2012年高速艇设计--复习内容

一、绪论

高速船定义：

按照IMO《2000年国际高速船安全规则》1.4.30的定义，高速船是指最大航速等于或大于下述数值的船舶：V≥3.7▽0.1667m/s（式中：▽为满载排水量Δ对应的排水体积，单位m3；V为船舶满载排水量时以额定的最大持续推进功率在静水中航行所能达到的航速），可以看出：对于排水量不同的船，需要达到不同的航速才能称之为高速船。

高速船的分类：

高性能船的分类方法有两种：一是按照船的流体力学支承原理来划分，可以分为水浮力型、水动升力型、气垫压力型、空气动升力型和复合型等五类高性能船；二是按照船身布局来划分，可以分为单体船、双体船和多体船等三类高性能船。现按照第一种分类方法，对各类高性能船作一概括。各类高性能船的分类见下图：

(1)水浮力型高性能船

这种高性能船虽与常规排水量船相似，利用水的浮力支承船的重量，但为减少水的阻力和波浪的干扰，其船体形状(因而浮力分布)不同于甚至大大不同于常规船。属于这种高性能船的有圆舭型过渡型船、深V型船、高速双体船、穿浪双体船和小水线面双体船等。

(2)水动升力型高性能船

利用高速运动的滑行面或水翼所产生的水动升力支承船的重量，其优点是升阻比高。滑行艇和水翼船就是这种类型的船。

(3)气垫压力型高性能船

依靠船底下封闭气垫的静压力，把船体抬离水面以减少水的阻力。这种高性能船称为气垫船，主要分全垫升气垫船和侧壁式气垫船两种。

(4)空气动升力型高性能船

这种高性能船就是地效翼船，它凭借其翼化船身贴近水面高速运动时产生的水面效应，获得很高的气动力升阻比，能作超高速贴水(但不触水)航行。

(5)复合型高性能船

将上述两种(或多种)流体力学支承原理加以复合而形成的新型高性能船，它兼有原型之长，而无原型之短，如水翼双体船、气垫双体船等。

二、单体高速船

普通单体船与高速单体船的航行状态的差别：

在《船舶阻力》课程中，已知一般排水型船，尽管按航速可以划分为低速船、中速船和高速船，但总的来说，所对应的速度范围较低，即使所谓高速船，其傅汝德数F N亦在0.35左右居多。而它们在航行过程中的航态几乎有一共同特点，即与静浮状态没有明显的差别，亦即航行过程中航态改变不大。

但高速艇在航行过程中不但航态与静浮时有显著不同，而且在不同航速时，航态的改变情况亦将完全不同。根据已有试验表明：高速船在航行过程中，船体各部位的吃水较静浮时将发生变化，而且随着航速增大，这种各部位吃水变化将变得更为明显。下图是一般高速艇在一定速度范围内随航速变化，艇首、尾和重心处的吃水变化情况。

1. 滑行艇

滑行艇的艇型特点：

考虑到既要满足快速性的要求，又要考虑到航海性能方面的问题，所以滑行艇的艇型特点一般地由这几方面来表征：

1）剖面形状采用V型或称折角型

采用折角型剖面的目的为了使水流尽快脱离艇体，减小阻力。同时这种剖面形状的水动力性能较圆舭型(或称U)为佳，利于艇体上抬，提早滑行。此外由于采用圆舭型剖面时水流脱离艇体不如折角型快，因而飞溅严重，会导致阻力增大。所以从阻力观点来看，滑行艇选用折角型剖面是有利的，目前采用圆舭型剖面的滑行艇几乎少见。

2）艇体剖面保持一定的斜升角

一般说来，沿艇长方向各剖面的斜升角是变化的。首部的斜升角很大，向艇尾方向迅速减小，

在尾部可接近0度。其原因在于综合了艇体阻力，耐波性和操纵性诸方面的要求。从阻力性能看，已有资料证明斜升角越小，升力效应越好。但斜升角过小，特别是首部，在波浪中航行时，将引起严重拍击。因而增大首部的剖面斜升角，可以有利于缓和严重的拍击。由于尾部在波浪中拍击要较首部小得多，所以主要着眼于阻力性能，可取根小的斜升角。同时应该注意到，保持一定的升斜角，可以使中纵剖面面积不至过小，这有利于满足操纵性的要求。

3）艇体的长宽比L/B较过渡型快艇小，其目的在于增加艇体展弦比，以提高水动力性能。

滑行艇艇型与过渡型快艇的某些相似之处主要表现在：为了防止底部产生负压，所以都要求有平直的纵剖线；都具有较瘦削的进流水线，以及均采用方尾等等。典型的滑行艇艇型如下图。

滑行艇的航态特征：

当滑行艇处于全滑行状态下，由于所受到的流体动力与一般排水型船，甚至过渡型快艇都

有质的区别，因此表现有明显的航态特征:

1）艇体重心被抬高。全滑行状态下，艇体重量几乎全部由艇底产生的动压力所支持。艇体重心上升到静浮状态之上，艇底动力压的大小与航速的平方成正比关系，因此航速越高，则艇体重心升高越大。

2）艇体纵倾角和湿面积随航速而变化。由于艇体重心升高与航速有关，故在不同航速下的艇体湿面积是不同的。另外由于不同航速下，艇底纵向压力分布是不同的，因而对尾板的力矩是变化的，所以航行纵倾角、湿长度等均随航速而变化。

3）滑行艇在滑行过程中出现有明显的“飞溅“现象。在驻点线前面射向两舷外侧的喷射水流称为“须状飞溅”该部分飞溅面积亦是艇体湿面积的一部分，因而将影响到摩擦阻力成分。另外在须状飞溅的后面形成水膜的飞溅称为“主飞溅”。

滑行平板的流体动力分析：

滑行平板的总阻力包括两部分，即摩擦阻力R F和压差阻力△tga。此压差阻力又称剩余阻力，它是喷溅阻力和兴波阻力之和。当速度增加时，兴波阻力所占的比例逐渐减小，高速时，剩余阻力几乎全部是喷溅阻力。

滑行艇阻力的近似估算法：

在初步设计阶段中，有时需要粗略地估算滑行艇的阻力或马力，因此常可选用某些近似估算关系式进行。这类方法较多，其主要依据母型艇或有关归纳资料而得到。

断级艇滑行艇的性能：

为了进一步提高滑行效率，可以在滑行艇底部作成横向断级形式，下图是单断级滑行艇的艇型。

当艇底采用断级时，水流流经断级后离开艇底，经一定距离后再与第二级艇底接触，直至尾缘。这样，艇底形成前后两个滑行面。前后滑行面之间有一空穴。因此采用断级艇不但滑行面的展弦比增加了，从而提高了滑行面的水动力性能，而且在航行过程中可以进一步减小艇的湿面积。所以，在高速时，断级式滑行艇的阻力较低。但在汹涛中，这个优点完全消失。且因艇体重量集中于前后两个滑行面上，而纵向构件在断级处又不连续，所以就结构方面而言，有其明显的缺陷。在严重的波浪情况下，不但耐波性差，甚至还有结构损坏的危险。随着导弹武器的使用，对军用快艇的活动半径要求亦在加大，所以除运动艇外，即使是单断级艇在海军快艇中也似乎较少采用。

改善滑行艇喷溅的常用措施：

滑行艇的稳定性：

1. 横向稳定性

一条排水型船横倾后，由于浮心位置向倾侧的一方移动，从而提供了横倾恢复力矩。滑行艇在静浮或低速时也有这样的横稳性，由于船宽比较宽，所以初稳性高比一般船大，横稳性比一般船舶好。

在滑行时，排水体积逐步减少，利用静浮力提供的恢复力矩已不足以保证船的横稳性了，此时要依靠水动力的作用。实际上，水动力提供的横稳性比静浮力提供的大得多。

滑行艇的操纵性：

如果滑行艇尾部装有可调整角度的尾板，则可在风浪中航行时适当加大尾板下压角度，从而减小航行纵倾角，以减小波浪中的运动响应、波浪中附加阻力和砰击加速度。

3. 艇底横向斜升角的影响

斜升角对耐波性影响是与航速密切相关的。低速时影响甚微，而在高速情况下，无论对波浪中的附

加阻力、运动幅值还是冲击加速度，斜升角的影响将十分明显。适当地增大艇体斜升角，可使滑行艇的耐波性得到较显著的改善。

4. 艇的长宽比的影响

长宽比增大后可明显地减小阻力峰值，有利于起滑。从波浪中特性来看，增大长宽比对运动响应和波浪附加阻力均无大的影响，对砰击加速度又可减小。因此近代滑行艇设计，偏向于增大长宽比。

控制滑行艇飞溅的措施：

在滑行艇底部安装纵向防溅条的试验结果表明，对于控制须状飞溅，改善阻力性能是有效的。

2. 过渡型高速艇

过渡型快艇的艇型特点：

改善过渡型高速船航行性能的方法：

由此可见，对过渡型高速船而言，航行纵倾是主要矛盾，使它落在最佳纵倾角附近，则可望阻力性能得到较大的改善。要达到这一点，可采取以下方面的措施:

防溅条的参数有它的长度、宽度和安装高度。国内曾做过系列研究，只要防溅条安装得当，可取得减阻2%以上的好处，并基本上防止了甲板上浪的发生。

深V船型：

深V船型的使用特点：

三、水翼船

水翼船的分类：

水翼水动力：

水翼的强度和材料：

水翼艇的耐波性：

水翼艇与滑行艇相比的最大优点，一方面显示它能达到更高的航速范围，另一方面是具有良好的耐波性。

1。水翼艇的耐波性较滑行艇为佳。主要表现在这几方面:

(1)有利于减小升沉运动幅值。由于艇体在波浪中航行时，水翼上下运动而产生的阻尼可以有效地减小升沉运动。同时，水翼艇的升沉加速度较滑行艇有明显的减小。

( 3)减小波浪上的冲击。水翼艇与滑行艇相比在相同情况下它在波浪上所受到的冲击将明显减小。这是因为水翼艇艇体飞离水面，特别是艇首抬出水面后可以减小波浪冲击作用的缘故。

(4)改善了淹湿性和飞溅性。

四、高速双体船

片体与阻力的关系：

五、小水线面双体船小水线面双体船的布局：

（4）附加的稳定鳍

小水线面双体船的特点：

六、气垫船

气垫船的分类：

气垫船分为两大分支。一个分支是全垫升气垫船，就是船体全部由气垫支承而和水(地)表面完全脱离的那种船舶，采用空气推进器推进，具有水陆两栖能力。

另一分支就是侧壁式气垫船，美国人称之为表面效应船，简称SES。船的两舷刚性侧壁插人水中，首部和尾部仍有柔性围裙(气封装置)，用以封闭气垫。船航行时，由于刚性侧壁仍在水中，所以没有两栖性，但节省不少气垫功率，又可以向大型化发展。这类气垫船用水中推进器推进。

气垫原理：

气垫船的垫升系统：

气垫船的围裙：

为了保证气垫船的稳定性，船底设有纵向和横向稳定围裙。稳定围裙有十字形和T字形两种。气垫船的快速性：

稳定性：

七、地效翼船

地效翼船牵涉到地面效应、动力增冲、动力气垫以及运动稳定性等原理。

地面效应：

当机翼以正攻角贴近地面飞行时，有两方面效应：一是翼下表面处气流受到阻滞而产生正压导致升力增长，可称之为动态气垫;二是机翼贴近地面，阻碍了气体从下翼面经翼端至上翼面的横向绕流，因而减少了下洗流，降低了诱导阻力，使机翼的有效展弦比增大。

相对飞高越小，地面效应越强烈。升力系数斜率越陡，升阻比越大。也就是说，有效展弦比变得越大。一般情况下，对于正的机翼攻角，攻角越大，地面效应越强烈，对于负攻角，情况正好相反。

动力增冲：

所谓动力增冲就是将发动机配置在地效翼的前面，把其喷出的气流引人翼下，增大翼下表面压力，使翼在低速甚至零速时就有足够的升力起飞。