氣墊船
氣墊船(英語:hovercraft/Air cushion vehicle),又稱空船,是一種特殊的水陸兩用船。氣墊船的起源可以追溯到1716年,當時瑞典科學家伊曼紐爾·伊曼紐爾斯韋登伯格Emanuel swedenborg設計了一種懸停飛機,但受限于當時的技術水平,他的想法無法實現。19世紀70年代,造船者約翰·艾薩克·索尼克羅夫特為氣墊船的早期設計提交了專利申請。1953年,克里斯托弗·科克雷爾創立了完整的周邊射流氣墊理論,并使世界 美國第一艘載人周邊噴射全墊氣墊船SN-N1號。20世紀60年代,氣墊船逐漸發展到應用階段,成為客船、反雷水艇、登陸艇等使用。
氣墊船的結構通常以飛機的形式設計,主要包括停機坪系統設計、推進和緩沖效率等關鍵技術和參數設計。氣墊船由船體結構組成、推進系統、根據氣墊船的特點,它可以分為兩種類型全氣墊船和部分氣墊船,包括表面效應船、海峽氣墊船和其他類別。氣墊船速度很快、一定的越障能力和其他特性已廣泛應用于軍事和民用領域,如導彈發射平臺、交通運輸、救援等任務。其中,截至2019年底,全球用于軍事用途的氣墊船在3000至5000艘之間,全球10噸以下主要用于民用的氣墊船超過2萬艘。
隨著氣墊船技術的發展,未來氣墊船將實現模塊化、智能化與無人化、塢載化、復合材料應用、采用新的空氣螺旋槳和風扇、數字雙氣墊船和其他方面的發展。
基本構造
氣墊船的結構通常設計成飛機的形式,并配有停機坪、供氣氣道、墊升風機、發動機、空氣螺旋槳、裝載大艙、艏跳板、浮箱等部分,主要由船體結構組成、推進系統、墊升系統等組成。其中,推進系統和氣墊系統是氣墊船的動力系統。
船體
氣墊船的船體一般為扁平的箱形浮箱結構,根據船型不同可分為封閉箱形或開口箱形。其中,內河氣墊船的船體采用鋁合金薄板鉚接或焊接工藝制造,海上氣墊船的主船體采用焊接工藝制造,上層建筑采用鋁合金鉚接或復合材料。通常,主船體的浮箱由薄鋁板制成,并設計為凹形底部,以緩沖底部拍打和墊起時水面和沼澤淤泥的吸力,并起到常規著陸墊的作用。主船體的下部和船體的底部將被一個柔性圍裙包圍,這樣高壓氣墊就可以在緩沖狀態下航行時緩沖海浪對船體的拍打。船體浮橋的水密隔間可以分開,以避免船只在海灘上著陸時受損的風險。
推進系統
推進系統是為氣墊船提供前進的推進力,主要裝置包括動力裝置、導管空氣螺旋漿、進氣濾清裝置、傳動軸系等裝置。其中,燃氣輪機負責提供推進力推動氣墊船前進;傳動軸系統負責將燃氣輪機的能量傳遞給空氣推進器、緩沖鼓風機和其他部件。
動力裝置
氣墊船使用飛機的概念,一般來說、大型軍用氣墊船是燃氣輪機,因為柴油發動機經濟實惠、燃油消耗率低,因此柴油機在民用船舶的動力裝置中占很大比例。通常采用低油耗風冷柴油機或帶冷卻水箱的中型風冷柴油機作為主要動力裝置,氣墊升降系統和推進動力系統分開設置,并使用離合器、高彈性聯軸器和齒形皮帶傳動確保運行。
空氣螺旋槳
氣墊船是一種特殊的兩棲船只它使用的空氣螺旋槳屬于推進系統中的專用設備,其作用是將動力轉化為推進力進行推進。最初的設計來自飛機螺旋槳技術的改造,沒有導管、葉片末端無推力葉片相對較窄的螺旋槳限制了氣墊船的有效推力、推進效率較低。為了實現氣墊狀態下的高速航行,通常采用寬槳葉片、采用具有高升力系數的新型翼型來克服低速時的最大阻力,并采用導管整流器為葉片前方的流速提供額外的推力。對于大功率負載的螺旋槳,可以在葉片后增加整流臂,回收葉片后的旋轉動能,從而提高整個涵道空氣螺旋槳的推力和效率。
進氣濾清裝置
在氣墊船的起飛和著陸過程中,“圍裙”底部氣墊的泄漏會導致船舶附近空氣中海鹽氣溶膠的濃度或在海灘著陸時產生大量灰塵,這容易導致燃氣輪機性能和使用壽命的降低。因此氣墊船會設計一個特殊的進氣穩壓泵,它會經過多級清洗裝置,比如慣性級、網墊水平等,將鹽和灰塵的濃度降低到適當的水平。整個進氣濾清器的工作功能是過濾進入燃氣輪機的空氣,以保證發動機的正常工作。
墊升系統
氣墊升力系統為氣墊船提供氣墊升力,在氣道和停機坪的作用下產生向上的升力,使氣墊船漂浮在海面上,以中高速行駛主設備包括氣墊升力風扇、圍裙系統等。
墊升風機
氣墊船的關鍵 浮在水面上的s在于船體與水面之間形成氣墊,氣墊是由氣墊升力風扇產生的足夠強的氣壓形成的。氣墊船上的助推風扇布置在側面、在船尾或四個角落,一般有剛性空氣導管和柔性空氣導管,以保持氣墊船在復雜地形中從著陸到上升的穩定常用的提升風機類型包括離心式、軸流式和混流式。
離心墊升風機是早期的一種,沒有蝸殼,屬于臥式離心風機它通過高速旋轉產生的離心力壓縮并排出吸入的空氣,如LCAC氣墊登陸艇上使用的離心風扇;軸流風扇是一種垂直布置的風道,通過旋轉葉片在葉片背面產生吸力并在葉片表面產生壓力,吸入空氣,加壓并排出通常它裝有整流靜葉片,以回收動葉片后的旋轉動能,風扇的出口裝有前導向葉片,以調節風扇的性能例如,軸流式風扇用在俄羅斯氣墊船上。混流增壓風機是另一種選擇,適用于需要大流量但多臺離心風機無法串聯供氣的情況。混流式風機的葉輪是三維翼型,與簡單的二維翼型不同。其入口部分類似于軸流風扇,而其出口部分更像離心風扇。這種風機的性能特點介于軸流式和離心式之間,常用于中小型民用氣墊船。
圍裙系統
停機坪是全墊氣墊船的一個獨特系統在箱體周圍配備圍裙,形成柔性氣墊,使氣墊船具有隨波浪變形的能力、跨越垂直障礙物的能力等,實現兩棲。根據不同的結構,氣墊膠圈可分為三種類型:英國BHC公司的袖珍手指圍裙、高密度脂蛋白公司s圓形風扇圍裙和貝當公司 s獨立氣囊圍裙。口袋手指圍裙由袋狀涂層織物和手指密封件組成;環形扇形結構由環形涂層織物和扇形密封體組成;獨立氣囊圍裙由許多獨立氣囊組成。它們的工作原理是將空氣泵入周圍組裝的圍裙結構中,形成高壓氣墊支撐船體,并將船體與水面或地面隔離,使其漂浮在水面或陸地上。
通常,用于制造氣墊船圍裙的材料包括尼龍和聚酯織物,而密封件由天然橡膠或氯丁橡膠制成這些材料在不同的環境下會出現不同的磨損例如,在堅硬的地面上運載重型氣墊船會導致粘合層的磨損。因此,不同的環境對其要求也有一定的差異例如,在水上使用時,吸水性是關鍵因素;在寒冷地區使用時,需要良好的耐低溫性能。
電力系統
動力系統的作用是為氣墊船的所有設備提供連續性、安全可靠的電力,以保持船舶的正常運行s設備,主要包括供電系統、配電系統、照明系統、駕駛控制系統等,其中發電機組、主配電板、導航燈是重要的設備。
發電機組
發電機組是氣墊船上重要的交流電源,其作用是通過主配電板為全船設備提供電力。通常主要使用風冷柴油發電機,但一些小型氣墊船使用軸發電機作為電源。
駕控系統
氣墊船的駕駛臺是一個綜合操作部分,包括航行控制、導航命令管理和導航支持。操縱面有空氣舵、側風門、艏部失量噴管、電動側推風扇等;控制模式只有一個控制手柄(上面有多個功能按鈕)操縱桿、雙桿差動操縱等;轉向傳動方式有液壓傳動、電傳控制電動-液壓伺服舵機等。鑒于全墊升氣墊船復雜的控制特點,美國研制了LCAC氣墊登陸艇全任務訓練模擬器和自動控制系統訓練模擬器包括六自由度運動模擬系統和廣角球形顯示屏、前臺樓層結構等模塊;自動駕駛控制系統的作用是減少駕駛員的疲勞通過仿真測試,減輕了系統負擔,提高了系統性能。在此基礎上,我國還開發了氣墊船防偽測試平臺。
船舶系統
船舶系統的功能是為各系統提供服務,同時需要及時給予燃料轉運、液壓傳動、空調和全船通風的輔助決策通常包括燃料壓載轉移、通風及空調系統、消防滅火系統等。其中,燃油壓載駁船系統是動平衡的高手通常,在船中部的左側有一個中間油箱,為主機提供燃料連接在船體浮橋周圍的燃料箱由燃料駁船系統調節,以方便氣墊船在航行期間的縱向方向、操縱,如橫向傾斜和減少導航過程中的阻力。
船舶輔助系統
船用輔助系統由液壓驅動、變柜系統、壓載水/艙底水系統、全船注入/測量空氣系統等。其中,變矩系統由液壓箱組成、電動液壓泵、應急手搖泵、油濾、單向閥等組成。壓載驅動系統由空氣舵操縱、空氣螺旋槳變矩系統等設備,其作用是轉動船舵和調節螺旋槳推力。
通信導航系統
通信和導航系統由短波無線電臺組成、甚高頻電話、海事衛星電話、擴音機等組成。導航系統有一個衛星導航儀、導航雷達、電子海圖等,它的作用是規劃路線、避碰、交會避讓等。通常,導航雷達的性能采用高速船舶上使用的輕型雷達,以方便實時了解船舶位置、航速、航向等信息。中、大型氣墊船將配備差分GPS或高速陀螺儀來測量和計算船舶 s自己的側滑角實時保持在安全范圍內。
工作原理
氣墊船是高性能船舶之一它的基本工作原理是通過使用大功率增壓風機將空氣吹入船底因為船的底部全部或部分裝有“圍裙”關閉時,增壓風機提供的高壓氣流吹入柔性裙板和柔性裙部、船底與水面或地面之間形成高壓氣墊,使船體可以大部分或完全脫離水面或地面,懸浮在水面或地面上它們大多使用燃氣輪機作為動力裝置,并依靠空氣螺旋槳、常規水推進器或水噴射泵推進。
主要分類
自從世界 隨著氣墊船技術的發展,氣墊船可以分為兩種類型全升力氣墊船和部分升力氣墊船。
全墊升式氣墊船
全升力氣墊船又稱全浮式氣墊船,根據升力原理不同可分為外圍噴氣氣墊船、多室氣墊船和增壓室氣墊船;根據航行速度的不同,阻力峰以下的全墊式氣墊船稱為氣墊平臺。全墊氣墊船沒有側體它是一種柔性橡膠圍裙,如涂有橡膠骨的織物,安裝在船的底部和周圍的下部其寬大的氣墊面積可以減少船的重量對水面和地面的壓力通過氣墊升力風扇將空氣泵入圍裙結構中,形成氣墊升力以支撐船體,并在壓縮空氣的作用下將整個船體抬離水面。通常,全墊氣墊船的氣墊排水量比為100%空氣螺旋槳或噴氣裝置用于推進,空氣舵用于控制船體的方向,以便氣墊船可以在水上轉彎和轉向。這艘氣墊船的懸浮高度很高、卓越的機動性能、越障能力等特點,可以在水上行駛、沙灘、沼澤、沙漠等地區,適用時巡邏警戒此類地區、交通運輸、搶險救災等場景。
部分墊升氣墊船
根據一些氣墊船的側面形狀特征,可將其分為表面效應船、槽道氣墊船等。
表面效應船
根據傳統的名稱,任何一種具有側體的部分升起的氣墊船都被稱為側壁氣墊船,即表面效應船(Ship, ship, ship)早期的側壁氣墊船分為雙體船和非對稱雙體船,而現代側壁氣墊船已經發展為雙體船側壁氣墊船。
表面效應船支持船 通過側壁的流體靜力和氣墊的升力來減輕車輛的重量它的側體較薄,底部傾斜角度較大剛性側壁安裝在船底的兩側這些側壁插入水中,在船頭和船尾使用柔性圍裙形成空氣密封空氣通過特殊的增壓風機注入船底,從而在船底形成氣墊氣墊的排水率為70%~100%通常,側壁氣墊船使用輕型柴油機或燃氣輪機作為主要動力裝置,并通過水下螺旋槳或噴水系統推進,航行速度可達20至90節。這種氣墊船航向穩定、較高的托力、能耗低等特點,適合運輸、反潛、護衛艦等等,如挪威和西班牙分別為反潛輕型護衛艦研制了排水量370噸的水雷對抗艇和水面效應艇。行駛速度高于普通船只,但低于全墊氣墊船。
槽道氣墊船
海峽氣墊船由哈爾濱工程大學于2011年設計和研究2013年由海軍4810廠根據1:2進行設計研究.按5的比例建造了一艘試驗船,并通過了海上運輸的可行性試驗。航道氣墊船是吸收氣墊船和航道滑行船的高性能而發展起來的船型其寬大的側體和氣墊的升降功能,可以使氣墊保持淺吃水,同時使氣墊排水量比為0%50%船體在波浪中從高速航行進入半滑行狀態時,航行阻力小,由于氣墊帶來的緩沖作用,其耐波性能也有所提高。海峽氣墊船船頭的氣封裝置使柔性氣封等易損材料的使用量和維護成本低于全墊氣墊船在船頭氣封完全損壞的情況下,可以通過兩側吃水增加和保持基本的漂浮狀態和航行功能海峽氣墊船適用于南海島礁上的人員運輸、用品等降落在海灘上、淺水運輸場景。
關鍵技術
操縱性技術
全升力氣墊船在航行過程中承受較大的外力,因此其控制裝置和方法與常規船舶不同。一般來說,全升力氣墊船的推進和操縱主要依靠三種方式:空氣舵、空氣螺旋槳和其他控制裝置。每種控制模式都有其優點和局限性。軍用氣墊船通常比民用船要求更高的操縱性,因此各國在氣墊船的設計中都非常重視操縱性。通過不同的研究方法,我們可以深入了解氣墊船的操縱特性。
例如,為了在美國訓練LACA(氣墊登陸船)司機介紹了改進后的f-滿足氣墊船控制要求的飛機自動模擬控制系統。此外,根據相關理論開發了氣墊船半自動控制系統。在相關研究的基礎上,中國還開發了自動駕駛控制系統,以提高氣墊船的機動性,增強各種航行條件下的安全預警和控制能力。
響應圍裙氣墊技術
圍裙系統和氣墊船的整體性能,如阻力、穩定性和耐波性密切相關。氣墊船的停機坪大致可分為兩種類型:響應圍裙(有一個在外部干擾下可以變形的膀胱)和非響應圍裙(只有接觸地面或水的部分才能局部變形)無響應圍裙通常具有較高的剛度和阻力,適用于低速平臺。相比之下,響應圍裙具有適應大表面變化的能力,低阻力和出色的隔振性能。反應停機坪可以顯著提高氣墊船的航速和耐波性。
導管空氣螺旋槳技術
當氣墊船在高海況和高速下行駛時,螺旋槳承受了很大的載荷。為了保證螺旋槳的推進效率,其葉片的設計非常重要。特種空氣螺旋槳由航空螺旋槳演變而來,但其升阻比相對較低。采用涵道空氣螺旋槳可使升阻比提高20%以上。在優化導管螺旋槳后面的整流臂后,推進效率可以進一步提高。
氣墊船通常以高速航行,其氣墊系統往往具有較高的剛度,容易受到外部擾動的影響,從而產生所謂的'鵝卵石效應'為了提高氣墊船的耐波性能,全墊式氣墊船采用低頻響應圍裙,而側壁式氣墊船主要依靠氣墊的升降來緩解這種影響,同時還配備了自動控制系統。響應圍裙在處理1Hz以下高頻的中頻振動時表現不佳。通過改進控制系統,可以主動調節圍裙和氣墊的壓力,從而提高氣墊船跟蹤高頻顫振和中低頻波浪的能力。
墊升系統優化技術
氣墊船的緩沖系統受總體布局的限制,容易導致氣囊內壓力分布不均勻。為了滿足縱向穩定性的要求,防止氣墊過埋,并確保不同氣室中的氣囊壓力比相對均勻,氣墊升降系統設置了多項優化措施。這些措施包括在風扇出口處設置導流葉片,在安全氣囊通道中設置阻力隔離器或調整前后安全氣囊孔的排氣面積。
應用范圍
氣墊船最大的用途是登陸作戰,但它也廣泛用于其他軍事和民用活動。在軍事上,主要用于掃雷、反潛、導彈發射平臺、炸雷等任務。在民政方面,它可以用作多用途工作船,包括運輸、救援、氣墊破冰船等。
軍事領域
氣墊登陸艇
氣墊登陸艇可通行,水陸兩棲,能戰勝潮汐、水深、雷區、著陸障礙和海底坡度限制。它在裝載戰斗機和裝備的情況下仍能高速航行,能快速運送登陸部隊登陸,減少暴露在敵人火力下的時間,提高登陸部隊的安全性。因此,氣墊登陸艇被認為是登陸作戰的理想運輸工具,廣泛用于兩棲作戰,并受到軍方的高度重視,如LCAC氣墊登陸艇、ZUBR氣墊登陸艇。
軍事多用途船
20世紀60年代,英國氣墊船公司開發了SRN5和SRN6氣墊船。其中SRN5發展為美國貝爾公司的SK-5型成為第一艘用于實戰的氣墊船,用于執行各種任務,包括訓練、救援、巡邏、偵察搜索、突襲和伏擊等。隨后,在1970年,英國氣墊船公司為英國皇家海軍設計制造了BH7氣墊船用于測試、后勤支援和導彈襲擊。LCAC氣墊登陸艇成功應用后,美國也進行了多次不同用途的試驗,包括攜帶人員運輸模塊進行大規模部隊運輸和沿海淺水區掃雷、航道開辟、反潛等。
掃雷破障
氣墊船可以大部分或完全在水面以上行駛,幾乎不接觸水面。同時,船體場、磁場和壓力場幾乎不出現,這意味著水中的障礙物對氣墊船的影響很小或沒有影響,當氣墊船經過時,水中的炸藥不會被它引爆。即使氣墊船附近的水域發生爆炸,氣墊船底部的氣墊也可以降低沖擊力,從而減少氣墊船的損壞。利用這些特性,氣墊船可以作為掃雷平臺,搭載掃雷裝備執行掃雷任務。此外,當氣墊船用作破障隊的運輸和操作平臺時,由于其速度快,可以節省時間,并且可以在障礙區自由移動并使用不同的方法來破障,從而提高了破障的效率。
反潛
氣墊船可以離開水面航行,水下沒有太大的噪音、高速航行、承載能力強等特點。與此同時,潛艇 美國攻擊氣墊船的能力有限,而且氣墊船不容易被潛艇發現。因此,氣墊船對潛艇的威脅較小,適用于反潛平臺,具有靈活性、機動跟蹤攔截潛艇,還可以攜帶大量反潛武器一旦發現潛艇目標,可以持續很長時間、以高密度打擊。
導彈發射平臺
氣墊船具有高速、抗海浪、隱蔽性強、兩棲等特點,適用于導彈等武器,氣墊船配備反艦導彈通常可以達到奇襲效果。比如英國的BH7-VT2氣墊船裝備有導彈和自動艦炮;蘇聯的德加奇側壁氣墊船裝有導彈發射裝置,使用木柴-燃聯合驅動;美國SES100A和SES100B的100噸級側壁導彈試驗艦。
民用領域
交通運輸船
氣墊船具有運輸速度快經濟效益相對較高的特點,適合在特定情況下承擔有效的物資運輸、后勤補給等工作。例如:全墊式氣墊船可用作水下油田的氣墊船和氣墊鉆井平臺;英國制造的SRN4-MK3全升力氣墊船的平均時速為100公里,可搭載416名乘客和55輛汽車。日本在2005年制作了TSL-A1400GASA WAR側壁氣墊船被用作渡船。
氣墊破冰船
氣墊船會在船底形成高壓氣流,這些氣流會通過氣墊使水面下沉根據這一特點,自20世紀70年代以來,英國、美國等國研究了氣墊船在寒冷氣候和極地復雜環境中的應用,評價全墊式氣墊船在極地破冰、在航道開發和巡邏方面的表現。氣墊船在冰面上行駛時,氣流形成的氣墊在冰下形成空洞,導致局部冰面失去支撐,使得船只經過時冰面破裂,同時氣墊掀起的波浪進一步擴大冰隙,從而達到破冰效果,如俄羅斯新型自航破冰船。同時,破冰空氣臺也可以用來破冰通常,它由大型常規排水船而不是破冰船運載,如英國的AP1-88/DASH400氣墊破冰平臺。
應急救援
氣墊船速度很快、脫離水面運行、它可以快速穿越水面上的各種障礙物,因此在海面搜救傷員等任務中比直升機更能適應高海況、環境干擾少等優勢,特別是在緊急救援任務中,氣墊船可以縮短反應時間,可以迅速到達現場并及時進行大規模搜索。此外,氣墊船還可以探測洪水、防洪等傳統船舶難以到達的區域比如1996年鄭州黃河突發洪水時,7271鄭州內河氣墊船在50公里的江面上花了近10個小時進行搜救工作。
重載運輸
氣墊船能夠在水上運輸中保持較高的速度,克服浮冰,因此氣墊船可以在夏季水上運輸和冬季結冰期代替普通的冰上船舶和汽車進行水上運輸。例如:中國黑龍江省黑河市和俄羅斯布拉戈維申斯克市的兩個港口將在3月底至5月初的浮冰期和10月底至次年1月初的浮冰期每周5天使用氣墊船運輸貨物。此外,在陸上倉庫中、在車間等場所,氣墊平臺也可以用來搬運重物。
旅游客艇
氣墊船可以在淺水或泥灘中行駛,因此氣墊船可以用作內河客船、旅游艇、利用觀光船等工具,如水陸兩用氣墊船作為交通工具,游客可以乘坐氣墊船游覽渭河、黃河洛河水系生態旅游;在三亞,你可以乘坐氣墊船游覽天涯海角風景區。