美國氣墊登陸艇推進墊升系統的改進與發展

張宗科 陳德娟

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

塢載氣墊登陸艇一方面因進出母艦塢艙而使主尺度受限，另一方面因運輸重型主戰坦克的重裝載需求而使艇質量及重心控制非常嚴格。高海況條件下越峰運行要求，使艇只能采用功率大、質量輕的高速燃氣輪機；而主機需要驅動前部的墊升風機及尾部的導管空氣螺旋槳，軸系長度大。主船體為鋁合金的扁平浮箱結構，剛度小、在風浪中變形大，給軸系設計帶來較大困難［1］。

美國氣墊登陸艇（LCAC）為塢載型，從最早的原型試驗艇JEFF A、JEFF B，到1984年～2001年期間列裝的91艘LCAC、本世紀初的LCAC延壽改進，到升級換代產品——艦岸連接器（SSC），歷經五十余年的發展，主機從早期的TF40B，到SLEP的ETF40B，再到SSC的MT7，功率不斷加大，保障了艇裝載量能跟上主戰坦克的質量增加，同時艇總體性能如耐波性等仍有所提高［2-3］。LCAC主船體結構為浮箱，采用模塊化設計，駕駛艙、人員設備艙、墊升風機模塊、機艙、導管槳裝置等均插接在浮箱上，不參與總縱強度。

圖1 LCAC模塊化船體結構

1 LCAC推進墊升系統發展

1.1 LCAC軸系

美國海軍在19世紀60年代開始兩棲攻擊登陸艇計劃，經論證選用全墊升氣墊登陸艇來運載重型坦克，并與通用噴氣公司（Aerojet Liquid Rocket Company）簽訂了JEFF A、貝爾宇航公司（Bell Aerospace Textron）簽訂了JEFF B的原型艇建造合同。兩型艇均采用6臺TF40燃氣輪機作為主動力，但技術完全方案不同［4］，JEFF A與JEFF B的推進墊升系統分別如圖2所示。

圖2 JEFF A與JEFF B推進墊升系統示意圖

根據JEFF A與JEFF B的建造與航行試驗結果，美國海軍選擇JEFF B作為母型艇，1981年與貝爾宇航公司簽訂了LCAC（Landing Craft，Air Cushion）的設計合同。LCAC改為采用4臺功率更大的TF40B燃氣輪機作為主動力，墊升風機采用縱向布置，其推進墊升系統如下。20世紀初開始的延壽計劃（SLEP），主機換裝為功率更強、燃油效率更高的ETF40B，ETF40B尺度與轉速不變。采用全自主數字引擎控制（FADEC）技術，以簡化維護難度與降低維護工作、提高故障診斷能力并節省全壽命周期費用。故LCAC SLEP推進墊升系統除主機外，基本維持不變。

圖3 LCAC推進墊升系統示意圖

2001年下水的T-2000型芬蘭氣墊巡邏艇，其推進系統、墊升系統與圍裙系統以及預報艇的快速性、穩定性、操縱性、耐波性等總體性能與結構載荷，均由美國CDIM-SDD提供技術支撐［5］。該艇采用2臺TF40B燃氣輪機作為主動力，每臺功率2 757 kW，墊升系統所用總功率為2 000 kW。主機縱向布置，向前驅動兩臺直徑1.8 m的墊升風機，向上驅動導管空氣螺旋槳。風機蝸殼為雙進風雙出口型，每臺風機向上為低外形格柵式首推器供氣，向下為氣墊供氣。導管槳直徑3.9 m，具有5片槳葉與7片整流支臂。為滿足隱形需求，墊升風機從上部進氣，主機進氣口亦靠上。主機排氣管從導管下基座處穿出，向后排氣。

圖4 芬蘭T-2000推進墊升系統示意圖

2007年服役的韓國新型高速氣墊登陸艇LSFII，由4臺ETF40B燃氣輪機提供動力，每舷各有2臺風機，風機蝸殼也為雙進風雙出口型，每臺風機向上為低外形格柵式首推器供氣，向下為氣墊供氣。艇尾設2個導管空氣螺旋槳，分別具有5片槳葉和7片整流支臂。其軸系布置同LCAC，只是墊升風機、導管槳、首推器有所不同。

圖5 韓國LSF-II推進墊升系統示意圖

2003年美海軍裝備改進路線圖提出替代LCAC與LCU的Heavy-Lift LCAC （HLCAC）項目，HLCAC將LCAC接長50%，而寬度與高度保持不變，仍能維持進出母艦塢艙能力，裝載量增加到130 t（144 st）。HLCAC研究重點為推進墊升系統，每舷增加1臺燃氣輪機與墊升風機，其中靠前的1臺墊升風機專為首推器供氣，而靠后的兩臺專為氣墊供氣。

圖6 HLCAC推進墊升系統示意圖

1.2 俄羅斯氣墊登陸艇推進墊升系統

相對于美國僅有一型LCAC，俄羅斯氣墊登陸艇型號較多，均采用燃氣輪機作為主動力，其中典型的Omar為小型氣墊登陸艇，Murena為中型，而Zubr則為世界上最大的氣墊登陸艇；其推進墊升系統見圖7［6］。

圖7 俄羅斯典型氣墊登陸艇推進墊升系統示意圖（依次為Omar、Murena、Zubr）

此外，俄羅斯技術援助新加坡設計制造排水量為175 t的中型氣墊登陸艇ACV-1，采用前后出軸的燃氣輪機作為主動力，向前驅動軸流式墊升風機，向后驅動導管空氣螺旋槳，其推進墊升系統示意圖見圖8。

圖8 新加坡氣墊登陸艇推進墊升系統示意圖

2 LCAC推進墊升系統在使用過程中遇到的問題及解決措施

2.1 初期所遇到的問題

LCAC每舷的推進墊升系統由2臺TF40B并車后，向前驅動2臺雙出口蝸殼墊升風機，向后驅動1套導管空氣螺旋槳。首制艇LCAC 01在早期，由于并車的2臺主機沒有自動控制功率與轉速匹配的閉環控制系統，導致墊升風機軸斷裂、主機齒輪箱超越離合器失效的故障。經過努力，解決了以上兩種扭振失效［7］。首推器噴管則由最初的玻璃鋼改為鋁合金以提高剛度。為防止螺旋槳因吸入海水或外界硬物而損壞葉片，槳后尾部甲板邊緣設置防浪板，槳前增設360°錐形不銹鋼防護網罩，可防止直徑超過0.1 m（4 in）的異物通過。

1990年，一艘LCAC主機發生提前停機故障，經內窺鏡檢查，為主機進氣葉片被吸入螺栓打壞所致。1994年，一艘LCAC在母艦塢艙內操作時發生左舷主機及軸系損壞事故，起因是尾部防撞護板與塢艙壁相撞而脫落，被正在打負距的螺旋槳吸入。為此，在（SEAOPS）中將原防撞護板的簡單目視檢查修改為“在執行任務前應檢查防撞護板是否連接牢固”。1997年，在塢艙內操作時，再次發生螺旋槳打負距吸水而損壞葉片事故。

在1998年所作的統計中，6個月內螺旋槳4次損壞，其中3次為波浪打到槳內而導致嚴重損壞，1次為傳動裝置松脫打在槳前防護罩上，使罩上橫桿被打斷吸入槳內。經統計，20%的事故起因為機械故障，80%的事故是由于人為因素，即由于驕傲自滿、疏忽大意或墨守成規、安于現狀所致。

2000年，將航空結構維修專家分配到LCAC防腐蝕維護小組后，成功維修LCAC導管而不需要更換為新造導管。螺旋槳組研發專門裝置來修理槳葉，建立槳葉儲備庫，使因螺旋槳損壞維修所導致的停航時間減少70%。此外，結合長期的使用維護經驗，解決了墊升風機葉輪葉片與空氣螺旋槳槳葉因腐蝕、硬顆粒物沖刷而易損壞的難題。

ETF40B為現有TF40B主機的加強功率版，增強了炎熱天氣下運行功率，允許所有條件下的減載運行。燃氣溫度的顯著降低將有利于主機壽命及減小母艦塢艙降溫花費。為提升功率，采用可變進氣導葉改進軸向壓縮機增大氣流，從而降低燃燒室與動力渦輪溫度。氣流增加結果是壓縮機將為進氣口防凍裝置提供氣流并完全取消現有寒冷氣候應對裝置。改進離心葉輪與擴散器以提高壓氣效率并降低油耗。隨性能升級，可靠性與維修性改進措施也將被采用，如使用防偏改進3號軸承密封及控制間隙設計、壓氣機葉片涂層，以減少點蝕與生銹。

2.2 單側動力故障狀態模擬試驗

在主減速器設計中充分考慮主機發生故障的情況，設置離合器，可將推進與墊升分開；在風機雙出口蝸殼的下出口設置導葉裝置，可調節風機向氣墊的供氣量；提出各種故障下的應對措施，通過實艇試驗加以驗證，并固化到艇使用維護說明手冊（SEAOPS）中。

例如在“關鍵決心95”演習中，LCAC14進行了應急故障救援演練。模擬戰時環境，LCAC 14發生推進故障，使用艇隊拖船將艇從灘頭拖離。LCAC每舷僅啟用1臺主機驅動2臺墊升風機（此時風機出口導葉開度50%）與首推器（出于安全考慮），但螺旋槳不工作。在艇隊拖船到來之前，灘頭人員利用1臺推土機及LARC將艇從頭朝沙灘旋轉120°至與海岸線平行。由于艇處于墊態，用推土機完成此操作非常容易，而LARC可在平沙灘上使艇轉向。整個過程最耗時的部分為拖航，當艇墊態被拖至灘頭斜坡時，艇重使其自行下坡，艇上人員必須松開拖纜系繩，艇不再需要拖纜導向，只偶爾用首推器使艇在被拖時維持艇向即可。

圖9 LCAC墊升風機下出口設置的可調導葉（右圖為關閉狀態示意圖）

該演習成功表明，使用艇最小墊升工況及已有灘頭裝備，即可將一艘受損LCAC拖離灘頭。在相似條件下，LCAC也能將另一艘受損LCAC脫離灘頭。此外，LCAC 71在螺旋槳發生故障時拖回ACU 4過程中，曾出現拖索開裂。經試驗，在3級海況、16 kn逆風時，安全設計載荷應為120 kN（27 174 lbs）。SEAOPS中規定：采用直徑12.7 mm（1/2 in）的尼龍雙股拖索，艇墊態在2級及以下海況的拖速為25～30 kn，墊態在3級及以上海況拖速需降低，尤其是在順浪中，特殊情況下為5 kn、浮態拖速為5 kn。

2.3 軸系振動綜合分析

2005年，為評估LCAC推進軸不同組件中的某個振動對其余組件的影響，進行了系統綜合振動研究。評估對象不僅僅局限于墊升風機與螺旋槳系統，而是可能引起振動的每個組件，以確定組件所承受的獨立沖擊對自身軸段及其支撐基座的影響。在NASTRAN（FEA）軟件中研發的系統模型運行正常，較好提供了振型及固有頻率分析結果，并參照LCAC 66上的實艇試驗結果進行參數修正。

圖10 LCAC軸系綜合振動有限元模型

模型能準確預報特定軸線的振動以及軸線內特定節點的相應位移值，該值將被輸入沿軸線不同結構組件的細化模型，墊升風機模態與位移再次輸入軸線結構組件的有限元模型。利用模型可評估軸線的幾種不平衡情形及其影響，且不僅限于風機與螺旋槳的不平衡。

圖11 LCAC 91上進行TF40B與ETF40B的混合并車試驗

該模型將用于艇結構改進對軸系共振響應的準確分析以及改進對軸系公正的影響，其中1個示例為用該模型分析復合材料導管對軸系的影響。該導管在LCAC復合材料導管國外比較試驗（FCT）下研發，由于其剛度更好，振動綜合分析模型將用于分析該剛度變化如何影響LCAC推進軸系。參照芬蘭T-2000上復合材料導管的設計使用經驗，LCAC改進導管前緣以減小阻力、槳后整流支臂采用定常截面翼型以提高推力。從2007年開始在LCAC 66 上進行實船試驗［8］。

2.4 LCAC SLEP上TF40B與ETF40B并車使用試驗

至2009年，ETF40B已生產160臺，約為LCAC（SLEP）所需主機總數的一半；2010年提交12臺；2011年提交34臺；2012年提交16臺并維修或更換已裝船的16臺ETF40B的動力輸出模塊；2013年提交8臺。韓國2007年服役的LSF-II也采用4臺ETF40B作為主動力。

由于ETF40B與TF40B尺寸及轉速相同，僅質量略有增加，且TF40B儲備有400多臺尚未裝船，在LCAC 91（SLEP）上進行TF40B與ETF40B并車混合使用的試驗，以便必要時將TF40B作為ETF40B的備件使用。

2.5 LCAC SLEP傳動軸改用復合材料試驗

若LCAC上的十二段鋼制軸轉換為KaZaK公司的復合材料軸（物美價廉的新型輕質層合式復合材料）后，除防腐、吸收振動減少傳動系統應力集中及降低維護費用外，質量也大為減輕，對質量控制要求近乎嚴苛的全墊升氣墊船則尤為重要，參見表1。

表1 LCAC上鋼軸與KaZaK新型復合材料軸的質量比較

圖12 KaZaK為SSC研發的復合材料軸

3 SSC推進墊升系統設計特點分析

根據SSC發布的有關資料，SSC推進墊升系統與LCAC有較大不同，SSC墊升風機改為每舷1臺雙進風雙出口離心風機，主機縱向布置，每舷2臺主機通過1套組合齒輪箱并車后向前驅動離心風機、向后驅動導管空氣螺旋槳，見圖13與表2。

因SSC需進出現有兩棲戰艦的塢艙，墊態總長與總寬與LCAC相比保持不變（參見圖14），同時需維持氣墊壓力不變，而裝載量由54.43 t（60 st）提高到67.13 t（74 st），即空船質量需減少12.7 t，因此必須采取措施以減輕主要系統設備質量。SSC的導管、風機、首推器、首/尾跳板、軸系、槳前防護網罩等由鋁合金改為復合材料，簡化了齒輪箱、軸系，圍裙系統由側部的雙囊套指改為單囊套指且降低裙高，具體如下。

圖13 SSC推進墊升系統示意圖

表2 LCAC與SSC推進墊升系統比較

圖14 LCAC與SSC主尺度比較

3.1 墊升風機

LCAC每舷設置兩臺雙進口雙出口風機，向上的氣流經合并后為首推器供氣，見圖15。出于隱形需求，在T-2000上實驗的單臺雙進口雙出口風機單獨驅動1套低外形格珊式首推器的型式效果較好，所以在與LCAC類似的LSF-II上進一步驗證該風機組合供氣形式。同時，在T-2000風機研制中發現，風機蝸殼展度可進一步縮小而不影響風機氣動性能，從而節省裝船空間需求。2009年Umoe Mandal制作1對復合材料墊升風機，在試驗艇LCAC 66專門進行實船試驗，同時測試單臺風機為氣墊與首推器組合供氣構型的性能。以上對SSC研制單臺風機為氣墊與首推器組合供氣的型式提供了基礎。經CFD計算分析以及模型試驗，風機蝸殼及葉輪葉片翼型開發，確定采用直徑1.75 m、展度增至2.76 m的單臺風機，可達到原來2臺風機的流量與壓頭特性曲線。為原LCAC每舷布置緊湊的推進墊升系統省出改進空間，從而使SSC主機縱向布置成為可能，進氣系統布置空間更大，同時可利用艇前進速度沖壓進氣，主機維修空間增大、維修也更為方便。SSC主機采用模塊化設計，利用機艙與墊升風機之間的空隙，通過鋪設簡易軌道將主機拉出機艙外，不用將主機吊下船即可維修。

圖15 LCAC與SSC墊升風機比較

3.2 導管空氣螺旋槳

LCAC導管為易腐蝕鉚接加筋鋁合金結構，制造與維修均屬勞動密集型。美國通過國外對比試驗項目為芬蘭T-2000設計復合材料導管，成功減輕質量且消除了腐蝕問題。參照芬蘭T-2000上復合材料導管的設計使用經驗，LCAC新設計導管改進前緣線型以減小阻力、槳后整流支臂采用定常截面翼型以提高推力。從2007年開始在LCAC 66上進行實船航行試驗，并在2010年完成。

圖16 復合材料導管FCT項目及其在LCAC 66上的裝船使用

3.3 先進組合齒輪箱

圖17 LCAC上采用的多組齒輪箱及SSC上的組合齒輪箱

LCAC的主機與動力系統軸向位置垂直成橫向布置，需經過直角齒輪箱轉向嚙合，才能將功率輸出到風機和螺旋槳，如下頁圖17所示，下方為直角齒輪箱、上左為墊升齒輪箱、上右為推進齒輪箱；SSC主機直接采用縱向布置，與動力系統軸向平行，通過1個組合齒輪箱可將功率分配輸出。這種結構型式相對簡單，既能夠有效提高傳動效率，又方便維護保養時的拆卸與更換，且能有效避免LCAC上主機軸系對中的難題。組合式齒輪箱采用模塊化設計，在主機輸入端設置超越離合器，在輸出端分別設置推進與墊升系統的手動離合器，以便在螺旋槳或墊升風機出現故障時，另一個能正常工作。推進輸出端采用花鍵聯軸器，允許推進軸可以有150 mm的軸向位移。

3.4 主機及進排氣系統

Vericor的 ETB40B、Rolls·Royce的 MT7、General Electric的GE38三型主機參與了SSC備選主機的競爭。2012年10月22日，Rolls·Royse贏得為SSC提供主機并設計制造相應進、排氣系統的合同。SSC將采用Rolls·Royse的MT7燃氣輪機，它脫胎于大獲成功的AE1107核心機，其另一衍生品T406為Bell·Boeing公司的V-22魚鷹傾轉翼飛機提供動力。MT7需要改進新型功率控制器、進氣系統、功率輸出軸以適應裝船要求，葉片特殊涂層處理以抵御高鹽海洋環境。此外，將來塢載SSC的母艦都將搭載V-22魚鷹飛機，統一主機類型將僅需提供一種機型的服務，從而可節省備品/備件儲存空間及簡化維護人員的培訓。相對于LCAC現有主機，MT7功率將提高25%、燃油效率提高11%。合同規定，Rolls·Royse為SSC研發項目提供4臺/艇，首批供貨時間為2015年下半年而SSC試驗于2016年開始，2018年開始少量供貨。美海軍計劃用73艘SSC替代現有的LCAC，連備品在內Rolls·Royse最終供貨將超過300臺燃氣輪機。

MT7為套軸設計，軸向依次為14級壓氣機，其后為溢氣冷卻環形燃燒室、2級燃氣發生渦輪和2級動力渦輪。冷端輸出機型，具有6級可變壓氣導葉、雙通道全自主數字電控系統、模塊化構造及隨時隨地維修能力。在航機上成功實施AE系列技術升級，可將MT7的功率再提高20%或延長使用壽命，從而增大艇裝載或降低全壽命周期費用。

圖18 SSC上采用的Rolls·Royce的MT7燃氣輪機

LCAC機艙為上下兩層結構，上部布置燃氣輪機，下部布置進氣系統，燃機進氣為朝向裝載甲板的機艙內側，有利于減小航行過程中因氣墊泄流引起的水花飛濺對進氣影響。而SSC每舷采用單風機，上層建筑區域內縱向留給機艙的尺寸增大，為進氣系統留出更大布置空間。進氣穩壓室加大，可布置進氣濾清系統，同時利用艇前進速度沖壓進氣提高濾清壓力。

圖19 LCAC內舷橫向進氣與SSC的縱向進氣系統布置

4 SSC阻力與快速性分析

美國的氣墊登陸艇LCAC需進出母艦塢艙而尺度受限，無因次氣墊密度高達Pc≈16，屬于典型的高密度艇，與低密度艇T-2000的無因次阻力相比較，第一阻力峰明顯高于第二阻力峰。根據SSC提出的每舷螺旋槳與首推器的推力需求，可得到推力與阻力估算如圖20所示，三級海況下航速估算約為42 kn。

圖20 SSC與T-2000的無因次阻力比較及SSC阻力與推力估算

19世紀60年代，在進行當時的兩棲攻擊登陸艇計劃項目時，從8種運輸型式、6種航速、7種裝載量組成的336個方案中，篩選出了C-150-50，即氣墊登陸艇方案。在SSC設計過程中，則采用政府主導的子群式集成設計技術［9］。政府主導的設計團隊由不同的專業組成，通過平衡主要設備選擇和功能定位，各專業提出所有可能的初步方案構成一個大的設計空間；經研討評估先篩選出即能滿足產品性能需求，又能滿足專業要求的方案；在保留下來的方案中，再提高選擇標準，最終僅剩下1～2個備選方案。SSC由123個可能的影響因素排列組合后生成多達1047個初始方案，在經過子群設計階段和設計平衡圈評估階段，最終篩選出鋁合金船體結構的建議設計方案與復合材料船體結構的備用方案。

圖21 SSC采用的子群式集成設計技術（SBD）

5 結 語

美國氣墊登陸艇推進墊升系統在30余年使用過程中遇到許多問題，但經過努力均得到解決，從而保障LCAC高效可用。SSC則在裝載量、耐波性、全壽命周期維護等方面提出了更高要求，隨著現代技術發展及LCAC國外比較試驗項目的開展，從設計到實船使用考驗都積累了相關技術，單臺主機功率日益增大、復合材料廣泛應用以及推進墊升系統改進優化，使得SSC艇的載重量大幅增加且耐波性有所提高。

［1］ 馬濤，鄔成杰.氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統流體動力設計［M］.北京：國防工業出版社，2012.

［2］ 張宗科.美國氣墊登陸艇的技術發展及分析［J］.船舶，2012（1）：11-20.

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［4］ Lavis D R.Fifty years &more of hovercraft developmen［tR］.SNAME and IHS Dinner Meeting，2011.5.11.

［5］ Allison.J.A.，G.Forstell.B.，Lavis.D.R，etal.The Influence of New Technology on the Design and Manufacture of High Speed Craft with Special Reference to Recent Monohulls，Multihulls，Air Cushion Vehicles and Surface Effect Ships［C］.High Speed Craft：Design &Operation，RINA，UK，2004：1-19.

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