林志勇 陳順洪 周德武

摘 要：針對高速執(zhí)法艇應具備良好穩(wěn)性的需求，進行具有自扶正能力的高速執(zhí)法艇設計；計算該艇自扶正穩(wěn)性，評估不同參數對自扶正能力的影響；對自扶正艇的進水口處理方式進行探索。

關鍵詞：自扶正；高速執(zhí)法艇；船舶設計；進水點

中圖分類號：U674.2 文獻標識碼：A

Abstract： According to the stability requirements， a high-speed response boat with self-righting capability is designed， the self-righting stability is calculated， the effects of different parameters on the self-righting capability are evaluated and the design of flooding points for the self-righting boat is discussed.

Key words： Self-righting； High-speed response boat； Ship design； Flooding point

高速執(zhí)法艇根據使命不同，一般具備一定防護能力，并配置機槍武器、或海上搜救設備等。

高速執(zhí)法艇通常需要在惡劣的海洋環(huán)境條件下執(zhí)行任務，為保障人員安全、提高執(zhí)法能力，高速執(zhí)法艇應具有良好的完整穩(wěn)性和抗風能力，甚至需具有傾覆后自動扶正的能力。

1 船舶自扶正原理

船舶靜止漂浮于水中時，受到自身重力和水的浮力兩個作用力，其大小相等但方向相反，作用在同一鉛垂線上，如圖1（a）。當船舶受到風浪等外力干擾產生傾斜時，船舶的重量和重心位置并沒有發(fā)生變化，排水體積大小也沒有變化，但由于船舶本身傾斜，其水下的體積形狀發(fā)生了改變，浮心位置也發(fā)生了變化。此時，重量和浮力不再位于同一鉛垂線長，形成一個力偶（復原力）促使船舶復原到原來的平衡位置，如圖1（b）。自扶正船舶就是在傾斜任何角度的情況下，浮力和重力都形成正的復原力矩，如圖1（c）。通常，用復原力臂曲線來表達船舶在不同傾斜角度時的復原力臂的大小，具有自扶正能力的船舶，其復原力臂曲線在0°～180°范圍內都是大于零。

由于船舶一般都為左右對稱且重心位于中心線上，所以在理論上當船舶傾覆180°靜止時，其復原力也是為零的，如圖2（a）。此時，只要受到風浪流等外力作用下使船舶產生一定傾斜，如圖2（b），船舶在正的復原力矩作用下會繼續(xù)傾斜直至回到平衡狀態(tài)。此過程就是自扶正船舶的自扶正翻轉過程。

通過上述分析可知，自扶正能力主要與船舶的重心位置及浮心位置有關。

2 自扶正高速執(zhí)法艇設計方案

依據船舶自扶正的原理，開展自扶正高速執(zhí)法艇方案設計。該設計方案綜合考慮執(zhí)法艇的布置風格，設計了較大體積的封閉甲板室，使船舶在傾覆時始終具有正的復原力矩，從而實現自扶正能力。

2.1 用途及船型

本艇主要用于海上緝私、緝毒、反恐等需要高速追擊、攔截，以及快速反應的海上搜索、救援任務等。

本艇為單體、單甲板、全棚式、無斷級、雙折角深V滑行艇船型；雙柴油機驅動，雙噴水泵推進；船體及甲板室結構采用鋁合金材料；具有自扶正能力、良好的適航性和開闊視野的海上執(zhí)法艇。整體設計風格簡潔明快、硬朗大氣，突出執(zhí)法艇的特征，如圖3所示。

2.2 線型

本艇長度傅汝德數Fn約為1.5、體積傅汝德數Fn▽約為3.6，為處于高速滑行狀態(tài)的滑行艇；線型采用中部底斜升角22°，設有雙折角線的深V線型，線型綜合考慮了快速性、耐波性和總布置。

2.3 主尺度及主要參數

2.4 總布置

（1）主船體

本艇主船體分為五個水密艙室：首尖艙通過艙口蓋直接從甲板上出入，主要布置帆纜設備；休息室艙為4人船員艙，設有櫥柜和餐桌；設備艙布置有衛(wèi)生間、配餐區(qū)等，兩側布置有燃油艙；機艙布置主機、發(fā)電機及相關設備，在每臺主機上方設有機艙可拆板用于機艙設備檢修；泵艙布置有兩套噴水推進裝置及其流道等；主船體尾封板在噴水推進器上設置有保護架，兩側布置有主機排氣口；主船體四周設置一圈泡沫護舷。

（2）主甲板及甲板室

主甲板首部設有艙蓋、纜樁、扶手等；尾部布置有救生筏、纜樁、拖樁、扶手、機艙通風風道等；中部為封閉式甲板室，兩側設外走道。

甲板室為封閉式駕駛室，從后圍壁開門進出駕駛室；駕駛室內布置有駕控臺、抗沖擊座椅等；甲板室后部設有機艙通風風道，前部布置有休息室通風裝置。

（3）頂甲板

頂甲板后部布置有桅桿，另布置有天線、搜索燈、舷燈、警燈、光電、高音喊話喇叭等；桅桿上布置有雷達、天線和信號燈等。

2.5 結構設計

主船體及甲板室采用5083鋁合金板材及6082鋁合金型材；。主船體結構能承受大于35 kn航速時的海浪拍擊及6級海浪的作用力。；甲板室結構具備一定的抗壓能力，以滿足自扶正的要求。

2.6 動力系統(tǒng)

本艇設有二套推進系統(tǒng)，每套推進系統(tǒng)均由船用高速柴油機、高彈性聯軸節(jié)、船用齒輪箱及噴水推進裝置組成。

高速柴油機功率為2×800 HP。

本艇設有由噴水推進裝置監(jiān)控部份和推進柴油機組監(jiān)測部份組成的動力監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)按駕控臺遙控駕駛設計，在駕控臺可實現對噴水推進裝置的方向舵和倒航斗進行遙控，以及實現對推進柴油機的起停、調速、齒輪箱的離合及正反轉控制等功能。

2.7 船舶裝置

駕駛室后圍壁設有鋁合金水密門，門的上部設有玻璃觀察窗可從駕駛室觀察船尾的情況。

泵艙與機艙及機艙與設備艙設有水密艙壁；設備艙與休息室艙設有水密艙壁，其上設置水密門并滿足CCS防火等級要求。

外部的門、窗、蓋具備一定的抗壓能力，滿足自扶正的要求。

2.8 船舶系統(tǒng)

本艇機艙、休息室艙等均采用機械通風形式。

本艇還配置艙底水系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、注入透氣及測量系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)等，以保證船舶正常工作。

2.9 船舶電氣

本艇配電系統(tǒng)采用交流220 V單相雙線絕緣系統(tǒng)及直流24 V雙線絕緣系統(tǒng)，并配有交流220 V岸電系統(tǒng)。

本艇配置13 kW船用柴油發(fā)電機組一套；配置免維護24 V蓄電池提供主機啟動及配置免維護12 V蓄電池提供發(fā)電機啟動。主機或發(fā)電機啟動后，通過其軸帶發(fā)電機自動對啟動蓄電池充電。

本艇配置照明、燈具、助航、報警、通信、航行等系統(tǒng)及設備，滿足規(guī)范規(guī)則要求。

2.10 重量及重心位置

本艇滿載排水量18.2 t，重心位置為X=5.22 m、Z=1.59 m、Y=0 m（坐標原點在尾封板、基線與中心線交匯處）。

3 自扶正能力計算及評估

由于船體線型及甲板室的首尾不對稱，在大角度橫向傾斜過程中將引起船長方向的傾斜，即船舶在橫傾時伴隨有縱傾發(fā)生。因此自扶正計算需要模擬船舶在橫傾0°～180°范圍內的各種狀態(tài)，本計算應用軟件MAXSURF進行。

3.1 MAXSURF簡介

Maxsurf是用于船舶設計的三維曲面建模、計算的綜合性軟件，主要包括建模、穩(wěn)性計算、阻力計算和結構設計等模塊。Stability模塊是其中穩(wěn)性計算模塊，用于浮態(tài)計算、大傾角穩(wěn)性計算、破損穩(wěn)性計算、液體艙柜容積計算、極限重心高計算、可浸長度計算、總縱強度校核等。

3.2 建模及計算結果

利用軟件Maxsurf，完成本艇的三維建模，包括船殼、甲板、甲板室和機艙風道等。通過Stability模塊的大傾角穩(wěn)性計算功能，計算橫傾角從0°～180°范圍的復原力臂。根據計算結果可知，本艇在0°～180°范圍內復原力臂都為正值，且沒有出現嚴重的首尾傾情況，因此設計方案具有自扶正能力，可以在不同的橫傾角下復原到橫傾角為0°的狀態(tài)。

3.3 不同設計參數計算結果對比

為了進一步探索不同設計方案和不同參數對自扶正能力的影響，開展了三方面參數變化計算結果對比：

（1）在同一設計方案中，假定重心高度分別為1.48 m、1.7 m，與設計重心高1.59 m的計算結果對比，見圖4；

（2）假定重心位置及甲板室長度不變，分別取甲板室寬度為2.4 m、2.8 m，與設計甲板室寬度3.2m的計算結果對比，見圖5；

（3）在同一設計方案中，假定重心縱向位置分別為4.7 m、5.5 m、5.9 m，與設計重心縱向位置5.22m的計算結果對比，見圖6。

通過計算結果分析，主要結論如下：

（1）降低重心高度可有效提高艇的自扶正能力；

（2）甲板室寬度加大有利于改善自扶正能力；

（3）縱傾角大則減小了甲板室的浸水體積，進而減少了復原力臂值，所以甲板室體積中心與艇重心在長度方向的距離越小，對自扶正能力越有利。

4 自扶正高速執(zhí)法艇進水口處理

在一般船舶穩(wěn)性計算中，應計及進水角開口的影響，所以復原力臂曲線在相應的進水角處切斷，并且認為船舶完全喪失穩(wěn)性。自扶正船舶要求復原力臂曲線在0°～180°范圍內都為正值，即要求艇在橫傾0°～180°范圍內水不能通過進水口進入船內，因此需對進水口進行特別處理。

本高速執(zhí)法艇設計方案，除機艙外其它艙室均設置在行駛中保持關閉狀態(tài)的關閉裝置；但機艙中的柴油機等設備的運行需要持續(xù)通風，機艙通風口在行駛過程中不能關閉，因此本自扶正高速執(zhí)法艇主要對機艙的通風風道進行特殊設計。有兩種設計方案：

（1）機艙通風口設計為可自動啟閉式

機艙通風設計為結構風道，在其內設置帶液壓控制開關的艙口蓋，當船舶傾斜到一定角度時可自動關閉，船舶翻轉復原后可自動打開。該方式需要設置監(jiān)測船舶航態(tài)及控制艙口蓋開關的液壓泵站，通過蓄電池進行供電。

（2）采取特殊的通風風道設計

根據艇在傾斜不同角度時其浮態(tài)的特點，將機艙通風風道設計為Z型，風道的兩端分別在艇的左右舷，且機艙內的風道口離甲板一定距離。這樣即使艇在0°～180°范圍內翻轉，該Z型風道口至少有一端高出水面較多，水不能進入機艙內，如圖7。該方式需要將風道的側壁設計為水密，當機艙外風道口浸水后水會進入浸水部分風道內，但不會通過風道側壁進入到機艙。

對比兩種方案：方案一形式簡單，但增加了一套液壓控制系統(tǒng)，存在液壓控制設備可靠性風險；方案二風道較為復雜，且每個風道均需設置風機，但防止進水的效果可靠性高。

5 結論

本文針對高速執(zhí)法艇的穩(wěn)性需求，設計方案在整體外觀造型、總布置、結構設計、機艙通風等方面充分考慮了自扶正需求，復原力臂曲線在0°～180°范圍內都為正值，具備自扶正能力。經計算分析可知，降低船舶重心、選取合適的甲板室寬度、減小甲板室體積中心與艇重心在長度方向的距離等方面，是提高自扶正能力的主要措施。

參考文獻

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