劉楓琛，劉鐵生，李 磊，呂成興

（1.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東青島 266100；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266100）

噴水推進式無人船總體設(shè)計

劉楓琛1,2，劉鐵生1,2，李 磊2，呂成興2

（1.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東青島 266100；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266100）

文章講述了噴水推進式無人船從無到有的整體過程，著重介紹了無人船在設(shè)計過程中對船型技術(shù)、總體布局優(yōu)化、推進設(shè)施配備等方面的主要關(guān)鍵技術(shù)研究，并簡要說明了無人船的基本情況。

無人船；噴水推進；海上監(jiān)測；

0 引言

無人船的發(fā)展最早可追溯到1898年，當時著名發(fā)明家尼古拉·特拉斯發(fā)明了名為“無線機器人”的遙控船。近年來，作為一種新型的海上監(jiān)測搭載平臺，無人船具有極為廣闊的應用前景。進入21世紀，隨著推進技術(shù)、海上智能監(jiān)測、通信、人工智能等新技術(shù)、新理念的迅速發(fā)展，制約無人船船發(fā)展的諸多技術(shù)瓶頸得以部分解決，各國加大了無人船的研發(fā)力度，無人船迎來了一段高速發(fā)展期。無人船無論在軍事上還是民用領(lǐng)域，都已有嘗試性應用并取得了一定的成功。未來，無人船的應用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，逐步扮演更加重要的角色[1]。業(yè)內(nèi)預測，無人船在水質(zhì)監(jiān)測、水下測繪等十幾個方面將有數(shù)百億美元的市場[2]。本文就噴水推進式無人船總體研究設(shè)計及建造流程的主要關(guān)鍵技術(shù)作簡要介紹。

1 噴水推進式無人船設(shè)計簡要

該無人船為微小型沿海無人測量船，搭載相關(guān)測量儀器，主要完成沿海監(jiān)測任務。具備功能包括，在滿載排水量狀態(tài)下，巡航速度續(xù)航時間為1.8 h。在滿載排水量狀態(tài)下，工作航速續(xù)航時間為3 h?？梢赃B續(xù)工作2 h～3 h，遙控距離300 m；巡航速度約為10 kn，工作航速為6 kn。無人船生存海況3級，工作海況2級（含）以下，推薦工作海況1級。儀器艙可搭載雷達、多/單波束、聲吶、回音測深儀、ADCP以及其他小型設(shè)備。

2 噴水推進式無人船總體設(shè)計

2.1 無人船主要參數(shù)選擇

無人船的主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

2.2 無人船阻力預報

根據(jù)阻力估算公式估算出該無人船速度—阻力曲線[3-4]，并且通過船舶設(shè)計專用軟件Max-surf中阻力模塊計算其速度—阻力曲線，結(jié)合阻力經(jīng)驗公式與船舶設(shè)計專用軟件Max-surf阻力預報曲線，最終得出本文中所涉及無人船較為準確的阻力曲線，如圖1所示。

圖1 噴水推進式無人船阻力預報圖

2.3 無人船總體布置

該無人船殼體線型采用深V型設(shè)計，改善了無人船的穩(wěn)性、耐波性，船體制作采用成熟技術(shù)，安全可靠，性能良好。

1）艙室

該無人船從船首向船尾依次為首尖艙、儀器艙和機艙。儀器艙位于無人船的中部，采用雙層底結(jié)構(gòu)。底部中心線安裝測量設(shè)備的換能器裝置，所有控制儀器、儀表、UPS電源等設(shè)備均安裝在儀器艙內(nèi)。艙底及兩舷充填發(fā)泡材料。機艙位于平臺的尾部，艙內(nèi)安裝汽油發(fā)動機、噴水泵、燃油箱、蓄電池等設(shè)備以及實現(xiàn)船遙控操作的底層執(zhí)行機構(gòu)。

2）護舷

該無人船設(shè)置軟質(zhì)護舷，對船體進行保護。護舷由外表面和充填材料組成，充填EVA高分子微孔泡沫材料；外表面采用聚脲彈性體材料。

3）甲板設(shè)備

船頂兩側(cè)設(shè)機艙進風口各1個，艉封板設(shè)出風口2個；機艙頂部各設(shè)進出口蓋1個；儀器艙頂部各設(shè)進出口蓋1個。

主要布置如圖2所示。

圖2 噴水推進式無人船總布置圖

通過重量統(tǒng)計以及無人船的浮態(tài)計算，獲得穩(wěn)心高度為394.9 mm，重心高度164.35 mm，所以由初穩(wěn)性高計算公式可得無人船初穩(wěn)性高為230.55 mm，縱傾角是尾縱傾0.52°[5]。

2.4 無人船噴水推進設(shè)計

該無人船選用舷內(nèi)汽油機作為動力，技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、操縱性能好、故障率低、容易保養(yǎng)，適合長期在海上工作。配備1臺9.9便攜式兩沖程懸外機改裝后作為推進動力。

噴水推進裝置，具有抗空泡能力強、附體阻力小、保護性能好、噪音低、傳動機構(gòu)簡單、適應變工能力強、船舶操縱性能佳等特點，在淺吃水、無舵軸和尾軸架等附件條件下比螺旋槳推進具有明顯的優(yōu)勢，可實現(xiàn)船速的無級變換[6]。推進器重量約0.7 kg，噴口直徑32 mm，適用發(fā)動機功率4 ps～6 ps（1 ps=0.735 498 7 kW）。受船舶布置空間的限制，同時為降低制造成本，受限于船體、裝拆工藝及線路等方面的因素，噴水推進裝置必須緊湊，這就要求噴水推進泵軸向和徑向尺寸均要盡可能地小[7]。主機通過適配器驅(qū)動中間軸和噴水泵，軸系中心線在船舯面上。軸系由一根中間軸組成，軸的兩端分別與主機適配器和噴水泵相連接。

汽油發(fā)動機的冷卻方式為水冷，排煙均為濕式排煙，冷卻水由噴水推進裝置提供。當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，通過傳動軸驅(qū)動噴水推進裝置運轉(zhuǎn)，噴水推進裝置通過一個支水管將噴出的部分海水，以一定的壓力經(jīng)海水濾器送入發(fā)動機，冷卻發(fā)動機后，與發(fā)動機廢氣混合后經(jīng)濕式排煙管排出船外。

3 無人船建造流程

無人船采用玻璃鋼材料脫模制成，從而能夠減輕船體重量，便于海上作業(yè)。根據(jù)型線圖建造模具，而后進行無人船船殼加工，最終結(jié)果如圖3所示。

圖3 無人船船殼圖

按照無人船船殼內(nèi)部機艙空間尺寸大小，將發(fā)動機以及噴泵進行改裝（見圖 4）并成功安裝，最終完成噴水推進式無人船的總體設(shè)計。

4 結(jié)論

鑒于目前無人船在海洋探測應用方面的廣闊前景以及在建造材料上的輕量化等方面展現(xiàn)出的極大優(yōu)勢，世界各國都致力于無人船的設(shè)計研究，目前正處于飛速發(fā)展的關(guān)鍵階段。然而在微小型無人船的海洋應用研究方面，我國與世界先進水平還存在差距。本文研究設(shè)計了一款噴水推進式無人船，并對其總體設(shè)計、建造流程以及應用前景等問題進行了簡要的敘述，為今后我國微小型噴水推進式無人船在海洋探測領(lǐng)域的深入發(fā)展提供借鑒。

圖4 發(fā)動機及噴泵改裝圖

[1]張樹凱,劉正江,張顯庫,等.無人船艇的發(fā)展及展望[J].世界海運,2015(9)： 29-36.

[2]黃銳.無人交通崛起 無人船要火[N].東莞日報,2015-05-25(B07).

[3]朱珉虎.高速艇與游艇設(shè)計手冊[M].珠海： 珠海出版社,2008.

[4]中國船舶工業(yè)集團公司,中國船舶重工集團公司,中國造船工程協(xié)會.船舶設(shè)計實用手冊[M].北京： 國防工業(yè)出版社,2013.

[5]盛振邦,劉應中.船舶原理[M].上海： 上海交通大學出版社,2003.

[6]曹琳,黃健,陳加蓉,等.采用噴水推進的3 000噸級水面艦船總體設(shè)計思考[J].船舶工程,2016(2)： 28-37.

[7]張巖,劉建國,王立祥.噴水推進裝置軸系設(shè)計技術(shù)探討[J].船舶,2010(6)： 5-9,12.

Overall Design of Water-jet Unmanned Boat

LIU Fengchen1,2,LIU Tiesheng1,2,LI Lei2,LYU Chengxing2
(1.Shandong Technological Center of Oceanographic Instrumentation,Shandong Qingdao 266100,China; 2.Shandong Technological Center of Oceanographic Instrumentation of Shandong Academy of Sciences,Shandong Qingdao 266100,China)

The paper introduces the whole process of the water-jet unmanned boat from 0 to 1.It describes the research of the main key technologies at the aspects of ship type,general arrangement optimization and water-jet facilities.The paper also briefly describes the basic overview of the unmanned boat.

unmanned boat; water-jet; marine monitoring

U664.3

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.011

劉楓?。?989—），男，助理工程師，研究方向：船舶設(shè)計。