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小水线面双体船

小水线面双体船(small waterplane area twin-hull ship),缩写为SWATH船,又称半潜式双体船,就是由深置水下的双下片体,连接上体和下体的小水线面的双支柱,宽敞的高出水面的上船体三部分组成的船舶。它的特点是:

1、在高航速时阻力性能好。由于支柱水线面面积比相当排水量的常规单体船的水线面面积要小很多,主要排水体积沉没在较深的水中,兴波阻力小,由波浪引起的附加阻力小,失速小,波浪中的航速高。

2、耐波性好。在波浪中运动平缓,运动周期加大,不致发生谐摇,在采用鳍、翼等的自动控制系统以穿浪或随浪模式操控可确保在波浪中具有良好平台稳定性和航态可控性,能平稳执行海上作业,晕船率低,适于"全海候",保证高出勤率。

3、推进效率高。螺旋桨直径受限制较少,可选用直径较大的螺旋桨,船身效率较常规船高。

4、在相对小的排水量下,甲板面积及有效舱容宽敞,利于总体布局.

5、操纵性与航向稳定性良好,低速时船的回转性好,利于安全实施海上与其它船舶、平台靠舷;

6、生存能力较强,正常与破损稳性较高;

7、船体表面外形简单,通常是二维曲面,建造工艺较为简单,有助于降低建造成本,而且适宜于采用电磁波和水声隐身结构,提高全船隐蔽性。

除了以上优点之外,小水线面双体船也有不少缺点。

湿表面积大,摩擦阻力大,与同样排水量的单体船相比,小水线面双体船的湿表面积增大了70%,所以在低速时船的阻力比较大。船体结构较复杂,重量比相当排水量的常规单体船大;载重量变化使吃水变化十分敏感;双体配套设备量大,控制系统较复杂;而且全船可变参量多,在主尺度、潜体与支柱的选取及线性、稳性、阻力、结构等方面计算、试验、设计优化的技术工作量大,造价相对高。

综合分析,小水线面双体船具有优异的耐波性,宽阔的甲板面积和充裕的使用空间不足之处是船体结构强度、设备复杂而重量较大,以及由此产生的一系列问题。目前小水线面双体船主要应用于海洋调查船,客运渡轮、海上油田交通艇及军用辅助舰艇。

从70年代初至2000年,世界上有12个国家已经开发和拥有小水线面双体船共57艘。其中美国有26艘,日本有14艘,是开发最早、拥有量最多、技术水平最高的两个国家。德国有4艘、英国有3艘。荷兰、挪威、芬兰、韩国、丹麦、瑞典和俄国7个国家各有1艘。到2000年末中国引进、自制各1艘,2001年还能完成自制1艘,将共拥有3艘。世界上小水线面双体船按开发应用年代划分,70年代仅有4艘,80年代有15艘,90年代骤增为38艘。有9个国家都是到90年代才投入开发或完成建造的。

世界上小水线面双体船按排水量、航速等主要特征划分的统计情况:排水量在250吨以下的有36艘,占63%;航速19节以下的有29艘,占51%。世界上小水线面双体船按使命功能分析,客运观光旅游、油田交通服务占第一,共23艘;海洋考察、潜水、搜救、渔政、缉私、引水等海上特种作业用占第二,共18艘;靶场保障、水声监听、巡逻警戒等军用占第三,共12艘,其它是试验演示用的,约有4艘。

小水线面双体船的发展历史可以追溯到19世纪,1880年兰德堡(G.G.Lundburg)以其首次提出单体半潜船概念即获专利。进入20世纪加拿大的柯立德(FrederickG.Creed)向英国海军部提出小水线面双体航空母舰的设想,几年后,被允许转交给美国海军,但两国军方都未注意这一新概念。在40-60年代间波瑞克(H.Boericke)、麦克考勒(AlanMcclure)、里奥波德博士(Dr.ReuvenLeopold)、斯坦格尔(J.J.Stenger)、朗博士(DrTomLang)等不少科学家在不同国家,以不同方式,开展了多种理论和试验研究工作。在20年代后期的三十多年,经历12个标志性的发展达到现代先进成熟的水平。

第一、美国海军水下中心在经过18个月的研究和约30个月的设计和船模验证试验,于1972年6月开工建造"卡玛利诺"号小水线面双体海洋靶场勤务保障工作船,1973年3月下水,10月开始试航。随后经过20个月238个航次的全面科研考核性试验,可在2米浪高条件下,顺利起降直升机,既证实了优秀的耐波性和全海候、多功能的特色,又积累了大量实测数据为以后小水线面双体船发展打下技术基础。从那时起,SWATH作为小水线面双体船的缩略语,被美海军权威技术人士肯定,并认为这一称谓比"半潜双体船"(SSC)更利于推广应用,也从概念上有别于常规双体船。

第二、日本1976年建成18吨、载20客的试验艇"海上能手"号。1979年建成世界上第一艘商用MESA80型陆岛间小水线面双体客渡船"海鸥"号,载客446位,航速26.5节。采用左右单支柱,共有4个可控水平稳定鳍。稳定高速营运海况达到有义波高3.5米,4级海况时失速仅2%。十年后1989年交付更加完善成熟的"海鸥-2号",航速提高到30节以上,仍采用可控鳍,开创了稳定高速高耐波的陆岛间客渡航线,已持续经营十余年。

第三、70年代末日本运输省考虑新建一艘高性能海上测量船,要求高耐波性、高适居性、高操纵性,宽敞的甲板面积及舱容等。三井工程与造船公司,推荐小水线面双体船型获准,并以钢铝混合结构方案中选,1980年和1981年与三菱造船公司分别先后建成"琴崎"号及"大鸟"号小水线面双体水文观测船一直分别服务于日本沿海,证实小水线面双体船适用于近海水文调查观测作业。三井工程与造船公司在此基础上1985年建成3500吨级"海洋"号潜水作业兼海洋考察船,隶属日本海洋科学技术中心,成为世界上第一艘大型小水线面双体海上作业船。船上配有深海(500米)潜水系统、动力定位系统、精确综合导航系统、海洋调查测深系统等,可保障在远海大洋进行综合科学考察及潜水作业。

第四、美海军委托洛克希德导弹与宇航公司从80年代初起开发世界上第1艘隐身小水线面双体船"海幽灵"号。它在"大众机械月刊"1993年7月号的封面上出现,才使公众获悉这个试制隐身先进技术演示船的意图。其排水量为569吨,航速报道为13或15节,有效负载51.8吨。有独特的A型结构与水上、水下隐身船体外形和材料。着重控制改善船舶运动姿态,提高平稳性;开辟出宽敞的体积和面积为总布置优化提供条件;使全船综合性能产生质的飞跃,也发现了新的问题,在80年代已做系统的海上试验基础上,90年代初期和末期都曾进入新一轮扩大的海上试验,显示出小水线面双体船在未来高性能船和水面舰艇发展中潜在的重要地位。

第五、芬兰造船厂于1992年向钻石旅游公司交付"雷迪逊钻石"号小水线面双体豪华旅游客船,船长131米,船宽32米,总吨达到18400吨,可载客354位,是至今为止世界上最大的小水线面船。其水下潜体呈扁平椭园状,而支柱由中部移向外侧组成L形剖面也称高尔夫球杆式,以适当减小吃水。当时造价约1.7亿美元,并被誉为具有安静、舒适、优美条件,而在风浪中也不会使游客晕船的超级豪华游船。

第六、在1986-98年间美国和日本先后开发美国称为T-AGOS型"胜利"级和日本称为AOS型"音响"级的小水线面双体水声监听警戒船,并都安排小批生产,从1986年起设计建造,1991年先后建成各自的首艘。船长分别为71.5和67.0米,排水量分别约3396和3750吨。美国到1993年共建4艘。首制船交付给美军事海上运输司令部,在1991-1992年冬季北大西洋和北太平洋试航中证明在有义波高高5.4米时,可100%正常作业,而同级单体船只能达到10%;6级海况时最大横摇角(单幅)小于5.8°,最大纵摇角(单幅)小于3°。日本共建2艘。这两型船均被明确安排在7级海情下保证可在大洋中对核潜艇实施跟踪、监视、侦听任务。美在1998年又建成的"无瑕"号,是"胜利"级的改进型,排水量达5370吨,航速虽只有12节,已满足使用需求,而拖带水声阵的能力更加大,耐波性更好,不仅采用3730千瓦的电力推进,还加配1340千瓦的全向喷水推进器。虽然是2001年作为对核潜艇监视的勤务保障船编入序列,实际上已为21世纪水面舰艇采用大型化、高隐身、全海侯小水线面双体船作为先进实用平台,提供了技术储备。

无暇号

第七、从1977年起美国赛德博士(Dr.LudwigSeidl)建立海洋工程咨询工程(OEC)与太平洋海事服务公司合作开发观光用小水线面双体船。1989年建成"纳瓦台克1号"观光船,随后经常在夏威夷海域平均波高3.65米条件下,以15-18节速度出航观浪,营运效益很好。随后于1994年又建成"纳瓦台克2号"观光船,排水量和载客量适当减少,航速提高为23节。两艘艇双双获得美国海岸警备队颁发的可跨洋运载旅客的证书,成为美国和世界上首艘获准商业性海洋旅游观光的小水线面双体船。而且在投资费效比指标(平均载游客数与航速的乘积和消耗功率的比值)上表现十分经济,达到并保持小水线面双体船经济性的较高水平。 

第八、为适应北欧海峡与陆岛频繁的旅客及车辆的海上交通需求,尽管海情不算太高,却希望为旅客提供舒适的旅途条件及方便的船车联运,于是半小水线面双体船应运而生,在1996-1997年间由瑞典和丹麦先后开发出HSS-1500号和"麦毛尔斯"号中型半小水线面高速车客渡船,分别可载1500-450位客人及375-120辆汽车,采用燃气轮机、喷水推进,航速都在40节以上。为便于在潜体内直接布置安装大功率大尺寸主机以及减小湿表面积,以提高航速,在保留潜体横剖面首部典型小水线面形状基础上,从船舯开始,将后半潜体的吃水递减,横剖面向常规双体船演化,形成一种前潜体支柱小水线面,后潜体与支柱成正体常规双体化的半小水线面混合船型。据称由于其耐波性优于澳大利亚首创的双体穿浪船,而快速性又优于一般小水线面双体船,以致把澳大利有关造船企业也吸收来合作开发半小水线面双体船,更加强了复合多种高性能船技术,来取得综合优化成果的美好前景。

第九、为适应海洋油气平台交通守护作业的需求,日本三井工程与造船公司率先于1995年建成"宇宙"号小水线面双体交通船,载客和船员共100位,排水量约155吨,航速20节。由日本汽船公司组织营运。为关门港白岛区与若松区之间的海洋石油产业职工通勤服务。美国从80年代起就酝酿,到1999年才由东方造船厂为TRICO海事服务公司交付"静水河"号,供巴西在大西洋的坎波斯盆地(CamposBasin)海上油井员工倒班交通船。船长3658米,可载客250位,配2台4600千瓦燃气轮机,航速超过25节。这两型艇均为铝质,营运中证实可全海侯保持稳定航班,保障近海油田持续正常生产。

第十、德国A&R造船公司引进美国技术,1993年开始研究开发小水线面双体船,把应用目标投向港监引水。1996年被德国交通港务部门认可,开始设计建造被称为"2000年引水系统",包括50米长的引水母船和25米长的引水交通艇,均采用水小线面双体船型。要求确保在易北河口和北海海域3.5米有义波高条件下正常作业。2000年"多塞"号、"易北"号引水交通艇及母船,都已经过与常规搜救巡逻艇对比海上试航并成功地在营运中充分显示出小水线面双体船在港监引水,海关缉私、海监渔政、海事搜救、潜水打捞、海洋调查、水文观测等方面会有广泛应用前景。

第十一、美国洛克希德氠丁公司在美海军投资和组织领导下,1997-1998年,开发出"斯莱司"号小水线面四体高速多功能试验艇。该艇采用四支柱、四下体线型结构。排水量180吨,最高速31.5节,在5有海情时,任意航向可保持30节,有效负载50吨。应用鳍与压载水综合自控自稳系统,使船从零速到全速的运动姿态都得以控制改善;将主机全部下放在前下体中,直线式传动,提高推进效率;取消舵,后下体间距大于前下体,用前后下体科学布局,改善流场及水流干扰抑制船舶运动获得成功;采用有效负载模块化设计,开创了第二代高机动性、高耐波性的小水线面多体船,作为全海候、多功能的模块化平台。1999-2001年美海军和海军陆战队、海岸警备队都利用它在太平洋广阔海域进行了大量战术功能的演示试验。值得注意是从1995年起在美海军投资和组织领导下海事应用物理公司也开发出HYSWAS-27型"搜索"号小型演示艇,排水量只有12.2吨,艇壳是铝质,它独辟新径,采用单支柱、单下体前后水翼。1996-97年在大西洋做扩大鉴定试航,创造了复合技术小水线面船艇最高速度达35节,并在浪高2.44米时,仍能保持30节以上的航速,足可为进一步高海情下的高速化探索技术途径。该公司已于1999年末推出800吨级45节和300吨级36节两种军民用艇的设计方案。上述两型小水线面演示试验船分别采用单体和四体,并在实验室中继续探索三体、五体的规律,引发出所谓小水线面多体船SWAMH的概念。连同半小水线面双体船、小水线面双体水翼船等复合船型,预测在21世纪还会有新的创造。

第十二、美海洋科学家在使用"卡玛利诺"号之后多年来都呼吁海洋调查作业船以选用小水线面双体船为宜。1990-96年美国蒙特雷湾(Montery)海洋生物研究所要求加州斯沃司大洋系统公司开发了"西方飞人号"小水线面双体海洋调查遥控潜器母船。投入使用后证明能在25节风速、2节洋流和5级海况下保持收放深潜器及已在水下的深潜器稳定工作。该船长37.6米,配有首侧推进器、前后翼鳍稳定装置,实现动力定位和稳定操船,航速定为14.5节,可获得2300海里的续航力和22昼夜的自持力,而0-3节工作航速也得到保证。1998-99年美海军系统司令部又委托洛克希德马丁公司和大西洋造船工业公司设计建造AGOR-26型小水线面双体海洋综合科学考察船,船长55.5米,排水量约2540吨,航速12节,而续航力要求6000-10000海里,配有供31名科学家及相应试验室的工作条件。将配置在夏威夷,充分利用其全海候能力,广泛承担军内外和国际的有关海洋科考任务。该船预计于2002年交付使用。  

前述12项标志中包含了20余型有很大实用价值,又能反映船舶技术发展水平的小水线面船,可以更清晰的看出,小水线面船发展是应用需求主导牵引的,又是依靠科技创新推动的,更是军民交替发展互相促进的。排水量有小有大,航速有低有高,在潜体、支柱的数量、线型、布局及推进、动力、传动、船体结构和材料方面都覆盖了多种形式,在发挥小水线面双体船运动响应特征、提高耐波性上,除在总体线型、流体原理上优化设计外,更注意应用前后稳定鳍、水翼、压载水舱等的高水平自动控制和对波浪运动的预报与协调来实现动、静态条件下改善船舶运动姿态、降低运动辐值的效果,使小水线面船的设计中可以实现耐波性、快速性、操纵性、平稳性、隐身性、经济性等兼优。总之,小水线面双体船经历20世纪建造40多型、50多艘的"百花齐放",正走向21世纪的市场、战场,人类为了征服海洋、保护海洋,使小水线面双体船的军民应用前景都非常广阔。

(来源:美言网军事论坛) 

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