英國全墊升氣墊船的技術發展與性能分析

張宗科

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船的船體周邊下部裝有柔性圍裙，在墊升風機提供的高壓氣流作用下圍成氣墊，基本懸浮在運行表面之上，由導管空氣螺旋槳提供推進力而高速航行，因而具有優良的兩棲性，可在水面、沼澤、冰面、雪地、淺灘等地形運行，在民用特殊地域交通、搶險救災、海事救助、軍用登陸運輸等方面有較廣泛應用。英國作為氣墊船的發源地，制造了以燃氣輪機為動力的大型車客渡輪SRN4氣墊船用于英吉利海峽的交通擺渡，發明了柔性圍裙并提出隨波起伏的響應圍裙技術，研制了柴油機動力的低耗油高效AP.1-88，最新型號995ED、Griffon 1200TD上實現了柴電混合驅動，引領著民用氣墊船技術發展方向［1-2］。下面將對以上技術發展進行闡述和分析。

1 早期氣墊船（航空發動機、燃氣輪機）

1.1 早期氣墊船發展歷程

現代氣墊船發源于英國，1953年CockRell爵士開始從事氣墊船的研究，并于1955年提出周邊射流與氣道圍壁式氣墊船的概念。1959年Sauder Roe公司設計建造了首艘載人氣墊船SR.N1，CockRell等3人于1959年7月25日從英國加萊橫渡英吉利海峽至法國的多佛，耗時2 h，平均航速約24 km/h。該船并未采用柔性圍裙，而是設置了剛性的周邊氣道圍壁，基于“柯安達效應”，利用墊升風機提供的高壓氣體，沿壁射流將船托起，懸浮于運行表面之上，其靜飛升高度約200 mm［3］。由圖1和圖2可見，其船中主體為尺寸相對較大的軸流式風機，其產生的高壓氣流一部分輸出到船底周邊氣道，另一部分輸出至矩形截面長噴氣筒（左首/左尾/右首/右尾各有一個）來提供前進、后退推力。通過噴氣筒出口處的矩形擋流板、尾部的兩個舵葉來操縱船［4-5］。

SAUNDERS-ROE公司于20世紀60年代制訂了“三步走”的發展計劃，最終目標是研制橫渡英吉利海峽的大型車客渡船。如下頁表1所示，該公司于1961年研制了SR.N2，1963年研制了軍用型的SR.N3，1964年研制的SR.N5共建造了8艘，1965年研制的SR.N6先后建造了57艘，1968年研制了專用于英吉利海峽渡輪的SR.N4大型氣墊船共6艘，1964年采用HDL公司Denys Bliss發明的更高效囊指型圍裙以代替先前的周邊射流型圍裙。

圖1 英國的SRN1橫渡英吉利海峽（中圖深色部分為噴氣筒、右圖為安裝圍裙后）

圖2 SRN1風機氣流一部分向下墊升船體、另一部分進入噴氣筒推進（小球代表氣流）

表1 早期的SR系列氣墊船有關參數

SRN1最初并未安裝柔性圍裙，僅依靠船體周邊的剛性氣道沿壁射流將船體托起，升高達0.23 m左右，受海浪影響大。在安裝柔性圍裙后，越障高度由0.23 m增至1.07 m，真正具備了水陸兩棲性，最大航速也增至50 kn。SRN2總重27 t，可載客70名，采用新型可旋轉槳塔結構（其上安裝敞開式空氣螺旋槳，其下為臥式離心式風機），首次采用集成式推進墊升系統、操控系統。SRN3尺寸進一步放大，總重37 t，可載客150名，首尾各設置1套可旋轉槳塔結構。SRN4總重180 t，可載客254名，外加32輛小轎車，左右兩舷首尾各設置1套可旋轉槳塔結構（共4套）。其采用全新的船體與氣墊構型，尾部設4臺燃氣輪機作為主動力，并設有高置的長軸系（位于客艙頂棚）驅動首部的螺旋槳與墊升風機。SRN4為首艘能在開闊海域運行的氣墊船，可全年無休地橫渡英吉利海峽。在SRN4上持續進行圍裙研究，1972年應用錐形圍裙技術，使船正常墊升狀態下有約0.5°的抬頭，不再需要刻意壓載使船略微抬頭，從而解決了圍裙手指承載大、尾部圍裙下部小囊易撕壞，大囊壽命短的難題。

圖3為SRN4-Mk3大型氣墊船圖示。

圖3 SRN4-Mk3大型氣墊船圖示

前期的SRN1、SRN2、SRN3作為試驗過渡船，均僅建造一艘。SRN5與SRN6基本為同期設計建造，SRN5發展為美國貝爾公司的SK-5并參與越南戰爭，成為第一種參加實戰的氣墊船（美陸軍舷號901、902、903），即湄公河上的“怪物”，可執行訓練、救援、巡邏、偵察、搜索、突襲和伏擊等多種任務。SRN6前后共建造57艘，并通過接長而發展出Mk1、Mk6、Mk6C等多種改進型。

為解決早期氣墊船所遭遇的高速縱向低頭埋首等問題，經大量SRN5、SRN6實船及無線電控制自航模的試驗，摸清了高速縱向低頭埋首的機理，通過在首部圍裙設置帶單向進氣閥的D型囊方式解決了該難題。另一方面，通過改進橫風、橫浪、拍岸浪下的操作規范，解決了氣墊船側向低速翻船的難題。在此期間，英國科學家通過理論與試驗研究，解決了氣墊興波所產生的阻力峰值阻力計算與越峰推力裕量以及淺水效應對阻力產生影響等難題。

1970年，隨著為英國皇家海軍設計的軍用型氣墊船BH7的建造，英國氣墊船公司（BHC）成立，SAUNDERS-ROE成為其中一個部門，負責氣墊船的建造，同時產品從SR系列過渡為BH系列。但BH7仍為鉚接式船體結構、采用燃氣輪機作為主動力，同樣發展出Mk2、Mk4、Mk5等多種改進型，可用于試驗、后勤支援和導彈攻擊等。

1.2 SRN4增能改進及改進前后性能比較

第一艘SR.N4在1968年夏季投入橫渡英吉利海峽的運行，1969年春季又投入了2艘，前后共4艘。其中2艘為Mk1型，每艘能運載254名乘客和32輛轎車。另一處運行的4艘為Mk2型，每艘能運載284名乘客和37輛轎車。

從1976年起，隨著英吉利海峽的客運量增大，業主考慮增加船的運載能力。于是BR Seaspeed公司決定將2艘Mk1接長16.76 m改裝成Mk3（即超4）。超4比原船可增加70%的裝載量，由32輛轎車增至57輛，由254名乘客增至418名。隨著裝載量的增大，必須改善速度和運動性能，則每臺發動機功率從2 500 kW增至2 794 kW并采用深圍裙和6.4 m大直徑螺旋槳（原為5.79 m）。SRN4通過加長主船體結構、改進圍裙、增大主機功率后改裝為SRN4-Mk3，大幅增加了運載能力，提高了適航性與經濟性，改進前后有關參數見表2。

表2 SRN4-Mk1與SRN4-Mk3有關參數比較

BR Seaspeed于1977年2月將第一艘Mk1型（舷號GH2007，Anne公主號）改裝后于1978年9月重新投入運行；第二艘Mk1型（舷號GH2006，Margaret號）則在1978年9月改裝并于第二年5月投入運行。改裝后船的出航率及運載量均大幅提升，取得良好的經濟效益；但隨著英吉利海峽海底隧道的開通，高速氣墊車客渡船的作用日益下降。2000年10月1日這2艘Mk3型氣墊船（Anne公主號、Margaret號）正式退出服務。

SRN4-Mk3為減少阻力與墊升功率、降低船在風浪中的失速以及改善惡劣氣候條件下的運動性能、提高耐波性與改善乘坐舒適性，對相當于常規船船體型線的圍裙系統作了重大改進，主要包括：增大圍裙墊升高度，增大圍裙手指高度（從1.22 m增至1.83 m）與寬度；降低平均囊壓比（從而降低墊升功率損失中的最大一項即囊孔損失以提高推進功率）、增大囊孔有效總面積（用直徑0.15 m大囊孔代替原開在圍裙膠布織物骨架間的直徑0.008 m密集小囊孔，有效總面積從13.93 m2增至32.51 m2）；重新設計圍裙側尾分離處的專用封閉錐筒指，改善該處漏氣間隙；首部圍裙的外接線到指端的高度從Mk1的2.44 m左右增至超4的4.57 m以上，可有效防止圍裙縮進。船模試驗及實船測試結果表明，在任何情況下Mk3圍裙沒有埋首的趨勢，遭受尾波時縱向減速度小于0.1 g，比Mk1小得多；隨著船的加長，采用低囊壓比與高手指的深圍裙，顯著改善了乘載的舒適性，尾部升沉加速度僅為同樣情況下Mk1的1/2~2/3。

根據有關資料，對SRN4在W=165 t時的靜水阻力進行估算，與文獻［1］中SRN4阻力、主機持續功率推力與最大功率推力的比較參見圖4，同時給出SRN4-Mk3的靜水阻力，而SRN4-Mk3對應的最大推力按照主機功率增大的百分比進行最大推力估算，由圖4可見SRN4-Mk3靜水航速可超過60 kn。SRN4、SRN4-Mk3的無因次靜水阻力的比較參見圖5。

圖4 SRN4、SRN4-Mk3靜水阻力估算及與文獻［1］數據比較

圖5 SRN4、SRN4-Mk3無因次靜水阻力比較

2 中期氣墊船（輕型柴油機）

2.1 BH系列氣墊船

英國早期氣墊船除SRN1采用航空活塞發動機外，均采用燃氣輪機作為主動力，且船體采用鉚接鋁合金結構。隨著中東石油危機爆發，高油耗的燃氣輪機成為氣墊船發展的障礙。1982年，BHC公司與Griffon公司合作研制了全新的AP.1-88氣墊船，船體建造理念由以前類似于航空而轉為船舶，采用全焊接船用鋁質船體結構，以低油耗的風冷柴油機為主動力，墊升與推進動力系統相互獨立設置，采用粉末聯軸器與齒形皮帶傳動，從而大幅降低建造、運行及維護成本。后階段，又根據實際需要，研制了尺寸更大的AP.1-88/100、AP.1-88/200以及AP.1-88/Dash400型，可進行客貨混裝；而后，又陸續研制了BHT130、BHT150、BHT160、BHT180等系列。具體參數見表3。

表3 BH系列氣墊船有關參數

BH系列氣墊船（最早的BH7除外）的主要技術特點為：鋁合金船體結構采用全焊接方式建造，大幅降低建造成本；采用成熟可靠的風冷或帶中間冷卻水箱的車用柴油機作為主動力，降低油耗；設置首推器以提高低速操縱性與抗側風能力，推進墊升系統相互獨立從而降低單臺主機功率需求；采用導管空氣螺旋槳推進，提高推進效率；導管后緣安裝空氣舵，提高操縱性；采用首高尾低的錐形囊指（Bag-Finger）型圍裙，側尾圍裙分離以減低阻力。在核心船型基礎上，通過增加船長來提高裝載量以滿足客戶需求，并提供客運、客貨混裝等不同裝載模式，從而降低研發成本。

2.2 Griffon系列氣墊船

Griffon Hovercraft由現代氣墊船的發明者CockRell爵士創建，2008年英國的Bland Group集團 將Griffon Hovercraft與Hoverwork收購合并為Griffon Hoverwork Limited （GHL）。經過50多年的發展，建造各型氣墊船200余艘，產品遍布五大洲40多個國家，一直處于氣墊船研發的行業前沿［6］。研發的Griffon系列氣墊船則主要用作軍事用途，其經典船型性能參數見下頁表4。

Griffon 8000TD建造了25艘，出口到印度、韓國等多個國家。其中，印度海岸警衛隊于2001年購買及授權建造了6艘（舷號依次為H181~H186），2012~2014年間又完成了第二批12艘的購買（舷號依次為H187~H198）。韓國則購買了8艘，主要用于其西部沿海5島的巡邏，舷號依次為L01~L08。此外，韓國還購進1艘BHT150，舷號為L-09。而尺寸稍大的Griffon 8100TD則出口至瑞典、立陶宛。

Griffon系列氣墊船（最早的380TD除外）的主要技術特點為，集成式推進墊升系統布置于船尾部，以風冷或帶中間冷卻水箱的車用柴油機為主動力，柴油機向前同軸驅動墊升風機，向后通過齒形皮帶驅動導管空氣螺旋槳；采用前后高度一致的開囊指（Loop-Segment）型柔性圍裙，側尾連續過渡，側部圍裙中后部設有防飛濺裙布，側部圍裙內安裝邊可提升移動以控制船橫傾角，由設在操縱方向盤上的兩個開關來控制；兩舷設置可拆卸式氣道甲板，甲板上部側邊各設3個防護橡膠墊；船四角分別設置油艙并燃油調駁系統來調整船縱傾、橫傾及斜傾，在首尾設有壓載水艙以調整縱傾姿態；Griffon 8000TD與Griffon 8100TD在尾部機艙兩側的氣道甲板上還設有放氣風門裝置。

表4 Griffon系列氣墊船有關參數

3 近期氣墊船（柴電混合驅動）

2014年，Griffon HoverWork的總工程師Mark Downer為減少頻繁動態調整縱傾姿態所需的壓載量（水或燃油），引入了車用電力混合驅動技術，即在新設計建造的Griffon 995ED型氣墊船上，將2臺1.6 L的Ford Tiger車用柴油機設置在船首，而不是設于船尾的常規布置方式。為此，將無磁軛分段電樞電機（Yokeless and Segmented Armature，簡稱YASA電機）引入到氣墊船動力系統設計中［7］。在Griffon 995ED船上，類同汽車上的同步發電機，用柴油機直接驅動近鄰的墊升風機與一臺YASA P400電機作為發電機（參見下頁圖6），將產生的電送至與導管空氣螺旋槳軸相連的另一臺YASA P400電機直接驅動螺旋槳。由于995ED船左右兩舷的電動機相互獨立且能反轉與無級變速，導管槳提供的操控力更為靈活多變，為此，該船甚至取消了導管槳后常用的空氣舵。995ED設有2個船員座椅，裝載量995 kg，裝載區域可布置6人座椅或2副擔架及醫生，見下頁表5。

YASA電機公司由Tim Woolmer于2009年在英國創建，其革命性的小尺寸高功率密度YASA電機特別適用于狹小的動力布置空間，其外形以及產品參數見下頁圖7及表6。

圖6 采用YASA P400電機驅動導管空氣螺旋槳的Griffon 995ED（左）以及柴油機驅動風機與YASA電機的動力系統（右）

表5 Griffon 995ED主要參數

圖7 YASA P400電機3D圖

表6 YASA電機有關參數

運營于英國南海（SouthSea）至萊特島（Isle of Wight）航線（航程4.4 n mile耗時約10 min）的Hovertral公司，于2016年訂購了2艘新型氣墊船Griffon 12000TD，即Solent Flyer與Island Flyer，編號依次為GH2160、GH2161。與此前運行的AP.1-88型氣墊船相比（參見圖8-圖10以及下頁圖11和表7），Griffon 12000TD采用了多項技術革新，如采用柴電混合驅動，將柴油發動機放 置于船尾，驅動導管空氣螺旋槳、墊升風機及電動機，墊升風機與柴油機橫向并排布置，大幅節省了機艙布置空間，且不再要求發動機與墊升風機同一軸系高度，因此主機可盡量低位布置，從而有效減低船的重心高度。將首推器置于客艙前部上方，左右各一，分別采用一對YASA P400電機驅動，位于船尾的YASA P400電機直接與柴油發動機相連，可傳輸功率約65 kW［7］，使船具有良好操作性；將導管空氣螺旋槳直徑加大，且其后端的舵葉采用內傾布置，有利于消除槳后高速氣流所導致的偏航；采用粘接式方法建造鋁質船體，而非以前的焊接式；乘客可從船首兩側的通道（左為臺階式、右為斜坡跳板式）快速上下船，縮短登離船所耗時間，相對于墊升主機/風機置于客艙兩側的布置方式，大幅降低了客艙噪聲，實測值74 dB，與辦公室噪聲水平相當［8］。

圖8 AP.1-88（左）與Griffon 12000TD（右）布置示意圖

圖9 Griffon 12000TD船體結構、首部上下通道

圖10 AP.1-88（左）、Griffon 12000TD（中、右）的首推器

圖11 Griffon 12000TD主機、軸系、導管空氣螺旋槳布置

表7 最新渡船Griffon 12000TD與AP.1-88有關參數比較

4 未來發展計劃（重載軍用）

在2017年12月上海國際海事展上，Griffon公司發布的資料表明，其正在研發載重量更大的Fast Craft Air Cushion （FCAC），即Griffon 35000TD與 67000TD［9］。

如下頁表8以及圖12所示，此兩型船主尺度和總布置基本一致，可停放于大型母艦的塢艙內，但采用的動力系統不同。Griffon 35000TD裝載量為35 000 kg，以柴油機為動力，每舷布置2臺并車用于推進，1臺用于墊升，在靠首部的登陸兵艙上部設置電力驅動的小型搖頭導管空氣螺旋槳作為首推器，墊升采用混流式風機。

表8 Griffon 35000TD/67000TD與美國SSC有關參數比較

圖12 Griffon 35000/67000TD及其在母船塢艙內停放示意圖

Griffon 67000TD裝載量為67 000 kg，以TF50燃氣輪機為動力，每舷布置2臺 并車后向前驅動墊升風機，向后驅動導管空氣螺旋槳，同樣在靠首部的登陸兵艙上部設置電力驅動的小型搖頭導管空氣螺旋槳作為首推器，墊升采用離心式風機。

TF50燃氣輪機的雙機并車模型見下頁圖13。可見，其與美國正在研制的艦岸連接器——SSC的動力系統布置有較多相似之處。TF50燃氣輪機的功率為3 800~4 200 kW，與美國SSC的MT燃機功率3 800~4 250 kW基本相當；導管空氣螺旋槳直徑4.2 m，大于SSC的3.58 m，可降低槳的噪聲。

圖13 Griffon 67000TD采用雙機并車齒輪箱（左）與美國SSC上采用的組合齒輪箱（右）

5 性能分析及技術發展路線圖

對Griffon的SR系列、BH系列氣墊船的長寬比進行統計，參見圖14。可見，除最早期的SRN1、SRN3之外，長寬比基本處于1.7~2.3。

圖14 英國SR系列、BH系列氣墊船的長寬比統計

對Griffon 12000TD進行性能估算，可得其墊升流量約100 m3/s，所需總墊升功率約320 kW。單側主機功率793 kW扣除65 kW首推器所用功率，墊升風機所需功率160 kW，其余用于導管空氣螺旋槳。估算的靜水阻力與推力結果如圖15所示。可見，其滿載靜水航速可達45 kn，這與AP.1-88/100在小風浪條件（浪高h1/3<0.05 m、風速Vb< 2 m/s）下的航速為40 kn基本相當。由于Griffon 12000TD的航速受船縱傾姿態影響較大，所以船的四角均設有油艙，并設置調駁系統以動態調整縱傾角，其操作界面見圖16。

圖15 Griffon 12000TD滿載靜水阻力、推力估算

圖16 四個邊角油艙的調駁操作界面

全墊升氣墊船具有水陸兩棲性，設置有圍裙、空氣螺旋槳（空氣舵）、首推器等特殊系統設備，在氣墊船發展過程中，這些技術在不同型船中相互借鑒，創新的技術經實船使用考核后，得到廣泛使用［10］，見圖17。如最新型的Griffon 12000TD，雖起源于BHC公司的BH系列，但由Griffon設計建造后，不再采用原SR/BH系列氣墊船尾部的側尾分離圍裙形式，而是采用Griffon系列氣墊船尾部的側尾不分離圍裙形式，參見圖18和下頁圖19。

圖17 英國氣墊船技術向美、日等國的技術擴展及反饋示意圖

圖18 SR/BH系列氣墊船尾部的側尾分離圍裙形式

圖19 Griffon12000TD采用Griffon系列氣墊船尾的側尾不分離圍裙形式

此外，隨著柔性功率傳輸的輕型高效YASA電機在氣墊船上的引入，使墊升風機的柔性布置也成為可能。未來可為氣墊的每個分隔氣室配置獨立的墊升風機，結合先進傳感器的應用及電機的無級調速功能，在風浪中可實現對氣墊壓力變化的主動控制，從而提高船的乘坐舒適性。

6 結 語

英國氣墊船的發展充分體現了技術創新的引領作用，持續的技術進步使其不斷向前發展。雖然其局限性（如高噪聲、高油耗）與鮮明的技術特色同樣突出，但在特殊地域（如北方流冰期巡邏交通、沼澤濕地等）的物資運輸以及搶險救災、奪島登陸等方面具有不可替代的作用。隨著所運載裝備的發展，氣墊船也隨之與時俱進，新型車用電機的出現為其操控性設計提供了新的可能性，有利于性能提升。本文介紹了英國氣墊船的技術發展，并對其性能進行統計分析，期望能為國內氣墊船設計研究提供一定參考。