孟 巧，卓悅悅，陳思佳，秦士皓

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，世界各國(guó)逐漸從近海開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向深遠(yuǎn)海洋開(kāi)發(fā)[1]。海洋工程建設(shè)、海洋漁業(yè)、旅游業(yè)等項(xiàng)目的建設(shè)與發(fā)展，必然要求相應(yīng)的海上救援能力提升。地效翼船的航行狀態(tài)與飛機(jī)的飛行狀態(tài)相接近，只需要克服空氣的阻力便可以順利升空。根據(jù)所配備發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不同，大型地效翼船的速度能達(dá)到700 km/h 左右，可媲美一般的民航飛機(jī)[2]。小型地效翼船的速度也可以達(dá)到150 km/h 左右，比普通類(lèi)型的船舶高出3～5 倍。從航行速度看，地效翼船與市面上現(xiàn)存的同級(jí)別船舶相比具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，相比于民航飛機(jī)，地效翼船的飛行狀態(tài)屬于低空飛行，大大地減少了由于天氣因素帶來(lái)的不利影響。從船舶適應(yīng)性的角度來(lái)看，地效翼船可以適應(yīng)惡劣環(huán)境，相比飛機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

地效翼船具有高速性、越障性等特點(diǎn)，可以保證救援的時(shí)效性，因此適合作為救援裝備[3]。因此，地效翼救助船受到了各界學(xué)者的青睞。武漢理工大學(xué)王緒明等[4]設(shè)計(jì)了針對(duì)高海況下運(yùn)行的三體無(wú)人救助艇平臺(tái)，優(yōu)化了主船體的線(xiàn)形并給出相應(yīng)總布置圖；李永勝等[5]提出了地效翼船主體及翼型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。目前現(xiàn)有的設(shè)計(jì)主要面向大中型船舶，而小型地效翼救助船鮮有報(bào)道。因此本文設(shè)計(jì)一款面向海上救援的小型地效翼救助船，可以利用地效翼船速度快、起降方便、運(yùn)載能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，快速駛向出事地點(diǎn)進(jìn)行救援，為海上救援裝備提供新的設(shè)計(jì)思路。

1 需求分析

地效翼船通常都是貼水面高速掠行，一旦在飛行過(guò)程中發(fā)生故障，可利用自身慣性安全平緩地滑落至水面，能停在水面上直接進(jìn)行修理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要保證小型地效翼救助船在水面上可保持漂浮狀態(tài)，因此擬采用救助艇的主船體作為母型，提高設(shè)計(jì)方案中浮性、穩(wěn)性的可行性。

為滿(mǎn)足低空飛行的要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中在小型地效翼救助船主船體相應(yīng)位置增加機(jī)翼和尾翼。在飛行時(shí)，氣流圍繞機(jī)翼從前向后流動(dòng)，對(duì)機(jī)翼的上翼面形成負(fù)壓、下翼面形成正壓，從而產(chǎn)生升力。以著名的“里海怪物”為例，它利用地面效應(yīng)（也稱(chēng)“氣墊效應(yīng)”）使機(jī)翼的升力明顯增加，在近地面，在機(jī)翼和主浮舟下形成一個(gè)空氣卷筒，并隨著地效翼船運(yùn)動(dòng)[6]。在設(shè)計(jì)中利用地面效應(yīng)原理，可將吸入的空氣斜射到承載面下，從而提高飛行效率，在起飛質(zhì)量相同的條件下，移動(dòng)的效率比常規(guī)飛機(jī)要高[7]。

小型地效翼救助船總布置時(shí)，主要考慮海上救援問(wèn)題。在現(xiàn)代醫(yī)療體系中，及時(shí)判別遇難者傷情并進(jìn)行早期救治，可顯著降低死亡率與傷殘率[8]，因此小型地效翼救助船救助艙室的配置首先要有能夠開(kāi)展血液、尿液等常規(guī)檢驗(yàn)的應(yīng)急救援醫(yī)療檢驗(yàn)設(shè)備，其次要能夠處理海上遇險(xiǎn)人員的應(yīng)急創(chuàng)傷，并保證其在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的生命安全。另外，由于小型地效翼救助船的艙室空間狹小，為了讓遇險(xiǎn)人員感到舒適，要保證足夠的空間，可在救助艇母船的原有數(shù)據(jù)上適當(dāng)增加船長(zhǎng)和船寬，以滿(mǎn)足內(nèi)部空間功能的需要。此外，醫(yī)療設(shè)備及家具的布置也要充分考慮人機(jī)工程學(xué)。

2 外觀(guān)設(shè)計(jì)

2.1 主船體設(shè)計(jì)

小型地效翼救助船采用雙層底結(jié)構(gòu)，目的是增加船體的強(qiáng)度，同時(shí)用作壓載艙，提高船舶的浮性和穩(wěn)性。船底設(shè)計(jì)為U 形且有較長(zhǎng)的平行中體，有利于增大救助船的空間，為遇險(xiǎn)人員提供舒適的環(huán)境。小型地效翼救助船主船體的主尺度[9]主要由母型船資料根據(jù)換算公式確定，并利用AutoCAD 繪制出相應(yīng)的型線(xiàn)圖。

船長(zhǎng)L 的母型船換算公式如下：

式中，L 為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)；L0為母型船長(zhǎng)；Δ 為設(shè)計(jì)船排水量；Δ0為母型船排水量。

船寬B 的母型船換算公式如下：

式中，B 為設(shè)計(jì)船寬；B0為母型船寬。

吃水d 的母型船換算公式如下：

式中，d 為設(shè)計(jì)船吃水；d0為母型船吃水。

型深D 的大小直接影響艙室高度，對(duì)小型船舶來(lái)說(shuō)，考慮型深時(shí)要注意機(jī)艙及生活艙室高度對(duì)型深的要求。當(dāng)吃水d 一定時(shí)，D 的大小反映了干舷的大小，因此在設(shè)計(jì)初期，型深D 可按以下公式計(jì)算：

最小干舷：

富裕干舷：

式中，D 為設(shè)計(jì)船型深；D0為母型船型深；VC、VC0分別為設(shè)計(jì)船和母型船的貨艙總型容積；LM、LM0為設(shè)計(jì)船和母型船的機(jī)艙長(zhǎng)度。

方形系數(shù)Cb是一個(gè)可以反映船體水下部分豐滿(mǎn)程度的系數(shù)，是排水量和各主要尺度之間的紐帶，可以根據(jù)以下公式計(jì)算和選擇：

式中，C 為系數(shù)，一般可取1.08；航速較高的船可取1.04～1.06，大型低速船可取1.10～1.12；對(duì)于興波阻力位于“峰”區(qū)的船，C 應(yīng)適當(dāng)取小些，如減小0.02 左右。Fr 為傅汝德數(shù)。對(duì)于中高速船，F(xiàn)r 和L/Δ1/3對(duì)阻力的影響相當(dāng)大，F(xiàn)r 為0.30、0.32、0.34、0.36、0.38、0.40、0.42、＞0.44 時(shí)，對(duì)應(yīng)的Cb應(yīng)選取為0.55～0.57、0.51～0.56、0.50～0.55、0.49～0.54、0.53、0.52、0.51、0.50。

根據(jù)以上公式確定小型地效翼救助船的主尺度為4200 mm×1140 mm×504 mm（L×B×D）。為了方便制作模型，現(xiàn)將設(shè)計(jì)實(shí)船按照6∶1 的比例進(jìn)行模型繪制與設(shè)計(jì)，其中模型長(zhǎng)為700 mm、寬為190 mm、高為84 mm。具體型線(xiàn)圖如圖1 所示。

圖1 小型地效翼救助船模型型線(xiàn)圖

根據(jù)型線(xiàn)圖的尺寸，利用SolidWorks 進(jìn)行小型地效翼救助船的外觀(guān)設(shè)計(jì)。外觀(guān)整體如圖2 所示，局部細(xì)節(jié)如圖3～5 所示。

圖2 小型地效翼救助船整體模型圖

圖3 螺旋槳外觀(guān)設(shè)計(jì)圖

2.2 機(jī)翼設(shè)計(jì)

地效翼船的翼型研究主要考慮以下4 個(gè)因素：地面效應(yīng)要強(qiáng)，升力中心隨飛高變化的移動(dòng)量要小，與水動(dòng)力配合協(xié)調(diào)性要好，動(dòng)力增升的需要[10]。

圖4 主浮舟外觀(guān)設(shè)計(jì)圖

本研究中，小型地效翼救助船機(jī)翼的設(shè)計(jì)主要從提高在水中滑行時(shí)的升力以及減小在水中滑行時(shí)的阻力兩方面著手。小型地效翼救助船模型的翼展為440 mm。機(jī)翼主要包括機(jī)翼和飛行器螺旋槳。由于雙凸翼型的阻力比對(duì)稱(chēng)翼型大，可以獲得較高的升阻比，從而獲得較好的氣動(dòng)性能，因此本設(shè)計(jì)中機(jī)翼采用雙凸翼型。飛行器螺旋槳提供動(dòng)力來(lái)克服水阻力和空氣阻力，從而使小型地效翼救助船完成前進(jìn)、后退、起飛等工作姿態(tài)。圖5 為采用Solid-Works[11]繪制的機(jī)翼外觀(guān)設(shè)計(jì)圖，圖6 為飛行器螺旋槳設(shè)計(jì)圖。

圖5 機(jī)翼外觀(guān)設(shè)計(jì)圖

圖6 螺旋槳設(shè)計(jì)圖

3 內(nèi)裝設(shè)計(jì)

船舶救助艙室低矮、狹窄，且船體、甲板是曲面形狀，因此艙內(nèi)可利用的救助空間比較小。小型地效翼救助船內(nèi)布置要相對(duì)穩(wěn)定，保持船舶的穩(wěn)性，同時(shí)在設(shè)計(jì)中也要考慮船員及傷員的舒適性，據(jù)此確定救助艙室的布置并應(yīng)用3DMAX 軟件繪制[12]。

主船體內(nèi)部的布置參考救護(hù)車(chē)內(nèi)部的布置，救助艙室有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）緊湊性：船舶艙室一般比較低矮、狹窄，艙室凈高通常為1.95～2.20 m。

（2）曲面性：由于船體、甲板是曲面形狀，空間分割后必然有些空間呈現(xiàn)曲面性，因而救助艙室的布置必須考慮曲面性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要巧妙地利用或隱藏曲面空間，多體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的水平性和垂直性，以達(dá)到救助要求。

（3）均衡性：考慮到船舶穩(wěn)性要求，船舶內(nèi)部空間大多數(shù)以對(duì)稱(chēng)為主，但對(duì)稱(chēng)空間往往顯得呆板、單調(diào)，不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)可以避免這種缺陷。但是要保證質(zhì)量分布的均衡性，不會(huì)對(duì)船舶的穩(wěn)性造成太大的影響。

由于艙室空間的低矮性，初步設(shè)計(jì)時(shí)采用白色為主增加空間感，再配以藍(lán)色和橘色，一方面為了色彩不單調(diào)，另一方面切合醫(yī)療健康主題。

考慮到曲面空間利用率低的缺點(diǎn)，采用內(nèi)裝一體化設(shè)計(jì)。另外，考慮到地效翼船在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)傾斜、晃動(dòng)等現(xiàn)象，為保證救助人員的安全，還必須將設(shè)施及救助設(shè)備有序地固定在甲板、艙壁上。

為了避免對(duì)稱(chēng)布局的單調(diào)性，在充分考慮救助艙室功能性的基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)裝設(shè)計(jì)。首先要滿(mǎn)足醫(yī)療需求，要求配有氧氣源及使用終端、輸液瓶固定裝置、擔(dān)架、照明系統(tǒng)，以及必要的急救箱、吸引器、呼吸機(jī)、除顫儀等急救設(shè)備，此外還應(yīng)配有一些輔助設(shè)備，如醫(yī)療艙空調(diào)、換氣系統(tǒng)和消毒系統(tǒng)等。參考應(yīng)急醫(yī)學(xué)單元要求進(jìn)行醫(yī)療器械配備，具體布置平面圖如圖7 所示。

圖7 小型地效翼救助船模型救助艙室具體布置平面圖（單位：mm）

在基本設(shè)計(jì)完成之后，利用3DMAX[12-13]進(jìn)行渲染圖的繪制和色彩配置，如圖8、9 所示。

圖8 小型地效翼救助船救助艙室渲染圖

圖9 小型地效翼救助船救助艙室俯視圖

最終設(shè)計(jì)的小型地效翼救助船相關(guān)的衛(wèi)生裝備和器材配備齊全，不僅具有后送能力[14]，還具有途中救治、生命支持等功能，可對(duì)被救助人員進(jìn)行復(fù)蘇、輸液、供氧、除顫等急救處置，還可連續(xù)監(jiān)測(cè)傷病員多項(xiàng)生理參數(shù)，將大大提高傷病員醫(yī)療后送的存活率。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)目前少有地效翼船應(yīng)用于海上救援領(lǐng)域，本研究綜合船舶建造規(guī)范和國(guó)際海上人命安全公約、船舶設(shè)計(jì)要求、實(shí)際使用需求對(duì)小型地效翼救助船進(jìn)行外觀(guān)和內(nèi)裝的初步設(shè)計(jì)，對(duì)這一領(lǐng)域的后續(xù)研究具有一定的參考價(jià)值。但本研究沒(méi)有進(jìn)行船體線(xiàn)型優(yōu)化和性能測(cè)試，在后續(xù)研究中會(huì)持續(xù)完善、不斷改進(jìn)，對(duì)小型地效翼救助船進(jìn)行線(xiàn)型優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)其智能化航行。