全垫升气垫船高速侧滑后行为的理论与试验研究

引 言

全垫升气垫船由于具有优良的两栖性，可装载重型主战装备实现快速超越登陆，而被美、俄等军事强国用作气垫登陆艇来实现主战坦克的末端输送［1］。它使全世界可供登陆的岸线由17%激增到73%以上，是夺岛战、突袭登陆作战的利器。全垫升气垫船因气垫压力兴波而存在两个阻力峰，越出第一阻力峰后，船依靠气垫围裙系统基本悬浮在运行表面之上，由导管空气螺旋桨提供推进力而高速航行，依靠桨后空气舵来操控航向，美国气垫登陆艇（LCAC）还有首推器提供部分推力及航向操控力［2］。

气垫船越出阻力峰高速航行时，仅有围裙下部手指末端与运行表面接触，故阻尼很小。若打舵过大或回转率过高，船会发生甩尾侧滑；若缺乏横向运动控制手段，船易发生大角度侧滑。由于横向阻力大，横向速度会快速衰减。当侧滑速度达到一定值时，横向气垫兴波的波长与船宽基本相同，这时船底的纵隔围裙下端与兴波波面之间的间隔增大，导致纵隔围裙的气垫分隔效果迅速变差，船垫态横稳性大幅下降，此时在外界扰动（横风、横浪）作用下，船易发生翻船风险。为避免发生以上安全性问题，特给出严格的安全运行限界，诸如最高航速限制、航行过程纵横倾角限制、高航速只能点舵回转、最大回转角速度限制等。此外，LCAC还限定了不同航速下的漂角、回转时漂角与回转角速度，俄罗斯大型气垫船ZUBR则规定了更严格的安全限界［2］。不过，过严的限界会严重制约气垫船高速机动性的发挥，甚至影响其战斗力。对于因高航速时回转而引发高速甩尾，继而引起高速侧滑等一系列后果进行研究，评估其是否处于可接受范围，从而合理制定安全运行限界，提升高速机动性等。

由于实船直接试验存在较大风险，因此国外对该问题的研究主要遵循船模试验、理论分析、实船验证、理论模型修正的一般规律，但相关研究较少［3］。国内对此未进行专门研究，仅在实船操纵性试验以及安全边界航行试验中偶然发生过侧滑现象［2］。

1 国外船模试验及理论分析

为研究装备新型围裙的气垫船横向侧滑特性，文献［3］利用LCAC拖曳船模先后5次进行90°横向减速试验。船模侧向阻力、船模速度的时历曲线见图1。

图1 美国LCAC拖模横向侧滑减速试验

试验过程中可对风险因素加以控制，如在船模上增加保险绳等，以保证不会侧滑翻船。本文利用HUANG T T 等人［4］所发展的 Newman & Poole［5］兴波计算方法，编程计算LCAC船模在不同横向傅汝德数下的气垫兴波。船舯横剖面处对应的波面凹陷参见下页图 2。无因次波面升高系数 η = ρgζ / Pc（其中：ζ为波面升高，m；ρ为水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Pc为气垫密度，Pa）。横向傅汝德数（其中：V为航速，m/s；Bc为气垫宽度，m）。无因次横向位置y′= y/Bc（其中：y为沿船宽方向距船中纵剖面的距离，m）。

图2 气垫船横向运动时不同FnB时中横剖面下兴波波形

由图2可见,当横向傅汝德数FnB为0.3和0.55时，船前进方向一舷为兴波波峰，而随边一舷对应波谷，前后兴波高度差最大，对应两个阻力峰。在FnB=0.4处，气垫兴波波长基本等于船宽，前后两舷均对应波峰，而中纵剖面对应波谷。此时，船底与兴波水面之间围成的体积最大，而位于中纵剖面处的纵向分隔裙距水面间隙最大，其分隔效果最差，从而使船垫态横稳性变差，在外界风浪扰动下易发生大幅横倾。理论计算得到的无因次气垫兴波阻力、总阻力系数与船模试验结果的比较见图3。

图3 气垫船横向兴波阻力、总阻力系数与船模试验结果比较

由于常规阻力理论计算中，对随边一舷围裙下部手指兜水阻力估算不足，理论总阻力小于船模实船预报值。相对而言，船模减速试验预报实船横向侧滑减速阻力的变化趋势，与实船侧滑中观察到的现象更为接近。

2 国外实船试验与结果分析

作为气垫船的特有系统，围裙在船模与实船上所用制造材料的物理特性（如弹性模量、刚度）不能做到缩尺模拟，船模围裙相对不易变形、刚度偏大，造成船模阻力、抗低头埋首能力均偏大［6］。美国LCAC试验阻力与船模按缩尺比λ的三次方直接换算预报获得的实船阻力相比偏大，且波浪阻力随波高增加而明显加大，因而提出将船模试验阻力预报到实船波浪中阻力的波高修正因子CWHF。同理，船模高速侧滑后行为预报到实船也会存在较大的不相似性，因此利用实船进行试验验证非常必要。

美国深型围裙已发展到第三代，在LCAC的升级换代品——舰岸连接器SSC的围裙竞优中，通过大量拖模试验，Textron公司的侧部单囊套指形式围裙方案胜出。为验证装备优选围裙的艇高速侧滑后行为，在专用试验艇LCAC-66上进行实船侧滑试验。除航拍以外，为更清晰、全面地观察记录高速侧滑时侧部围裙的变形响应，在侧滑前进方向一舷安装专门的舷外摄像机进行实时录像。通过操艇经验丰富的驾驶员对空气舵与首推器的精心联合操作，使LCAC快速右转，船向左高速横向侧滑（见图 4）。

由于尾部围裙下端的滑板指触水较多，船尾承受阻力大，船横向侧滑后期出现左转（见图5）。

图4 美国LCAC实船侧滑试验

图5 美国LCAC实船侧滑运动参数时历曲线及运动轨迹

侧滑过程中，船的横向速度随时间变化参见图6。

图6 LCAC侧滑航速衰减与JEFF B反推制动试验比较

由于横向侧滑时随边一舷的围裙下部手指兜水影响，横向阻力较大，速度下降较快，甚至比LCAC的母型船JEFF B实船纵向惯性试验测得的螺旋桨与首推器反向推力刹车时的减速更快。侧滑过程中，航向角与首向角变化率、横倾角以及FnB的时历曲线见下页图7。

基于本文编制的横向气垫兴波计算程序，得到的LCAC实船侧滑减速曲线与以往文献中的比较见下页图8。以往文献中仅计算水动阻力，而本文计算中考虑了所有阻力的影响，因此结果与试验更为接近。

图7 首向角变化率、LCAC横倾角γ（°/s）、FnB

图8 LCAC实船侧滑试验航速衰减与船模换算、理论计算结果比较

由图3与图5可知，首向角ψ转过90°后，横向傅如德数FnB从1.2下降至0.8，由于兴波阻力增加不大，因此减速较慢；而当FnB从0.8下降至0.2时则，由于兴波作用艇横向速度迅速减小，同时由于横稳性迅速变小，艇此时很不稳定，加之本身随横向波倾角影响，横倾角大幅波动，因此在外界风浪扰动下会发生更为危险的大幅横摇。

从图7可见，在短短5 s时间内，FnB从0.8下降至0.2、横倾角从+6°迅速下降到-12°，舷侧甲板上水。

图9 国内轻型气垫船实船甩尾侧滑曲线

图10 全垫升气垫船运行轨迹与运动参数定义

3 国内轻型气垫船操纵性试验中的甩尾侧滑

国内在20世纪90年代的轻型气垫船实船静水操纵性试验中，左舵30°回转时发生甩尾，船甩尾侧滑后的速度、漂角、回转角速度、纵/横倾角、首向角等运动参数的时历曲线如图9所示［2］，各参数坐标定义见图10。对记录的时历曲线作数字化处理，所得侧滑轨迹图以及速度、横向速度、横向傅汝德数、纵/横倾角的时历曲线见下页图11。

从下页图12可见，首向角ψ从90°至270°范围内，船处于回转失稳甩尾状态，回转率γ（ψ ′）从 3°/s迅速增至 10°/s，横倾角 φ 从 0.5°增至 5°。

图11 国内轻型气垫船侧滑轨迹图以及速度、横向速度与傅汝德数、纵/横倾角的时历曲线

4 国内重型气垫船航行试验中的意外侧滑

国内某重型气垫船作自动驾控系统安全航行边界试验时曾发生意外高速侧滑，所记录的有关运动参数的时历曲线见图12。经分析得出，出现侧滑的主要原因是为了尽快达到给定的回转率而长时间打大舵角，船超过稳定界限后回转率陡增导致。

图12 国内重型气垫船实船意外侧滑运动参数时历曲线、以及横倾角与FnB关联变化曲线

从图12可见，在第40～50 s内，FnB从0.8降至0.2，而横倾角φ从-0.5°到-8°再到3.5°，变化较大。

国内重型气垫船实船意外侧滑运动轨迹示意图如图13所示。

船侧滑过程涉及到时间戳、坐标、速度、纵/横倾角、航向角和侧滑角等多个运动参数。在AutoCAD中利用Visual LISP进行二次开发，将以上运动参数综合体现在轨迹图中（参见图14），可更直观显示与分析处理。图中的箭头表示船首方向。

图13 国内重型气垫船实船意外侧滑运动轨迹示意图（位置点时间间隔约5 s）

图14 AutoCAD二次开发实现的运动轨迹及参数显示效果图

5 三型船侧滑比较

高速侧滑与高速低头埋首一样，都是全垫升气垫船船型所特有的潜在风险。将三型船侧滑的运动参数时历曲线绘制在一起（见图15）。

图15 三型船侧滑运动参数比较

可以发现两型重型高气垫密度船具有较大的相似性。在FnB由0.8降到0.2时，船出现大幅横向振荡现象，横倾角变化幅值达12°～18°，气垫密度越大则横倾角也越大。根据图2计算求得船底气垫压力面兴波在船舯横剖面处的波形。可见，在FnB=0.4处，气垫兴波波长基本等于船宽，前后两舷均对应波峰，而中纵剖面对应波谷，此时船底与兴波表面之间围成的体积最大。气垫容积增大、囊压比短时下降，而位于中纵剖面处的纵向分隔裙距水面间隙最大，其分隔效果最为恶化，使船垫态横稳性变差，从而导致外界风浪扰动下易发生大幅横倾。

轻型低密度气垫船操纵时很容易甩尾，回转率γ可从3°/s增至10°/s，即使在FnB从0.8降到0.2的过程中，其横倾角变化也不大，无论是低速甩尾还是高速甩尾，横倾角始终在5°左右。这说明气垫密度低，则回转运动阻尼小，且气垫兴波凹陷小，因而其横稳性在回转中变化不大。

横向气垫兴波使得纵向分隔裙下端与水面之间的间隙yc变大，参见图16。横倾时，随边一舷围裙下部触水增大，围裙下端的开式手指“兜水”后阻力激增，船又反向横倾，呈现出大幅横向振荡现象（见图17）。高速侧滑时，随边一舷围裙下部开式手指“兜水”使船很快减速，侧部围裙与尾部围裙以及围裙内安装边处的应力集中区域存在因过载而受损的风险。?

图16 横向气垫兴波使纵向分隔裙下端与水面间隙yc变大

图17 横向侧滑时的导边一舷以及随边一舷围裙下部开式手指“顺水”与“兜水”示意图

由于气垫兴波的波高与气垫压力成正比，因此对于低气垫密度的国内轻型气垫船，在最不利的FnB=0.4附近时，气垫兴波凹陷所造成气垫容积的变动仍相对较小，垫态横稳性下降较少，横倾角变化幅值也较小。根据图2计算得到的兴波波形，可以换算得到横向侧滑时，船横倾角随横向傅汝德数的变化关系（参见图18）。当船横向减速较快，横向速度衰减到FnB＜0.55时，自身气垫兴波引起的横倾角急剧减小，自身惯性所产生的重力倾斜力矩较大，在FnB=0.4附近横稳性最小。此时，重力倾斜力矩作用下产生反向大幅横倾，在触水反弹力矩作用下，又产生正向大幅横倾，形成快速横摇。

高密度气垫船在横向傅汝德数FnB=0.4附近时会出现快速大幅横摇，如美国LCAC实船试验中，横倾角在4s时间内从6°迅速减至-12°，基本接近右舷刚性船体结构触水，该侧快速下沉激起的大量水花被吸入导管空气螺旋桨与垫升风机内，有可能造成桨叶、风机叶片损坏。低密度气垫船与高密度的美国LCAC相比，在横向阻力峰的波倾角小很多，如图18所示，因此其在FnB=0.4附近横倾角变化也远小于LCAC。

气垫船横向侧滑在FnB=0.4附近时横稳性最差，易受外界风浪干扰，如遭受横向阵风或横浪，并且存在横向翻船的风险（参见图19）。由于横稳性最差，船可能向侧滑前进方向低头埋首乃至向前翻船，也可能向后侧翻船，这种随机不确定性在国内船模90°横向侧滑试验中也得到过验证。

图18 美国LCAC与国内轻型气垫船横向侧滑时气垫兴波引起的横倾角

图19 气垫船在横向风浪作用下的横向侧翻示意图

气垫船侧滑甩尾在静水中相对风险较小，但在波浪中风险也很大，因此在安全限界内，应与横倾失稳一样加以严格限定。根据轻型与重型气垫船的广泛试验结果，一般均在侧滑角β≥45°以及回转率γ≥3°/s以后才开始甩尾或大幅横倾。

正是由于高速侧滑存在较大的风险，美国LCAC将侧滑角与纵倾角、回转率一起作为安全限界的重要指标参数，在其操作手册［7］中明确规定不同航速下的最大允许侧滑角（Maximum Allowable Sideslip，MAS），参见下页图20。

根据国内重型气垫船的实船试验情况，提出高速侧滑后避免大幅横倾的应对措施建议：在高速侧滑发生时密切注意船侧滑角与横向速度，在侧滑角超过60°且横向速度下降到接近FnB=0.4对应的横向速度前，可加大导管空气螺旋桨的桨距角以增加首向分速度，使船合速度增大，以避开船自身的横向兴波范围，从而避免大幅横倾以及快速横摇的出现。

图20 美国LCAC侧滑安全限界（MAS）

6 结 论

全垫升气垫船越出阻力峰后高速航行时，若操作不当（如长时间打大舵角等），会产生高速侧滑。由于气垫兴波的影响，在FnB=0.4附近时，横稳性急剧下降，船在外界风浪扰动下会出现大幅横摇，从而给围裙和船体结构等带来不利影响，危险性较大。本文介绍了国外研究情况，并与理论计算结果进行比较，对国内实船试航中出现的意外侧滑进行分析，表明高速侧滑后横向兴波将引起船横倾角大幅变化，且随边一舷围裙下部手指严重兜水导致围裙局部损坏，从而给气垫船的安全性与可靠性带来较大问题。实际使用时可视要求放宽船的安全运行限界，但这将使高速侧滑的风险大增，因此必须引起足够重视！