黃 焱，侯月陽(yáng)，田育豐

（天津大學(xué)a.水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.港口與海洋工程天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

0 引 言

氣墊船是一種在船體周邊全部或部分用“圍裙”封閉，利用大功率墊升風(fēng)機(jī)將空氣抽吸后吹入船底，在船底與水面之間形成空氣氣墊，進(jìn)而將船體頂托墊升的高性能船舶[1]。氣墊船以優(yōu)異的全地形行進(jìn)能力，被廣泛應(yīng)用于軍事、工程建設(shè)和科學(xué)研究等領(lǐng)域[2-3]。在氣墊船誕生幾十年后，人們發(fā)現(xiàn)了將氣墊船用于河流破冰的可能性，從而可為冬春交替季節(jié)的防汛工作提供幫助。這一工程應(yīng)用設(shè)想最初源自加拿大工程人員的偶然發(fā)現(xiàn)，在結(jié)冰湖面低速拖曳氣墊平臺(tái)移位時(shí)，破壞了周圍近1 m 厚的冰層[4-5]。據(jù)此，加拿大學(xué)者和工程技術(shù)人員在隨后的幾年間，使用該氣墊平臺(tái)在北極周邊地區(qū)進(jìn)行了多次破冰試驗(yàn)，如圖1（a）所示[5-6]。1972年，英國(guó)海軍為評(píng)估BH7氣墊船在不同氣候條件下的性能，分別在瑞典和博思尼亞灣等地進(jìn)行了試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了氣墊船的破冰作業(yè)[7]。1977 年，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)研發(fā)中心在密西西比河開展了LACV-30 氣墊船的破冰試驗(yàn)，并對(duì)氣墊破冰船的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、操縱性和制造成本等內(nèi)容進(jìn)行了評(píng)估[8]。1979年，Muller[9]探討了氣墊船的尺寸和墊升壓力對(duì)破冰能力的影響，并建立了簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型。1980 年，Mellor 提出了兩種不同的氣墊船破冰模式：低速模式與高速模式。在低速模式下，墊升壓力將冰層下方的水體排開，誘發(fā)冰排的懸臂梁效應(yīng)而斷裂破環(huán)；在高速模式下，氣墊船在冰內(nèi)引起重力波并向前傳播，導(dǎo)致冰層發(fā)生破環(huán)[10]。1995 年，Hinchey 等[11]對(duì)加拿大歷次平臺(tái)破冰試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，也提出了將氣墊平臺(tái)的破冰模式分為低速破冰和高速破冰兩種的論述。2002年，英國(guó)利用氣墊船的高速破冰原理，制造了世界上第一艘以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的氣墊船AP.1-88/200，并在圣勞倫斯河開展破冰試驗(yàn)，如圖1（b）所示[12-13]。

圖1 氣墊平臺(tái)破冰試驗(yàn)Fig.1 Icebreaking test of ACV

對(duì)于氣墊船高速破冰模式的力學(xué)機(jī)理，已有大量研究工作相繼開展。Kozin 等[14-15]研究了碎冰場(chǎng)中波浪對(duì)氣墊船航行阻力的影響，提出了降低氣墊船破浪阻力的方法，并通過模型試驗(yàn)和理論分析，驗(yàn)證了使用應(yīng)力波干涉方法可提高冰蓋共振破壞的效率；Wang等基于靜（動(dòng)）載荷作用下彈性薄板的振動(dòng)微分方程，建立了氣墊船破冰過程的數(shù)學(xué)模型，并提出了物理模型試驗(yàn)中各參數(shù)的計(jì)算方法[16]；薛彥卓等[17]基于重力流理論，通過理論分析方法建立了氣墊船低速破冰能力評(píng)估模型，得到了破冰厚度與墊升壓力之間的關(guān)系，并與Wade 實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比；Zuev 等[18-19]分析了長(zhǎng)徑比、速度、壓力等參數(shù)對(duì)氣墊船模型破冰阻力的影響，提出了氣墊船在水中運(yùn)動(dòng)的阻力計(jì)算公式。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣墊船高速航行時(shí)的破冰機(jī)理，已形成了較為一致的認(rèn)識(shí)，即氣墊船在冰面高速運(yùn)動(dòng)時(shí)引發(fā)冰內(nèi)的聚能共振增幅效應(yīng)，從而導(dǎo)致冰排發(fā)生變形和破壞。而對(duì)于氣墊船低速航行時(shí)的破冰機(jī)理，目前已開展的針對(duì)性研究工作相對(duì)較少，關(guān)鍵性機(jī)理尚未得到完全揭示。自加拿大停止了對(duì)ACT-100 氣墊平臺(tái)破冰機(jī)理的研究起，對(duì)低速模式破冰機(jī)理的研究工作主要以數(shù)值仿真為手段開展，缺少相應(yīng)模型試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果的關(guān)鍵性支撐。另一方面，當(dāng)氣墊船以高速模式破冰時(shí)，會(huì)引起冰面的大范圍破壞，如圖1（b）所示。而當(dāng)氣墊船以低速模式破冰時(shí)，可在冰面開辟一條較規(guī)整的航道，從而具有更廣闊的的應(yīng)用前景。

由此可見，亟需補(bǔ)充模型試驗(yàn)研究工作，對(duì)氣墊船在低速航行時(shí)的破冰機(jī)理進(jìn)行研究。本文即以一艘內(nèi)河自航氣墊破冰船為原型，在低溫拖曳冰水池中開展了一系列低速破冰模型試驗(yàn)?；谀Ｐ驮囼?yàn)現(xiàn)象和測(cè)試結(jié)果，對(duì)低速破冰過程中的關(guān)鍵性機(jī)理進(jìn)行討論。

1 氣墊船低速破冰機(jī)理的初步認(rèn)識(shí)

目前，已有研究工作對(duì)氣墊船低速破冰機(jī)理的初步認(rèn)識(shí)為[12]：氣墊船在開敞水域墊升后，氣墊船底部噴射的高壓氣流沿水體與氣墊船之間的空隙向外逃逸，促使水面產(chǎn)生興波；由于低速航行下氣墊產(chǎn)生興波的傳遞速度遠(yuǎn)大于其航速，所以當(dāng)氣墊船還未到達(dá)冰排時(shí)，興波便已先行傳遞至冰排下方的水體，如圖2（a）所示；興波在進(jìn)入冰下水體的過程中，將裹挾部分空氣一起潛入冰層下方，形成冰下氣腔。冰下氣腔的存在使得這一范圍內(nèi)冰體失去了水的彈性支撐作用，形成當(dāng)前初步認(rèn)識(shí)中所謂的“懸臂梁效應(yīng)”；當(dāng)氣墊船艏部運(yùn)動(dòng)至冰排前緣后，墊升風(fēng)壓將在具有“懸臂梁效應(yīng)”的冰排前端產(chǎn)生一個(gè)下壓載荷作用，進(jìn)而在“懸臂”冰排的后端，即冰下氣腔的擴(kuò)展邊界位置，產(chǎn)生彎曲力矩；這樣，當(dāng)這一彎曲力矩產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到冰的抗彎強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)引發(fā)冰排前緣的彎曲破壞，如圖2(b)所示。由此可知，在這種初步認(rèn)識(shí)的指引下，氣墊船低速破冰能力取決于兩個(gè)方面：一是墊升風(fēng)壓的大??；另一則是冰下氣腔的規(guī)模。墊升風(fēng)壓往往是一個(gè)僅與船體重量和飛高相關(guān)的參數(shù)，不具備可調(diào)空間。而冰下氣腔的規(guī)模，則與水面興波的波長(zhǎng)及波幅大小正相關(guān)。波長(zhǎng)或波幅越大，在冰下能形成的氣腔范圍就越大，致使具有“懸臂梁效應(yīng)”的冰排范圍增大，氣墊船的破冰能力隨之增強(qiáng)。為驗(yàn)證上述認(rèn)識(shí)的合理性，本文開展了氣墊船低速破冰的系列模型試驗(yàn)。

圖2 氣墊船低速破冰原理[12]Fig.2 Icebreaking mechanism of ACV at low speed[12]

2 模型試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)設(shè)施

本文開展的氣墊船低速破冰模型試驗(yàn)在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實(shí)驗(yàn)室的低溫拖曳冰水池內(nèi)完成（如圖3所示）。該低溫拖曳冰水池的尺寸為40.0 m長(zhǎng)、6.0 m寬、1.8 m深，可制取1.0～30.0 cm的模型冰。冰水池置于一個(gè)320.0 m2的低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過制冷壓縮機(jī)組和冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣溫可實(shí)現(xiàn)0～-25℃范圍內(nèi)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，并通過冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)可控制水面（冰面）各處的冷風(fēng)風(fēng)速均小于0.5 m/s，從而保證室內(nèi)同高度位置溫差小于1.0℃。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配有兩臺(tái)拖車，一臺(tái)試驗(yàn)拖車，一臺(tái)服務(wù)車。其中，試驗(yàn)拖車主要用于固定結(jié)構(gòu)模型，并驅(qū)動(dòng)模型穿越模型冰。試驗(yàn)拖車車速可實(shí)現(xiàn)在0.001～1.0 m/s范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，也可以固定速度恒速行駛。服務(wù)車主要用于輔助模型安裝和模型冰制備，并在部分試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)模型冰運(yùn)動(dòng)，車速可在0.001～0.5 m/s范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

圖3 天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程實(shí)驗(yàn)室低溫拖曳冰水池Fig.3 Ice tank in the ice mechanics and engineering laboratory of Tianjin University

2.2 模型律和模型比尺

冰模型試驗(yàn)同時(shí)具有流體試驗(yàn)和材料試驗(yàn)的特點(diǎn)，選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ吐墒潜ＷC試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。本文開展的氣墊船低速破冰模型試驗(yàn)面對(duì)的情況更為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)與冰的相互作用過程涉及空氣、水、冰和柔性材料等多種因素。由于可壓流體與不可壓流體的相似準(zhǔn)則互不兼容，這就需要在模型試驗(yàn)中聚焦核心物理過程，并以此作為確定相似準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)。氣墊船低速破冰過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是冰在外力作用下發(fā)生彎曲破壞，破壞過程中慣性力（重力）和彈性力的作用占主導(dǎo)地位。另一方面，氣墊船的墊升壓力與圍裙內(nèi)的風(fēng)壓和風(fēng)速相關(guān)，但墊升壓力可由氣墊船最終呈現(xiàn)的墊升狀態(tài)（墊升高度或吃水）來(lái)表征，從而可將墊升狀態(tài)納入統(tǒng)一的模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則中。據(jù)此，選擇弗汝德和柯西相似準(zhǔn)則作為本系列模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，從而確定各物理參數(shù)的相似比尺，如表1所示。

表1 主要物理量的模型比尺Tab.1 Model scale of primary physical quantities

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本系列氣墊船低速破冰模型試驗(yàn)的原型結(jié)構(gòu)是一艘內(nèi)河自航氣墊破冰船，如圖4 所示。該氣墊船為典型長(zhǎng)條形構(gòu)型，兩臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)左右對(duì)稱布置于甲板，風(fēng)機(jī)出口固定在內(nèi)嵌于船身的氣道結(jié)構(gòu)上。船身周圍由柔性圍裙包裹，該圍裙是由大囊和滑板指氣囊組成的嚢指型圍裙。同時(shí)，船體底部還布置有橫穩(wěn)圍裙與縱穩(wěn)圍裙，用于維系氣墊船的平衡。風(fēng)機(jī)出口連接氣道結(jié)構(gòu)，將高壓空氣壓入氣道，繼而進(jìn)入柔性圍裙內(nèi)使其充氣成型。圍裙成型后，高壓氣流從底部氣囊的開口噴出，在船底形成氣墊。氣墊船的船身整體由高強(qiáng)度鋼形成剛性支撐框架。根據(jù)原型結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)驗(yàn)室條件，在試驗(yàn)中確定幾何縮尺比λ=1:5，部分氣墊船原型和模型結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2。該船的設(shè)計(jì)破冰厚度為0.3 m（冰抗彎強(qiáng)度為500 kPa），對(duì)應(yīng)模型冰厚為0.06 m（模型冰抗彎強(qiáng)度為100 kPa），墊升高度為8 mm。

圖4 氣墊船原型Fig.4 Air cushion vehicle prototype

依據(jù)氣墊船原型結(jié)構(gòu)特征，氣墊船模型設(shè)計(jì)包括墊升風(fēng)機(jī)、氣道結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和圍裙結(jié)構(gòu)四部分。其中，氣墊船模型支撐結(jié)構(gòu)是由不銹鋼型材加工而成的框架結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)尺寸和重量根據(jù)原型尺寸和模型比尺確定，如圖5（a）所示。根據(jù)原型圍裙結(jié)構(gòu)特征和模型支撐結(jié)構(gòu)型式，將圍裙結(jié)構(gòu)模型分為三部分，包括固定在支撐框架上的大囊、連接于大囊下部的滑板指氣囊、以及船底的橫穩(wěn)圍裙和縱穩(wěn)圍裙。參考原型氣道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用密度小、柔韌度高的特種板材加工制作氣道結(jié)構(gòu)，形成與原型氣道相同的布置規(guī)則。對(duì)氣道結(jié)構(gòu)與不銹鋼支撐框架的連接位置進(jìn)行了氣密處理。根據(jù)原型結(jié)構(gòu)重量和墊升風(fēng)機(jī)參數(shù)，對(duì)墊升風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行選型。選型工作的技術(shù)要點(diǎn)在于保證墊升風(fēng)機(jī)的重量、出口風(fēng)壓和流量與設(shè)計(jì)要求相匹配。采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算：

式中：Q為風(fēng)機(jī)出口流量；a=5～10，考慮到本試驗(yàn)需根據(jù)各部分設(shè)計(jì)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的適配選型，在此選取a為10，以滿足風(fēng)機(jī)的適用范圍；W為氣墊船重量。最終選定某型渦輪風(fēng)機(jī)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改造。改造工作主要是將渦輪風(fēng)機(jī)的變頻電機(jī)換裝為伺服電機(jī)，通過精準(zhǔn)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，細(xì)致調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口的流量和風(fēng)壓，從而使氣墊船模型達(dá)到目標(biāo)墊升高度，模擬與原型一致的墊升狀態(tài)。裝配成型的氣墊船模型如圖5（b）所示。

圖5 氣墊船模型Fig.5 Air cushion vehicle model

2.4 拖曳裝置與測(cè)試系統(tǒng)

在本文氣墊船低速破冰模型試驗(yàn)中，使用試驗(yàn)拖車拖曳氣墊船模型穿越模型冰排，模型連接方式如圖5（a）所示。結(jié)構(gòu)模型通過剛性拖曳桿與試驗(yàn)拖車相連，在剛性拖曳桿兩端均設(shè)有萬(wàn)向節(jié)，從而保證氣墊船模型在垂向與橫向上可以自由運(yùn)動(dòng)。使用兩條彈性纜繩限制剛性拖曳桿在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，抑制氣墊船模型的艏搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)。在這種拖曳方式下，氣墊船模型的艏搖、縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)受限，而縱搖、橫搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)放開。在橫向牽引梁上布置了1個(gè)輪輻式拉壓傳感器（如圖6所示），測(cè)試結(jié)構(gòu)模型的航行阻力。在每臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)出口處布置了1 個(gè)風(fēng)速傳感器（見圖7（a））及1 個(gè)風(fēng)壓傳感器（見圖7（b）），用以監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)出口的流量和風(fēng)壓。在氣墊船模型框架的底板上，前后對(duì)稱布置了2個(gè)風(fēng)壓傳感器，測(cè)試船底的實(shí)時(shí)墊升風(fēng)壓。

圖7 風(fēng)速及風(fēng)壓傳感器Fig.7 Wind speed and pressure sensors

2.5 低溫凍結(jié)模型冰

在模型試驗(yàn)中使用第4代改進(jìn)的尿素模型冰，即以尿素為模型冰溶液主要添加劑，經(jīng)低溫凍結(jié)制備得到。模型冰制備過程主要包括配置尿素水溶液、制冷降溫、噴霧引晶、回溫調(diào)節(jié)和參數(shù)檢測(cè)等環(huán)節(jié)。制備得到的低溫凍結(jié)模型冰具有與天然海冰相似的晶體結(jié)構(gòu)，表層為細(xì)密的粒狀結(jié)晶層（約占總冰厚的1/10～1/9），下層為垂向分布的柱狀結(jié)晶層（如圖8 所示），從而保證模型冰的力學(xué)性質(zhì)滿足相似性要求。通過回溫調(diào)節(jié)模型冰力學(xué)性質(zhì)，在低溫拖曳冰水池內(nèi)進(jìn)行懸臂梁彎曲強(qiáng)度測(cè)試，當(dāng)測(cè)試結(jié)果達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度時(shí)即開始模型試驗(yàn)。

圖8 模型冰截面圖Fig.8 Section of the model ice

2.6 試驗(yàn)流程與試驗(yàn)工況

制備得到滿足要求的模型冰排后，按以下步驟開展冰水池模型試驗(yàn)：

（1）氣墊船模型在平整地面進(jìn)行墊升測(cè)試，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速使模型墊升高度達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，并測(cè)試全墊升狀態(tài)下的墊升壓力和風(fēng)速。

（2）將氣墊船模型轉(zhuǎn)運(yùn)至低溫拖曳冰水池，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)令模型以全墊升狀態(tài)拖至開敞水面，標(biāo)定各傳感器。

（3）按照試驗(yàn)工況的墊升狀態(tài)要求，通過調(diào)節(jié)氣墊船模型上的配重控制墊升高度或吃水。

（4）開啟各傳感器和攝像機(jī)，在試驗(yàn)過程中保持全程測(cè)試。啟動(dòng)試驗(yàn)拖車，以設(shè)計(jì)航速拖曳氣墊船模型穿越模型冰排。

（5）停車并停止采集，試驗(yàn)拖車后退一段距離，令結(jié)構(gòu)模型與模型冰排脫離接觸，重復(fù)步驟（3）～（5）進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過程中，氣墊船模型全墊升工況的試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)工況Tab.3 Model test conditions

3 全墊升工況試驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)工況1 中，將模型拖曳至開敞水面后，由船體底部噴出的高壓氣流向水面持續(xù)施壓，在船體與水面間形成高壓氣墊，并將船體完全墊升。同時(shí)，水面在高壓氣流的作用下形成凹陷，并在高壓射流的作用下形成興波向四周擴(kuò)散。部分高壓氣體沿船體與水面的間隙向外散逸，裹挾大量水體形成水霧飛濺的現(xiàn)象（如圖9（a）所示）。興波擴(kuò)散的過程中帶動(dòng)部分氣墊內(nèi)氣體外流，墊升風(fēng)壓也因此發(fā)生脈動(dòng)變化，促使船體出現(xiàn)周期性的升沉運(yùn)動(dòng)。氣墊船模型在試驗(yàn)拖車的拖曳下航行至模型冰排前緣。此時(shí)，由于圍裙底部水面凹陷，冰排前緣完全暴露于凹陷區(qū)水線面之上，圍裙與冰排發(fā)生瞬態(tài)撞擊。冰排前緣在瞬態(tài)撞擊下發(fā)生局部破壞，并出現(xiàn)整體下彎變形，而艏部圍裙也在這一撞擊事件中出現(xiàn)小幅度彎折變形，如圖9（b）所示。隨后，船體以“前仰后傾”的姿態(tài)沿下彎冰面上爬，此時(shí)冰面并未因船體重量的施加而發(fā)生大規(guī)模彎曲破壞。最終，氣墊船模型由水面快速爬升至冰面，并以冰面全墊升狀態(tài)繼續(xù)低速航行，如圖9（c）所示。船體在冰面航行時(shí)，冰排在船底噴出的高壓射流作用下發(fā)生可見的下陷變形，并形成前文中所論及的冰面興波，由船體向四周擴(kuò)散，但冰排未因此而發(fā)生破壞。

在試驗(yàn)工況1中，氣墊船模型受到的阻力如圖9所示。由圖可見，在試驗(yàn)初始階段，氣墊船在開敞水面運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力很?。ㄗ枇禐?.5 N）。在船體底部風(fēng)壓波動(dòng)和水面興波擴(kuò)散的影響下，阻力曲線表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)。繼而，艏部圍裙與冰排發(fā)生瞬態(tài)撞擊，阻力水平突升。在隨后船體沿冰面上爬過程中，冰排前緣與圍裙底部發(fā)生持續(xù)的摩擦作用，使得阻力在高水平上波動(dòng)（持續(xù)了近1 s）。待氣墊船模型全部上爬至冰面后，進(jìn)入冰面全墊升航行狀態(tài)，此時(shí)阻力水平迅速回落，但仍明顯大于其在水面航行時(shí)所受的阻力（阻力均值為60.83 N），如圖9中紅線所示。

圖9 試驗(yàn)工況1現(xiàn)象和阻力時(shí)程Fig.9 Test phenomena and resistance curve in Condition 1

4 非全墊升工況試驗(yàn)現(xiàn)象

由全墊升工況試驗(yàn)現(xiàn)象可知，氣墊船在該狀態(tài)下是難以實(shí)現(xiàn)有效破冰的。究其原因，可歸結(jié)為由水面興波擴(kuò)散形成的冰下氣腔并不能產(chǎn)生所謂的“懸臂梁效應(yīng)”。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由氣墊船模型底部噴出的高壓氣流，因圍裙氣囊底部與冰排邊緣之間存在縫隙而快速散逸，未能沖入冰下匯集成為穩(wěn)定氣腔。這樣一來(lái)，在興波的傳播過程中，帶入冰下的空氣就十分有限，并且未與氣墊船底部的高壓空間形成連通，因此大部分氣體很快被靜水壓推出冰下而散逸。僅存的少部分氣體則以小氣泡的形式散布于冰體之下，難以形成有效的氣腔空間。此時(shí)，水體對(duì)冰排的彈性支撐作用仍舊有效，并支撐平臺(tái)上爬至冰面進(jìn)行全墊升航行。

根據(jù)Hinchey和Colbourne對(duì)氣墊破冰平臺(tái)的研究[11]，加拿大在上世紀(jì)70 年代開展的大量氣墊平臺(tái)低速破冰試驗(yàn)中，均發(fā)現(xiàn)平臺(tái)會(huì)促使冰面下形成一個(gè)氣體空腔，并在隨后接觸冰面的運(yùn)動(dòng)過程中導(dǎo)致冰體破壞。同時(shí)，有影像資料顯示，烏克蘭一座在役氣墊破冰平臺(tái)是以非全墊升狀態(tài)進(jìn)行破冰操作的，如圖10 所示。據(jù)此，本文進(jìn)一步開展了一系列探究有效破冰模式與機(jī)理的非墊升試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表4所示。

圖10 烏克蘭氣墊破冰平臺(tái)Fig.10 Icebreaking air cushion vehicles in Ukraine

表4 非全墊升試驗(yàn)工況Tab.4 Model test conditions

4.1 非全墊升試驗(yàn)破冰失效試驗(yàn)現(xiàn)象

由試驗(yàn)工況2～5 可知，不斷調(diào)整氣墊船模型的吃水深度。只有在試驗(yàn)工況5，即氣墊船模型的吃水深度達(dá)到90 mm 時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)有效破冰，其他各組試驗(yàn)現(xiàn)象與試驗(yàn)工況1相近。這一節(jié)中以試驗(yàn)工況2 為例，介紹非全墊升狀態(tài)破冰失效的一般現(xiàn)象。在試驗(yàn)工況2 中，圍裙底部的滑板指氣囊始終浸沒于水中。由氣囊噴出的高壓氣流受到水體抑制，在船體周圍出現(xiàn)氣泡持續(xù)泄放現(xiàn)象，水面不斷翻滾，難以形成穩(wěn)定的水面興波，如圖11（a）所示。當(dāng)船體抵達(dá)冰排前緣時(shí)，艏部圍裙與模型冰排發(fā)生碰撞擠壓，造成冰排整體下彎變形，艏部圍裙也發(fā)生了較大的彎折變形，船體呈現(xiàn)出“前傾后仰”的姿態(tài)。更重要的是，此時(shí)冰排前緣下方形成了一個(gè)明顯的環(huán)狀氣腔。在氣墊船模型的持續(xù)下壓作用下，在氣腔距艏部最遠(yuǎn)處開始出現(xiàn)裂紋。裂紋沿氣腔邊緣向冰排前緣快速發(fā)展，沿冰排前緣發(fā)生由單條環(huán)向裂紋貫穿引起的整體彎曲破壞，如圖11（b）所示。在單條環(huán)向裂紋擴(kuò)展的同時(shí)，接觸區(qū)域不斷產(chǎn)生徑向裂紋，并向前方的環(huán)向裂紋延伸，從而將船艏前整體破壞的冰面切割為數(shù)塊面積較小的碎冰塊，呈現(xiàn)出冰面“龜裂”的現(xiàn)象。同時(shí)，在模型的整個(gè)破冰進(jìn)程中，還伴隨著多條環(huán)向裂紋交錯(cuò)擴(kuò)展的局部破壞模式。局部破壞一般發(fā)生于某次整體破壞過程之后。在陸續(xù)發(fā)生2～3次的局部破壞事件后，模型艏部沿下彎變形的冰面迅速爬升至冰排表面，如圖11（c）所示。此時(shí)船體在冰面上滑行，圍裙底部與冰面接觸并發(fā)生變形，與冰面發(fā)生持續(xù)的摩擦作用。

圖11 所示為試驗(yàn)工況2 中氣墊船模型受到的阻力時(shí)程。模型由敞水航行到初次撞擊冰排時(shí)，同樣出現(xiàn)了阻力水平的躍升，這是冰排的整體破壞引發(fā)的。在之后的2 s 內(nèi)，冰排又發(fā)生了多次的局部破壞，阻力水平呈逐步下降的趨勢(shì)。在之后航行的某個(gè)時(shí)刻，模型迅速上爬至冰面，進(jìn)入冰面滑行狀態(tài)，阻力水平也相應(yīng)迅速下降并逐漸穩(wěn)定。氣墊船模型在冰面滑行的阻力要遠(yuǎn)高于在敞水區(qū)航行時(shí)的阻力，也遠(yuǎn)高于在冰面以全墊升狀態(tài)航行時(shí)的阻力。

圖11 工況2試驗(yàn)現(xiàn)象和阻力時(shí)程圖Fig.11 Test phenomena and resistance curve in Condition 2

4.2 非全墊升試驗(yàn)有效破冰試驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)工況5中，氣墊船模型可以實(shí)現(xiàn)有效破冰。在試驗(yàn)初始階段，模型在開敞水面航行時(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象與上文所述相同，如圖12 所示。當(dāng)模型到達(dá)冰排前緣時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)前方冰排下面出現(xiàn)了環(huán)狀氣腔。即便只從水上觀測(cè)，仍可以看到艏部前方冰下存在一個(gè)巨大的白色空腔，如圖13所示。

另一方面，由于此時(shí)結(jié)構(gòu)有一定吃水，與冰排接觸的不再僅僅是圍裙氣囊的下邊緣，而是圍裙氣囊下部，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是由于彎折變形而下壓的環(huán)形圍裙表面。隨著船體繼續(xù)向前推進(jìn)，冰排的下彎變形持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，氣腔邊緣向模型前進(jìn)方向和船舷兩側(cè)擴(kuò)展，形成長(zhǎng)度略大于船寬的環(huán)形氣腔域。模型繼續(xù)航行，促使冰排發(fā)生整體破壞，如圖14（a）所示。徑向裂紋也同樣出現(xiàn)并將整體破壞后的環(huán)形冰面分割為更小的碎冰塊。如前所述，冰面的整體破壞會(huì)在冰面留下不規(guī)則的環(huán)形切面，艏部圍裙幾乎同時(shí)與環(huán)形冰面邊緣接觸。在這種情況下，圍裙兩側(cè)變形較大，前端變形較小，如圖14（b）所示。當(dāng)氣墊船模型繼續(xù)向前航行時(shí)，船艏圍裙對(duì)冰排前緣環(huán)形區(qū)域兩側(cè)的作用力持續(xù)增大。在接觸點(diǎn)附近開始出現(xiàn)一系列直徑很小的環(huán)向裂紋，將接觸區(qū)域冰排分割為尺寸更小的碎冰塊。這些碎冰塊呈不規(guī)則形狀，大小相近，平均尺寸為24 cm×16 cm，鋪滿氣墊船模型航道，如圖15所示。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，冰排在發(fā)生局部破壞和整體破壞時(shí)，氣墊船模型在冰力作用下會(huì)發(fā)生小幅度的艏搖運(yùn)動(dòng)。

圖15 航道內(nèi)冰況Fig.15 Ice condition in the channel

圖14 所示為試驗(yàn)工況5 中氣墊船模型受到的阻力。由圖可見，當(dāng)冰排發(fā)生局部破壞時(shí)，船體模型受到的破冰阻力明顯小于冰排發(fā)生整體破壞時(shí)的阻力水平。這種局部破壞模式會(huì)維持相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，并在某一時(shí)刻又突然轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞模式。冰排整體破壞與局部破壞的交替出現(xiàn)也成為試驗(yàn)中的重要現(xiàn)象。由圖14還可以發(fā)現(xiàn)，冰排在發(fā)生整體破壞和局部破壞時(shí)，都會(huì)促使破冰阻力隨時(shí)間呈現(xiàn)出顯著的加載-卸載周期性波動(dòng)特征。

圖14 工況5試驗(yàn)現(xiàn)象和阻力時(shí)程Fig.14 Test phenomena and resistance curve in Condition 5

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由低溫拖曳冰水池氣墊船模型低速破冰系列模型試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)氣墊船以全墊升姿態(tài)（墊升高度為40 mm）按照1 kn 的航速航行時(shí)，無(wú)法有效破壞設(shè)計(jì)破冰厚度（0.3 m）和彎曲強(qiáng)度（500 kPa）的平整冰。通過逐漸增大吃水調(diào)節(jié)氣墊船的墊升姿態(tài)，當(dāng)結(jié)構(gòu)吃水達(dá)到0.45 m時(shí)，可以在1 kn的航速下連續(xù)破壞目標(biāo)平整冰（冰厚為0.3 m，彎曲強(qiáng)度為500 kPa）。由試驗(yàn)工況1 中的現(xiàn)象可知，模型結(jié)構(gòu)抵達(dá)冰排邊緣時(shí)，圍裙底部的水面興波在冰下水體靜水壓力的作用下，將發(fā)生快速的能量耗散，難以形成聚能效應(yīng)。興波傳遞至冰下很小一段距離便被水體推出，難以形成有效的破冰過程。同時(shí)，興波傳播過程帶入冰下的少量氣體，由于缺少持續(xù)的氣體供應(yīng)，也很快被靜水壓推出散逸。殘留于冰下的小部分氣體則被水體包圍，以單獨(dú)小氣泡的形式分布于船艏前方，互不連通，無(wú)法形成整塊的冰下氣腔。

另一方面，圍裙底部噴出的高壓射流，由于圍裙與冰排之間存在縫隙而快速散逸，同樣未能沖入冰下形成穩(wěn)定氣腔，上述過程如圖16（a）所示。由此可見，全墊升狀態(tài)下冰下難以形成穩(wěn)定氣腔，水體對(duì)冰排的彈性支撐作用仍舊有效，從而支撐氣墊船模型最終上爬至冰面。

隨著氣墊船模型墊升高度的調(diào)節(jié)，模型由全墊升狀態(tài)轉(zhuǎn)換為具有一定吃水深度的非全墊升狀態(tài)。此時(shí)圍裙氣囊完全被水體包圍，由氣囊噴出的高壓射流會(huì)在模型底部形成一個(gè)具有壓力維持能力的氣墊氣腔。模型在敞水航行時(shí)，氣墊氣腔內(nèi)的高壓氣體不斷向周圍水體擴(kuò)散，形成內(nèi)部具有高壓氣體的氣泡群。氣泡群在浮力作用下快速上浮至水面，在水面破碎以釋放壓力。當(dāng)模型運(yùn)動(dòng)至冰排邊緣時(shí)，艏部圍裙下方形成的高壓氣泡群向前運(yùn)動(dòng)，上浮至水面后受到冰面限制，快速匯聚成具有一定規(guī)模的氣腔域，并以體積擴(kuò)展的方式釋放壓力。同時(shí)，船體底部的氣墊氣腔逐漸與冰下氣腔域連通，從而可以為冰下氣腔規(guī)模的擴(kuò)展和壓力維持提供充足的氣體輸入，如圖16（b）所示。

圖16 氣墊船模型低速破冰原理Fig.16 Icebreaking mechanism of ACV model at low speed

冰下氣腔的形成排開了冰下水體，從而消除了水體對(duì)冰排的彈性支撐。在氣墊氣腔壓力的持續(xù)供給下，冰下氣腔壓力不斷增加，使得氣腔壓力作用于冰排底面，形成了超過冰排自重的上頂壓力。在船體行進(jìn)過程中，冰排的受力情況為：圍裙在冰排邊緣上表面的作用力，即不斷增大的下壓力Fs；冰排下表面承受來(lái)自氣腔內(nèi)高壓氣體的均布上頂壓力Pair。隨著氣墊船模型向前運(yùn)動(dòng)，作用于冰排邊緣的下壓力不斷增大，冰下氣腔的上頂壓力Pair也持續(xù)增大。冰下氣腔域體積持續(xù)擴(kuò)展，將冰下更多的水體排開，形成更大的上頂載荷面。據(jù)此，在下壓力Fs與上頂壓力Pair的共同作用下，在冰下氣腔邊緣位置引發(fā)由下至上的裂紋貫穿，在冰面形成環(huán)向裂紋，從而促使冰排發(fā)生向下的彎曲破壞。由試驗(yàn)現(xiàn)象還可發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)達(dá)到一定吃水深度后，氣墊船模型才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)的破冰操作。這是因?yàn)殡S著模型吃水深度的增加，由圍裙底部噴出的高壓氣體，會(huì)在冰下形成規(guī)模更大的氣腔，從而令更大范圍內(nèi)的冰排失去底部水體支撐。另一方面，氣墊船模型吃水的增加也會(huì)形成更大的下壓力Fs。如此，在下壓力、上頂壓力和更大氣腔規(guī)模的共同作用下，具備足夠吃水深度的模型可完成對(duì)冰層的持續(xù)破壞。

6 結(jié) 論

本文對(duì)一艘內(nèi)河自航氣墊破冰船在低速航行時(shí)的破冰機(jī)理進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。在一種航速條件和冰條件下，開展了不同墊升狀態(tài)的系列模型試驗(yàn)。在試驗(yàn)中測(cè)試了氣墊船模型的航行阻力，并對(duì)破冰過程進(jìn)行了細(xì)致觀測(cè)。通過模型試驗(yàn)得到以下主要結(jié)論：

（1）氣墊船能夠有效破冰的關(guān)鍵機(jī)理是在冰層下方形成穩(wěn)定氣腔。氣腔可將冰層下方的水體排開并持續(xù)擴(kuò)散，導(dǎo)致冰排失去水體的彈性支撐，氣墊船下壓力和氣腔上頂壓力的共同作用促使冰排發(fā)生彎曲破壞。

（2）氣墊船以較低航速行進(jìn)時(shí)，只有達(dá)到一定的吃水深度，才能在冰層下方形成穩(wěn)定氣腔。

（3）氣墊船在破冰過程中會(huì)出現(xiàn)小幅的艏搖運(yùn)動(dòng)，這是氣墊船受到不均勻冰力作用引起的。

綜上所述，氣墊船在進(jìn)行破冰作業(yè)時(shí)，必須配備大功率推進(jìn)裝置，并能穩(wěn)定控制船體姿態(tài)，才能保障結(jié)構(gòu)連續(xù)破冰作業(yè)的安全有效。