难者伤情并进行早期救治，可显著降低死亡率与伤残率[8]，因此小型地效翼救助船救助舱室的配置首先要有能够开展血液、尿液等常规检验的应急救援医疗检验设备，其次要能够处理海上遇险人员的应急创伤，并保证其在转移过程中的生命安全。另外，由于小型地效翼救助船的舱室空间狭小，为了让遇险人员感到舒适，要保证足够的空间，可在救助艇母船的原有数据上适当增加船长和船宽，以满足内部空间功能的需要。此外，医疗设备及家具的布置也要充分考虑人机工程学。

2 外观设计

2.1 主船体设计

小型地效翼救助船采用双层底结构，目的是增加船体的强度，同时用作压载舱，提高船舶的浮性和稳性。船底设计为U 形且有较长的平行中体，有利于增大救助船的空间，为遇险人员提供舒适的环境。小型地效翼救助船主船体的主尺度[9]主要由母型船资料根据换算公式确定，并利用AutoCAD 绘制出相应的型线图。

船长L 的母型船换算公式如下：

式中，L 为设计船长；L0为母型船长；Δ 为设计船排水量；Δ0为母型船排水量。

船宽B 的母型船换算公式如下：

式中，B 为设计船宽；B0为母型船宽。

吃水d 的母型船换算公式如下：

式中，d 为设计船吃水；d0为母型船吃水。

型深D 的大小直接影响舱室高度，对小型船舶来说，考虑型深时要注意机舱及生活舱室高度对型深的要求。当吃水d 一定时，D 的大小反映了干舷的大小，因此在设计初期，型深D 可按以下公式计算：

最小干舷：

富裕干舷：

式中，D 为设计船型深；D0为母型船型深；VC、VC0分别为设计船和母型船的货舱总型容积；LM、LM0为设计船和母型船的机舱长度。

方形系数Cb是一个可以反映船体水下部分丰满程度的系数，是排水量和各主要尺度之间的纽带，可以根据以下公式计算和选择：

式中，C 为系数，一般可取1.08；航速较高的船可取1.04～1.06，大型低速船可取1.10～1.12；对于兴波阻力位于“峰”区的船，C 应适当取小些，如减小0.02 左右。Fr 为傅汝德数。对于中高速船，Fr 和L/Δ1/3对阻力的影响相当大，Fr 为0.30、0.32、0.34、0.36、0.38、0.40、0.42、＞0.44 时，对应的Cb应选取为0.55～0.57、0.51～0.56、0.50～0.55、0.49～0.54、0.53、0.52、0.51、0.50。

根据以上公式确定小型地效翼救助船的主尺度为4200 mm×1140 mm×504 mm（L×B×D）。为了方便制作模型，现将设计实船按照6∶1 的比例进行模型绘制与设计，其中模型长为700 mm、宽为190 mm、高为84 mm。具体型线图如图1 所示。

图1 小型地效翼救助船模型型线图

根据型线图的尺寸，利用SolidWorks 进行小型地效翼救助船的外观设计。外观整体如图2 所示，局部细节如图3～5 所示。

图2 小型地效翼救助船整体模型图

图3 螺旋桨外观设计图

2.2 机翼设计

地效翼船的翼型研究主要考虑以下4 个因素：地面效应要强，升力中心随飞高变化的移动量要小，与水动力配合协调性要好，动力增升的需要[10]。

图4 主浮舟外观设计图

本研究中，小型地效翼救助船机翼的设计主要从提高在水中滑行时的升力以及减小在水中滑行时的阻力两方面着手。小型地效翼救助船模型的翼展为440 mm。机翼主要包括机翼和飞行器螺旋桨。由于双凸翼型的阻力比对称翼型大，可以获得较高的升阻比，从而获得较好的气动性能，因此本设计中机翼采用双凸翼型。飞行器螺旋桨提供动力来克服水阻力和空气阻力，从而使小型地效翼救助船完成前进、后退、起飞等工作姿态。图5 为采用Solid-Works[11]绘制的机翼外观设计图，图6 为飞行器螺旋桨设计图。

图5 机翼外观设计图

图6 螺旋桨设计图

3 内装设计

船舶救助舱室低矮、狭窄，且船体、甲板是曲面形状，因此舱内可利用的救助空间比较小。小型地效翼救助船内布置要相对稳定，保持船舶的稳性，同时在设计中也要考虑船员及伤员的舒适性，据此确定救助舱室的布置并应用3DMAX 软件绘制[12]。

主船体内部的布置参考救护车内部的布置，救助舱室有以下几个特点：

（1）紧凑性：船舶舱室一般比较低矮、狭窄，舱室净高通常为1.95～2.20 m。

（2）曲面性：由于船体、甲板是曲面形状，空间分割后必然有些空间呈现曲面性，因而救助舱室的布置必须考虑曲面性特点，设计时要巧妙地利用或隐藏曲面空间，多体现结构的水平性和垂直性，以达到救助要求。

（3）均衡性：考虑到船舶稳性要求，船舶内部空间大多数以对称为主，但对称空间往往显得呆板、单调，不对称设计可以避免这种缺陷。但是要保证质量分布的均衡性，不会对船舶的稳性造成太大的影响。

由于舱室空间的低矮性，初步设计时采用白色为主增加空间感，再配以蓝色和橘色，一方面为了色彩不单调，另一方面切合医疗健康主题。

考虑到曲面空间利用率低的缺点，采用内装一体化设计。另外，考虑到地效翼船在工作过程中会出现倾斜、晃动等现象，为保证救助人员的安全，还必须将设施及救助设备有序地固定在甲板、舱壁上。

为了避免对称布局的单调性，在充分考虑救助舱室功能性的基础上进行内装设计。首先要满足医疗需求，要求配有氧气源及使用终端、输液瓶固定装置、担架、照明系统，以及必要的急救箱、吸引器、呼吸机、除颤仪等急救设备，此外还应配有一些辅助设备，如医疗舱空调、换气系统和消毒系统等。参考应急医学单元要求进行医疗器械配备，具体布置平面图如图7 所示。

图7 小型地效翼救助船模型救助舱室具体布置平面图（单位：mm）

在基本设计完成之后，利用3DMAX[12-13]进行渲染图的绘制和色彩配置，如图8、9 所示。

图8 小型地效翼救助船救助舱室渲染图

图9 小型地效翼救助船救助舱室俯视图

最终设计的小型地效翼救助船相关的卫生装备和器材配备齐全，不仅具有后送能力[14]，还具有途中救治、生命支持等功能，可对被救助人员进行复苏、输液、供氧、除颤等急救处置，还可连续监测伤病员多项生理参数，将大大提高伤病员医疗后送的存活率。

4 结语

国内目前少有地效翼船应用于海上救援领域，本研究综合船舶建造规范和国际海上人命安全公约、船舶设计要求、实际使用需求对小型地效翼救助船进行外观和内装的初步设计，对这一领域的后续研究具有一定的参考价值。但本研究没有进行船体线型优化和性能测试，在后续研究中会持续完善、不断改进，对小型地效翼救助船进行线型优化并实现其智能化航行。