朱敏 張鎮(zhèn)楊 壯滔 邵永勇/中國船舶集團有限公司第七○五研究所

按照航行過程中蛙人在艙內(nèi)所處的狀態(tài)，可將蛙人運載裝備分為干式和濕式兩大類。干式蛙人運載裝備蛙人艙內(nèi)為干態(tài)，蛙人可在艙內(nèi)自由呼吸，有利于蛙人在運載過程中保存體力，提升戰(zhàn)斗力。濕式蛙人運載裝備蛙人艙內(nèi)為泡水狀態(tài)，通過潛水裝備呼吸，不利于蛙人保持戰(zhàn)斗力。相對而言，濕式蛙人運載裝備尺度較小，對母平臺要求較低，投送距離有限。干式蛙人運載裝備可達幾十噸，對作戰(zhàn)保障系統(tǒng)要求較高，但作戰(zhàn)半徑更大。

綜合考慮蛙人快速遠距離投送、危險區(qū)隱蔽滲透、駕乘人員舒適性及對母平臺要求等多種因素，近年來美、英、俄、瑞典、荷蘭等國相繼研制了多種水面/水下兩用艇。水面/水下兩用艇具備水面高速航行和水下隱蔽滲透能力，可搭載于大中型艦艇及運輸機靈活布放，顯著提升蛙人遠距離投送及遠海常態(tài)化執(zhí)行多樣化任務(wù)能力。

水面/水下兩用艇水動力設(shè)計涉及滑行艇、水下航行器、水面耐波性、水面雷達隱身和水下聲隱身等多個細分領(lǐng)域，設(shè)計難度大、設(shè)計耦合因素多。本文通過梳理國外產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，分析其水動力設(shè)計經(jīng)驗和難題解決途徑，可為國內(nèi)后續(xù)開展相關(guān)設(shè)計提供參考。

國外水面/水下兩用艇現(xiàn)狀

⒈各國產(chǎn)品介紹

⑴美國“多用途作戰(zhàn)艇”

應(yīng)美國特種作戰(zhàn)司令部要求，司蒂德公司研發(fā)了“多用途作戰(zhàn)艇”(MRCC)(見圖1)。該艇為濕式結(jié)構(gòu)，長9.91米，寬2.31米，高1.68米，承載力0.8噸，可搭載8人。該艇采用水面/水下雙模動力，可雙向航行。水面狀態(tài)下“尖頭”朝前，由增壓柴油發(fā)動機提供動力，巡航速度30節(jié)（kn）時續(xù)航力為250海里（nmile），以最大速度35kn可航行180nmile；水下狀態(tài)“鈍頭”朝前，由電池驅(qū)動電機提供動力，能夠以5kn的速度航行25—30nmile，最大下潛深度20米。

圖1 美國MRCC

⑵俄羅斯“海神”

“海神”水面/水下蛙人輸送艇(見圖2)由俄羅斯天青石設(shè)計局設(shè)計生產(chǎn)。該艇為濕式結(jié)構(gòu)，長約9.9米，寬2.3米，高1.68米，載重0.636噸，可搭載6名蛙人(含裝備)。該艇采用水面/水下雙模動力，水面、水下同向航行。水面航速24kn，最大航程112nmile；水下航速3kn，最大航程6nmile。工作深度20米。

圖2 俄羅斯“海神”輸送艇

⑶瑞典/英國DGB輸送艇

瑞典DCE公司為英國皇家海軍研制的DGB艇(見圖3)也是一種濕式水面/水下蛙人輸送艇，于2011年底正式交付英國皇家海軍特別舟艇部隊。該艇為濕式結(jié)構(gòu)，全長10米，寬2.3米，高為1.65米，載重1噸，搭載6人。該艇采用水面/水下雙模動力，水面航行時，依靠柴油發(fā)動機，最大航速可達30kn；水面巡航速度25kn，續(xù)航力可達180nmile；水下潛航速度5kn，依靠電池為4個電機提供動力，水下航程15nmile，工作深度20米，水面、水下同向航行。

圖3 英國DGB輸送艇

⑷英國SEALCarrier

SEALCarrier是英國詹姆斯·費舍爾防務(wù)集團在收購瑞典DCE公司后，在DGB基礎(chǔ)上升級的產(chǎn)品(見圖4)。該艇為濕式結(jié)構(gòu)，采用水面/水下雙模動力、同向航行形式?？傞L9.65米，寬2.21米，高1.65米，載重1.2噸，搭載6人，工作深度40米。在水面/半潛航行狀態(tài)，該艇既可以依靠柴油機驅(qū)動噴水推進器高速航行，又可以依靠電池驅(qū)動水下推進器半潛航行；在水下航行狀態(tài)時，該艇依靠鋰電池系統(tǒng)+雙軸推實現(xiàn)水下穩(wěn)定航行。該艇及其專用拖車可裝載于標(biāo)準集裝箱完成運輸，其布放形式靈活多樣，可由大中型水面艦艇攜載布放、快艇拖帶或飛機空投，應(yīng)用范圍較廣。

圖4 英國SEAL Carrier

⑸荷蘭P7

P7(見圖5)是由荷蘭設(shè)計的一型水面/水下蛙人輸送艇。該艇是由快艇直接改造而來，采用濕式結(jié)構(gòu)，單列乘坐，可搭載6人，具有水面高速滑行、水面低速航行和水下低速航行3種模式。艇長9.8米，寬2.5米，高1.8米，載重1噸。水面航速30kn，航程250nmile；水下5kn，航程16nmile。水下工作深度18米，接近目標(biāo)后可系留海底。水面采用柴油機與噴水推進，主機運轉(zhuǎn)時可為電池充電；水下由電池為4個電推提供動力。

圖5 荷蘭 P7

⑹韓國SDV-1000W

SDV(specialdeliveryvessel)-1000W(見圖6)由韓國VOGO公司設(shè)計生產(chǎn)，該艇長13米，寬2.21米，高1.65米，載重1.5噸，可搭載10人(含裝備)。該艇為濕式結(jié)構(gòu)，采用水面/水下雙模動力、同向航行形式。水面采用柴油機驅(qū)動噴水推進器航行，水面航速35kn，最大航程130nmile；水下采用純電推進，水下航速5kn，最大航程16nmile，工作深度18米。后續(xù)VOGO公司又進一步縮小了SDV-1000W的尺度，以適應(yīng)集裝箱運輸和空投的需求。

圖6 韓國 SDV-1000W

2.綜合技術(shù)狀態(tài)比較

表1對比國外水面/水下兩用艇綜合技術(shù)指標(biāo)，分析得出如下特點：①外形尺度均在1個集裝箱裝載范圍內(nèi)，便于運輸；②均采用混合動力，水面熱動力實現(xiàn)高速航行，水下純電推進實現(xiàn)隱蔽航渡；③水面航速均約30kn，水面續(xù)航力112—270nmile；水下滲透速度約5kn，水下續(xù)航力6—25nmile；④均為濕式結(jié)構(gòu)，搭載6—10名蛙人，載重0.6—1.5噸；⑤工作深度均在蛙人安全潛深40米以內(nèi)。

表1 國外水面/水下兩用艇性能對比

綜上所述，水面/水下兩用艇水面最大航速可達30kn，綜合續(xù)航力約200nmile，具有一定獨立投送能力；其次，水面/水下兩用艇雖為濕式結(jié)構(gòu)，水面航渡狀態(tài)可不通過潛水器具呼吸，兼顧干式裝備的優(yōu)點；另外，水面/水下兩用艇具備集裝箱裝載和空投能力，進一步增強了遠距離投送能力。

水動力特點分析

水面/水下兩用艇艇型設(shè)計可采用“潛艇出水”或“快艇入水”2種設(shè)計思路。水面/水下兩用艇水面航速可達30kn，其弗勞德數(shù)屬于典型的滑行艇范疇。一般滑行艇的主要特征是艇體大部分質(zhì)量是依靠滑行面流體動壓力支撐而非艉部浮力，滑行時艇艉吃水很淺，同時要求具有一定滑行面。而潛艇類水下航行器通常采用“水滴形”，艉部呈收縮狀，面積不具備支撐滑行要求。另外，滑行艇重心較為靠后，若按潛艇思路設(shè)計，重心靠前，則無法滿足起滑條件。因此，目前國外水面/水下兩用艇都基本采用“快艇入水”的形式，即下半部分采用滑行艇外形以適應(yīng)水面高速航行；對上半部分進行水下低阻優(yōu)化，以適應(yīng)水下穩(wěn)定控制需求。

從流體外形及布局角度分析，目前國外主流水面/水下兩用艇大致可分為3類：①外形如美國的MRCC和俄羅斯的“海神”，文中定義為類MRCC艇型；②如瑞典DGB和英國SEALCarrier，文中定義為類DGB艇型；③如荷蘭P7和韓國SDV-1000W，文中定義為類SDV艇型。下文將從水面滑行性能、水面耐波性能、雷達隱身、水下航行性能及水下聲隱身等方面對每種艇型進行分析。

⒈ 類MRCC艇型

類MRCC艇的流體外形與布局角度主要有以下特點：①下層采用滑行艇底，艏尖艉方保證了較好的水面滑行性能；②下層采用深V型艇底，提高了耐波性能，但會降低一部分滑行效率；③上層也采用艏尖艉方構(gòu)型，整體包絡(luò)體容積較大，同時采用一定內(nèi)傾角，保證水面雷達隱身；④上下層基本對稱，保證水下航行時不會產(chǎn)生額外不平衡力矩。

類MRCC艇型呈倒水滴形，艏部尖艉部鈍。為獲得兼顧水面/水下的航行性能，該類艇在航行方式上有其獨特性：美國MRCC艇在水面航行時采用尖頭朝前，這樣能保證水面航行時的滑行效率；水下航行時采用鈍頭朝前，能保證水下低阻及操控的穩(wěn)定性(見圖7)。

圖7 MRCC艇水下推進器及水面滑行實物照片

該艇型的缺點是：①水面、水下2個方向航行，需要2組操控裝置，占用空間大；②水面、水下航行時成員需要調(diào)換坐姿，若長時間背向航行容易暈船，舒適性較低，且對乘坐空間要求較大；③水下推進電機暴露于水中，且支撐結(jié)構(gòu)簡單，對水下聲隱身性影響較大；④若水面、水下采用同向航行，如尖艏朝前則會導(dǎo)致水下阻力激增，寬艉帶來大的流動分離容易造成航行失穩(wěn)(見圖8和圖9)，而鈍艉朝前則會導(dǎo)致水面滑行失效。俄羅斯“海神”就是采用水下尖艏朝前航行，其水下最高航速僅為3kn。

圖8 類MRCC艇模型水面滑行波高仿真云圖

圖9 類MRCC艇模型水下航行表面壓力云圖

⒉ 類DGB艇型

類DGB艇型的外形特點：①下層采用滑行艇底，艇底剖面V度適中，兼顧了耐波性和滑行性能；②上層艇體水平向內(nèi)收縮，留出一部分甲板空間，便于蛙人上下艇；③整體較為纖細，同時上層艇體水平剖面從艏部向艉部呈流線型，水下航行阻力低；④水線上層采用一定內(nèi)傾設(shè)計，降低雷達反射強度(見圖10)；⑤該艇型水面、水下采用同向航行，降低了操控系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖10 類DGB艇水面航行實物

類DGB艇型缺點：①水下航行時，上下不對稱結(jié)構(gòu)帶來垂直面較大的非對稱力及力矩，需要較大水平舵面來平衡(見圖11)；②整體構(gòu)型較為纖細，空間利用率不高；③上層艇體與甲板結(jié)合處構(gòu)成垂直角，水面大傾角航行時容易反射雷達波；④水下推進電機直接置于水中，不利于聲隱身。

圖11 類DGB艇模型水下航行表面壓力云圖

⒊ 類SDV艇型

類SDV艇型特點：①艇底剖面V度適中，兼顧耐波性能和滑行性能；②艏部上層艇體與下層艇體基本對稱，水下航行時可抵消艏部不平衡力及力矩；③艉部上層垂直向下收縮，有利于壓力恢復(fù)降低水下航行阻力(見圖12)；④上層采用內(nèi)傾設(shè)計，有利于雷達隱身；⑤該艇型同樣采用水面、水下同向航行，操控系統(tǒng)的復(fù)雜性降低。

圖12 SDV-1000W改進艇

類SDV艇型缺點：①艉部上層艇體垂向收縮，雖然降低了阻力，但過渡段負壓區(qū)產(chǎn)生較大升力及低頭力矩(見圖13)；②水下推進電機同樣直接置于水中，不利于聲隱身；③整體外形較為“圓潤”，缺乏航向穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，需要較大鰭舵控制面維持航向穩(wěn)定性。

啟示及建議

水面/水下兩用艇具備水面高速航行和水下隱蔽滲透能力，在一定程度上兼顧了干式、濕式蛙人運載裝備的優(yōu)點，是近年來研究的熱點。文中通過對國外水面/水下兩用艇水動力特點對比分析，獲得如下啟示，以期為我國后續(xù)相關(guān)裝備研制提供參考。

1.基本設(shè)計思路：克服異構(gòu)外形水下低速航行穩(wěn)定性相對容易實現(xiàn)，為保證水面/水下兩用艇在水面高速航行，建議采用“快艇出水”設(shè)計思路。

2.水面、水下異向航行，會帶來人員舒適度差、空間利用率低等問題，建議采用水面、水下同向航行方式。

3.由于純電動力能量密度低，無法滿足要求，建議采用熱/電混合動力推進系統(tǒng)；同時，由于水面、水下阻力系數(shù)差距顯著，1套推進器難以兼顧，建議采用2套推進器。

4.建議采用V度適中滑行艇底，增加破浪能力的同時，兼顧滑行性能。

5.建議考慮與下層融合設(shè)計，重點關(guān)注水面雷達隱身、空間利用率及水下航行穩(wěn)定性等因素。

6.兩用艇水面滑行時要求重心較為靠后，水下航行時要求重心與浮心處于同一軸向位置，建議采用對重心位置有較大冗余度的滑行艇底設(shè)計，通過水下壓載調(diào)節(jié)來獲得水面、水下重心位置的合理匹配。

7.建議在保證有效滑行面積和結(jié)構(gòu)空間的基礎(chǔ)上，重點解決水下減阻和航行操穩(wěn)性問題。通過增加水滴型艉部收縮，減小水下阻力，增加艏、艉舵，抵消垂直面不平衡力及力矩。另外，還可嘗試采用水面水翼+水下回轉(zhuǎn)體水動力外形設(shè)計，實現(xiàn)水面高速水翼航行，水下穩(wěn)定航行。

8.兩用艇出、入水主要采用大流量通海閥和壓載系統(tǒng)組合調(diào)節(jié)實現(xiàn)。出、入水過程中會面臨穩(wěn)心高為零的不穩(wěn)定狀態(tài)，建議快速完成轉(zhuǎn)化過程，避免發(fā)生失穩(wěn)。