劉森林
(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司, 上海 201612)
隨著人類海洋活動(dòng)的日益增加,各種海難事故不斷,發(fā)生海難事故后,迅速及時(shí)地救出遇險(xiǎn)人員是救助人員的第一要?jiǎng)?wù)。在風(fēng)小浪低的海況下,救助比較容易,但很多海難發(fā)生在大風(fēng)浪下,救助船難以靠近遇險(xiǎn)船,如果強(qiáng)行靠近,會(huì)導(dǎo)致遇險(xiǎn)人員落水、加速遇險(xiǎn)船只沉沒(méi)。同時(shí),救助人員也無(wú)法操作小艇靠近遇險(xiǎn)船,離開(kāi)救助船到海面上是非常危險(xiǎn)的。因此,在大風(fēng)浪海況下,如何安全地把遇險(xiǎn)人員轉(zhuǎn)移到救助船上或其他安全地點(diǎn),一直困擾著很多救助人員。
無(wú)人水面艇是一種無(wú)人操作的水面艦艇,主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于船只執(zhí)行的任務(wù)。在配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后,可以執(zhí)行多種軍事任務(wù)。在民用方面,無(wú)人艇可應(yīng)用于氣象、水文探測(cè)等眾多領(lǐng)域,具有廣泛的應(yīng)用前景。
目前,我國(guó)在高海況下用于救助的無(wú)人艇的研制和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域少有涉獵,天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司針對(duì)該用途的無(wú)人艇進(jìn)行了研制和開(kāi)發(fā),在該過(guò)程中需注重安全性、可靠性、實(shí)用性以及和母船接口匹配的友好性。
海上救助無(wú)人艇以對(duì)惡劣海況下的海上遇險(xiǎn)人員實(shí)施救助為目標(biāo),可由大型海洋救助母船搭載到遇險(xiǎn)地點(diǎn)海域,按照預(yù)先設(shè)定的方式下放至海面,在母船上通過(guò)遙控控制無(wú)人艇實(shí)施人員救助,救助對(duì)象為行為正常、有一定體力的海上遇險(xiǎn)人員,適用于中國(guó)沿海航區(qū)。
在惡劣海況下,母船與遇險(xiǎn)船只須保持一定安全距離,并處于相對(duì)同步位置。利用母船上的吊機(jī)等設(shè)備釋放無(wú)人艇,母船上的操作人員遙控?zé)o人艇靠近遇險(xiǎn)船只,控制相對(duì)位置,被救人員可登乘到無(wú)人艇上,圖1為遇險(xiǎn)人員登乘到無(wú)人艇后的模擬圖。母船上的操作人員遙控載有被救人員的無(wú)人艇返回母船預(yù)先指定區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)被救人員的可控。
圖1 遇險(xiǎn)人員登乘無(wú)人艇后模擬圖
本艇設(shè)置2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳,2套遙控操作終端,1套固定安裝在救助母船駕駛臺(tái)上,另1套為移動(dòng)便攜式,系統(tǒng)設(shè)置遙控位置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),2套操作終端均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人艇的遙控。
無(wú)人艇的操作為近距離(在可視范圍內(nèi))手動(dòng)遙控。在通常情況下,操作人員通過(guò)控制1個(gè)總控?fù)u桿同時(shí)控制2臺(tái)360°全回轉(zhuǎn)舵槳,輕松達(dá)到前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退、橫向移動(dòng)等功能,并可通過(guò)調(diào)速旋鈕依據(jù)需求調(diào)整螺旋槳電機(jī)轉(zhuǎn)速。在特殊情況下,通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),啟動(dòng)分控操作,操作人員可以通過(guò)2個(gè)分遙控桿分別控制2臺(tái)舵槳,這種操作更靈活,反應(yīng)更靈敏。
由于被營(yíng)救船只發(fā)生遇險(xiǎn)情況時(shí),需要營(yíng)救的往往不止一人,因此本艇單次營(yíng)救能力越大越好,但這樣勢(shì)必會(huì)使無(wú)人艇的尺度增加,從而增加航行阻力,增加自重,需要更大的推進(jìn)功率。另外,無(wú)人艇平時(shí)布置在母船居住區(qū)后的露天甲板上,該區(qū)域本身已布置有拖纜機(jī)等設(shè)備,加之處于駕駛室后面,因此要求無(wú)人艇搭載在母船后不得影響甲板布置及駕駛室的視野。綜合以上各方面的因素,本艇的主尺度如表1所示。
表1 無(wú)人艇主尺度
救助無(wú)人艇由3部分構(gòu)成,形狀類似“漢堡”,從上至下依次為:緩沖部分、浮力體、托架,其造型如圖2所示。
圖2 救助無(wú)人艇造型
2.3.1 緩沖部分
緩沖部分采用柔性結(jié)構(gòu),由柔性舷墻和軟墊構(gòu)成,為遇險(xiǎn)人員提供保護(hù),避免任何剛性接觸而造成的2次傷害,并提供一定的儲(chǔ)備浮力,當(dāng)浮力體部分破損進(jìn)水,緩沖部分可提供一定浮力,保證無(wú)人艇破損后不沉。
柔性舷墻外皮為聚脲涂層,內(nèi)部填充EVA防水高發(fā)泡材料,保護(hù)登艇遇險(xiǎn)人員不掉入水中;艉部設(shè)有主登艇口,寬度約為600 mm,坡道與水面約成30°,下端伸入水面,方便體力不支的落水遇險(xiǎn)人員登艇;兩舷設(shè)有2個(gè)輔助登艇口,寬度約為500 mm,方便落水遇險(xiǎn)人員登艇。
軟墊為防水、防滑、軟質(zhì)的EVA高發(fā)泡材料,一方面保護(hù)從遇險(xiǎn)船只跳下的遇險(xiǎn)人員不受傷害,另一方面可拆下充當(dāng)救生浮具。軟墊與浮力體之間采用尼龍射出鉤進(jìn)行固定,四角綁扎在吊環(huán)上;軟墊下部設(shè)有設(shè)備維修用水密艙口蓋,方便設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。
2.3.2 浮力體
浮力體材料為316L不銹鋼焊接箱型結(jié)構(gòu),浮力體作為本艇的承載平臺(tái),上部為緩沖部分,下部為保護(hù)托架,舷側(cè)環(huán)繞設(shè)有上下2條護(hù)弦,內(nèi)部為設(shè)備艙,外部抵抗水的作用力。
浮力體內(nèi)部設(shè)有1道Z形艙壁,將浮力體分成2個(gè)非對(duì)稱空間,在1艙破損的情況下可提供足夠的浮力,并避免產(chǎn)生過(guò)大的橫傾和縱傾;推進(jìn)系統(tǒng)被隔離成2套獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng),當(dāng)破損進(jìn)水導(dǎo)致1套動(dòng)力系統(tǒng)失去作用,另1套動(dòng)力系統(tǒng)仍然能繼續(xù)工作。
浮力體內(nèi)部沿中縱剖面方向首尾布置2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,其他區(qū)域設(shè)置推進(jìn)系統(tǒng)的控制部分和蓄電池組;浮力體頂部設(shè)有不銹鋼水密蓋,用于設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)。
浮力體外圍貼近水面處設(shè)纖維繩扶手,方便落水遇險(xiǎn)人員抓住無(wú)人艇,并轉(zhuǎn)移至登艇口。
浮力體甲板四角處設(shè)置吊帶,用于無(wú)人艇的吊運(yùn)。在浮力體的舭部設(shè)有4個(gè)綁扎扣,用于本艇停放母船甲板時(shí)的系固以及拖帶。
2.3.3 托架
托架為不銹鋼制焊接結(jié)構(gòu),是環(huán)形密閉體。圓環(huán)截面有一定寬度,無(wú)人艇橫搖時(shí)能起到減搖效果;圓環(huán)內(nèi)部可設(shè)置固定壓載,用以降低重心高度。
托架與浮力體采用不銹鋼支撐柱焊接連接,支撐柱沿兩側(cè)布置。托架與浮力體之間設(shè)置不銹鋼防護(hù)網(wǎng),防護(hù)網(wǎng)采用加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng),使整個(gè)托架構(gòu)成一個(gè)整體,可將魚(yú)網(wǎng)撥開(kāi),避免舵槳被纏繞,同時(shí)防止螺旋槳對(duì)落水遇險(xiǎn)人員的2次傷害。
整個(gè)船體采用混合骨架形式[1],合理的布置能有效承載船體載荷。整船結(jié)構(gòu)采用整體有限元對(duì)航行狀態(tài)和起吊狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算。推進(jìn)器及其他設(shè)備區(qū)域進(jìn)行有效加強(qiáng),確保其有足夠的強(qiáng)度和剛度。圖3為波浪切力最大時(shí)的總水載荷。
圖3 波浪切力最大時(shí)的總水載荷
2.4.1 抗沉性
本艇浮力體被1道Z型艙壁分為兩艙,任一艙破損進(jìn)水,若初穩(wěn)心高為正值, 不傾覆下沉,且具有正的復(fù)原力臂,說(shuō)明本艇具有抗沉性[2]。
經(jīng)計(jì)算,在滿載吃水下艏、艉兩艙分別進(jìn)水后,該艇雖縱傾、橫傾均較大,但沒(méi)有傾覆,且從圖4和圖5的復(fù)原力臂曲線可以看出:此時(shí)仍具有一定的復(fù)原力臂,結(jié)果表明該艇具有較好的抗沉性能。
(1) 艏艙進(jìn)水。當(dāng)艏艙進(jìn)水時(shí),由復(fù)原力臂曲線為正向可以看出:本艇仍具有一定的復(fù)原力臂(見(jiàn)圖4),從而保證本艇安全性。
圖4 艏艙進(jìn)水后艇復(fù)原力臂曲線
(2) 艉艙進(jìn)水。當(dāng)艉艙進(jìn)水后,由復(fù)原力臂曲線為正向可以看出:本艇仍具有一定的復(fù)原力臂(見(jiàn)圖5),從而保證本艇安全性。
2.4.2 自扶正能力
本艇主尺度較小,在高海況下可能會(huì)發(fā)生傾覆,進(jìn)而對(duì)被營(yíng)救人員造成2次傷害。因此,本艇在設(shè)計(jì)時(shí)須具備自扶正功能,即本艇的重心位置須低于浮心位置,結(jié)合本艇特點(diǎn),考慮底部托架加重或在底部托架加載固定壓塊,以降低本艇重心。
圖5 艉艙進(jìn)水后艇復(fù)原力臂曲線
本艇復(fù)原力臂曲線如圖6所示。從圖6可以看出:本艇在0°~180°范圍內(nèi)具有恢復(fù)正浮的能力,在180°~360°范圍內(nèi)也具有恢復(fù)正浮的能力,從而保證船舶的安全性。
本艇為雙機(jī)艙設(shè)計(jì),每個(gè)機(jī)艙設(shè)置儲(chǔ)能裝置、推進(jìn)裝置、電氣設(shè)備等。機(jī)艙及主要設(shè)備布置如圖7所示。
圖6 無(wú)人艇復(fù)原力臂曲線
圖7 機(jī)艙及主要設(shè)備布置
本艇為直流電源交流電力推進(jìn)系統(tǒng),直流電源采用蓄電池,蓄電池組通過(guò)電源配電裝置向推進(jìn)驅(qū)動(dòng)變頻器和逆變器等負(fù)載供電。電池的選擇須綜合考慮安全性、能量密度、環(huán)保性、成本等因素,幾種主要類型電池性能對(duì)比如表2所示。
表2 鋰電池不同電極材料對(duì)應(yīng)電池性能比較表
鉛酸電池安全性高,但是能量密度較低,結(jié)合本艇的布置空間及上述各項(xiàng)性能因素,選用磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池作為儲(chǔ)能裝置。
本艇推進(jìn)裝置采用全回轉(zhuǎn)舵槳裝置,其選型時(shí),繞組和金屬零件的表面均須按照濕熱電機(jī)的要求進(jìn)行,經(jīng)過(guò)特殊浸漬和處理,具有良好的防水、防潮、防霉、防油霧、抗鹽霧、抗沖擊、抗震動(dòng)等性能,能在高海況下正常運(yùn)行。
設(shè)置2套控制柜,控制柜通過(guò)數(shù)據(jù)線纜連接驅(qū)動(dòng)柜內(nèi)伺服電機(jī)控制器、數(shù)傳電臺(tái)等,構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。設(shè)置1套無(wú)線傳輸收發(fā)裝置及控制系統(tǒng),采用聯(lián)合操縱的方式控制無(wú)人艇的位置。2臺(tái)舵槳可聯(lián)合操作,設(shè)置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),也可分別獨(dú)立操作。設(shè)置2臺(tái)數(shù)傳電臺(tái)及天線,保證船舶在惡劣海況情況下的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)傳電臺(tái)具有抗干擾、非視距通信、設(shè)置靈活、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。設(shè)置1套控制柜、母船固定操作終端及便攜式操作終端。母船操作終端和便攜式操作終端主要由顯示屏、操作手柄和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組成;便攜式操作終端具有室外防水的功能。
無(wú)人艇在不工作時(shí),可直接放置在母船甲板上,在浮力體的舭部設(shè)有綁扎扣,對(duì)應(yīng)的母船甲板上也設(shè)有綁扎扣,采用栓緊帶進(jìn)行系固。
無(wú)人艇艇側(cè)設(shè)置充電插口,母船上設(shè)置充電機(jī),在本艇停放母船時(shí)能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
無(wú)人艇采用帆布罩進(jìn)行保護(hù),帆布罩設(shè)有拉孔,甲板上設(shè)有拉環(huán),拉孔與拉環(huán)用纖維繩進(jìn)行連接。
無(wú)人艇在海洋救助細(xì)分領(lǐng)域的研制開(kāi)發(fā)是創(chuàng)新海上救助方式、提升綜合海洋救助能力的大膽嘗試和探索。目前該產(chǎn)品已交付并列裝到母船上,后續(xù)將持續(xù)跟蹤實(shí)際使用情況,不斷改進(jìn)完善,更好地服務(wù)于海洋救助工作。