羅富強(qiáng)，霍 聰，高霄鵬，申云磊

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

海上無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為未來海上作戰(zhàn)的重要力量，可以突破人員因素的限制，在惡劣海況下完成戰(zhàn)場偵察、預(yù)警巡邏、抵近破壞和反潛跟蹤等多種任務(wù)[1]。但要真正將無人新型作戰(zhàn)力量的威力發(fā)揮出來，不僅要突破智能控制與感知等技術(shù)，還要求平臺(tái)自身擁有獨(dú)具特色的綜合航行性能。 “多航態(tài)高速無人艇”是一種集潛艇、高速滑行艇、穿浪艇等多種艇型優(yōu)點(diǎn)于一身的新概念艇型，同時(shí)具備水上中高速、水面半潛和水下潛航能力，并能夠在各航態(tài)之間連續(xù)快速變換。其獨(dú)特的多航態(tài)航行功能及高隱蔽、高航速特性，可更好地滿足海上突防、無人作戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)等海上任務(wù)。

世界上最先由瑞典對多航態(tài)概念艇型進(jìn)行研究，1999 年開發(fā)了一種通過自主排注壓載水切換吃水航態(tài)的水面艇“海豚”號(hào)，但其變換航態(tài)的目的主要是便于海上救援，并沒有水下航行能力[2]。近些年來，美、英等國已成功研制出同時(shí)具備水面、水下航態(tài)自主航行能力的樣艇，并逐步開展實(shí)際應(yīng)用。幾種典型樣機(jī)方案涵蓋了半潛式艇型、水面快艇與潛艇的結(jié)合艇型、采用變體設(shè)計(jì)的無人機(jī)構(gòu)型[3]。其中美國SCUBACRAFT 公司的SCUBACRAFT 快艇采用雙體艇艇型，水面高速滑行速度可達(dá)45 kn；洛·馬公司提出一種采用升降變體技術(shù)的概念方案CHARC，通過主體和潛體連接構(gòu)型的變換和調(diào)整壓載設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5 種航態(tài)模式的轉(zhuǎn)換[4]。

國內(nèi)對于多航態(tài)艇型的研究報(bào)道較少，目前還處于概念設(shè)計(jì)、原理研究和模型試驗(yàn)的階段。董文才[5]提出壓載流道自由變深技術(shù)，其通過模型試驗(yàn)研究了壓載流道開啟、壓載水自由流動(dòng)對阻力性能的影響?；袈擺6]通過自航模試驗(yàn)驗(yàn)證了半潛-水面航態(tài)連續(xù)變換的可行性，并用數(shù)值模擬方法研究了中低速時(shí)的自航運(yùn)動(dòng)特性以及艇體內(nèi)外的流動(dòng)現(xiàn)象[7]。王偉[3]通過數(shù)值計(jì)算和水池試驗(yàn)對某多航態(tài)船型航態(tài)變換過程的阻力性能和姿態(tài)變化進(jìn)行了研究分析，得出的結(jié)論是航態(tài)轉(zhuǎn)換需要在特定的縱傾角和速度條件下才能實(shí)現(xiàn)。

以上研究側(cè)重于水下-水面航態(tài)轉(zhuǎn)換分析，而對于多航態(tài)船型本身的水動(dòng)力性能沒有進(jìn)行全面研究。多航態(tài)高速無人艇從水面狀態(tài)到半潛狀態(tài)吃水變化范圍很大，速度范圍包含排水航行、半排水航行、全滑行等多個(gè)狀態(tài)，艇體周圍的水動(dòng)力特性必然也會(huì)有較大的變化。對于新船型的設(shè)計(jì)，阻力性能是評(píng)價(jià)其總體性能的首要依據(jù)。本文通過在半潛狀態(tài)到水面狀態(tài)范圍內(nèi)變換吃水進(jìn)行靜水模型拖曳試驗(yàn)，分析某型多航態(tài)高速無人艇在不同吃水、不同速度下的水動(dòng)力特征，探究不同吃水對該船型阻力性能和航行姿態(tài)的影響，為多航態(tài)高速艇的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)采用一條木質(zhì)模型，舷側(cè)采用內(nèi)傾船型設(shè)計(jì)，首部為穿浪型首，底部滑行面主要參考深V 滑行艇線型，尾部采用方尾。模型三維外形如圖1 所示，船型主要特征參數(shù)如表1 所示（型深D 為基線到甲板最高點(diǎn)處）。

試驗(yàn)在中國航空工業(yè)第605 研究所高速拖曳水池中進(jìn)行，測試儀器設(shè)備包括：測力傳感器、傾角傳感器、拉線式位移傳感器、照相機(jī)、攝像機(jī)等。測力傳感器的精度為0.01 kg，傾角傳感器的精度為0.01°，位移傳感器的精度為0.01 m。試驗(yàn)由2 個(gè)導(dǎo)航桿和拖曳桿組成，導(dǎo)航桿限制艇的橫向運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)裝置安裝如圖2 所示。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)置一系列吃水工況，探究多航態(tài)高速艇模型在不同吃水航態(tài)下的阻力性能和航行姿態(tài)。試驗(yàn)選取6 個(gè)不同的吃水工況，吃水變化范圍為0.22D～0.59D（吃水最小工況的排水量為Δ1，最大吃水工況對應(yīng)排水量為4.32Δ1）。試驗(yàn)速度從1 m/s 逐漸增大，直至模型出現(xiàn)海豚運(yùn)動(dòng)、埋首或者傾角過大等危險(xiǎn)工況，結(jié)束該吃水工況。

圖 1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

表 1 模型主要特征參數(shù)Tab.1 Primary ship parameters of the test model

圖 2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)裝置Fig.2 Test model and experimental equipment

試驗(yàn)測量記錄的參數(shù)有：首尾吃水、水溫、拖車速度、阻力、船中升沉變化、縱傾變化值。另外通過錄像回放觀察船體周圍的興波和飛濺現(xiàn)象，并記錄不同工況、不同速度點(diǎn)下的模型折角線浸濕長度、龍骨浸濕長度、艉側(cè)浸濕高度等參數(shù)。

為了避免中高速航行狀態(tài)模型首部出現(xiàn)飛濺、抨擊等不利現(xiàn)象，試驗(yàn)在首部加裝防濺條以減小首部興波，保證模型能順利起滑。圖3 為各個(gè)吃水狀態(tài)的水線示意簡圖，圖4 為首部防濺條安裝示意圖，表2 為不同吃水的試驗(yàn)方案。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖 3 水線變化范圍示意圖Fig.3 Sketch of the range of varying water

圖 4 防濺條安裝位置Fig.4 Location of the spray strips

表 2 變吃水試驗(yàn)方案Tab.2 Experimental scheme of varying draft conditions

滑行艇在高速滑行時(shí)產(chǎn)生的須狀飛濺會(huì)增加艇體濕面積，導(dǎo)致摩擦阻力的增加。如圖5 所示，橫向斜升滑行面在高速滑行時(shí)的浸濕面積可以分為2 部分[8]，附加噴濺區(qū)投影面積OEF 和滑行面濕面積投影為OE 線后梯形面積；其中O 點(diǎn)為龍骨與靜水面交點(diǎn)，E 點(diǎn)為舭部與靜水面交點(diǎn)，lc，lk分別為折角線浸濕長度和龍骨浸濕長度。

本文根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象視頻回放分析，對不同航態(tài)下模型的浸濕面積SW采用不同處理方法：當(dāng)船體處于排水狀態(tài)時(shí)（Fr?＜1），SW取Maxsurf 軟件Hydrostatics 模塊計(jì)算的Wetted Area 值；當(dāng)船體處于中高速航行狀態(tài)時(shí)，SW采用近似估算法分塊計(jì)算，分別計(jì)算艇體濕面積Sβ和須狀飛濺浸濕面積Ssp[9]。具體計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[10]。

2.1 不同吃水下的航行特征分析

圖6 為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌运疇顟B(tài)下所開展的速度工況點(diǎn)。如圖7 和圖8 所示，通過分析試驗(yàn)過程航行姿態(tài)變化特點(diǎn)，把模型航態(tài)劃分為排水航行狀態(tài)、半滑行狀態(tài)、滑行狀態(tài)。將不同吃水狀態(tài)對應(yīng)的航態(tài)劃分速度點(diǎn)近似連成直線，得到吃水與臨界速度的關(guān)系。隨著吃水的增加，模型進(jìn)入半滑行狀態(tài)、滑行狀態(tài)對應(yīng)的臨界航速點(diǎn)會(huì)稍微提前。

圖 5 噴濺濕面積分布圖Fig.5 Plan of spray wet areas

圖 6 臨界速度隨模型吃水的變化Fig.6 Changes of critical speed in different draft

圖 7 工況t1 的試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.7 Test phenomenon of draft-t1

在t3和t4吃水工況，高速滑行時(shí)模型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)較大，并且出現(xiàn)劇烈的飛濺現(xiàn)象，試驗(yàn)所進(jìn)行的最高航速為偏安全航速。在吃水較大工況t5和t6，如圖9所示Fr?=0.6 左右時(shí)由于模型排水量較大并且出現(xiàn)埋首現(xiàn)象，模型未能順利起滑，出于安全考慮將其定義為危險(xiǎn)航行狀態(tài)。

2.2 不同吃水下的航行姿態(tài)分析

圖 8 工況t3-2 的試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.8 Test phenomenon of draft-t2

圖 9 t5 和t6 工況埋首現(xiàn)象Fig.9 Test phenomenon of draft-t5 and draft-t6

圖 10 不同吃水工況下升沉值變化Fig.10 The change of sinkage in different draft

圖 11 不同吃水工況下縱傾變化Fig.11 Trim angle of different draft

圖10 和圖11 為模型在不同吃水工況下的升沉和縱傾變化曲線，在Fr?＜2.0 時(shí)不同吃水下的模型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化趨勢基本一致，并且運(yùn)動(dòng)幅值隨吃水的增加而變大；在Fr?＞2.5 時(shí)，隨著吃水的增大，模型的升沉、縱傾角變化曲線便出現(xiàn)差異。在Fr?=1.25 附近時(shí)，不同吃水工況的升沉曲線均出現(xiàn)拐點(diǎn)，升沉值開始隨速度變大而增大；Fr?＞2.5 后，t1，t2工況的升沉增長趨勢變緩，但t3，t4工況變緩的規(guī)律不明顯?？v傾角變化曲線在多個(gè)速度點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn)，F(xiàn)r?在1.25～2.0 范圍內(nèi)縱傾角有一段平緩的過程；當(dāng)Fr?＞3.0 后，縱傾角開始下降，隨著吃水的變大，其下降拐點(diǎn)會(huì)提前、并且下降趨勢更明顯。

因此，在t1～t4吃水工況時(shí)，該模型航速范圍涵蓋從排水航行狀態(tài)到滑行狀態(tài)，保留了滑行艇的航行特征。但在吃水為t5和t6時(shí)，模型在排水航行階段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的埋首現(xiàn)象，未能順利起滑。另外對比t3-1 和t3-2 的升沉、縱傾變化曲線，可知首部加裝防濺條可以有效地減小模型運(yùn)動(dòng)幅值，減輕排水航行階段的埋首現(xiàn)象，從而使得模型能夠順利起滑。

2.3 不同吃水下的濕面積

圖12 為不同吃水工況下的模型濕面積SW化曲線，中低速時(shí)模型SW隨著吃水的增加而明顯增加，但在高速滑行狀態(tài)Fr?＞3.0，由于艇體姿態(tài)基本一致，t1和t2吃水工況的SW大小也比較接近。另外在t3～t4工況，SW大小隨Fr?變化趨勢基本一致，半滑行狀態(tài) Fr?=1.7 左右時(shí)模型濕面積SW出現(xiàn)極小值，隨著速度變大，當(dāng)Fr?＞2.5 后SW呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。圖中出現(xiàn)的曲線不光順點(diǎn)，可能是由于計(jì)算公式作了近似化處理以及滑行艇滑行過程的強(qiáng)非線性特性造成的。

圖 12 不同吃水工況下的濕面積變化Fig.12 Change of wetted area in different draft

分析可得，SW大小與模型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)緊密相關(guān)，艇體的整體抬升和尾傾都會(huì)使?jié)衩娣e下降。結(jié)合運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，t3和t4曲線在Fr?=1.7 出現(xiàn)極小值的原因可能是此時(shí)模型的升沉和縱傾急劇變大，使得底部滑行面濕面積Sβ變小，而由須狀飛濺引起的濕面積增加值Ssp還未能補(bǔ)償?shù)撞繚衩娣e的減小值。

2.4 不同吃水下的阻力性能分析

本文對阻力試驗(yàn)結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)無因次化處理，阻力轉(zhuǎn)換成阻升比Rt/Δ，將總阻力Rt按二因次法分解成摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，摩擦阻力系數(shù)Cf按ITTC-57 公式，其中濕面積取前面近似計(jì)算所得結(jié)果。由此可計(jì)算得到無因次化的總阻力系數(shù)Ct、摩擦阻力系數(shù)Cf以及剩余阻力系數(shù)Cr。

1）阻力/排水量變化曲線分析

圖13 為不同吃水工況下的阻升比Rt/Δ隨體積傅汝德數(shù)Fr?的試驗(yàn)結(jié)果，在中低航速段不同吃水狀態(tài)下的Rt/Δ隨速度的變化趨勢基本一致，但在高速狀態(tài)Fr?＞2.5 時(shí)阻力變化規(guī)律不明顯?？梢钥吹剑rt2～t4的阻力曲線在Fr?=1.25，F(xiàn)r?=3.0 附近有拐點(diǎn)，說明阻力在航態(tài)轉(zhuǎn)換速度點(diǎn)附近出現(xiàn)非線性變化。當(dāng)Fr?在1.25～2.0 范圍時(shí)，阻力存在一段平緩增長區(qū)，與圖11 縱傾角變化曲線的平緩段相對應(yīng)；在高速滑行狀態(tài)Fr?＞3.0 時(shí)，工況t2和t3的阻力/排水量隨航速的增長趨勢明顯變緩。

圖 13 不同吃水工況下阻力變化Fig.13 Non-dimensional resistance of different draft

對比t3-1 和t3-2 阻力曲線，首部加裝防濺條能使阻力性能變好，原因是首部防濺條有效地減輕了首部飛濺現(xiàn)象，減小了模型的能量耗散。整體而言，阻力性能與航行縱傾角密切相關(guān)，Rt/Δ隨著吃水的增大而變大。其中出現(xiàn)的高速段t1和t2曲線交叉，可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析：在Fr?＞3.5 時(shí)工況t2的縱傾角為4°～5°，相比t1的3°滑行效率更高，因此t2擁有更好的阻力性能。

2）阻力成分變化分析

圖14 為了模型在不同吃水工況下的剩余阻力Rr占總阻力的比例的變化曲線，吃水在t1～t4時(shí)Rr/Rt的比值隨Fr?增大的變化規(guī)律基本一致：隨著吃水的增加，剩余阻力的份額也隨之增加，說明總阻力中隨吃水增加的主要成分是剩余阻力。在Fr?=1.25 附近Rr/Rt出現(xiàn)峰值點(diǎn)，在工況t4時(shí)Rr/Rt甚至可達(dá)到90%，原因是在起滑階段由濕面積引起的摩擦阻力急劇增大；Fr?＞1.25 后，Rr/Rt開始下降，但是隨著吃水的增加其下降趨勢變得緩和。圖14 和圖15 為不同吃水工況下的阻力系數(shù)變化曲線，在相同F(xiàn)r?下，隨著吃水的增加剩余阻力系數(shù)Cr不斷變大，而摩擦阻力系數(shù)Cf不斷變小。在中低航速段不同吃水工況下剩余阻力系數(shù)Cr的變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在Fr?=1.25 左右時(shí)C r 曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn)；當(dāng)Fr?＞2.0 后，t3和t4的Cr開始變得平緩，而t1和t2的Cr仍保持不斷下降的趨勢。摩擦阻力系數(shù)Cf隨著Fr?的增大而不斷下降，其原因是隨著航速的增大雷諾數(shù)，Re也隨之增大，而根據(jù)ITTC-57 公式Cf隨雷諾數(shù)Re的增大而減?。ū驹囼?yàn)工況Re在106～107范圍內(nèi)）。另外，當(dāng)Fr?＞2.0 時(shí)，Cf的下降趨勢開始變得緩和。

圖 14 不同吃水工況下的剩余阻力與總阻力之比Fig.14 Ratio of residual drag to total drag in different draft

圖 15 不同吃水工況下的剩余阻力系數(shù)Fig.15 Residual drag coefficient in different draft

圖 16 不同吃水工況下的摩擦阻力系數(shù)Fig.16 Frictional resistance coefficient in different dragft

根據(jù)圖14～圖16 的工況t3-1 和t3-2 曲線對比，發(fā)現(xiàn)首部加裝防濺條主要減小了總阻力中的剩余阻力成分；在Fr?＜1.0 時(shí)，加裝防濺條對Cr和Cf均影響不大，在中高速時(shí)，防濺條能使Cr和Cf均減小，并且對于Cr的影響明顯更大。

3）與典型滑行艇靜水阻力性能對比

“系列62”被認(rèn)為是阻力性能較優(yōu)良的一組滑行艇，為了評(píng)估該多航態(tài)模型的靜水阻力性能，通過公開發(fā)表的文獻(xiàn)[11]，抓取其中Model 4667-1 Test No.7 的試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，與本試驗(yàn)幾個(gè)吃水工況進(jìn)行對比，結(jié)果如圖17 和圖18 所示。

圖 17 阻力性能對比Fig.17 Comparison of resistance performance

相比系列62 模型，F(xiàn)r?＜2.5 時(shí)本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诠rt1和t2的阻力性能更好，工況t3的阻力性能基本一致。但在Fr?＞2.5 后，系列62 模型的阻力性能比本試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鱾€(gè)吃水工況均更優(yōu)。對比縱傾變化曲線，差異表現(xiàn)在中速航行狀態(tài)本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷? 個(gè)吃水工況均有一段傾角平緩段，而且本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛅2工況的縱傾角變化與系列62 模型最為接近。

3 結(jié) 語

本文通過對多航態(tài)高速無人艇在不同吃水工況進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析其靜水阻力性能和運(yùn)動(dòng)特性，得到以下結(jié)論：

1）該多航態(tài)高速無人艇在吃水為t1～t4范圍內(nèi)均能加速到高速滑行狀態(tài)，并且隨著吃水的增加其進(jìn)入滑行狀態(tài)的速度點(diǎn)會(huì)稍微提前；在吃水大于t5時(shí)模型由于埋首未能順利起滑，只能進(jìn)行低速航行；在t1，t2吃水狀態(tài)模型具有較好的阻力性能以及良好的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

2）隨著吃水的增加，高速滑行狀態(tài)由須狀噴濺引起的模型浸濕面積增加值也變大；模型總浸濕面積SW與模型的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)緊密相關(guān)，在中低速時(shí)SW隨吃水的增加而增加，但在高速滑行（Fr?＞3.0）時(shí)SW受吃水因素的影響較小。

3）在中低速（Fr?＜2.0）狀態(tài)，模型在不同吃水下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、阻力性能變化趨勢基本一致，但在高速滑行狀態(tài)其變化規(guī)律表現(xiàn)出差異。Fr?在1.25～2.0 范圍內(nèi)，各吃水工況下的縱傾值均有一段平緩變化的過程。

4）隨著吃水的增加，剩余阻力占總阻力的比例也隨之增加。剩余阻力系數(shù)隨著吃水的增加而增大，但摩擦阻力系數(shù)表現(xiàn)出遞減的趨勢；摩擦阻力系數(shù)隨著航速的增加而不斷減小，但剩余阻力系數(shù)隨著航速的增加呈現(xiàn)出先增大、后減小的規(guī)律，并且在Fr?為1.25 附近存在峰值點(diǎn)。

5）在首部合適位置加裝防濺條可以有效地減小模型在吃水較大時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)幅值，緩和模型在起滑階段的埋首現(xiàn)象，使模型能順利進(jìn)入滑行狀態(tài)。