極地氣墊破冰/運輸平臺破冰機理和關鍵技術

高 嵩 張 俊 張 進

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

隨著北極冰層加速消融，北極地區的潛在價值日益凸顯。北極地區不僅蘊藏豐富的油氣資源和海洋資源，同時作為連接大西洋-北冰洋-太平洋黃金航線之一的北極航道將極大改變目前我國80%以上的國際貿易依賴南海、馬六甲海峽航線的局面，為中國開辟一條新的遠洋航運通路，成為一條連接中國與歐洲、北美以及環北極等國家新的“海上絲綢之路”，極大地縮短我國與西歐及北美貿易航程，可減少航程 40%以上，其經濟利益和商機十分可觀。

目前，我國對艦船進入南北極、尤其是北極有著迫切需求，無論當前對北極海洋環境的調查、對各類裝備在高寒高緯度條件下的性能試驗，還是今后為其他艦船進入北極提供航道及任務海區破冰保障、物資補給和情報支援，都對可在極地環境下執行任務的破冰/運輸船有著明確的需求。此外，極地地區物資運輸主要通過“雪龍”號，該船無法將物資直接運送到科考站，需通過直升機、雪橇車等運輸工具進行轉運，這些交通工具受環境、地形影響較大。因而，開發一型能夠用于極地等寒區低溫環境下應用的，兼具破冰和運輸功能的平臺對我國極地地區科考、延長北極航道通航期、寒區低溫環境物資及人員轉運、應急救援等都具有十分重要的意義。

1 氣墊破冰原理簡介

全墊升氣墊平臺是一種貼近支撐面（地面、水面、冰面等）滑行的高速運載工具，具有許多優良的特性，它航速快、兩棲性好、水下物理場小、環境適應性強等，在軍事、救援、破冰、掃雷等領域具有明顯優勢［1-2］，因而得到世界各國的高度重視。全墊升氣墊平臺的工作原理是利用大功率風扇向船體底部快速壓入大量空氣，使船體底部與水面之間形成動力氣墊，使船體全部脫離支撐面，同時使用柔性圍裙圍在船底封閉氣墊以增加船體飛高，提升沖灘和越障的能力［3］。傳統破冰船是依靠螺旋槳和船頭力量實現破冰，而氣墊平臺破冰是通過底部動力氣墊與水耦合作用所產生的興波來實現。氣墊平臺具有兩種不同的破冰模式：低速模式和高速模式，也稱靜態破冰和動態破冰［4］。

1.1 冰面靜態破冰機理

低速模式氣墊平臺又分為無動力氣墊平臺和自航氣墊平臺，無動力平臺是指氣墊平臺自身沒有推進設備，只能依靠母船的推動航行；而自航氣墊平臺是指平臺自身安裝了推進系統，能夠依靠自身力量航行，兩者破冰機理并無明顯區別。低速模式氣墊平臺破冰機理如圖1所示。

圖1 低速氣墊破冰原理示意圖

氣墊平臺在全墊升狀態下被母船推動（無動力平臺）或通過自航模式，從水中低速接近冰層。由氣墊產生的表面興波隨船不斷前進，興波傳遞的速度大于船速，因而當船未到冰層時，興波已經傳遞到冰層下方，如圖1（a）所示。

此時，興波將來自動力氣墊的氣流也導入冰層下方，在冰層下方形成氣腔，形成冰層懸臂梁效應。由于氣腔內直通大氣環境，氣腔內壓力為大氣壓力，因而冰層懸臂梁效應產生的彎矩不會對冰層造成破壞，但是當興波進入冰層下方一定距離后會形成反射波，與新形成的興波耦合產生的氣腔周期性波動。當波動頻率接近冰層固有頻率時，會引發冰層發生共振，產生破壞。如果沒有引發共振，則冰層不會出現破壞。隨著氣墊平臺不斷接近冰層，表面興波傳遞到冰層下方的距離減小，冰層下方形成的氣腔長度不斷增加。

氣腔周期性波動頻率也不斷增加，當氣墊平臺首部圍裙抵達冰層上方某一點時，形成的氣腔如圖1（b）所示。氣腔內壓力用Pg表達，且有Pg= ρgh（h為氣腔的水頭壓力高度）。而位于冰層上方的氣墊壓力由Pc表達，氣腔的長度定義為d1。圖中可見，冰層受到的彎曲力矩Nz等于其自重在懸臂梁作用下產生的彎曲力矩與上下表面壓力形成的彎曲力矩之和，即

式中：FAVC、FC和Gi分別表示氣墊平臺產生的向下的壓力、氣腔內空氣產生的向上的支持力以及被掏空冰層產生的向下重力；d1、d2和d3分別表示冰層上方氣墊壓心、冰層下方氣墊壓心以及被掏空冰層重心距離氣腔內邊緣懸臂梁支點的距離。

當Nz超過冰層能承受的破壞力矩后，發生冰層斷裂，達到破冰效果。如果當興波第一次進入冰層下方而沒有造成冰層斷裂，但會造成冰層出現放射狀的裂縫，這表明冰層已經達到了實際承壓能力，只是還不足以使冰層斷裂而已，但是冰層的強度已經大幅下降。此時氣墊船仍在冰面上前進，由于冰層并未斷裂，冰層下方興波將反射回氣墊平臺底部形成反射波，反射波與前進的興波在冰層下方相互作用，使氣腔的體積不斷變化，d1、d2和d3隨之出現周期性波動，導致破壞力矩Nz出現周期性波動，從而使裂縫不斷擴大，并最終導致冰層發生斷裂形成冰塊。此外，當破壞力矩Nz的波動頻率與冰層自身的固有頻率接近時，會引發冰層發生共振現象，從而出現大面積的冰層斷裂現象，大幅提高破冰效率。

通過上述分析可知，低速氣墊破冰的基本原理主要是通過空氣取代冰層下部水，冰面失去浮力支撐，形成懸臂梁效應導致冰層斷裂。因而破冰能力與氣墊興波密切相關，主要取決于氣墊興波的波長和波幅，以及興波與反射波耦合產生的氣腔周期性波動。其中，氣墊興波的波長和波幅主要與氣墊平臺氣墊壓力和航速有關，氣墊壓力越高，則破冰能力越強，當然兩者為非線性相關關系；而航速越接近阻力峰航速，興波的波幅越大，形成的氣腔面積就越大，冰層懸臂梁效應越大，破冰能力越強，這是氣墊船自身的固有特性。［4］

此外，通過上述破冰原理分析可知，破冰能力與水面興波的周期性波動密切相關。波動頻率越高，破冰效果越好，如果波動頻率接近或達到冰層彎曲固有頻率，其破冰效果將會非常好。由此可進一步分析，如果氣墊平臺自身能夠使產生周期性興波，也即為氣墊平臺通過調整墊升流量主動引發顛振現象（在常規氣墊船設計中需避免的現象），使氣墊壓力出現周期性波動，并控制波動頻率接近冰層固有頻率引發冰層共振，從而將大幅提高破冰能力和破冰效率。

1.2 冰面動態破冰機理

氣墊平臺高速動態破冰的機理可認為是移動載荷激勵冰層引起的聚能共振增幅效應。當氣墊平臺以特定航速（臨界速度）航行于冰面上時，底部氣墊對冰層上表面施加移動載荷，并在冰層表面形成動態應力變形船行波，且氣墊平臺始終位于船首部興波波峰后方，對所興起的船波起持續的推波作用，不斷補充波動的能量，在冰面興起峰值較大且不斷前移的壓力波，激勵冰層反復變形形成冰面興波，氣墊平臺產生的興波過程如圖2所示。

圖2 高速氣墊破冰原理示意圖

冰面變形波的傳播速度vb與波形的固有頻率ωb之間存在如下關系

式中：k為波數/變形波長，與氣墊長度相關；ωb與冰層厚度、彈性模量、泊松比，甚至冰層下方水的密度等冰層-水層物理特性都有密切關系。

當氣墊平臺的航行速度由靜止到逐漸接近冰面變形波速度vb時，冰面興波的波傾角不斷增加，冰層內累積的波形能量也開始逐漸積聚，此時氣墊平臺的航行阻力也不斷增加，但冰層內累積的能量尚不足以造成冰層斷裂，如圖2（a）所示。

當氣墊平臺的航行速度與冰面變形波速度vb達到一致時，冰層內累積的波形能量傳播速度與氣墊平臺的航行速度一致時，導致冰層內累積的能量無法離開氣墊載荷輻射出去，在氣墊載荷連續興波作用下，冰層能量不斷累積，其波動變形的幅值不斷增加，冰面興波的波傾角迅速增加，從而產生聚能共振增幅效應，導致冰層內應力不斷增加。當其超過極限應力時，冰層將發生破裂，此時氣墊平臺的航行阻力和冰面興波的波傾角達到極大值，對應的氣墊平臺航速稱為臨界航速，也即為氣墊平臺的冰面航行阻力峰速度，如圖2（b）所示。

當氣墊平臺的航行速度大于冰面興波速度vb時，氣墊平臺超越船首的波峰，對所興起的船波起相反的壓制作用，波傾角開始減小，船首冰層內能量無法持續累積，以散波的形式向氣墊平臺前進方向傳播，也難以形成破冰效果，如圖2（c）所示。

當冰層被破開后，氣墊平臺繼續向前航行，興波將隨船繼續向前推波補充能量，冰層的橫向彎曲變形和應力重新積累，積累到一定程度時縱向裂縫前端的應力集中效應引發新的橫向破裂，開始新的破冰周期。由此可知，氣墊平臺動態興波主要是通過平臺的航行速度接近冰面應力興波的共振速度，導致興波能量無法耗散，只能持續積累，引發冰面大變形導致破裂。當平臺航速小于臨界航速時，冰層表面興波能量不斷向外傳遞，無法積聚，也無法起到破冰效果；而當平臺航速超過臨界航速時，氣墊平臺逐漸追趕并超越船首的波峰，對所興起的船波起相反的壓制作用，難以在冰面上興起峰值較大的船波，對破冰效果是不利的。因此，氣墊平臺高速動態破冰能力主要取決于破冰臨界速度和氣墊壓力。［5］

高速模式通常能使冰層破裂成較大的冰片，尺寸比氣墊船的船長大，破冰效率高于低速模式。然而，考慮到冰層物理特性敏感參數較多，冰面興波固有頻率ω的值與冰的厚度、含鹽量、連續性、積雪情況等參數密切相關，難以計算氣墊興波在冰表面的傳遞速度，因而通過氣墊平臺動態在臨界速度下進行破冰難度較大，通常工程實踐中高速動態破冰主要用于大面積開闊水域下的均勻連續冰層。

2 國外氣墊破冰船應用情況

加拿大科研人員在1971年使用氣墊平臺運輸設備時，首次發現氣墊平臺具有破冰功能，引起近北極國家的高度重視。截至目前，俄羅斯、美國、芬蘭和加拿大等國開展了大量的氣墊破冰平臺機理和方法研究，在氣墊破冰船的試驗及實船測試方面積累了豐富的設計實踐經驗。

美國海岸警備隊在1977~1978年冬季，在伊利諾斯州的密西西比河上利用LACV-30型自航氣墊平臺和RIVER GUARDIAN號非自航氣墊平臺開展了大量的實船破冰能力測試，最后證實氣墊平臺具有較強的破冰能力和較高的破冰效率，并對兩種氣墊平臺的破冰方法進行詳盡研究。加拿大的Sunoco E&P有限公司于1971~1972年冬天在加拿大西北部的Great Slave Lake上開展ACT-100氣墊運輸試驗，重點研究其破冰能力與裝載、速度關聯性，試驗結果顯示ACT-100在高達6.4 km/h速度下不斷破開68 cm的冰水層。該公司隨后在蒙特利爾用Terracross H-119氣墊拖船開展進一步試驗，該船能夠輕易破開23 cm的冰層。俄羅斯在氣墊破冰平臺方面也進行了大量研究，并開發了LY等系列的氣墊破冰平臺，其研究至今仍在持續。

表1［6-7］中給出各個國家氣墊破冰平臺的基本性能指標和破冰能力，圖3 -圖5分別給出美國的ACT-100、JEFF A和英國的AP1-88實船破冰照片。

表1 各國破冰氣墊平臺參數

圖3 ACT-100由常規破冰船頂推破冰

圖4 英國AP1-88氣墊渡船動態破冰

圖5 美國氣墊船JEFF A以35 kn航速高速破冰試驗

3 極地環境氣墊平臺設計關鍵技術分析

氣墊破冰/運輸平臺能夠貼近冰面/水面航行，技術特性橫跨船舶與航空兩個領域，設計研究難度較大，而運行于極地等低溫地區的氣墊平臺更是需要具備足夠的低溫冰雪環境下正常航行作業的能力。極地地區和國內地區的主要區別在于其環境條件差別較大，平均溫度環境在-25℃以下，且常年被積雪覆蓋。當氣墊平臺在極地環境下應用時會遇到如下的問題：

3.1 空氣螺旋槳與墊升風機結冰/掛冰問題

氣墊破冰/運輸平臺在覆雪冰層上高速運動時，尾部會形成氣-雪霧混合流場，空氣螺旋槳在該混合流場中，推進效率會降低，產生動力衰減；同時，氣墊平臺高速運動過程中，槳葉遇上水蒸氣產生凝華結冰或遇上過冷水會產生滴狀結冰，螺旋槳由于高速旋轉而能捕獲更多的過冷水滴。槳葉梢部由于動力增溫，一般不會積冰，但根部及導管前緣積冰很快，使螺旋槳效率降低，并伴有由于結冰不規則所引起的槳葉振動問題，嚴重時會發生強度問題。

3.2 耐低溫防脆化圍裙問題

極地低溫環境易造成氣墊破冰/運輸平臺圍裙脆化破裂，冰水混合物中航行也導致圍裙易被浮冰刺穿或割裂，因而需開展專門的耐低溫、高強度圍裙膠布研制與試驗工作，并在此基礎上研發專用的破冰圍裙。

3.3 極地氣墊破冰平臺墊升系統設計及防飛濺問題

極地氣墊破冰平臺在運輸模式下，為提高其快速性和適航性，要求低密度大流量的墊升系統；而在破冰模式下，為提高破冰能力和減小飛濺，需要高密度小流量的墊升系統，兩者互為矛盾。因此，在墊升系統方案中，需設計能夠兼顧運輸與極地破冰模式的性能曲線并研發滿足該性能的風機翼型，同時在方案中還需考慮圍裙系統的防飛濺設計。

3.4 發動機余熱利用問題

在極地低溫環境下，墊升、推進等關鍵設備都會出現結冰現象，從而大幅影響氣墊平臺性能，因而采取相應手段進行防護。由于氣墊平臺對重量極為敏感，因此通過增加功率加熱手段受到較大限制，因而需要研究發動機余熱利用技術，從而在解決低溫結冰同時大幅減低主機的負荷。

3.5 多界面地形條件下運動與操控問題

氣墊平臺在低速破冰過程中，引起圍裙泄流量和氣墊壓力改變，影響氣墊壓力的分布和姿態角變化幅值，從而影響到氣墊平臺的垂向與縱向穩定性；氣墊平臺在覆雪冰層上高速運動時，圍裙與冰面的摩擦力很小，在轉向操作中，會出現大側漂和甩尾現象，不易控制。在極地復雜地形下，冰脊隨處散布，因而需要氣墊平臺具有更好的操控性。因此，需對多任務條件下的氣墊平臺運動特性和操控策略進行研究，進而開發研制適用于多任務和復雜地形條件下的氣墊平臺操控系統，對保證平臺安全作業有著十分重要的意義。

只有在氣墊破冰/運輸平臺設計中解決上述關鍵問題，才能開展適用于極地地區氣墊破冰/運輸平臺總體方案研究，實現在極地地區裝備氣墊破冰/運輸平臺。

4 結 語

極地氣墊破冰/運輸平臺不僅可以用于極區人員物資轉運和航道開辟，還能用作極地救援和科考平臺，具有應用范圍廣、效率高、功率耗費低、受季節和地形限制小等優點，是極地地區有效的運載工具。同時，應用氣墊平臺進行破冰，不僅具有應用范圍廣、破冰范圍大、效率高、功率耗費低，而且使用率較高，不受季節的限制，無需占用專門的停靠碼頭，減小港口、碼頭的水位負擔。本文對氣墊平臺靜、動態原理進行深入分析，并對極地地區氣墊破冰/運輸平臺設計所面臨的關鍵問題進行梳理，為極地地區氣墊破冰/運輸平臺的研制提供初步思路，也為進一步研究新型極地裝備提供了一定參考。