劉森林

(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司, 上海 201612)

0 引 言

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。

1 救助無(wú)人艇開(kāi)發(fā)理念

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。

2 海洋救助領(lǐng)域無(wú)人艇的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1 艇型、航區(qū)及用途

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。

2.2 救助無(wú)人艇主尺度

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

2.3 艇型結(jié)構(gòu)

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 總體性能

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。

2.5 主要設(shè)備及系統(tǒng)

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。

2.6 接口友好性

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。

3 結(jié) 語(yǔ)

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。