高性能船-小水線面雙體船

高性能船舶水動(dòng)力學(xué)綜述SWATH的快速性SWATH船型與性能的關(guān)系SWATH的船型優(yōu)化與改進(jìn)隱身船型第四章小水線面雙體船2一、綜述3需求中小排水量下大幅提高耐波性4小水線面雙體船Small

Water-Plane-Area

Twin

Hull51880年蘭德堡(C.G.Lundburg)以其首次提出單體半潛船概念獲專利1938年柯立德(FrederickG.Creed)加拿大人向英國(guó)海軍部提出小水線面雙體航空母艦的設(shè)想，幾年后，被允許轉(zhuǎn)交給美國(guó)海軍，但他們都未注意這一新概念。1946年柯立德，獲得英國(guó)專利1959年波瑞克(H.Boericke)建議的流線型鯊魚狀單體船，啟動(dòng)了美國(guó)海軍改進(jìn)高速半潛船的活動(dòng)1965年麥克考勤(AlanMcclure)于休斯敦提出海中深鉆平臺(tái)設(shè)想建議“莫霍”(MOHOLE)，做為可移式鉆井平臺(tái)，其構(gòu)成與布雷爾(Blair)的方案相似。1967年里奧波德博士(Dr.ReuvenLeopold)在利登公司向美國(guó)海軍提出改進(jìn)高速三體船(TRISEC)概念，建造了12噸的半潛雙體載人自航試驗(yàn)艇，長(zhǎng)7.6米，采用8.84千瓦掛機(jī)為動(dòng)力，航速8節(jié)。他為此于1969年6月獲得專利。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史61968年麻雀理工學(xué)院學(xué)生提出將“莫霍”平臺(tái)發(fā)展為流線型的改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案，并開展了模型試驗(yàn)，被稱為半潛雙體船(SSC)。1969年美圣迪哥海軍水下中心(NUC)的朗博士(DrTomLang）對(duì)一種高速半潛雙體船概念在阻力、穩(wěn)性及動(dòng)力響應(yīng)方面開始集中研究開發(fā)，并于1971年獲得美國(guó)專利。此概念的關(guān)鍵技術(shù)是在船的重心以后的雙體內(nèi)側(cè)，設(shè)置了可調(diào)正的水平鰭，使船的縱傾與高速時(shí)縱搖運(yùn)動(dòng)得以穩(wěn)定。1969年做了近500次水池船模試驗(yàn)，而1970年又做了敝水船模試驗(yàn)。1970年日本三井工程與造船公司，開始半潛雙體船的基礎(chǔ)研究。1971年蘭包耶爾船廠試制的“杜普魯斯”號(hào)(Duplus)世界首創(chuàng)低速小水線面雙體船下水，1971年建成。該船長(zhǎng)40米，排水量1200噸。其設(shè)計(jì)師也是荷蘭造船工程師斯坦格爾(J.J.Stenger），他以自航油井探測(cè)供應(yīng)船為母型，又參照潛艇在潛望鏡深度時(shí)波浪干擾影響較小的經(jīng)驗(yàn)，完成了新設(shè)計(jì)。該船用于大陸架海區(qū)鉆探和潛水工作。在兩個(gè)下潛體之間設(shè)有連接翼板，在翼上設(shè)有4個(gè)直翼推進(jìn)器以供定位操控。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史71972年美海軍水下中心的工程師們?cè)诮?jīng)過18個(gè)月的研究和約30個(gè)月的設(shè)計(jì)和船模驗(yàn)證試驗(yàn)，1972年6月開工建造190噸級(jí)“卡瑪利諾”號(hào)小水線面雙體靶場(chǎng)保障船，終于在1973年3月下水，10月開始試航，隨后經(jīng)過20個(gè)月238個(gè)航次的全面科研考核性試驗(yàn)，既證實(shí)了優(yōu)秀的耐波性，又積累了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為今后小水線面雙體船發(fā)展打下技術(shù)基礎(chǔ)，并成為世界上首艘實(shí)用小水線面海洋工作船，至今仍在出色的營(yíng)運(yùn)。1973年SWATH做為小水線面雙體船的縮略語，被美海軍權(quán)威技術(shù)人士肯定，并認(rèn)為這一稱謂比“半潛雙體船”(SSC），更利于推廣應(yīng)用，也從概念上有別于常規(guī)雙體船。1979年三井工程與造船公司在1976年建成18噸、載20客試驗(yàn)艇“海上能手”號(hào)后，1979年建成世界上第一艘商用MESA80型陸島間小水線面雙體客渡船“海鷗”號(hào)，載客446位，航速26.5節(jié)。采用左右單支柱，共有4個(gè)水平穩(wěn)定鰭。營(yíng)運(yùn)海況達(dá)到有義波高3.5米，4級(jí)海況時(shí)失速僅2%。10年后1989年交付的“海鷗-2號(hào)”航速提高到30節(jié)以上，仍作陸島間客渡用。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史81980年70年代末日本運(yùn)輸省考慮新建一艘高性能海上測(cè)量船，要求高耐波性、高適居性、高操縱性、寬敞的甲板面積及艙容等。三井工程與造船公司，推薦小水線面雙體船型獲準(zhǔn)，并以鋼鋁混合結(jié)構(gòu)方案中選，1980年12月建成“輕騎”號(hào)小水線面雙體水文觀測(cè)船。1981年三菱造船公司也建造l艘基本同型的“大鳥”號(hào)水文觀測(cè)船，分別服務(wù)于日本沿海。1985年日本三井建成3500噸級(jí)“海洋”號(hào)潛水作業(yè)兼海洋考察船，隸屬曰本海洋科學(xué)技術(shù)中心，成為世界上第一艘大型小水線面船。1989-1990年從1977年起美塞德博士(Dr.LudwigSeidi)開始與太平洋海事服務(wù)公司合作開發(fā)小水線面雙體船商用方案，1980-87年做研究試驗(yàn)和設(shè)計(jì)，1987年籌資開工建造“納瓦臺(tái)克I”號(hào)(NAVATEK-I)觀光游覽船，1989年2月下水，1989年4月起試航。隨后經(jīng)常在平均波高3.65米條件下航行和試營(yíng)運(yùn)。1990年獲美國(guó)海岸井備隊(duì)頒發(fā)的可跨洋運(yùn)載400名旅客的證書，成為美國(guó)和世界上首艘獲準(zhǔn)商業(yè)性海洋客運(yùn)的小水線面雙體船。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史91991年“勝利”級(jí)小水線面雙體水聲監(jiān)聽井戒船，從1986年起設(shè)計(jì)建造，1991年建成，由美海軍組織開發(fā)。該船長(zhǎng)71.5米，排水量約3396噸，是共建4艘中的首制船，交付給美軍事海上運(yùn)輸司令部。在1991-92年冬季北大西洋和北太平洋試航中證明在有義波高5.4米時(shí)可100%正常作業(yè)而同級(jí)單體船只能10%。6級(jí)海況時(shí)最大橫搖角(單幅)小于5.8°，最大縱搖角(單幅)小于3°。1992年芬蘭造船廠向鉆石旅游公司交付世界上第一艘“雷迪遜鉆石”號(hào)小水線面雙體豪華旅游客船，船長(zhǎng)131米，達(dá)到18000總噸，是至今為止世界上最大的小水線面船。1993年世界上第l艘所謂隱身船“海幽靈”號(hào)，是美海軍一艘A形框架、50米長(zhǎng)的小水線面雙體船，由洛克希德導(dǎo)彈與宇航公司在80年代中期開發(fā)建成。它在“大眾機(jī)械”月刊1993年7月號(hào)的封面上出現(xiàn)，才算部分解密，并向公眾透露。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史101994年美國(guó)海軍委托海事應(yīng)用物理公司開始研制單支柱單下體帶可控水翼的小水線面試驗(yàn)艇"搜尋"(QUEST)號(hào)，1995年進(jìn)入海上試驗(yàn)，1996-1997年在大西洋做擴(kuò)大鑒定試驗(yàn)，該艇為鋁質(zhì)，實(shí)測(cè)浮航排水量12.2噸，最大航速35節(jié)，在4級(jí)海況下有很好適航性，5級(jí)海況(浪高2.44米)時(shí)，仍能保持30節(jié)以上航速。美國(guó)海軍旨在探索小水線面船高速化的新途徑。為此，該公司已于1999年末推出800噸級(jí)45節(jié)和300噸級(jí)36節(jié)兩種軍、民用艇的設(shè)計(jì)方案。1995年日本三井公司開工建造“宇宙”(cosMos)號(hào)小水線面雙體油田交通船，載客100位，排水量近155噸，航速20節(jié)，當(dāng)年10月交船。由日本汽船公司組織營(yíng)運(yùn)，開創(chuàng)出在太平洋為近海石油產(chǎn)業(yè)服務(wù)的小水線面倒班交通專用船的先例。美國(guó)隨后也為大西洋美國(guó)與巴西之間的近海石油產(chǎn)業(yè)開發(fā)了“靜水河”(STILLWATERRIVER)號(hào)小水線面雙體油田交通船，載客250位，排水量約200噸，用燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)，航速達(dá)29節(jié)，已于1999年交付美國(guó)路易斯安那州坎可海事服務(wù)公司組織營(yíng)運(yùn)。以上兩艇均為鋁質(zhì)，營(yíng)運(yùn)中證實(shí)可全海侯保證穩(wěn)定航班，保障近海油田生產(chǎn)。1997年丹麥與澳大利亞合作開發(fā)了MaiMols號(hào)半小水線面高速車客渡船，適應(yīng)于中低海況下使用，把中型小水線面船航速提高到40節(jié)以上。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史111998年美國(guó)洛克希德·馬丁公司在美海軍投資領(lǐng)導(dǎo)下，開發(fā)出“斯菜司”號(hào)（SLICE)小水線面四體多功能試驗(yàn)艇，確保艇速在5級(jí)海況下，任意航向仍達(dá)到30節(jié)，比設(shè)計(jì)最高航速31節(jié)，最多降低l節(jié)，開創(chuàng)了高速高適航小水線面船的新路。1999-2000年德國(guó)A&R造船公司1993年開始研究開發(fā)小水線面雙體船并把應(yīng)用目標(biāo)投向港監(jiān)引水，1996年被德國(guó)交通港務(wù)部門認(rèn)可，開始設(shè)計(jì)建造被稱為“2000年引水系統(tǒng)”，包括50米長(zhǎng)的引水母船和25米長(zhǎng)的引水交通艇，均采用小水線面雙體船型，并要求確保在北海3.5米有義波高條件下正常作業(yè)，現(xiàn)“多塞”號(hào)、“易北”號(hào)兩型都已成功地在營(yíng)運(yùn)中。小水線面雙體船發(fā)展簡(jiǎn)史12幾種SWATH的主要尺度與性能13Silver

Cloud

SWATH14PRINSESMAXIMA渡船船型37米旅客/腳踏車小水線面雙體渡船37mPassenger/BicycleSwathFerry設(shè)計(jì)單位NGA公司NigelGeeandAssociatesLtd建造單位荷蘭達(dá)曼船廠DamenShipyards船級(jí)法國(guó)船級(jí)社BureauVeritas總長(zhǎng)37.40米水線長(zhǎng)33.92米型寬17.00米吃水

4.20米最高航速16.5節(jié)服務(wù)航速14.5節(jié)船體材料高密度鋼上層建筑材料鋁合金主機(jī)系統(tǒng)2xMTU12V4000M40B,2xAVRgeneratorDSG74L2-4,2x1440KW(950Vdc)輔機(jī)

2xGrevekMotorenBV3306,2x150kW推進(jìn)器2xINDARACP-500-M/6EPM裝載量181名旅客、75輛自行車和20輛機(jī)動(dòng)腳踏兩用車15Sea_SLICE16SWATH主要優(yōu)點(diǎn)在高航速時(shí)，靜水阻力性能和波浪中阻力性能好推進(jìn)效率高耐波性能好，能在惡劣的海況下平穩(wěn)的航行具有寬廣的甲板面積和充裕而規(guī)整的使用空間，有利于總體布置航向穩(wěn)定性好，低速時(shí)，船的回轉(zhuǎn)性較好建造成本低，建造周期短靜穩(wěn)性好，具有較強(qiáng)的生存能17SWATH主要缺點(diǎn)濕面積大，摩擦阻力較大船體結(jié)構(gòu)重量比相同排水量的單體船要大SWATH的吃水和船寬要大于相當(dāng)排水量的單體船保證在較高航速時(shí)的縱向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性比較困難高速回轉(zhuǎn)半徑較大對(duì)小型SWAIH主機(jī)布置比較困難舾裝、輔機(jī)設(shè)備數(shù)量較多，要求高，重量大18船型的優(yōu)勢(shì)在于其優(yōu)異的耐波性、寬闊的甲板面積和充裕的使用空間；其不足之處也許是它的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)備復(fù)雜而重量較大，以及由此而導(dǎo)致的一系列問題。191、雙體問題阻力->興波干擾、阻塞效應(yīng)耐波性->螺旋運(yùn)動(dòng)（橫搖與縱搖的耦合）2、片體的細(xì)長(zhǎng)(或窄長(zhǎng))性所引起的問題容易利用線性興波理論計(jì)算粘性阻尼與興波阻尼相當(dāng)3、縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題4、橫向波浪誘導(dǎo)載荷問題SWATH性能特點(diǎn)20二、SWATH的快速性211．中、高速時(shí)阻力性能較優(yōu)22在波浪中的失速較單體小得多23SWATH片體的下部主體是比較規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)體，在其尾部槳盤處的伴流既均勻又比較豐滿，有助于船身效率的提高；與單體船相比，SWATH的螺旋槳直徑選取時(shí)所受的限制較少，在設(shè)計(jì)時(shí)可選用敞水效率較高的大直徑低轉(zhuǎn)速螺旋槳方案。推進(jìn)效率高SWATH在快速性方面的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其推進(jìn)效率要比單體船高出10％一45％o其原因有二：24三、SWATH的船型與性能的關(guān)系25RT=RW+RV+RAPP+RAW式中：RW—興波阻力RV—粘壓阻力

RAPP—附體阻力RAW—波浪中航行時(shí)的波浪曾阻1、SWATH的阻力性能26RW=RWB+RWS+2RWBS式中: RWB——主體自身興波阻力；

RWS——支柱自身興波阻力；

RWBS——主體與支柱之間的干擾阻力興波阻力理論公式27采用薄船理論支柱興波阻力28采用細(xì)長(zhǎng)體理論主體興波阻力式中，Ax(x)代表下部主體部分的橫剖面面積曲線縱向坡度

hB為主體軸線的浸沉。29主體與支柱間興波干擾阻力30船型對(duì)興波阻力影響3132長(zhǎng)徑比LB／D對(duì)興波阻力的影響33兩種SWATH興波阻力分解單支柱SWATH的興波阻力曲線單支柱SWATH的興波阻力曲線34單體與SWATH耐波性的比較橫搖角(度)橫搖角(度)垂向加速度(g)35三艘SWATH縱向運(yùn)動(dòng)之比較SWATH—IV與SWATH—6A相比，首斜浪時(shí)升沉峰值減少11.8％，縱搖峰值減少14.7％；正橫浪時(shí)，升沉峰值減少34.4%,縱搖峰值減少35.5%。船型LS／LBLS／tSWATH-6A