張宗科

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船的船體周邊下部裝有柔性圍裙，在墊升風機提供的高壓氣流作用下圍成氣墊，基本懸浮在運行表面之上，由導管空氣螺旋槳提供推進力而高速航行，因而具有優(yōu)良的兩棲性，可在水面、沼澤、冰面、雪地、淺灘等地形運行，在民用特殊地域交通、搶險救災、海事救助、軍用登陸運輸?shù)确矫嬗休^廣泛應用。英國作為氣墊船的發(fā)源地，制造了以燃氣輪機為動力的大型車客渡輪SRN4氣墊船用于英吉利海峽的交通擺渡，發(fā)明了柔性圍裙并提出隨波起伏的響應圍裙技術，研制了柴油機動力的低耗油高效AP.1-88，最新型號995ED、Griffon 1200TD上實現(xiàn)了柴電混合驅(qū)動，引領著民用氣墊船技術發(fā)展方向［1-2］。下面將對以上技術發(fā)展進行闡述和分析。

1 早期氣墊船（航空發(fā)動機、燃氣輪機）

1.1 早期氣墊船發(fā)展歷程

現(xiàn)代氣墊船發(fā)源于英國，1953年CockRell爵士開始從事氣墊船的研究，并于1955年提出周邊射流與氣道圍壁式氣墊船的概念。1959年Sauder Roe公司設計建造了首艘載人氣墊船SR.N1，CockRell等3人于1959年7月25日從英國加萊橫渡英吉利海峽至法國的多佛，耗時2 h，平均航速約24 km/h。該船并未采用柔性圍裙，而是設置了剛性的周邊氣道圍壁，基于“柯安達效應”，利用墊升風機提供的高壓氣體，沿壁射流將船托起，懸浮于運行表面之上，其靜飛升高度約200 mm［3］。由圖1和圖2可見，其船中主體為尺寸相對較大的軸流式風機，其產(chǎn)生的高壓氣流一部分輸出到船底周邊氣道，另一部分輸出至矩形截面長噴氣筒（左首/左尾/右首/右尾各有一個）來提供前進、后退推力。通過噴氣筒出口處的矩形擋流板、尾部的兩個舵葉來操縱船［4-5］。

SAUNDERS-ROE公司于20世紀60年代制訂了“三步走”的發(fā)展計劃，最終目標是研制橫渡英吉利海峽的大型車客渡船。如下頁表1所示，該公司于1961年研制了SR.N2，1963年研制了軍用型的SR.N3，1964年研制的SR.N5共建造了8艘，1965年研制的SR.N6先后建造了57艘，1968年研制了專用于英吉利海峽渡輪的SR.N4大型氣墊船共6艘，1964年采用HDL公司Denys Bliss發(fā)明的更高效囊指型圍裙以代替先前的周邊射流型圍裙。

圖1 英國的SRN1橫渡英吉利海峽（中圖深色部分為噴氣筒、右圖為安裝圍裙后）

圖2 SRN1風機氣流一部分向下墊升船體、另一部分進入噴氣筒推進（小球代表氣流）

表1 早期的SR系列氣墊船有關參數(shù)

SRN1最初并未安裝柔性圍裙，僅依靠船體周邊的剛性氣道沿壁射流將船體托起，升高達0.23 m左右，受海浪影響大。在安裝柔性圍裙后，越障高度由0.23 m增至1.07 m，真正具備了水陸兩棲性，最大航速也增至50 kn。SRN2總重27 t，可載客70名，采用新型可旋轉(zhuǎn)槳塔結構（其上安裝敞開式空氣螺旋槳，其下為臥式離心式風機），首次采用集成式推進墊升系統(tǒng)、操控系統(tǒng)。SRN3尺寸進一步放大，總重37 t，可載客150名，首尾各設置1套可旋轉(zhuǎn)槳塔結構。SRN4總重180 t，可載客254名，外加32輛小轎車，左右兩舷首尾各設置1套可旋轉(zhuǎn)槳塔結構（共4套）。其采用全新的船體與氣墊構型，尾部設4臺燃氣輪機作為主動力，并設有高置的長軸系（位于客艙頂棚）驅(qū)動首部的螺旋槳與墊升風機。SRN4為首艘能在開闊海域運行的氣墊船，可全年無休地橫渡英吉利海峽。在SRN4上持續(xù)進行圍裙研究，1972年應用錐形圍裙技術，使船正常墊升狀態(tài)下有約0.5°的抬頭，不再需要刻意壓載使船略微抬頭，從而解決了圍裙手指承載大、尾部圍裙下部小囊易撕壞，大囊壽命短的難題。

圖3為SRN4-Mk3大型氣墊船圖示。

圖3 SRN4-Mk3大型氣墊船圖示

前期的SRN1、SRN2、SRN3作為試驗過渡船，均僅建造一艘。SRN5與SRN6基本為同期設計建造，SRN5發(fā)展為美國貝爾公司的SK-5并參與越南戰(zhàn)爭，成為第一種參加實戰(zhàn)的氣墊船（美陸軍舷號901、902、903），即湄公河上的“怪物”，可執(zhí)行訓練、救援、巡邏、偵察、搜索、突襲和伏擊等多種任務。SRN6前后共建造57艘，并通過接長而發(fā)展出Mk1、Mk6、Mk6C等多種改進型。

為解決早期氣墊船所遭遇的高速縱向低頭埋首等問題，經(jīng)大量SRN5、SRN6實船及無線電控制自航模的試驗，摸清了高速縱向低頭埋首的機理，通過在首部圍裙設置帶單向進氣閥的D型囊方式解決了該難題。另一方面，通過改進橫風、橫浪、拍岸浪下的操作規(guī)范，解決了氣墊船側(cè)向低速翻船的難題。在此期間，英國科學家通過理論與試驗研究，解決了氣墊興波所產(chǎn)生的阻力峰值阻力計算與越峰推力裕量以及淺水效應對阻力產(chǎn)生影響等難題。

1970年，隨著為英國皇家海軍設計的軍用型氣墊船BH7的建造，英國氣墊船公司（BHC）成立，SAUNDERS-ROE成為其中一個部門，負責氣墊船的建造，同時產(chǎn)品從SR系列過渡為BH系列。但BH7仍為鉚接式船體結構、采用燃氣輪機作為主動力，同樣發(fā)展出Mk2、Mk4、Mk5等多種改進型，可用于試驗、后勤支援和導彈攻擊等。

1.2 SRN4增能改進及改進前后性能比較

第一艘SR.N4在1968年夏季投入橫渡英吉利海峽的運行，1969年春季又投入了2艘，前后共4艘。其中2艘為Mk1型，每艘能運載254名乘客和32輛轎車。另一處運行的4艘為Mk2型，每艘能運載284名乘客和37輛轎車。

從1976年起，隨著英吉利海峽的客運量增大，業(yè)主考慮增加船的運載能力。于是BR Seaspeed公司決定將2艘Mk1接長16.76 m改裝成Mk3（即超4）。超4比原船可增加70%的裝載量，由32輛轎車增至57輛，由254名乘客增至418名。隨著裝載量的增大，必須改善速度和運動性能，則每臺發(fā)動機功率從2 500 kW增至2 794 kW并采用深圍裙和6.4 m大直徑螺旋槳（原為5.79 m）。SRN4通過加長主船體結構、改進圍裙、增大主機功率后改裝為SRN4-Mk3，大幅增加了運載能力，提高了適航性與經(jīng)濟性，改進前后有關參數(shù)見表2。

表2 SRN4-Mk1與SRN4-Mk3有關參數(shù)比較

BR Seaspeed于1977年2月將第一艘Mk1型（舷號GH2007，Anne公主號）改裝后于1978年9月重新投入運行；第二艘Mk1型（舷號GH2006，Margaret號）則在1978年9月改裝并于第二年5月投入運行。改裝后船的出航率及運載量均大幅提升，取得良好的經(jīng)濟效益；但隨著英吉利海峽海底隧道的開通，高速氣墊車客渡船的作用日益下降。2000年10月1日這2艘Mk3型氣墊船（Anne公主號、Margaret號）正式退出服務。

SRN4-Mk3為減少阻力與墊升功率、降低船在風浪中的失速以及改善惡劣氣候條件下的運動性能、提高耐波性與改善乘坐舒適性，對相當于常規(guī)船船體型線的圍裙系統(tǒng)作了重大改進，主要包括：增大圍裙墊升高度，增大圍裙手指高度（從1.22 m增至1.83 m）與寬度；降低平均囊壓比（從而降低墊升功率損失中的最大一項即囊孔損失以提高推進功率）、增大囊孔有效總面積（用直徑0.15 m大囊孔代替原開在圍裙膠布織物骨架間的直徑0.008 m密集小囊孔，有效總面積從13.93 m2增至32.51 m2）；重新設計圍裙側(cè)尾分離處的專用封閉錐筒指，改善該處漏氣間隙；首部圍裙的外接線到指端的高度從Mk1的2.44 m左右增至超4的4.57 m以上，可有效防止圍裙縮進。船模試驗及實船測試結果表明，在任何情況下Mk3圍裙沒有埋首的趨勢，遭受尾波時縱向減速度小于0.1 g，比Mk1小得多；隨著船的加長，采用低囊壓比與高手指的深圍裙，顯著改善了乘載的舒適性，尾部升沉加速度僅為同樣情況下Mk1的1/2~2/3。

根據(jù)有關資料，對SRN4在W=165 t時的靜水阻力進行估算，與文獻［1］中SRN4阻力、主機持續(xù)功率推力與最大功率推力的比較參見圖4，同時給出SRN4-Mk3的靜水阻力，而SRN4-Mk3對應的最大推力按照主機功率增大的百分比進行最大推力估算，由圖4可見SRN4-Mk3靜水航速可超過60 kn。SRN4、SRN4-Mk3的無因次靜水阻力的比較參見圖5。

圖4 SRN4、SRN4-Mk3靜水阻力估算及與文獻［1］數(shù)據(jù)比較

圖5 SRN4、SRN4-Mk3無因次靜水阻力比較

2 中期氣墊船（輕型柴油機）

2.1 BH系列氣墊船

英國早期氣墊船除SRN1采用航空活塞發(fā)動機外，均采用燃氣輪機作為主動力，且船體采用鉚接鋁合金結構。隨著中東石油危機爆發(fā)，高油耗的燃氣輪機成為氣墊船發(fā)展的障礙。1982年，BHC公司與Griffon公司合作研制了全新的AP.1-88氣墊船，船體建造理念由以前類似于航空而轉(zhuǎn)為船舶，采用全焊接船用鋁質(zhì)船體結構，以低油耗的風冷柴油機為主動力，墊升與推進動力系統(tǒng)相互獨立設置，采用粉末聯(lián)軸器與齒形皮帶傳動，從而大幅降低建造、運行及維護成本。后階段，又根據(jù)實際需要，研制了尺寸更大的AP.1-88/100、AP.1-88/200以及AP.1-88/Dash400型，可進行客貨混裝；而后，又陸續(xù)研制了BHT130、BHT150、BHT160、BHT180等系列。具體參數(shù)見表3。

表3 BH系列氣墊船有關參數(shù)

BH系列氣墊船（最早的BH7除外）的主要技術特點為：鋁合金船體結構采用全焊接方式建造，大幅降低建造成本；采用成熟可靠的風冷或帶中間冷卻水箱的車用柴油機作為主動力，降低油耗；設置首推器以提高低速操縱性與抗側(cè)風能力，推進墊升系統(tǒng)相互獨立從而降低單臺主機功率需求；采用導管空氣螺旋槳推進，提高推進效率；導管后緣安裝空氣舵，提高操縱性；采用首高尾低的錐形囊指（Bag-Finger）型圍裙，側(cè)尾圍裙分離以減低阻力。在核心船型基礎上，通過增加船長來提高裝載量以滿足客戶需求，并提供客運、客貨混裝等不同裝載模式，從而降低研發(fā)成本。

2.2 Griffon系列氣墊船

Griffon Hovercraft由現(xiàn)代氣墊船的發(fā)明者CockRell爵士創(chuàng)建，2008年英國的Bland Group集團 將Griffon Hovercraft與Hoverwork收購合并為Griffon Hoverwork Limited （GHL）。經(jīng)過50多年的發(fā)展，建造各型氣墊船200余艘，產(chǎn)品遍布五大洲40多個國家，一直處于氣墊船研發(fā)的行業(yè)前沿［6］。研發(fā)的Griffon系列氣墊船則主要用作軍事用途，其經(jīng)典船型性能參數(shù)見下頁表4。

Griffon 8000TD建造了25艘，出口到印度、韓國等多個國家。其中，印度海岸警衛(wèi)隊于2001年購買及授權建造了6艘（舷號依次為H181~H186），2012~2014年間又完成了第二批12艘的購買（舷號依次為H187~H198）。韓國則購買了8艘，主要用于其西部沿海5島的巡邏，舷號依次為L01~L08。此外，韓國還購進1艘BHT150，舷號為L-09。而尺寸稍大的Griffon 8100TD則出口至瑞典、立陶宛。

Griffon系列氣墊船（最早的380TD除外）的主要技術特點為，集成式推進墊升系統(tǒng)布置于船尾部，以風冷或帶中間冷卻水箱的車用柴油機為主動力，柴油機向前同軸驅(qū)動墊升風機，向后通過齒形皮帶驅(qū)動導管空氣螺旋槳；采用前后高度一致的開囊指（Loop-Segment）型柔性圍裙，側(cè)尾連續(xù)過渡，側(cè)部圍裙中后部設有防飛濺裙布，側(cè)部圍裙內(nèi)安裝邊可提升移動以控制船橫傾角，由設在操縱方向盤上的兩個開關來控制；兩舷設置可拆卸式氣道甲板，甲板上部側(cè)邊各設3個防護橡膠墊；船四角分別設置油艙并燃油調(diào)駁系統(tǒng)來調(diào)整船縱傾、橫傾及斜傾，在首尾設有壓載水艙以調(diào)整縱傾姿態(tài)；Griffon 8000TD與Griffon 8100TD在尾部機艙兩側(cè)的氣道甲板上還設有放氣風門裝置。

表4 Griffon系列氣墊船有關參數(shù)

3 近期氣墊船（柴電混合驅(qū)動）

2014年，Griffon HoverWork的總工程師Mark Downer為減少頻繁動態(tài)調(diào)整縱傾姿態(tài)所需的壓載量（水或燃油），引入了車用電力混合驅(qū)動技術，即在新設計建造的Griffon 995ED型氣墊船上，將2臺1.6 L的Ford Tiger車用柴油機設置在船首，而不是設于船尾的常規(guī)布置方式。為此，將無磁軛分段電樞電機（Yokeless and Segmented Armature，簡稱YASA電機）引入到氣墊船動力系統(tǒng)設計中［7］。在Griffon 995ED船上，類同汽車上的同步發(fā)電機，用柴油機直接驅(qū)動近鄰的墊升風機與一臺YASA P400電機作為發(fā)電機（參見下頁圖6），將產(chǎn)生的電送至與導管空氣螺旋槳軸相連的另一臺YASA P400電機直接驅(qū)動螺旋槳。由于995ED船左右兩舷的電動機相互獨立且能反轉(zhuǎn)與無級變速，導管槳提供的操控力更為靈活多變，為此，該船甚至取消了導管槳后常用的空氣舵。995ED設有2個船員座椅，裝載量995 kg，裝載區(qū)域可布置6人座椅或2副擔架及醫(yī)生，見下頁表5。

YASA電機公司由Tim Woolmer于2009年在英國創(chuàng)建，其革命性的小尺寸高功率密度YASA電機特別適用于狹小的動力布置空間，其外形以及產(chǎn)品參數(shù)見下頁圖7及表6。

圖6 采用YASA P400電機驅(qū)動導管空氣螺旋槳的Griffon 995ED（左）以及柴油機驅(qū)動風機與YASA電機的動力系統(tǒng)（右）

表5 Griffon 995ED主要參數(shù)

圖7 YASA P400電機3D圖

表6 YASA電機有關參數(shù)

運營于英國南海（SouthSea）至萊特島（Isle of Wight）航線（航程4.4 n mile耗時約10 min）的Hovertral公司，于2016年訂購了2艘新型氣墊船Griffon 12000TD，即Solent Flyer與Island Flyer，編號依次為GH2160、GH2161。與此前運行的AP.1-88型氣墊船相比（參見圖8-圖10以及下頁圖11和表7），Griffon 12000TD采用了多項技術革新，如采用柴電混合驅(qū)動，將柴油發(fā)動機放 置于船尾，驅(qū)動導管空氣螺旋槳、墊升風機及電動機，墊升風機與柴油機橫向并排布置，大幅節(jié)省了機艙布置空間，且不再要求發(fā)動機與墊升風機同一軸系高度，因此主機可盡量低位布置，從而有效減低船的重心高度。將首推器置于客艙前部上方，左右各一，分別采用一對YASA P400電機驅(qū)動，位于船尾的YASA P400電機直接與柴油發(fā)動機相連，可傳輸功率約65 kW［7］，使船具有良好操作性；將導管空氣螺旋槳直徑加大，且其后端的舵葉采用內(nèi)傾布置，有利于消除槳后高速氣流所導致的偏航；采用粘接式方法建造鋁質(zhì)船體，而非以前的焊接式；乘客可從船首兩側(cè)的通道（左為臺階式、右為斜坡跳板式）快速上下船，縮短登離船所耗時間，相對于墊升主機/風機置于客艙兩側(cè)的布置方式，大幅降低了客艙噪聲，實測值74 dB，與辦公室噪聲水平相當［8］。

圖8 AP.1-88（左）與Griffon 12000TD（右）布置示意圖

圖9 Griffon 12000TD船體結構、首部上下通道

圖10 AP.1-88（左）、Griffon 12000TD（中、右）的首推器

圖11 Griffon 12000TD主機、軸系、導管空氣螺旋槳布置

表7 最新渡船Griffon 12000TD與AP.1-88有關參數(shù)比較

4 未來發(fā)展計劃（重載軍用）

在2017年12月上海國際海事展上，Griffon公司發(fā)布的資料表明，其正在研發(fā)載重量更大的Fast Craft Air Cushion （FCAC），即Griffon 35000TD與 67000TD［9］。

如下頁表8以及圖12所示，此兩型船主尺度和總布置基本一致，可停放于大型母艦的塢艙內(nèi)，但采用的動力系統(tǒng)不同。Griffon 35000TD裝載量為35 000 kg，以柴油機為動力，每舷布置2臺并車用于推進，1臺用于墊升，在靠首部的登陸兵艙上部設置電力驅(qū)動的小型搖頭導管空氣螺旋槳作為首推器，墊升采用混流式風機。

表8 Griffon 35000TD/67000TD與美國SSC有關參數(shù)比較

圖12 Griffon 35000/67000TD及其在母船塢艙內(nèi)停放示意圖

Griffon 67000TD裝載量為67 000 kg，以TF50燃氣輪機為動力，每舷布置2臺 并車后向前驅(qū)動墊升風機，向后驅(qū)動導管空氣螺旋槳，同樣在靠首部的登陸兵艙上部設置電力驅(qū)動的小型搖頭導管空氣螺旋槳作為首推器，墊升采用離心式風機。

TF50燃氣輪機的雙機并車模型見下頁圖13?？梢?，其與美國正在研制的艦岸連接器——SSC的動力系統(tǒng)布置有較多相似之處。TF50燃氣輪機的功率為3 800~4 200 kW，與美國SSC的MT燃機功率3 800~4 250 kW基本相當；導管空氣螺旋槳直徑4.2 m，大于SSC的3.58 m，可降低槳的噪聲。

圖13 Griffon 67000TD采用雙機并車齒輪箱（左）與美國SSC上采用的組合齒輪箱（右）

5 性能分析及技術發(fā)展路線圖

對Griffon的SR系列、BH系列氣墊船的長寬比進行統(tǒng)計，參見圖14。可見，除最早期的SRN1、SRN3之外，長寬比基本處于1.7~2.3。

圖14 英國SR系列、BH系列氣墊船的長寬比統(tǒng)計

對Griffon 12000TD進行性能估算，可得其墊升流量約100 m3/s，所需總墊升功率約320 kW。單側(cè)主機功率793 kW扣除65 kW首推器所用功率，墊升風機所需功率160 kW，其余用于導管空氣螺旋槳。估算的靜水阻力與推力結果如圖15所示?？梢?，其滿載靜水航速可達45 kn，這與AP.1-88/100在小風浪條件（浪高h1/3<0.05 m、風速Vb< 2 m/s）下的航速為40 kn基本相當。由于Griffon 12000TD的航速受船縱傾姿態(tài)影響較大，所以船的四角均設有油艙，并設置調(diào)駁系統(tǒng)以動態(tài)調(diào)整縱傾角，其操作界面見圖16。

圖15 Griffon 12000TD滿載靜水阻力、推力估算

圖16 四個邊角油艙的調(diào)駁操作界面

全墊升氣墊船具有水陸兩棲性，設置有圍裙、空氣螺旋槳（空氣舵）、首推器等特殊系統(tǒng)設備，在氣墊船發(fā)展過程中，這些技術在不同型船中相互借鑒，創(chuàng)新的技術經(jīng)實船使用考核后，得到廣泛使用［10］，見圖17。如最新型的Griffon 12000TD，雖起源于BHC公司的BH系列，但由Griffon設計建造后，不再采用原SR/BH系列氣墊船尾部的側(cè)尾分離圍裙形式，而是采用Griffon系列氣墊船尾部的側(cè)尾不分離圍裙形式，參見圖18和下頁圖19。

圖17 英國氣墊船技術向美、日等國的技術擴展及反饋示意圖

圖18 SR/BH系列氣墊船尾部的側(cè)尾分離圍裙形式

圖19 Griffon12000TD采用Griffon系列氣墊船尾的側(cè)尾不分離圍裙形式

此外，隨著柔性功率傳輸?shù)妮p型高效YASA電機在氣墊船上的引入，使墊升風機的柔性布置也成為可能。未來可為氣墊的每個分隔氣室配置獨立的墊升風機，結合先進傳感器的應用及電機的無級調(diào)速功能，在風浪中可實現(xiàn)對氣墊壓力變化的主動控制，從而提高船的乘坐舒適性。

6 結 語

英國氣墊船的發(fā)展充分體現(xiàn)了技術創(chuàng)新的引領作用，持續(xù)的技術進步使其不斷向前發(fā)展。雖然其局限性（如高噪聲、高油耗）與鮮明的技術特色同樣突出，但在特殊地域（如北方流冰期巡邏交通、沼澤濕地等）的物資運輸以及搶險救災、奪島登陸等方面具有不可替代的作用。隨著所運載裝備的發(fā)展，氣墊船也隨之與時俱進，新型車用電機的出現(xiàn)為其操控性設計提供了新的可能性，有利于性能提升。本文介紹了英國氣墊船的技術發(fā)展，并對其性能進行統(tǒng)計分析，期望能為國內(nèi)氣墊船設計研究提供一定參考。