美國氣墊登陸艇圍裙技術發展及分析

傅 華

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

美國氣墊登陸艇圍裙技術發展及分析

傅 華

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

［摘 要］文中介紹了美國氣墊登陸艇（LCAC）圍裙的技術發展歷程，隨著艇裝載量、耐波性、全壽命周期維護等總體性能和作戰使用要求的提高，圍裙技術在不斷發展改進。通過利用先進的計算分析及三維設計軟件，提高了圍裙設計放樣精度與壽命，降低了波浪中阻力，改善高速抗埋首及側滑安全性，減輕自重也減少了維護工作量。此外，圍裙改進均經過拖曳船模試驗以及實艇的長期運行考驗。這些技術手段及科研思路值得國內學習與借鑒。

［關鍵詞］氣墊登陸艇；艦岸連接器；圍裙；套指；響應度

引 言

圍裙、墊升風機、導管空氣螺旋槳、首噴管是氣墊登陸艇特有的設備，其中圍裙與墊升風機、氣道等組成墊升系統［1］。圍裙在高壓氣流作用下充氣圍成氣墊而墊升艇體，使艇具有兩棲性；高置的導管空氣螺旋槳推進方式，使艇完全擺脫常規水螺旋槳受吃水的限制；首噴管增加了操縱手段，可提高艇低速操縱性、改善抗側風性能。

美國氣墊登陸艇從20世紀60年代的母型試驗艇JEFF A、JEFF B，到20世紀80年代開始列裝的LCAC和本世紀初的延壽型LCAC，再到正在建造之中的升級換代產品艦岸連接器（SSC），歷經50余年的發展，其中圍裙、主機的升級換代尤為明顯［2］。這主要是因為主戰坦克的發展對艇裝載量提出了更高的要求，而塢載特點又限制了艇主尺度基本不變［3］。因此，為保證艇有效裝載量增大情形下艇總體性能仍有所提高，降低艇阻力與提高推力（主機功率）是主要手段，圍裙與艇阻力密切相關，其型線相當于常規船的線型，關系到全墊升氣墊船的快速性、墊升性、穩性、耐波性、操縱性、安全性等總體性能，因此，圍裙技術是氣墊艇發展的關鍵技術，美國氣墊登陸艇圍裙技術經過50余年的發展取得了長足的進步，極大支撐了艇總體性能的提升。

1 LCAC圍裙總體構型發展演化

英國是氣墊船研究的鼻祖，其氣墊船早期主要用作英吉利海峽渡輪，現Griffon系列氣墊船兼顧軍民兩用，英國氣墊船公司（BHC）最早在氣墊船上成功應用囊指形低阻高耐波性響應圍裙［4］。美國氣墊登陸艇圍裙技術起源于英國的BHC公司，LCAC圍裙即由BHC設計制造，后由CDIM-SDD（原Band， Lavis & Associations）公司負責圍裙技術研究，目前已開發出第四代深型響應圍裙。

目前，LCAC的深型響應圍裙代表圍裙系統綜合發展方向，其起源于BHC SRN4氣墊渡輪上所采用的囊指型圍裙，參見圖1。

SRN4從1968年開始穿梭于英吉利海峽，其最初長約39.62 m（后MK3接長到54.86 m）、寬約23.77 m、氣墊高2.44 m，擁有橫向與縱向穩定隔裙，采用“T”型分隔形式將氣墊分為三部分（前氣室、左后氣室、右后氣室），提供艇墊態（側向）穩性。20世紀70年代，貝爾宇航（Textron）在JEFF B上采用類似的囊指型圍裙系統，同樣包含橫向與縱向穩定隔裙。隨后Textron在20世紀80年代為首艘LCAC安裝了基本相同的囊指型圍裙系統，但不久即認識到尾部手指與縱向隔裙是產生大量維護花費的源泉；為此將縱隔裙在橫隔裙前面的部分取消以減少維護工作量，使氣墊分隔由“十”字型變為“T”字型。

基于海軍20世紀70年代在Aerojet的SES-100A側壁式氣墊船（不具備兩棲性，同雙體船一樣有側部船體，但擁有首、尾氣封圍裙）使用經驗，尾部手指改用將滑行面添加到尾指底部的滑板指型式如圖2所示。

圖1 BHC公司開發的典型囊指型圍裙

圖2 尾部滑板圍裙指

與原尾部手指相比，也許滑行面盡管在艇倒退時更易受損，但滑板指被證明在艇正常運行時更為耐用，同時也有利于減小阻力。大多基于費用考慮，減少縱向隔裙維護分為兩步。首先，將縱向隔裙下端連續小囊更換為相互獨立的手指，由此減少維護工作，同時使縱向隔裙上部大囊維持初始裝艇狀態繼續使用。但當由于主戰坦克自重增加而導致艇載重量增加時，顯然需要增大主機功率與提高圍裙系統性能，以使LCAC可在波高1.22～1.52 m的海浪中高速巡航。SLEP（延壽計劃）與LCAC“深型圍裙”可以滿足上述要求，同時取消縱向隔裙（同樣源于20世紀70年代至20世紀80年代期間所獲得的運行經驗）。此次，數據源于JEFF A試驗艇，其采用D.R.LAVIS幫助研發的“囊筒指”以提供墊態橫傾/縱傾的復原力矩，而不是分隔氣墊的方法。不同于手指成型后圍成開式的“U型”，以使墊升氣流從圍裙大囊直接進入氣墊，囊筒指成型后圍成自身封閉的“O型”，其內部壓力隨縱傾或橫傾運動而升高。囊筒指處于艇周邊圍裙大囊下部以便分配氣流，因此，囊筒指型圍裙不再需要將氣墊分隔成氣室以產生橫傾/縱傾復原力臂/力矩，參見圖3、圖4。

圖3 JEFF B的囊指型圍裙與JEFF A的囊筒型圍裙

圖4 套指下端形成的封閉“O”型與開式手指下端形成的開放“U”型

圖5 側部套指圍裙橫穩性原理示意圖

但是，囊筒指易于在后緣兜水而產生附加阻力。Textron通過模型試驗發現，為維持最低橫傾復原力矩，可在LCAC圍裙系統側部外手指的內側安裝內手指來獲得類似囊筒指的作用。該布置形成所謂的“O型”以產生橫傾復原力矩而阻力小于囊筒指的。為此，在深型圍裙系統中，LCAC并排裝有內指并取消將氣墊分隔為氣室的縱向隔裙，在首部仍采用開式手指、尾部采用滑板指的同時，保留橫向隔裙以產生縱傾復原力矩。

總而言之，20世紀末，因LCAC拍岸浪區域內的掃雷需求而開發了第一代深型響應圍裙，裙高由1.52 m提高到2.13 m，以增加自由干舷并防止拍岸浪打到導管空氣螺旋槳，側部改為雙囊以維持圍裙墊態寬度不變，滿足進出母艦塢艙要求；同時側部圍裙下部采用套指以提高橫穩性，取消了縱向隔裙可減小其產生的阻力與高維護要求［5］。經過縮尺1∶12拖曳船模上的墊態穩性、阻力及耐波性試驗，以及縮尺1∶6船模上的耐波性及不同拍岸浪情況下的推力需求試驗，又在LCAC-66 和LCAC-15上分別進行實船試驗和實船運行考驗后，才正式確定換裝深型圍裙。

第二代深型響應圍裙是為芬蘭的戰斗巡邏艇T-2000研制的，因T-2000不需要進出母艦塢艙，屬于自由設計，可加大氣墊尺寸而使艇具有較低的氣墊密度，側部改為單囊套指圍裙，同時氣墊手指下端點外移、處于外接點之外，以增加響應度［6］。2001年11月至2003年11月期間的航行試驗表明，套指圍裙使得T-2000在某些運行狀態下的回轉率超過2 °/s；同時低頭埋首邊界大大超出艇的速度/海況/重心縱向位置的運行限界；并且低頭埋首反應比常規囊指圍裙大為緩和。這與安裝第一代深型響應圍裙的LCAC（SLEP）上獲得的使用經驗相同。第三代深型響應圍裙是為韓國的氣墊登陸艇LSF-II研制的，其充分借鑒了前二代圍裙的使用經驗，研究重點放在減小風浪中的圍裙阻力與進一步提高乘坐舒適度，因LSF-II需進出“獨島”號兩棲攻擊艦的塢艙，氣墊尺度受限，側部又改回雙囊套指圍裙［7］。圍裙在波浪中的阻力逐代降低，見圖6。

圖6 LCAC前三代深型圍裙阻力成分比較

LCAC圍裙發展歷程如圖7所示。

圖7 LCAC圍裙發展（依次為JEFF B、JEFF B改進、LCAC、LCAC（SLEP）、T-2000、LSF-II）

圖8 美國為SSC開發的第四代深型圍裙

第四代深型先進圍裙系統（見下頁圖8）研究分三個階段進行，第一階段著眼于圍裙方案設計、權衡比較與可行性研究以及其他運行參數。第二階段進行更為詳細的設計，為縮尺1∶12拖曳船模制作多套模型圍裙用于水池試驗。基于試驗結果，第三階段開發、制作實尺度原型圍裙進行試驗，將選出的先進圍裙系統制成實尺度原型圍裙并裝載于LCAC-66進行實船試用。前期經CDI Marine、Icon Polymer、Textron等三家公司的競爭，通過1∶12縮尺船模三套圍裙大量的阻力、耐波性等方面的水池拖曳對比試驗，經過一個多月加班加點的連續試驗，最終優選出顛覆圍裙傳統設計觀點的Textron減小裙高的單囊套指圍裙，保證了在艇高海況下航速及進出母艦要求。研發前期階段的縮尺模型試驗表明，先進圍裙系統在減阻、維護、自重及費用方面均優于現有圍裙系統。2009年5月至2009年10月期間的實艇圍裙試驗，主要集中在3個方面：圍裙靜態性能、航行安全性及阻力性能。其中，圍裙靜態性能測試包括在不同艇重及主機轉速下充氣成型幾何形狀與氣墊高度測量、陸上墊態縱/橫穩性與囊壓比驗證。航行安全性試驗包括不同航速與海況條件下的回轉穩定性、觀察不同航速下艇縱向重心處于極限位置時低頭埋首趨勢，以及一系列高速側滑試驗。阻力性能試驗為艇排水量變化范圍為117.9～167.8 t、試驗海況條件從靜水到有義波高1.40 m時的航速測試。經過對試驗結果的詳細分析，先進圍裙系統展現出不僅具有足夠的航行安全性、動穩性，而且在不同海況及艇重時阻力下降5%～10%，這相當于消耗相同功率情況下載重量增加6.8～13.6 t。除提高性能外，實尺度圍裙系統的維護性能也得到改進，特殊部件種類減少，通用手指與側部分段數量增多。側部分段不再采用雙囊型式，從而消除雙囊之間水平隔片的維護要求，圍裙也因此可減輕約1.2 t。目前圍裙繼續在LCAC-66上進行長期運行考驗。計劃進行實尺度圍裙系統在LCAC惡劣運行環境條件下的長期耐用性試驗［8］。

美國氣墊登陸艇圍裙構型如表1所示，美國為SSC開發的第四代深型圍裙參見圖8。

表1 美國氣墊登陸艇圍裙構型

2 圍裙性能初步對比分析

2.1 側部圍裙典型剖面

氣墊船耐波性要求側部圍裙響應度大，一般說來，側部圍裙手指下端點外移至剛性結構（圍裙外接點）垂線之外，可獲得較大響應度。LCAC圍裙因進出母艦塢艙需控制側部圍裙充氣后的最大輪廓形狀（氣墊寬度），側部圍裙手指下端點位于剛性結構（圍裙外接點）垂線之內；而芬蘭的T-2000圍裙屬于自由設計，側部圍裙手指下端點位于剛性結構（圍裙外接點）垂線之外，圍裙響應度較大，從其航行試驗錄像可以發現，在波浪中其側部圍裙具有明顯的隨浪起伏。

圖9 美國JEFF B、LCAC SLEP、T-2000、SSC的側部圍裙

表2 J EFF B、LCAC SLEP、T-2000、SSC的側部圍裙手指底端位置

2.2 首部圍裙典型剖面

在保證成型寬度基本不變的前提下，美國LCAC延壽計劃將圍裙墊升高度由1.5 m增加到2.1 m以改善適航性。主要變化還包括：首部圍裙大囊半徑隨其設計墊升高度變化而大幅增加，同時取消早期艇上的防飛濺裙。LCAC早期艇與延壽艇的首部圍裙大囊成型對比見下頁圖10、圖11。

LCAC延壽艇圍裙裙高的增加，主要出于改善拍岸浪中運行安全性需要。為改善首部圍裙在高速觸水時的抗縮進能力，增大首部圍裙大囊半徑以提高大囊張力，從而導致首部圍裙大囊成型類似“大包頭”形狀；結合手指傾角的減小抑制首部圍裙手指下端正面飛濺在艇整體氣流場作用下回卷形成而影響上層建筑的水霧量。減小手指傾角α可誘導正面飛濺盡量向遠處而不是向高處噴濺；升高圍裙以及采用“大包頭”形狀，可利用高速航行形成正面下壓流場，抑制飛濺反卷至上層建筑的水霧量。通過實艇試驗和使用表明，LCAC延壽艇首部圍裙獲得比早期艇設置防飛濺裙更佳的飛濺抑制效果，并且消除了設置防飛濺裙所帶來的航行安全隱患。

LCAC延壽艇的首部圍裙設計技術對于飛濺具有一定的抑制作用，而且既避免原圍裙另外設置防飛濺裙所帶來的航行安全隱患，又不會增加艇重；因而廣泛運用于美國幫助研發的芬蘭T-2000和韓國LSF-II等類似美LCAC的氣墊登陸艇上。正在建造中的新一代高密度塢載氣墊登陸艇SSC則繼續沿用該首部圍裙設計技術。

圖10 LCAC上第一代深型圍裙與原1.52 m圍裙墊態成型比較

圖11 SSC上第四代深型圍裙與JEFF B原1.52 m圍裙首部圍裙成型比較

圖12 圍裙手指與大囊的連接及大囊門幅之間的連接

3 圍裙材料與壽命

典型圍裙系統包括大囊、手指、連接件等，其中大囊連于艇體或剛性結構、手指連于大囊下部［9］，見圖12。

氣墊船首部圍裙經受極端惡劣運行環境條件，其膠布材料必須具備柔性、氣密性、高拉伸性與抗疲勞性能。因此，要求圍裙材料以織物為骨架基礎，正反兩面涂覆橡膠保護層經高溫硫化而形成“三明治”式結構的膠布［10］，見下頁圖13。骨架織物首選“尼龍66”，其具有優良的抗疲勞性能及較低的吸水性。“尼龍66”高捻紗線采用平針編織形成具有小間隙的柔性織物，而使覆層橡膠透過織物間隙相互粘結在一起。覆層橡膠硫化后則可使膠布具有氣密性。LCAC圍裙膠布上涂敷的橡膠為天然膠與聚丁二烯的混合物，與汽車輪胎及傳送帶上使用的膠料完全相同。天然膠易于抗裂紋且具有較低滯后性，可抵御手指末端高頻振動過程中的熱量積聚。氯丁膠也具有優良的化學性能及抗紫外性能，從而得到廣泛應用。

圖13 “三明治”式圍裙膠布典型結構

第一代深型圍裙設計制造時，采用AutoCAD 3D建模并使用Ship-CAM軟件放樣展開。應用于芬蘭的T-2000上的第二代深型圍裙吸取了第一代研發中的經驗教訓，采用更為先進復雜的3D建模技術，以優化充氣成型幾何構型并隨后放樣展開。該先進建模技術與有限元分析（FEA）優化，成功消除手指的應力集中現象。實船運行表明，手指使用超過400 h而無需大量維護，而且套指的內側手指壽命預期可達800 h，而尾部滑板指壽命超過300 h。該技術手段應用于后續深型圍裙的研制開發。

4 結 論

美國氣墊登陸艇經大型兩棲戰艦塢載至目標海域，裝載主戰坦克等重型裝備在地平線之外實施由艦到岸的超越式登陸。隨著主戰坦克的質量增加導致裝載量增大以及耐波性要求的提高，利用現代計算分析及設計放樣技術結合模型、實船試驗，圍裙技術處于不斷發展之中，并滿足不斷提高的總體性能要求；同時將每一代深型圍裙的實船使用經驗加以分析研究，在下一代圍裙上加以改進［11］。除利用T-2000與LSF-II作為圍裙技術發展的試驗艇外，在將新型圍裙列裝到實艇上之前均通過長時間全方位的實尺度圍裙裝艇試用考驗。

LCAC-91作為延壽計劃的原型艇，建造時就采用了第一代深型響應圍裙與ETF40B燃氣輪機，目前LCAC-91主要作為新型電子設備的試驗艇，以及與移動登陸平臺（MLP，首制船為Montford Point，可搭載3艘LCAC自行上下）的配合試驗等［12］。SSC計劃建造73艘，以逐步替代延壽后的LCAC，其中第1艘艇為試驗與訓練艇，其后的72艘為裝備艇。

圍裙作為氣墊船的特有設備，與艇總體性能密切相關，圍裙有些性能必須通過實船試驗予以驗證。美國LCAC圍裙技術發展中的做法值得我們學習與借鑒。

［參考文獻］

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［12］ U.S. NAVY. Mobile Landing Platform［M］. Program Guide 2013.

［中圖分類號］U674.943

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0013-08

［收稿日期］2015-01-30；［修回日期］2015-03-02

［作者簡介］傅 華（1968-），男，高級工程師，研究方向：艦船設計審查。

Development and analysis of skirt technology for US LCAC

FU Hua

(Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China)

Abstract：The development of the skirt technology of US LCAC has been introduced in this paper. It can be found that the skirt technology has been developed and improved with the enhancement of the combat capability and overall characteristics， such as hovercraft loadage， seakeeping capability， life-cycle management system （LCMS），etc. Based on the advance calculation analysis and 3-D design software， it develops the lofting precision and lifespan of the skirt， reduces wave resistance， improves anti-pitchpole ability and sideslipping safety at high-speed，and decreases the deadweight to ease maintenance. Moreover， the development of the skirt has been validated by towing model test and full-scale trial during a long period. These technologies and scientifi c research are well worth referring at home.

Keywords：LCAC， ship-to-shore connection； skirt； bag fi nger； response value