新型鋁鎂合金剛性充氣高速艇的研發與應用

郭宇平

(廈門港務集團，福建 廈門361000)

0 引言

目前國內小型高速執法/救助艇一般采用玻璃鋼材質居多[1]。由于玻璃鋼材料存在不耐火、不耐磨及無法降解回收利用的弱點，因而國際上執法艇建造采用鋁鎂合金材料替代玻璃鋼已成行業趨勢。與此同時，剛性充氣艇技術(RIB)是剛性艇體與充氣護舷組合而成的新船型，以重量輕、儲備浮力大、抗撞擊、便于艦載收放、能耗低等優越性能[1]，正逐步應用于海洋行政執法艇。

本文根據國內海洋行政執法機構的需求，將鋁鎂合金材料與剛性充氣艇技術融合一體，用于新一代高速執法艇的研發，使得新型執法艇在裝備制造環節，就能體現綠色節能可持續發展理念，在港口巡邏、引航救助、漁業管理、海洋環境監測等方面發揮更大作用。

1 船型方案

1.1 概述

12.7m高速艇為敞篷式鋁鎂合金底高速剛性充氣執法艇,船體采用鋁鎂合金材料，船舷采用海帕龍(HYPALON)充氣護舷，屬于高速敞口船，具有重量輕、航速快、耐波性好、抗撞擊、機動靈活等特點。該艇配備2臺221 kW柴油舷內外機,具備夜航能力，用于國內海洋平靜水域營運限制區域的海上執法巡邏和應急救助搶險。

1.2 設計依據

設計依據為國家海事局《沿海小型船舶檢驗技術規則2016》[2](簡稱《小船法規2016》)。

1.3 艇體結構采用鋁鎂合金材料的優勢

鋁鎂合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點，用于船體建造具有如下優點：

(1)比重小，可減輕空船重量，降低能耗。

(2)強度高耐摩擦，抗腐蝕性能好，能減少維護費用，可延長使用年限(通常在20 a以上)。

(3)加工成形和焊接性能好。

(4)彈性模量小，吸收沖擊應力的能力大。

(5)鋁廢料可回收循環使用。

(6)無低溫脆性，最適合做低溫設備。

(7)非磁性，羅盤不受影響。

(8)沒有蟲害和干燥變形。

(9)阻燃，遇火災較安全。

鋁鎂合金材料解決了玻璃鋼材料不耐火、不耐磨及無法回收利用的弱點，加工制造環節減少了模具成本，大量節約了木材，因此無論從安全可靠性、維護便利性、經濟性及環保角度考慮，公務執法艇的船體采用鋁鎂合金材料的優勢更加明顯[3]。

1.4 型線及主尺度方案確定

本艇型線方案綜合考慮了穩性、快速性、耐波性和總布置的要求。

1.4.1 折角線型

本艇長度弗勞德數Fr約為1.71，屬于高速滑行艇。由于滑行狀態時僅艇底部與水面接觸，因此型線的主要特征尺度體現在折角線的尺度上[1]。參考優秀母型船，本艇采用深V折角線型，型線中部底斜升角25°，設計水線首端進水角20°。

1.4.2 船中折角線寬

為獲得有利攻角，滑行艇存在理論上的最佳折角線寬度，但綜合考慮布置、結構重量及造價因素，12.7 m高速艇以機艙布置雙主機的需求來確定船中折角線寬度b(取b=2.37 m)。由于雙機動力布置在艉部，艉部寬度太小將導致艉傾增大，增大艇首的抨擊和噴濺，對快速性不利，因此艉部寬度與中部基本一致。

1.4.3 艇長度

根據國外統計資料，剛性充氣艇折角線長度與寬度比值約為4～6[1]，艇長度的確定主要考慮船舶布置、結構重量控制需求。本艇水線長度取Lwl=11.30 m,Lwl/b=4.76。

1.4.4 重心縱向位置

滑行艇重心縱向位置對航行性能影響較大。為有效控制海豚運動及艇首的波浪抨擊，必須對全船結構重量、舾裝重量、油水備品裝載重量進行精確分析計算[1]。

1.5 主要技術參數

總長12.70 m，含首尾附體總長13.80 m，船長11.25 m，最大船寬(含護舷)3.334 m，型寬2.85 m，型深1.37 m，設計吃水0.60 m， 滿載排水量7.20 t，設計載重量2.00 t，護舷氣囊直徑0.5 m，氣室數7個，續航力300 n mile，乘員定額10人。

1.6 艇體的布置

全船總布置圖見圖1。艙室布置具體如下：

圖1 12.7 m高速艇總布置圖

(1)艉～Fr3為機艙，內設2臺221 kW柴油舷內外機。

(2)Fr3～Fr6為后油箱艙，內設1個600 L鋁合金柴油燃料箱。

(3)主甲板以下Fr6～Fr13為前油箱艙，內設1個900 L鋁合金柴油燃料箱，油箱兩側為浮力空艙；主甲板以下Fr13～Fr15為浮力空艙。主甲板以上為開敞駕駛艙，配鋁質駕駛臺1套，駕駛座位2個，騎乘式乘員座位8個，駕駛艙上方配1座鋁合金天棚；天棚上布置航行燈架1座、旗桿插座、雷達天線等。該處下凹甲板區域配備自動排水系統。

(4)Fr15～Fr20為前封閉艙室，用于存放備品備件。

(5)Fr20～艏為艏尖艙室，內設錨鏈(索)及錨。

1.7 抗沉性

本艇具有良好的抗沉性能。其充氣護舷分隔為7個主氣囊室，且浮力空艙中填充阻燃EVA泡沫，全艇艙室在完全充滿水或傾覆狀態下不會沉沒。

1.8 燃油和淡水儲量

本艇燃油儲備1 500 L，淡水儲備110 L。

1.9 主機及設計航速

本艇安裝2臺D4-300-DP柴油舷內外機。單機額定功率221 kW，額定轉速3 500 r/min，油耗57.5 L/h,排放標準US EPA Tier 3。

本艇滿載且在風力不超過蒲氏二級的靜水試航，2臺221 kW舷內外機滿負荷的工況下，航速不少于35 kn。

1.10 艇體的結構

艇體采用中國船級社認可的船用5083H116鋁鎂合金材料制造，其結構為縱骨架式結構，其中：船底外板6 mm，舷側板4 mm，主甲板4 mm，艙壁板4 mm，結構設計均滿足《小船法規2016》對鋁合金高速船的要求。

1.11 結構防火

本艇機艙整體四周采用不燃材料(船用鋁鎂合金5083H116)圍閉。

機艙與后油箱艙的相鄰限界面設25 mm厚度A30巖棉隔熱材料，其表面應防止油類吸附。

機艙后壁與救生筏存放處所相鄰的限界面，設25 mm厚度A30巖棉隔熱材料，其表面應防止油類吸附。

機艙設有風油應急切斷開關，能在機艙外的駕駛臺遙控。

2 充氣護舷技術特點

剛性充氣艇的典型特征就是設置較大的充氣護舷，護舷的直徑一般取500 mm至600 mm[1]，本艇取500 mm。大尺寸的護舷耐撞擊、易維護，采用膠粘方式固定在船舷兩側舷頂位置。與艇體結構比，其重量較輕，有利于控制艇體重心高度，在船舶橫傾時護舷提供了較大的浮力和復原力矩，以確保惡劣海況下航行安全[1]。

本艇充氣護舷采用海帕龍(HYPALON)材料制造，氣囊采用1.1 mm PU(聚氨脂)無臺階焊接成型，設有7個獨立氣密室，任一氣室破損時不會導致整艇功能喪失。艇艏部分加裝防護罩1件以保護充氣護舷。舷側設拉手和救生繩。

3 剛性充氣艇的穩性

根據《小船法規2016》，本艇的完整穩性應滿足對平靜水域營運限制區域高速船舶的要求，且必須通過實船試驗檢驗回航時的穩性。由于本艇屬于敞口船，首制船還應通過灌水試驗驗證破損穩性[2]。

對于剛性充氣艇新船型，審圖機構在審核圖紙過程中，要求計算完整穩性時護舷體積不得計入，做實船灌水試驗時護舷必須處于未充氣狀態，理由是護舷材料的強度無法達到船體結構件同等要求。此項要求導致“剛性充氣艇”這一新船型的優越性無法在送審圖紙中體現，扣除護舷體積的貢獻后船型性能大打折扣，有些船型可能不得不增加船寬以滿足審圖要求。隨著國內外剛性充氣艇船型數量增加，有足夠工程數據積累基礎后，法規應針對護舷參與穩性計算給出具體條件,允許滿足條件的護舷體積計入穩性。

4 無人化發展趨勢

將鋁鎂合金船體與剛性充氣護舷組合而成的新一代執法艇船型，其重量輕、航速快、耐波性好、抗撞擊、機動靈活的優點，特別適合無人化發展。以本艇為例，未來可以根據不同的任務需求，進行控制系統模塊化設計，改裝成無人環保監測艇、無人引航艇、無人搜救艇、無人海警巡邏艇等[1]。

5 結語

本船型首制船于2019年底下水后，輕載試航航速達到40 kn，顯示出卓越的快速性和安全性。研究及實踐結果表明：采用鋁鎂合金艇體與充氣護舷組合而成的新船型，總體性能優良，綠色節能效益顯著，未來該類新船型必將在公務及商用領域展示出巨大的應用價值。