多航態(tài)高速無人艇阻力試驗研究

羅富強，霍 聰，高霄鵬，申云磊

(海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

海上無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為未來海上作戰(zhàn)的重要力量，可以突破人員因素的限制，在惡劣海況下完成戰(zhàn)場偵察、預警巡邏、抵近破壞和反潛跟蹤等多種任務[1]。但要真正將無人新型作戰(zhàn)力量的威力發(fā)揮出來，不僅要突破智能控制與感知等技術，還要求平臺自身擁有獨具特色的綜合航行性能。 “多航態(tài)高速無人艇”是一種集潛艇、高速滑行艇、穿浪艇等多種艇型優(yōu)點于一身的新概念艇型，同時具備水上中高速、水面半潛和水下潛航能力，并能夠在各航態(tài)之間連續(xù)快速變換。其獨特的多航態(tài)航行功能及高隱蔽、高航速特性，可更好地滿足海上突防、無人作戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)等海上任務。

世界上最先由瑞典對多航態(tài)概念艇型進行研究，1999 年開發(fā)了一種通過自主排注壓載水切換吃水航態(tài)的水面艇“海豚”號，但其變換航態(tài)的目的主要是便于海上救援，并沒有水下航行能力[2]。近些年來，美、英等國已成功研制出同時具備水面、水下航態(tài)自主航行能力的樣艇，并逐步開展實際應用。幾種典型樣機方案涵蓋了半潛式艇型、水面快艇與潛艇的結合艇型、采用變體設計的無人機構型[3]。其中美國SCUBACRAFT 公司的SCUBACRAFT 快艇采用雙體艇艇型，水面高速滑行速度可達45 kn；洛·馬公司提出一種采用升降變體技術的概念方案CHARC，通過主體和潛體連接構型的變換和調整壓載設計實現(xiàn)5 種航態(tài)模式的轉換[4]。

國內(nèi)對于多航態(tài)艇型的研究報道較少，目前還處于概念設計、原理研究和模型試驗的階段。董文才[5]提出壓載流道自由變深技術，其通過模型試驗研究了壓載流道開啟、壓載水自由流動對阻力性能的影響。霍聰[6]通過自航模試驗驗證了半潛-水面航態(tài)連續(xù)變換的可行性，并用數(shù)值模擬方法研究了中低速時的自航運動特性以及艇體內(nèi)外的流動現(xiàn)象[7]。王偉[3]通過數(shù)值計算和水池試驗對某多航態(tài)船型航態(tài)變換過程的阻力性能和姿態(tài)變化進行了研究分析，得出的結論是航態(tài)轉換需要在特定的縱傾角和速度條件下才能實現(xiàn)。

以上研究側重于水下-水面航態(tài)轉換分析，而對于多航態(tài)船型本身的水動力性能沒有進行全面研究。多航態(tài)高速無人艇從水面狀態(tài)到半潛狀態(tài)吃水變化范圍很大，速度范圍包含排水航行、半排水航行、全滑行等多個狀態(tài)，艇體周圍的水動力特性必然也會有較大的變化。對于新船型的設計，阻力性能是評價其總體性能的首要依據(jù)。本文通過在半潛狀態(tài)到水面狀態(tài)范圍內(nèi)變換吃水進行靜水模型拖曳試驗，分析某型多航態(tài)高速無人艇在不同吃水、不同速度下的水動力特征，探究不同吃水對該船型阻力性能和航行姿態(tài)的影響，為多航態(tài)高速艇的設計提供參考依據(jù)。

1 試驗模型及方案

1.1 試驗模型

試驗采用一條木質模型，舷側采用內(nèi)傾船型設計，首部為穿浪型首，底部滑行面主要參考深V 滑行艇線型，尾部采用方尾。模型三維外形如圖1 所示，船型主要特征參數(shù)如表1 所示（型深D 為基線到甲板最高點處）。

試驗在中國航空工業(yè)第605 研究所高速拖曳水池中進行，測試儀器設備包括：測力傳感器、傾角傳感器、拉線式位移傳感器、照相機、攝像機等。測力傳感器的精度為0.01 kg，傾角傳感器的精度為0.01°，位移傳感器的精度為0.01 m。試驗由2 個導航桿和拖曳桿組成，導航桿限制艇的橫向運動，試驗裝置安裝如圖2 所示。

1.2 試驗方案

試驗設置一系列吃水工況，探究多航態(tài)高速艇模型在不同吃水航態(tài)下的阻力性能和航行姿態(tài)。試驗選取6 個不同的吃水工況，吃水變化范圍為0.22D～0.59D（吃水最小工況的排水量為Δ1，最大吃水工況對應排水量為4.32Δ1）。試驗速度從1 m/s 逐漸增大，直至模型出現(xiàn)海豚運動、埋首或者傾角過大等危險工況，結束該吃水工況。

圖 1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

表 1 模型主要特征參數(shù)Tab.1 Primary ship parameters of the test model

圖 2 試驗模型和試驗裝置Fig.2 Test model and experimental equipment

試驗測量記錄的參數(shù)有：首尾吃水、水溫、拖車速度、阻力、船中升沉變化、縱傾變化值。另外通過錄像回放觀察船體周圍的興波和飛濺現(xiàn)象，并記錄不同工況、不同速度點下的模型折角線浸濕長度、龍骨浸濕長度、艉側浸濕高度等參數(shù)。

為了避免中高速航行狀態(tài)模型首部出現(xiàn)飛濺、抨擊等不利現(xiàn)象，試驗在首部加裝防濺條以減小首部興波，保證模型能順利起滑。圖3 為各個吃水狀態(tài)的水線示意簡圖，圖4 為首部防濺條安裝示意圖，表2 為不同吃水的試驗方案。

2 試驗結果及分析

圖 3 水線變化范圍示意圖Fig.3 Sketch of the range of varying water

圖 4 防濺條安裝位置Fig.4 Location of the spray strips

表 2 變吃水試驗方案Tab.2 Experimental scheme of varying draft conditions

滑行艇在高速滑行時產(chǎn)生的須狀飛濺會增加艇體濕面積，導致摩擦阻力的增加。如圖5 所示，橫向斜升滑行面在高速滑行時的浸濕面積可以分為2 部分[8]，附加噴濺區(qū)投影面積OEF 和滑行面濕面積投影為OE 線后梯形面積；其中O 點為龍骨與靜水面交點，E 點為舭部與靜水面交點，lc，lk分別為折角線浸濕長度和龍骨浸濕長度。

本文根據(jù)試驗現(xiàn)象視頻回放分析，對不同航態(tài)下模型的浸濕面積SW采用不同處理方法：當船體處于排水狀態(tài)時（Fr?＜1），SW取Maxsurf 軟件Hydrostatics 模塊計算的Wetted Area 值；當船體處于中高速航行狀態(tài)時，SW采用近似估算法分塊計算，分別計算艇體濕面積Sβ和須狀飛濺浸濕面積Ssp[9]。具體計算公式參考文獻[10]。

2.1 不同吃水下的航行特征分析

圖6 為試驗模型在不同吃水狀態(tài)下所開展的速度工況點。如圖7 和圖8 所示，通過分析試驗過程航行姿態(tài)變化特點，把模型航態(tài)劃分為排水航行狀態(tài)、半滑行狀態(tài)、滑行狀態(tài)。將不同吃水狀態(tài)對應的航態(tài)劃分速度點近似連成直線，得到吃水與臨界速度的關系。隨著吃水的增加，模型進入半滑行狀態(tài)、滑行狀態(tài)對應的臨界航速點會稍微提前。

圖 5 噴濺濕面積分布圖Fig.5 Plan of spray wet areas

圖 6 臨界速度隨模型吃水的變化Fig.6 Changes of critical speed in different draft

圖 7 工況t1 的試驗現(xiàn)象Fig.7 Test phenomenon of draft-t1

在t3和t4吃水工況，高速滑行時模型運動姿態(tài)較大，并且出現(xiàn)劇烈的飛濺現(xiàn)象，試驗所進行的最高航速為偏安全航速。在吃水較大工況t5和t6，如圖9所示Fr?=0.6 左右時由于模型排水量較大并且出現(xiàn)埋首現(xiàn)象，模型未能順利起滑，出于安全考慮將其定義為危險航行狀態(tài)。

2.2 不同吃水下的航行姿態(tài)分析

圖 8 工況t3-2 的試驗現(xiàn)象Fig.8 Test phenomenon of draft-t2

圖 9 t5 和t6 工況埋首現(xiàn)象Fig.9 Test phenomenon of draft-t5 and draft-t6

圖 10 不同吃水工況下升沉值變化Fig.10 The change of sinkage in different draft

圖 11 不同吃水工況下縱傾變化Fig.11 Trim angle of different draft

圖10 和圖11 為模型在不同吃水工況下的升沉和縱傾變化曲線，在Fr?＜2.0 時不同吃水下的模型運動姿態(tài)變化趨勢基本一致，并且運動幅值隨吃水的增加而變大；在Fr?＞2.5 時，隨著吃水的增大，模型的升沉、縱傾角變化曲線便出現(xiàn)差異。在Fr?=1.25 附近時，不同吃水工況的升沉曲線均出現(xiàn)拐點，升沉值開始隨速度變大而增大；Fr?＞2.5 后，t1，t2工況的升沉增長趨勢變緩，但t3，t4工況變緩的規(guī)律不明顯。縱傾角變化曲線在多個速度點出現(xiàn)拐點，F(xiàn)r?在1.25～2.0 范圍內(nèi)縱傾角有一段平緩的過程；當Fr?＞3.0 后，縱傾角開始下降，隨著吃水的變大，其下降拐點會提前、并且下降趨勢更明顯。

因此，在t1～t4吃水工況時，該模型航速范圍涵蓋從排水航行狀態(tài)到滑行狀態(tài)，保留了滑行艇的航行特征。但在吃水為t5和t6時，模型在排水航行階段出現(xiàn)了較嚴重的埋首現(xiàn)象，未能順利起滑。另外對比t3-1 和t3-2 的升沉、縱傾變化曲線，可知首部加裝防濺條可以有效地減小模型運動幅值，減輕排水航行階段的埋首現(xiàn)象，從而使得模型能夠順利起滑。

2.3 不同吃水下的濕面積

圖12 為不同吃水工況下的模型濕面積SW化曲線，中低速時模型SW隨著吃水的增加而明顯增加，但在高速滑行狀態(tài)Fr?＞3.0，由于艇體姿態(tài)基本一致，t1和t2吃水工況的SW大小也比較接近。另外在t3～t4工況，SW大小隨Fr?變化趨勢基本一致，半滑行狀態(tài) Fr?=1.7 左右時模型濕面積SW出現(xiàn)極小值，隨著速度變大，當Fr?＞2.5 后SW呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。圖中出現(xiàn)的曲線不光順點，可能是由于計算公式作了近似化處理以及滑行艇滑行過程的強非線性特性造成的。

圖 12 不同吃水工況下的濕面積變化Fig.12 Change of wetted area in different draft

分析可得，SW大小與模型的運動姿態(tài)緊密相關，艇體的整體抬升和尾傾都會使?jié)衩娣e下降。結合運動姿態(tài)，t3和t4曲線在Fr?=1.7 出現(xiàn)極小值的原因可能是此時模型的升沉和縱傾急劇變大，使得底部滑行面濕面積Sβ變小，而由須狀飛濺引起的濕面積增加值Ssp還未能補償?shù)撞繚衩娣e的減小值。

2.4 不同吃水下的阻力性能分析

本文對阻力試驗結果按標準無因次化處理，阻力轉換成阻升比Rt/Δ，將總阻力Rt按二因次法分解成摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，摩擦阻力系數(shù)Cf按ITTC-57 公式，其中濕面積取前面近似計算所得結果。由此可計算得到無因次化的總阻力系數(shù)Ct、摩擦阻力系數(shù)Cf以及剩余阻力系數(shù)Cr。

1）阻力/排水量變化曲線分析

圖13 為不同吃水工況下的阻升比Rt/Δ隨體積傅汝德數(shù)Fr?的試驗結果，在中低航速段不同吃水狀態(tài)下的Rt/Δ隨速度的變化趨勢基本一致，但在高速狀態(tài)Fr?＞2.5 時阻力變化規(guī)律不明顯。可以看到，工況t2～t4的阻力曲線在Fr?=1.25，F(xiàn)r?=3.0 附近有拐點，說明阻力在航態(tài)轉換速度點附近出現(xiàn)非線性變化。當Fr?在1.25～2.0 范圍時，阻力存在一段平緩增長區(qū)，與圖11 縱傾角變化曲線的平緩段相對應；在高速滑行狀態(tài)Fr?＞3.0 時，工況t2和t3的阻力/排水量隨航速的增長趨勢明顯變緩。

圖 13 不同吃水工況下阻力變化Fig.13 Non-dimensional resistance of different draft

對比t3-1 和t3-2 阻力曲線，首部加裝防濺條能使阻力性能變好，原因是首部防濺條有效地減輕了首部飛濺現(xiàn)象，減小了模型的能量耗散。整體而言，阻力性能與航行縱傾角密切相關，Rt/Δ隨著吃水的增大而變大。其中出現(xiàn)的高速段t1和t2曲線交叉，可以結合運動姿態(tài)分析：在Fr?＞3.5 時工況t2的縱傾角為4°～5°，相比t1的3°滑行效率更高，因此t2擁有更好的阻力性能。

2）阻力成分變化分析

圖14 為了模型在不同吃水工況下的剩余阻力Rr占總阻力的比例的變化曲線，吃水在t1～t4時Rr/Rt的比值隨Fr?增大的變化規(guī)律基本一致：隨著吃水的增加，剩余阻力的份額也隨之增加，說明總阻力中隨吃水增加的主要成分是剩余阻力。在Fr?=1.25 附近Rr/Rt出現(xiàn)峰值點，在工況t4時Rr/Rt甚至可達到90%，原因是在起滑階段由濕面積引起的摩擦阻力急劇增大；Fr?＞1.25 后，Rr/Rt開始下降，但是隨著吃水的增加其下降趨勢變得緩和。圖14 和圖15 為不同吃水工況下的阻力系數(shù)變化曲線，在相同F(xiàn)r?下，隨著吃水的增加剩余阻力系數(shù)Cr不斷變大，而摩擦阻力系數(shù)Cf不斷變小。在中低航速段不同吃水工況下剩余阻力系數(shù)Cr的變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在Fr?=1.25 左右時C r 曲線出現(xiàn)峰值點；當Fr?＞2.0 后，t3和t4的Cr開始變得平緩，而t1和t2的Cr仍保持不斷下降的趨勢。摩擦阻力系數(shù)Cf隨著Fr?的增大而不斷下降，其原因是隨著航速的增大雷諾數(shù)，Re也隨之增大，而根據(jù)ITTC-57 公式Cf隨雷諾數(shù)Re的增大而減小（本試驗工況Re在106～107范圍內(nèi)）。另外，當Fr?＞2.0 時，Cf的下降趨勢開始變得緩和。

圖 14 不同吃水工況下的剩余阻力與總阻力之比Fig.14 Ratio of residual drag to total drag in different draft

圖 15 不同吃水工況下的剩余阻力系數(shù)Fig.15 Residual drag coefficient in different draft

圖 16 不同吃水工況下的摩擦阻力系數(shù)Fig.16 Frictional resistance coefficient in different dragft

根據(jù)圖14～圖16 的工況t3-1 和t3-2 曲線對比，發(fā)現(xiàn)首部加裝防濺條主要減小了總阻力中的剩余阻力成分；在Fr?＜1.0 時，加裝防濺條對Cr和Cf均影響不大，在中高速時，防濺條能使Cr和Cf均減小，并且對于Cr的影響明顯更大。

3）與典型滑行艇靜水阻力性能對比

“系列62”被認為是阻力性能較優(yōu)良的一組滑行艇，為了評估該多航態(tài)模型的靜水阻力性能，通過公開發(fā)表的文獻[11]，抓取其中Model 4667-1 Test No.7 的試驗原始數(shù)據(jù)，與本試驗幾個吃水工況進行對比，結果如圖17 和圖18 所示。

圖 17 阻力性能對比Fig.17 Comparison of resistance performance

相比系列62 模型，F(xiàn)r?＜2.5 時本試驗模型在工況t1和t2的阻力性能更好，工況t3的阻力性能基本一致。但在Fr?＞2.5 后，系列62 模型的阻力性能比本試驗模型各個吃水工況均更優(yōu)。對比縱傾變化曲線，差異表現(xiàn)在中速航行狀態(tài)本試驗模型的3 個吃水工況均有一段傾角平緩段，而且本試驗模型t2工況的縱傾角變化與系列62 模型最為接近。

3 結 語

本文通過對多航態(tài)高速無人艇在不同吃水工況進行模型試驗，分析其靜水阻力性能和運動特性，得到以下結論：

1）該多航態(tài)高速無人艇在吃水為t1～t4范圍內(nèi)均能加速到高速滑行狀態(tài)，并且隨著吃水的增加其進入滑行狀態(tài)的速度點會稍微提前；在吃水大于t5時模型由于埋首未能順利起滑，只能進行低速航行；在t1，t2吃水狀態(tài)模型具有較好的阻力性能以及良好的運動姿態(tài)。

2）隨著吃水的增加，高速滑行狀態(tài)由須狀噴濺引起的模型浸濕面積增加值也變大；模型總浸濕面積SW與模型的運動姿態(tài)緊密相關，在中低速時SW隨吃水的增加而增加，但在高速滑行（Fr?＞3.0）時SW受吃水因素的影響較小。

3）在中低速（Fr?＜2.0）狀態(tài)，模型在不同吃水下的運動姿態(tài)、阻力性能變化趨勢基本一致，但在高速滑行狀態(tài)其變化規(guī)律表現(xiàn)出差異。Fr?在1.25～2.0 范圍內(nèi)，各吃水工況下的縱傾值均有一段平緩變化的過程。

4）隨著吃水的增加，剩余阻力占總阻力的比例也隨之增加。剩余阻力系數(shù)隨著吃水的增加而增大，但摩擦阻力系數(shù)表現(xiàn)出遞減的趨勢；摩擦阻力系數(shù)隨著航速的增加而不斷減小，但剩余阻力系數(shù)隨著航速的增加呈現(xiàn)出先增大、后減小的規(guī)律，并且在Fr?為1.25 附近存在峰值點。

5）在首部合適位置加裝防濺條可以有效地減小模型在吃水較大時的運動姿態(tài)幅值，緩和模型在起滑階段的埋首現(xiàn)象，使模型能順利進入滑行狀態(tài)。