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文檔簡介

1、小水線面雙體船的發展與前景大連海洋大學12-1班摘要:小水線面雙體船的優良性能在近些年里得到驗證和發展,在特殊作業和高舒適性上已經得到認可。據不完全統計,截止2000年末,全球已建成的小水線面雙體船為57艘,小水線面雙體船的發展有足夠的市場和潛力。引言近年來,隨著海上運輸方式的多樣化以及人類對海洋資源的積極開發,對船舶性能的要求也逐漸發生變化。就海上運輸來說,由過去只注重載荷性能和靜水中快速性能而一味追求大型化和高速化的傾向,轉為注重提高船舶在波浪中的性能。在客渡輪方面,為實現定期航行、高效運輸以及舒適乘坐,提高船舶的耐波性和節能被擺在重要位置;在海洋開發方面,為了能在高海情下的廣闊海域進行海

2、洋調查、觀測、作業以及海洋平臺輸送人員等,迫切需要在波浪中具有較高安全性、穩定性和舒適性的多用途船舶;在軍艦方面,為了使艦艇在寬闊的海域和惡劣的海情下執行任務,也迫切需要有波浪中能達到高性能要求的艦船。小水線面雙體船(small water-plane-area twin hull ,SWATH)正是這樣一種耐波性能極其優良,中、高速下阻力小,甲板面積相當寬闊,可以完成多種使命,滿足各種航海要求的新船型。小水面雙體船又稱為半潛式雙體船 (semi-submerged catamaran ,SSC), 其設計概念1905年由美國人Nelson提出 ,1932年Faust提出了SWATH船的初步設

3、想、,1946年加拿大人Creed、1967年美國人Leopold進一步予以完善并申請專利。這些設計在低速和中速時性能是較好的,但是都沒有解決縱向運動穩定性這個航行安全至關重要的問題。1971年蘭Lang提出了一個接近于現有小水線面雙體船的設計方案,他用一根翼型剖面的橫梁將兩個片體連接起來,并借此保證船的縱向運動穩定性。1973年,世界上第一艘小水線面雙體船“卡瑪林諾”號與此方案十分相似。一些近海的半潛式鉆井平臺的設計也應用了小水線面雙體船的概念“卡瑪林諾”號和“海鷗”號(標題)1969年開始,美國海軍船舶研究與發展中心DTNSRDC和美國海軍船舶工程中心NAVSEC進行一系列小水線面雙體船的

4、性能研究和方案設計工作。與此同時,美國的一些大學和私營公司做了不少小水線面雙體船的研究工作,在這些研究成果的基礎上,美國海軍水下中心NUC于1970年開始了第一艘小水線面雙體船的設計并于1972年在馬里蘭州柯蒂斯海灣的海岸警衛隊船廠開工建造。這艘雙體船總長26.80米,甲板長23.43米,寬19.27米下部主體長24.93米直徑1.98米,吃水4.65米,排水量190噸(1976年改裝后排水量增至217噸)有效載荷為30噸(改裝后增至50噸),每一片體有二個支柱,支柱和主體用鋼建造而橫向連接橋的材料為鋁,該船設計航速為25kn,由兩臺安裝在連接橋兩側的燃氣輪機通過鏈傳動裝置驅動,二只裝于主體后

5、的螺旋槳推動前進,主機功率為3090KW,該船是作為海軍支援船設計的,于1974年服役。1975年,在夏威夷進行的一系列驗證性實船試驗,內容包括:結構應力測量、測速試驗、回轉、振動、波浪上的運動測量的重要項目。上世紀70年代,日本三井造船公司在小水線面雙體船性能及應用前途的研究工作取得引人注目的成果。三井公司是于1970年開始小水線面雙體船的開發研究的,可分四個階段。第一階段從1970年至1972年,主要從事基礎研究。第二階段從1973年至1975年,期間對排水量為400t和2000t的小水線面雙體船進行了可行性研究,并完成了部分流體動力性能方面的模型試驗工作。在這一階段的研究工作的基礎上,三

6、井公司選定了排水量為400t航速為25kn的小水線面雙體船作為進一步研究的對象。第三階段從1976年至1978年。期間,三井公司對上述選定方案船的流體動力性能、結構應力、推進系統、運動控制系統和船的總體設計進行了深入的研究。同時,作為開發研究工作的一環,開始了中間型試驗艇“海上能手”號(Marine Ace)的設計與建造工作。該艇長12m,為雙支柱片體,全鋁結構,與1977年10月完工,隨即便開始了廣泛的實船試驗研究,后來該艇改建成單支柱片體后也做了各項實船試驗研究,用來比較單、雙支柱片體對流體動力性能的影響。第四階段開始于1979年,主要的開發目標是:在“海上能手”號成功的經驗的基礎上,研究

7、446客位的小水線面雙體客運渡輪。該船全長36m,最高航速為26.5kn,設計要求能在有義波高為3.5m的海況下航行。1979年1月該船下水,同年8月完工,9月份開始進行了全面的海上試航,目的是為了驗證以理論方法或模型試驗為基礎的性能預報。該船后來被命名為“海鷗”號(Sea Gull),自1981年2月至1982年7月共航行了4000nmile,僅6%的航次停航。“海鷗”號具有良好的耐波性,例如從1981年8月至1982年2月間,經統計,旅客中因船搖擺而暈船嘔吐者只占旅客總數的千分之二。良好的耐波性也提高了船員的工作效率和減輕了他們的疲勞。這兩艘船的成功引起了世界各國對小水線面雙體船的重視,8

8、0年代開始歐洲的一些國家如英國挪威、英國、意大利等也開始設計了各種用途的小水線面雙體船。小水線面雙體船的主要優缺點(標題)小水線面雙體船,以深置水下的雙下片體,連接上體和下體的小水線面的雙支柱,寬敞的高出水面的上船體三部分組成。優點 1在高速航行時的靜水阻力性能好。常規的排水量型單體船當傅汝德數超過0.45之后,急劇增加的興波阻力是繼續提高航速的主要障礙。小水線面雙體船因為排水量集中于距水面深處的主體,水線面積大為縮小,有效地降低了興波阻力,使其航行速度所對應的傅汝德數可提高到0.71.0。2推進效率高。小水線面雙體船螺旋槳軸線沉深較大;槳徑受限較少,可采用直徑較大的螺旋槳。再加上槳盤處伴流均

9、勻而豐滿,船身效率較常規船要高。這樣,小水線面雙體船的推進系數一般均可達0.7以上。3耐波性能優異。在波浪中運動的幅值和加速度均大大小于相當排水量的單體船(“卡瑪林諾”號和“海鷗”號在航速為24kn時,鉛垂向的運動加速度均小于0.1g。這是標志船員工作效率是否降低的一個重要指標);垂蕩、縱搖、橫搖運動的自然周期較長(“海鷗”號在航速為24kn時,以各種航向在4級海況下航行時,其橫搖僅為長度相近的常規單體船的1/4;在波浪中失速小(排水量在250t400t的SWATH在56級海況下仍能保持接近設計航速航行,而相當排水量單體船在5級海況下航速的下降幅度已經很明顯了;比較易于使用較小面積的鰭消減縱搖

10、(SWATH因為水線面積小而且水線長度小,故引起縱搖的波浪擾動力較小,可以利用穩定鰭消減其縱搖運動)。4具有寬廣的甲板面積和充裕而規整的使用空間,有利于總體布置。5低速時,船的回轉性好;航向穩定性不論低速還是高速都很好。6船體表面外形簡單,主體和支柱幾乎是二維曲面,建造加工方便,降低建造成本。7具有較強的生存能力:完整和破艙狀態下的穩性好,兩套主輔機增加了可靠性,水下主體采用水密分艙和壓載系統連接橋提供較大的儲備浮力。缺點1摩擦阻力較大與相當排水量的單體船相比,SWATH的濕表面積大約70%,低速時靜水阻力較大。加上共四個穩定鰭及其他附體,致使船的阻力增加。2吃水小于相當排水量的單體船,當船的

11、噸位增大時,有可能受到航道及船塢的限制。3四個穩定鰭及其控制系統增加船的重量和建造成本,給設計工作帶來新的內容,對設計人員素質要求高。4水線面積小,每厘米吃水噸數TPC很小,載重量變化使吃水變化十分敏感:設計及使用過程中,要求船的重量及其分布精確控制,需要設置類似潛艇所設的壓載調整補償系統;破艙后小水線面雙體船浮態相當惡劣。5回轉半徑大:但相當排水量時,小水線面雙體船船長比單體船小約70%,所以回轉半徑可以接受的。6對小型小水線面雙體船來說,主機安裝在連接橋兩側,傳動裝置復雜且昂貴,推進器機械效率低,船體內布置造成困難。7舾裝輔機設備內容多,要求高,重量大。8造價高。由于上述原因,SWATH無

12、論從船體結構、主機-推進系統、輔機、設備系統、儀器等方面都比單體船復雜、技術要求高、數量多。因此SWATH的造價比較高。綜合小水線面雙體船在性能、使用和造價等方面的優缺點,可以看出,這種船型的優勢在于其優異的耐波性、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構、設備復雜而且重量較大,以及由此而導致的一系列問題。因此,小水線面雙體船目前主要被應用于那些噸位不大而又耐波性要求特別高的船,如海洋水文調查船、客運渡輪、平臺-岸基交通艇及軍用輔助艦艇。隨著其性能的進一步提高和一些可能遇到的技術、經濟問題的解決,一些噸位更大、性能指標更高的小水線面雙體船可望在不久的將來能設計建造,其應用的

13、領域亦將不斷擴大。小水線面雙體船的主要用途(標題)目前,小水線面雙體船在軍民領域都已經有了廣泛應用。國外主要將這種船型用于承擔緊急海事救難,持續巡邏執勤,海關緝私、港監引水、漁政海監、潛水打撈、油井守護、交通等海上特種作業,開展海洋考察、水文測量等調查研究工作,執行水聲監聽、反水雷試驗、隱身演示等軍事任務,開創海峽島陸間的輪渡航運、觀光旅游、海上娛樂等產業降。總體來看,小水線面雙體船目前的應用趨勢是以民為主,兼顧軍用。1軍用:水聲監測船、綜合演示艦艇、試驗船、軍用巡邏船、運輸支援船。2軍民:水文測量船、綜合科考船。3民用:客運、旅游、海上供應服務,引水補給、港務、海事服務,海洋監測。世界各國發

14、展小水線面雙體船的基本概況與趨勢(標題)從70年代初至2000年末,世界上有12個國家已經開發和擁有小水線面雙體船共57艘。其中美國有26艘,日本有14艘,是開發最早、擁有量最多、技術水平最高的兩個國家。德國有4艘、英國有3艘。荷蘭、挪威、芬蘭、韓國、丹麥、瑞典和俄國7個國家各有1艘。到2000年末中國引進、自制各1艘,2001年還能完成自制1艘,將共擁有3艘。世界上小水線面雙體船按開發應用年代劃分,70年代僅有4艘,80年代有15艘,90年代驟增為38艘。有9個國家都是到90年代才投入開發或完成建造的。在20年代后期的三十多年,SWATH經歷12個標志性的發展達到現代先進成熟的水平。第一、美

15、國海軍水下中心在經過18個月的研究和約30個月的設計和船模驗證試驗,于1972年6月開工建造卡瑪利諾號小水線面雙體海洋靶場勤務保障工作船,1973年3月下水,10月開始試航。隨后經過20個月238個航次的全面科研考核性試驗,可在2米浪高條件下,順利起降直升機,既證實了優秀的耐波性和全海候、多功能的特色,又積累了大量實測數據為以后小水線面雙體船發展打下技術基礎。從那時起,SWATH作為小水線面雙體船的縮略語,被美海軍權威技術人士肯定,并認為這一稱謂比半潛雙體船(SSC)更利于推廣應用,也從概念上有別于常規雙體船。 第二、日本1976年建成18噸、載20客的試驗艇海上能手號。1979年建成世界上第

16、一艘商用MESA80型陸島間小水線面雙體客渡船海鷗號,載客446位,航速26.5節。采用左右單支柱,共有4個可控水平穩定鰭。穩定高速營運海況達到有義波高3.5米,4級海況時失速僅2%。十年后1989年交付更加完善成熟的海鷗-2號,航速提高到30節以上,仍采用可控鰭,開創了穩定高速高耐波的陸島間客渡航線,已持續經營十余年。與之同期英國在1989年造成的帕特里亞號高速小水線面雙體客船,以不采用鰭翼控制裝置能在30節條件下穩定航行而著稱,但據說因為出現艇體振動等情況,使營運不夠正常。 第三、70年代末日本運輸省考慮新建一艘高性能海上測量船,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

17、井工程與造船公司,推薦小水線面雙體船型獲準,并以鋼鋁混合結構方案中選,1980年和1981年與三菱造船公司分別先后建成琴崎號及大鳥號小水線面雙體水文觀測船一直分別服務于日本沿海,證實小水線面雙體船適用于近海水文調查觀測作業。三井工程與造船公司在此基礎上1985年建成3500噸級海洋號潛水作業兼海洋考察船,隸屬日本海洋科學技術中心,成為世界上第一艘大型小水線面雙體海上作業船。船上配有深海(500米)潛水系統、動力定位系統、精確綜合導航系統、海洋調查測深系統等,可保障在遠海大洋進行綜合科學考察及潛水作業。 第四、美海軍委托洛克希德導彈與宇航公司從80年代初起開發世界上第1艘隱身小水線面雙體船海幽靈

18、號。它在大眾機械月刊1993年7月號的封面上出現,才使公眾獲悉這個試制隱身先進技術演示船的意圖。其排水量為569噸,航速報道為13或15節,有效負載51.8噸。有獨特的A型結構與水上、水下隱身船體外形和材料。著重控制改善船舶運動姿態,提高平穩性;開辟出寬敞的體積和面積為總布置優化提供條件;使全船綜合性能產生質的飛躍,也發現了新的問題,在80年代已做系統的海上試驗基礎上,90年代初期和末期都曾進入新一輪擴大的海上試驗,顯示出小水線面雙體船在未來高性能船和水面艦艇發展中潛在的重要地位。 第五、芬蘭造船廠于1992年向鉆石旅游公司交付雷迪遜鉆石號小水線面雙體豪華旅游客船,船長131米,船寬32米,總

19、噸達到18400噸,可載客354位,是至今為止世界上最大的小水線面船。其水下潛體呈扁平橢園狀,而支柱由中部移向外側組成L形剖面也稱高爾夫球桿式,以適當減小吃水。當時造價約1.7億美元,并被譽為具有安靜、舒適、優美條件,而在風浪中也不會使游客暈船的超級豪華游船。 第六、在1986-98年間美國和日本先后開發美國稱為T-AGOS型勝利級和日本稱為AOS型音響級的小水線面雙體水聲監聽警戒船,并都安排小批生產,從1986年起設計建造,1991年先后建成各自的首艘。船長分別為71.和67.0米,排水量分別約3396和3750噸。美國到1993年共建4艘。首制船交付給美軍事海上運輸司令部,在1991-19

20、92年冬季北大西洋和北太平洋試航中證明在有義波高高5.4米時,可100%正常作業,而同級單體船只能達到10%;6級海況時最大橫搖角(單幅)小于5.8,最大縱搖角(單幅)小于3。日本共建2艘。這兩型船均被明確安排在7級海情下保證可在大洋中對核潛艇實施跟蹤、監視、偵聽任務。美在1998年又建成的完美號,是勝利級的改進型,排水量達5370噸,航速雖只有12節,已滿足使用需求,而拖帶水聲陣的能力更加大,耐波性更好,不僅采用3730千瓦的電力推進,還加配1340千瓦的全向噴水推進器。雖然是作為對核潛艇監視的勤務保障船編入序列,實際上已為21世紀水面艦艇采用大型化、高隱身、全海侯小水線面雙體船作為先進實用

21、平臺,提供了技術儲備。 第七、從1977年起美國賽德博士(Dr.LudwigSeidl)建立海洋工程咨詢工程(OEC)與太平洋海事服務公司合作開發觀光用小水線面雙體船。1989年建成納瓦臺克1號觀光船,隨后經常在夏威夷海域平均波高3.65米條件下,以15-18節速度出航觀浪,營運效益很好。隨后于1994年又建成納瓦臺克2號觀光船,排水量和載客量適當減少,航速提高為23節。兩艘艇雙雙獲得美國海岸警備隊頒發的可跨洋運載旅客的證書,成為美國和世界上首艘獲準商業性海洋旅游觀光的小水線面雙體船。而且在投資費效比指標(平均載游客數與航速的乘積和消耗功率的比值)上表現十分經濟,達到并保持小水線面雙體船經濟性

22、的較高水平。 第八、為適應北歐海峽與陸島頻繁的旅客及車輛的海上交通需求,盡管海情不算太高,卻希望為旅客提供舒適的旅途條件及方便的船車聯運,于是半小水線面雙體船應運而生,在1996-1997年間由瑞典和丹麥先后開發出HSS-1500號和麥毛爾斯號中型半小水線面高速車客渡船,分別可載1500-450位客人及375-120輛汽車,采用燃氣輪機、噴水推進,航速都在40節以上。為便于在潛體內直接布置安裝大功率大尺寸主機以及減小濕表面積,以提高航速,在保留潛體橫剖面首部典型小水線面形狀基礎上,從船舯開始,將后半潛體的吃水遞減,橫剖面向常規雙體船演化,形成一種前潛體支柱小水線面,后潛體與支柱成正體常規雙體化

23、的半小水線面混合船型。據稱由于其耐波性優于澳大利亞首創的雙體穿浪船,而快速性又優于一般小水線面雙體船,以致把澳大利有關造船企業也吸收來合作開發半小水線面雙體船,更加強了復合多種高性能船技術,來取得綜合優化成果的美好前景。 第九、為適應海洋油氣平臺交通守護作業的需求,日本三井工程與造船公司率先于1995年建成宇宙號小水線面雙體交通船,載客和船員共100位,排水量約155噸,航速20節。由日本汽船公司組織營運。為關門港白島區與若松區之間的海洋石油產業職工通勤服務。美國從80年代起就醞釀,到1999年才由東方造船廠為TRICO海事服務公司交付靜水河號,供巴西在大西洋的坎波斯盆地(CamposBasi

24、n)海上油井員工倒班交通船。船長3658米,可載客250位,配2臺4600千瓦燃氣輪機,航速超過25節。這兩型艇均為鋁質,營運中證實可全海侯保持穩定航班,保障近海油田持續正常生產。 第十、德國A&R造船公司引進美國技術,1993年開始研究開發小水線面雙體船,把應用目標投向港監引水。1996年被德國交通港務部門認可,開始設計建造被稱為2000年引水系統,包括50米長的引水母船和25米長的引水交通艇,均采用水小線面雙體船型。要求確保在易北河口和北海海域3.5米有義波高條件下正常作業。2000年多塞號、易北號引水交通艇及母船,都已經過與常規搜救巡邏艇對比海上試航并成功地在營運中充分顯示出小水線面雙體

25、船在港監引水,海關緝私、海監漁政、海事搜救、潛水打撈、海洋調查、水文觀測等方面會有廣泛應用前景。 第十一、美國洛克希德馬丁公司在美海軍投資和組織領導下,1997-1998年,開發出斯萊司號小水線面四體高速多功能試驗艇。該艇采用四支柱、四下體線型結構。排水量180噸,最高速31.5節,在5有海情時,任意航向可保持30節,有效負載50噸。應用鰭與壓載水綜合自控自穩系統,使船從零速到全速的運動姿態都得以控制改善;將主機全部下放在前下體中,直線式傳動,提高推進效率;取消舵,后下體間距大于前下體,用前后下體科學布局,改善流場及水流干擾抑制船舶運動獲得成功;采用有效負載模塊化設計,開創了第二代高機動性、高

26、耐波性的小水線面多體船,作為全海候、多功能的模塊化平臺。1999-2001年美海軍和海軍陸戰隊、海岸警備隊都利用它在太平洋廣闊海域進行了大量戰術功能的演示試驗。值得注意是從1995年起在美海軍投資和組織領導下海事應用物理公司也開發出HYSWAS-27型搜索號小型演示艇,排水量只有12.2噸,艇殼是鋁質,它獨辟新徑,采用單支柱、單下體前后水翼。1996-97年在大西洋做擴大鑒定試航,創造了復合技術小水線面船艇最高速度達35節,并在浪高2.44米時,仍能保持30節以上的航速,足可為進一步高海情下的高速化探索技術途徑。該公司已于1999年末推出800噸級45節和300噸級36節兩種軍民用艇的設計方案。上述兩型小水線面演示試驗船分別采用單體和四體,并在實驗室中繼續探索三體、五體的規律,引發出所謂小水線面多體船SWAMH的概念。連同半小水線面雙體船、小水線面雙體水翼船等復合船型,預測在21世紀還會有新的創造。 第十二、美海洋科學家在使用卡瑪利諾號之后多年來都呼吁海洋調查作業船以選用小水線面雙體船為宜。1990-96年美國蒙特雷灣(Montery)海洋生物研究所要求加州斯沃司大洋系統公司開發了西方飛人號小水線面雙體海洋調查遙控潛器母船。投入使用后證明能在25

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